學(xué)習(xí)目標(biāo)
- 材料可以通過相互結(jié)合使用來影響熱傳遞速率。
- 不同的材料防止不同類型的熱傳遞。
- 工程師在一系列限制（時間，材料，空間，資金）中工作，運(yùn)用科學(xué)知識和創(chuàng)造力來設(shè)計(jì)解決問題的方案。
課程內(nèi)容
- 基于從材料實(shí)驗(yàn)中獲得的知識，設(shè)計(jì)和建造保護(hù)企鵝形狀冰塊的房屋。
課程目標(biāo)
在本課結(jié)束時，學(xué)生將能夠：
- 結(jié)合不同材料的特性，完成一個獨(dú)特的設(shè)計(jì)。
- 建造一個可以減慢熱傳遞速率的設(shè)備，使企鵝形狀冰塊不融化。
課程簡述
- 學(xué)生討論工程和工程師是什么（15分鐘）
- 學(xué)生根據(jù)需要進(jìn)行額外的實(shí)驗(yàn)并分享結(jié)果（10分鐘）
- 學(xué)生設(shè)計(jì)初始房屋（15分鐘）
- 學(xué)生根據(jù)需要在材料站購買必要的附加材料（10分鐘）
- 學(xué)生建筑房屋（40分鐘）
背景
工程設(shè)計(jì)過程循環(huán)是一個循環(huán)的迭代過程，包括識別問題、頭腦風(fēng)暴解決方案、科學(xué)研究、設(shè)計(jì)、測試和再設(shè)計(jì)。對于這個過程有很多不同的陳述和描述，沒有一個過程是“正確的”，但是，下面的循環(huán)是一個很好的示例，來告訴學(xué)生將在每個部分中做什么。
工程設(shè)計(jì)過程循環(huán)
教師材料
- “什么是工程” PowerPoint
- 7個 帶夾具的燈（每組學(xué)生一個）
- 1個 黑色儲物箱（或黑色噴漆箱）
- 7個 即讀數(shù)字溫度計(jì)
- 7個 石膏企鵝-把濕石膏放入企鵝模具中，干燥過夜，并取出備用。
- 玩具貨幣（每組100美元游戲幣）
學(xué)生資料（每組）
- 膠水、膠帶、剪刀各1個
- 1個 故事板（來自于第一課）
- 1盒 彩筆或鉛筆
課前制備
- 影印“工程設(shè)計(jì)過程”講義。
- 重溫“什么是工程”PowerPoint，讓學(xué)生討論一個沒有工程師的世界會是什么樣子，以及一些工程師正在做什么來使世界變得更美好。
- 設(shè)置一個材料站，允許學(xué)生適用玩具貨幣來購買建筑材料。
- 設(shè)立至少三個實(shí)驗(yàn)站，最好每組學(xué)生一個。
每個站都需要：
- 1個 帶有夾具的燈，放置在18英寸的工作臺上
- 1個 數(shù)字計(jì)時器
- 2個 即讀數(shù)字溫度計(jì)
課程步驟
- 展示“什么是工程”PowerPoint，讓學(xué)生討論一個沒有工程師的世界會是什么樣子，以及一些工程師正在做什么來使世界變得更美好。讓學(xué)生在故事板上繪制關(guān)于對工程的理解。
- 分配一個石膏企鵝和一個盒子，每組只有一個樣品。這些材料是通過“貸款”從材料站獲得的，所使用的每種材料的費(fèi)用必須包含在成本中。（這個步驟減少了購物時間，將一些必備的材料分發(fā)給了各組）。
- 向每個小組分發(fā)100美元的游戲資金。向?qū)W生解釋他們可以使用所有“貸款”來的樣品，并允許使用100美元的游戲幣在材料站購買額外的材料。他們需要決定在材料站購買哪些額外的材料。
-
向?qū)W生展示價(jià)格圖。
*教師注意：以下給出的是建議價(jià)格。這些價(jià)格是基于材料真實(shí)的價(jià)格（價(jià)格翻了10倍）。
材料站材料（建議價(jià)格）
材料站價(jià)格表 - 學(xué)生應(yīng)該隨時更新他們使用在自己小屋設(shè)計(jì)上的建筑材料。告訴學(xué)生在課程結(jié)束的時候，他們需要展示一個列表，來顯示房屋使用的建筑材料并計(jì)算建筑“成本”。
- 當(dāng)學(xué)生最終決定使用何種材料建造自己的小屋時，讓他們將材料添加到故事板上。
- 讓學(xué)生開始他們的原型房屋建造，并在材料站購物。
- 在施工過程中拜訪每一組學(xué)生。和每個小組討論他們的設(shè)計(jì)方案，并確保他們能說出為什么選擇設(shè)計(jì)中使用的材料。使用以下問題進(jìn)行提問，讓學(xué)生通過語言表達(dá)來展示他們的創(chuàng)造力和邏輯思維：
- 光可以進(jìn)入冰屋并融化企鵝嗎？
- 熱氣能通過對流進(jìn)入你的屋子嗎？
- 熱量從黑色的地板是如何轉(zhuǎn)移到你的屋子里的？
- 減緩熱傳導(dǎo)/輻射/對流的方法是什么？
- 你的房屋設(shè)計(jì)有什么特點(diǎn)，以達(dá)到在夏天阻隔熱量的目的？（密封窗戶不讓熱空氣通過對流進(jìn)入房屋，閣樓阻擋輻射進(jìn)入臥室，挑檐在全天阻擋光線通過窗戶照射進(jìn)入房屋，使用地下室防止第一層和地面之間的傳導(dǎo)，墻壁上的保溫材料減慢房屋外部和內(nèi)部之間的熱傳導(dǎo)。）
- 你為什么選那個顏色的材料？
- 你有沒有對你的材料進(jìn)行測試，來確保它能達(dá)到你想要的效果？
- 一層和多層的材料對比，哪種更好？
- 如果空氣是一個很好的隔熱材料，你怎么能捕獲更多的空氣？
- 氣泡膜對房屋的隔熱能力起到作用了嗎？
總結(jié)
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讓學(xué)生在故事板上繪制他們的設(shè)計(jì)方案。讓學(xué)生標(biāo)注他們使用的材料，并指出阻礙了哪些類型的熱傳遞。下面是一組八年級學(xué)生在故事板上繪制的設(shè)計(jì)方案，以及第一代“企鵝房屋”樣本。
學(xué)生故事板上的設(shè)計(jì)方案
第一代“企鵝房屋”樣本
