拯救企鹅-第四课：企鹅房屋-设计与施工

学习目标

1. 材料可以通过相互结合使用来影响热传递速率。
2. 不同的材料防止不同类型的热传递。
3. 工程师在一系列限制（时间，材料，空间，资金）中工作，运用科学知识和创造力来设计解决问题的方案。

课程内容

1. 基于从材料实验中获得的知识，设计和建造保护企鹅形状冰块的房屋。

课程目标

在本课结束时，学生将能够：

• 结合不同材料的特性，完成一个独特的设计。
• 建造一个可以减慢热传递速率的设备，使企鹅形状冰块不融化。

课程简述

1. 学生讨论工程和工程师是什么（15分钟）
2. 学生根据需要进行额外的实验并分享结果（10分钟）
3. 学生设计初始房屋（15分钟）
4. 学生根据需要在材料站购买必要的附加材料（10分钟）
5. 学生建筑房屋（40分钟）

背景

工程设计过程循环是一个循环的迭代过程，包括识别问题、头脑风暴解决方案、科学研究、设计、测试和再设计。对于这个过程有很多不同的陈述和描述，没有一个过程是“正确的”，但是，下面的循环是一个很好的示例，来告诉学生将在每个部分中做什么。

工程设计过程循环

教师材料

• “什么是工程” PowerPoint
• 7个 带夹具的灯（每组学生一个）
• 1个 黑色储物箱（或黑色喷漆箱）
• 7个 即读数字温度计
• 7个 石膏企鹅-把湿石膏放入企鹅模具中，干燥过夜，并取出备用。
• 玩具货币（每组100美元游戏币）

学生资料（每组）

• 胶水、胶带、剪刀各1个
• 1个 故事板（来自于第一课）
• 1盒 彩笔或铅笔

课前制备

1. 影印“工程设计过程”讲义。
2. 重温“什么是工程”PowerPoint，让学生讨论一个没有工程师的世界会是什么样子，以及一些工程师正在做什么来使世界变得更美好。
3. 设置一个材料站，允许学生适用玩具货币来购买建筑材料。
4. 设立至少三个实验站，最好每组学生一个。
   每个站都需要：

• 1个 带有夹具的灯，放置在18英寸的工作台上
• 1个 数字计时器
• 2个 即读数字温度计

课程步骤

1. 展示“什么是工程”PowerPoint，让学生讨论一个没有工程师的世界会是什么样子，以及一些工程师正在做什么来使世界变得更美好。让学生在故事板上绘制关于对工程的理解。
2. 分配一个石膏企鹅和一个盒子，每组只有一个样品。这些材料是通过“贷款”从材料站获得的，所使用的每种材料的费用必须包含在成本中。（这个步骤减少了购物时间，将一些必备的材料分发给了各组）。
3. 向每个小组分发100美元的游戏资金。向学生解释他们可以使用所有“贷款”来的样品，并允许使用100美元的游戏币在材料站购买额外的材料。他们需要决定在材料站购买哪些额外的材料。

4. 向学生展示价格图。
   *教师注意：以下给出的是建议价格。这些价格是基于材料真实的价格（价格翻了10倍）。
   材料站材料（建议价格）

   
   材料站价格表
5. 学生应该随时更新他们使用在自己小屋设计上的建筑材料。告诉学生在课程结束的时候，他们需要展示一个列表，来显示房屋使用的建筑材料并计算建筑“成本”。
6. 当学生最终决定使用何种材料建造自己的小屋时，让他们将材料添加到故事板上。
7. 让学生开始他们的原型房屋建造，并在材料站购物。
8. 在施工过程中拜访每一组学生。和每个小组讨论他们的设计方案，并确保他们能说出为什么选择设计中使用的材料。使用以下问题进行提问，让学生通过语言表达来展示他们的创造力和逻辑思维：

• 光可以进入冰屋并融化企鹅吗？
• 热气能通过对流进入你的屋子吗？
• 热量从黑色的地板是如何转移到你的屋子里的？
• 减缓热传导/辐射/对流的方法是什么？
• 你的房屋设计有什么特点，以达到在夏天阻隔热量的目的？（密封窗户不让热空气通过对流进入房屋，阁楼阻挡辐射进入卧室，挑檐在全天阻挡光线通过窗户照射进入房屋，使用地下室防止第一层和地面之间的传导，墙壁上的保温材料减慢房屋外部和内部之间的热传导。）
• 你为什么选那个颜色的材料？
• 你有没有对你的材料进行测试，来确保它能达到你想要的效果？
• 一层和多层的材料对比，哪种更好？
• 如果空气是一个很好的隔热材料，你怎么能捕获更多的空气？
• 气泡膜对房屋的隔热能力起到作用了吗？

总结

1. 让学生在故事板上绘制他们的设计方案。让学生标注他们使用的材料，并指出阻碍了哪些类型的热传递。下面是一组八年级学生在故事板上绘制的设计方案，以及第一代“企鹅房屋”样本。

   
   学生故事板上的设计方案
   第一代“企鹅房屋”样本