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我們?yōu)閷W(xué)生提供一個標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)烤箱設(shè)計(jì)，挑戰(zhàn)是他們要為太陽能烤箱設(shè)計(jì)隔熱層，從而引入綠色環(huán)保工程的相關(guān)概念。根據(jù)烤箱的保溫能力以及保溫材料的環(huán)保性，對學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)行評估。

故事書先向?qū)W生介紹了工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的背景。在開始這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之前，學(xué)生還會探索工程師用于評估技術(shù)對環(huán)境影響的工具——生命周期評估。學(xué)生學(xué)習(xí)使用這一工具，并對紙這種天天打交道的產(chǎn)品進(jìn)行簡單的生命周期評估。

在設(shè)計(jì)太陽能烤箱的隔熱材料時(shí)，他們將利用從這個活動中學(xué)到的材料如何影響環(huán)境的知識，以及科學(xué)課上學(xué)到的能量知識。

本課從提示學(xué)生思考太陽能烤箱的設(shè)計(jì)開始。教師問學(xué)生設(shè)計(jì)太陽能烤箱的目的（或目標(biāo)）是什么，并回顧太陽能烤箱的4個組成部分——反射器、箱體、窗口和烤盤。在此基礎(chǔ)上，她會提示學(xué)生思考，為什么示例中太陽能烤箱這樣設(shè)計(jì)，她會問：“你覺得為什么反射器可用鋁箔制作？”和“為什么烤箱頂部的孔用透明塑料覆蓋？”

然后，教師會引導(dǎo)學(xué)生將他們的思路與能量，特別是熱能，聯(lián)系起來。她會進(jìn)一步提示學(xué)生思考烤箱中能量的來源，以及它是如何工作的。

她還要幫助學(xué)生認(rèn)識到，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的各個部分時(shí)要考慮熱量保存，這是非常重要的。例如，烤箱頂部的窗口用塑料覆蓋，以保存烤箱中的熱量，隔熱材料也可以保存熱量。

設(shè)計(jì)活動的第一步是收集“科學(xué)”數(shù)據(jù)，為工程決策和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)——學(xué)生們將開展對照實(shí)驗(yàn)，測試現(xiàn)有材料（鋁箔、泡沫塑料、毛氈、塑料和報(bào)紙）作為隔熱材料的性能。

首先，學(xué)生們仔細(xì)研究了熱的不良導(dǎo)體和良導(dǎo)體，確定每種材料的特性，并對其作為不良導(dǎo)體的隔熱能力進(jìn)行預(yù)測。他們建立僅有一個變量的對照實(shí)驗(yàn)，以測試每種材料的隔熱性能。他們對每種材料都進(jìn)行兩次測試——一次使用“完整”材料，一次使用“碎屑”材料。

學(xué)生會做出預(yù)測，哪種材料是他們認(rèn)為最好的隔熱材料，然后以小組為單位測試 10 種材料。他們將材料放入杯中后再將杯子放入冰浴，在此之前，教師會向?qū)W生提問，杯中的空氣溫度會怎樣變化及其原因。這促使學(xué)生思考這個系統(tǒng)中的能量是如何流動的——熱能從較熱的杯子流向較冷的冰浴。

學(xué)生每30秒記錄一次杯中空氣的溫度來收集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收集完成后，學(xué)生通過計(jì)算每種材料的溫度變化來分析數(shù)據(jù)。

在課堂上，學(xué)生描述觀察到的溫度變化，教師再以“熱能到哪里去了？你為什么這么認(rèn)為？”等科學(xué)問題讓學(xué)生思考系統(tǒng)中的熱運(yùn)動情況。

學(xué)生在分析數(shù)據(jù)時(shí)會繼續(xù)反思。全班同學(xué)會建立一個從熱的不良導(dǎo)體到熱的良導(dǎo)體的隔熱量表，并根據(jù)測量的溫度變化，找到每一種測試材料（復(fù)合或完整/碎屑）在量表上的位置。在對材料進(jìn)行排名后，學(xué)生就可以生成柱狀圖以比較這5種材料在完整或碎屑狀態(tài)下的溫度變化，并將它們與沒有隔熱材料的對照組比較。

借助這些數(shù)據(jù)，學(xué)生需要從熱能和空氣流動的角度，對碎屑材料的隔熱性能比完整材料好這一現(xiàn)象進(jìn)行觀察并解釋。學(xué)生在反思材料的哪些特性能很好地起到隔熱作用后，再繼續(xù)思考每種材料對環(huán)境的影響。

