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我們為學生提供一個標準的基礎烤箱設計，挑戰是他們要為太陽能烤箱設計隔熱層，從而引入綠色環保工程的相關概念。根據烤箱的保溫能力以及保溫材料的環保性，對學生的設計進行評估。

故事書先向學生介紹了工程設計挑戰的背景。在開始這一設計挑戰之前，學生還會探索工程師用于評估技術對環境影響的工具——生命周期評估。學生學習使用這一工具，并對紙這種天天打交道的產品進行簡單的生命周期評估。

在設計太陽能烤箱的隔熱材料時，他們將利用從這個活動中學到的材料如何影響環境的知識，以及科學課上學到的能量知識。

本課從提示學生思考太陽能烤箱的設計開始。教師問學生設計太陽能烤箱的目的（或目標）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。在此基礎上，她會提示學生思考，為什么示例中太陽能烤箱這樣設計，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，教師會引導學生將他們的思路與能量，特別是熱能，聯系起來。她會進一步提示學生思考烤箱中能量的來源，以及它是如何工作的。

她還要幫助學生認識到，在設計產品的各個部分時要考慮熱量保存，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。

設計活動的第一步是收集“科學”數據，為工程決策和設計提供參考依據——學生們將開展對照實驗，測試現有材料（鋁箔、泡沫塑料、毛氈、塑料和報紙）作為隔熱材料的性能。

首先，學生們仔細研究了熱的不良導體和良導體，確定每種材料的特性，并對其作為不良導體的隔熱能力進行預測。他們建立僅有一個變量的對照實驗，以測試每種材料的隔熱性能。他們對每種材料都進行兩次測試——一次使用“完整”材料，一次使用“碎屑”材料。

學生會做出預測，哪種材料是他們認為最好的隔熱材料，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，教師會向學生提問，杯中的空氣溫度會怎樣變化及其原因。這促使學生思考這個系統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。

學生每30秒記錄一次杯中空氣的溫度來收集數據。數據收集完成后，學生通過計算每種材料的溫度變化來分析數據。

在課堂上，學生描述觀察到的溫度變化，教師再以“熱能到哪里去了？你為什么這么認為？”等科學問題讓學生思考系統中的熱運動情況。

學生在分析數據時會繼續反思。全班同學會建立一個從熱的不良導體到熱的良導體的隔熱量表，并根據測量的溫度變化，找到每一種測試材料（復合或完整/碎屑）在量表上的位置。在對材料進行排名后，學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。

借助這些數據，學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象進行觀察并解釋。學生在反思材料的哪些特性能很好地起到隔熱作用后，再繼續思考每種材料對環境的影響。

在材料探索的最后階段，學生會考慮材料對環境的影響。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（是否循環使用過），或者可否回收利用。學生將建立第二個量表即環境影響量表，按照對環境影響從小到大的順序，將每種材料放在對應的位置。

在教師的指導下，學生會仔細考慮這兩個材料性質量表（隔熱性和環境影響）。他們權衡材料的優劣，并仔細考慮在設計中可能使用哪種材料。

當收集到更多的信息以應用于設計選擇時，學生會提出問題并開展相關實驗，這也強化了對能量相關科學概念的理解。他們還運用數學工具來理解和比較這些結果。

當學生圍繞隔熱設計進行頭腦風暴時，他們就會（或應該）應用所學的知識。然后，學生設計太陽能烤箱的隔熱材料，需要平衡隔熱性能以及對環境的影響。他們要規劃整個設計并制作樣品。

學生將太陽能烤箱放在陽光或強光下進行測試，每隔5分鐘記錄烤箱內溫度，持續30分鐘。然后，再將烤箱放到陰涼處，記錄下烤箱內溫度每分鐘下降的情況，持續10分鐘。

學生用以下分值評估設計：

? 熱度得分（將烤箱達到的最高溫度與對照組進行比較）；

? 時間得分（將烤箱放在陰涼處時，用了多長時間恢復到原來的溫度）；

? 環境影響得分（所用材料對環境的影響）。

根據這些單項指標，學生算出一個總分。他們要觀察自己和同學們的烤箱及其性能，每個小組都要反思設計中哪些地方做得好，以及應該如何改進。然后，他們需要至少再重新設計和測試一次。

基于真實世界的背景，他們得以拓展與解決當前問題有關的知識，同時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的過程中能夠應用這些知識。

太陽能烤箱隔熱工程挑戰要求學生運用并進一步強化與能量、能量傳遞和隔熱材料相關的科學概念。通過實踐應用，學生對一些科學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（如熱的不良導體和熱的良導體）。

? 熱是能量的一種形式。

? 能量可以從一個物體或材料轉移到另一個物體或材料上。

? 熱能總是從溫度較高的地方轉移到溫度較低的地方。

我們的研究表明，與僅學習科學且不學習任何工程的學生相比，參與此整合工程單元的學生科學學科的學習效果確實更好。不出所料，通過在相互關聯和有意義的情境中應用所學的科學概念，通過精心的項目設計將科學和工程整合在一起，可以加強學生對工程和科學的理解。

此外，設計太陽能烤箱活動為學生提供了一個機會，讓他們了解到數學是多么有用和重要。學生在工作時收集數據、創建表格并計算，以根據規定的標準，最大限度地發揮產品的設計功能。

對于許多學生來說，這些數學主題可能不是他們目前在數學課上學習的內容。然而，計算能力（如測量、計算差值和變化率），以及創建圖表來展示和分析數據，需要在整個學校教育中不斷加強。

（本文摘編自《基于項目的小學工程教育》）