在材料探索的最后階段，學(xué)生會考慮材料對環(huán)境的影響。他們要確定每種材料是天然的還是加工過的以及需要多少量（能減少材料的使用量嗎？），材料是否曾用于其他的目的（是否循環(huán)使用過），或者可否回收利用。學(xué)生將建立第二個量表即環(huán)境影響量表，按照對環(huán)境影響從小到大的順序，將每種材料放在對應(yīng)的位置。

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生會仔細(xì)考慮這兩個材料性質(zhì)量表（隔熱性和環(huán)境影響）。他們權(quán)衡材料的優(yōu)劣，并仔細(xì)考慮在設(shè)計(jì)中可能使用哪種材料。

當(dāng)收集到更多的信息以應(yīng)用于設(shè)計(jì)選擇時(shí)，學(xué)生會提出問題并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這也強(qiáng)化了對能量相關(guān)科學(xué)概念的理解。他們還運(yùn)用數(shù)學(xué)工具來理解和比較這些結(jié)果。

當(dāng)學(xué)生圍繞隔熱設(shè)計(jì)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴時(shí)，他們就會（或應(yīng)該）應(yīng)用所學(xué)的知識。然后，學(xué)生設(shè)計(jì)太陽能烤箱的隔熱材料，需要平衡隔熱性能以及對環(huán)境的影響。他們要規(guī)劃整個設(shè)計(jì)并制作樣品。

學(xué)生將太陽能烤箱放在陽光或強(qiáng)光下進(jìn)行測試，每隔5分鐘記錄烤箱內(nèi)溫度，持續(xù)30分鐘。然后，再將烤箱放到陰涼處，記錄下烤箱內(nèi)溫度每分鐘下降的情況，持續(xù)10分鐘。

學(xué)生用以下分值評估設(shè)計(jì)：

? 熱度得分（將烤箱達(dá)到的最高溫度與對照組進(jìn)行比較）；

? 時(shí)間得分（將烤箱放在陰涼處時(shí)，用了多長時(shí)間恢復(fù)到原來的溫度）；

? 環(huán)境影響得分（所用材料對環(huán)境的影響）。

根據(jù)這些單項(xiàng)指標(biāo)，學(xué)生算出一個總分。他們要觀察自己和同學(xué)們的烤箱及其性能，每個小組都要反思設(shè)計(jì)中哪些地方做得好，以及應(yīng)該如何改進(jìn)。然后，他們需要至少再重新設(shè)計(jì)和測試一次。

基于真實(shí)世界的背景，他們得以拓展與解決當(dāng)前問題有關(guān)的知識，同時(shí)也加深了對熱傳遞和隔熱材料的理解。這使得他們在完成工程挑戰(zhàn)的過程中能夠應(yīng)用這些知識。

太陽能烤箱隔熱工程挑戰(zhàn)要求學(xué)生運(yùn)用并進(jìn)一步強(qiáng)化與能量、能量傳遞和隔熱材料相關(guān)的科學(xué)概念。通過實(shí)踐應(yīng)用，學(xué)生對一些科學(xué)概念有了更深的理解，包括以下幾個方面：

? 某些材料比其他材料更容易傳遞熱能（如熱的不良導(dǎo)體和熱的良導(dǎo)體）。

? 熱是能量的一種形式。

? 能量可以從一個物體或材料轉(zhuǎn)移到另一個物體或材料上。

? 熱能總是從溫度較高的地方轉(zhuǎn)移到溫度較低的地方。

我們的研究表明，與僅學(xué)習(xí)科學(xué)且不學(xué)習(xí)任何工程的學(xué)生相比，參與此整合工程單元的學(xué)生科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)效果確實(shí)更好。不出所料，通過在相互關(guān)聯(lián)和有意義的情境中應(yīng)用所學(xué)的科學(xué)概念，通過精心的項(xiàng)目設(shè)計(jì)將科學(xué)和工程整合在一起，可以加強(qiáng)學(xué)生對工程和科學(xué)的理解。

此外，設(shè)計(jì)太陽能烤箱活動為學(xué)生提供了一個機(jī)會，讓他們了解到數(shù)學(xué)是多么有用和重要。學(xué)生在工作時(shí)收集數(shù)據(jù)、創(chuàng)建表格并計(jì)算，以根據(jù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，最大限度地發(fā)揮產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能。

對于許多學(xué)生來說，這些數(shù)學(xué)主題可能不是他們目前在數(shù)學(xué)課上學(xué)習(xí)的內(nèi)容。然而，計(jì)算能力（如測量、計(jì)算差值和變化率），以及創(chuàng)建圖表來展示和分析數(shù)據(jù)，需要在整個學(xué)校教育中不斷加強(qiáng)。

（本文摘編自《基于項(xiàng)目的小學(xué)工程教育》）