学习目标
- 科学知识可以用于设计，建造和评估设备。
- 工程是一个包含设计、测试、再设计和再测试的迭代过程。
- 工程师必须记录他们的设计过程，并提出他们的解决方案的问题。
课程内容
- 学生将在实验站的热箱中测试他们的企鹅房屋。
- 学生将分析他们的企鹅房屋，并确定哪些功能最成功地减慢了热传递。
- 学生需要指出他们的企鹅房屋减少了哪种热传递的方式。
- 学生将根据测试结果重新设计建造企鹅房屋，并对房屋进行重新测试。
课程目标
在本课结束时，学生将能够：
- 对减慢热传递的房屋进行评估和比较，并说出它们是如何工作的
- 判断房屋隔热效果的有效性
课程简述
- 在热箱中进行测试。（20分钟）
- 企鹅在热箱中进行测试需要一定的时间，让学生在这段时间内在网络上搜索关于新型建材的知识。或采用PowerPoint讲解有关新型建材的知识。
- 测试结束，分析讨论结果。（20分钟）
- 让学生记录他们想在自己设计上做的修改，然后用剩下的钱购买更多的材料，或者重新配置已经购买的材料。（20分钟）
- 在热箱中测试重新设计过的小屋。（20分钟）
- 观察第二次测试的结果并记录在故事板上。（10分钟）
- 分析和讨论结果。（20分钟）
背景
鼓励合作，而不是竞争。让学生彼此分享他们的成功和失败，并向成功者学习。目标是拯救企鹅，不是赢得比赛。重新设计阶段是最重要的。在热箱的第一次测试后，让学生小组之间讨论他们的设计，吸取经验教训，来改善设计。如果学生坚持要选出一个“赢家”，在第二次测试中，能拯救更多企鹅的小组获胜。。
教师材料
- 4个 带夹具的灯
- 1个 黑色储物箱（或黑色喷漆箱）
- 企鹅冰块（为每组学生准备1个）
- 1个 数字计时器
- 1个 电子天平（精确到0.1克）
- 1卷 铝箔
学生材料（每组）
- 1个 材料盒
- 1个 故事板（来自于第一课）
- 1盒 彩笔或铅笔
- 1个 塑料烧杯（不标重量，作为测试杯）
- 1个 塑料烧杯（标有重量，作为救援杯）
课前准备
- 第5课前一天，准备企鹅冰块。
a.使用医用注射器，分配等量的水到每个冰块（10 - 16毫升取决于冰块模具的大小）。
b.确保每个冰块使用了相同的水，使企鹅具有相同的质量，水的密度为1克/毫升（即16毫升水等于16克）。 - 称量每组的救援杯（大概的重量为 2.8克），用马克笔在上边写上杯子的质量。杯子可以干燥，反复使用。
-
准备用来测试学生设计的“热箱”。使用黑色储物箱（或黑色喷漆箱），在里侧的四个面铺满铝箔，保持黑色的底部是暴露的。然后放置四个灯在热箱周围，照射热箱的底部和铝箔。最好将4盏灯连接在一个插座上，这样你可以用一个开关把所有的灯都打开或关上。
热箱
- 在黑板上准备一张图表让学生填写测试结果，或者记录在故事板上。这也可以在Excel或交互式白板上进行记录。
- 当学生的房屋在热箱测试时，进行一个15分钟的活动。建议活动：
- 学生通过搜索研究现代工程建筑材料。
- 动物园和其他企鹅栖息地中安装有很多网络摄像头供大众使用。例如谷歌企鹅摄像头可以让学生看一些生活的企鹅正在做的事情！
- 提供PowerPoint演示文稿“创新建筑材料”。
课程步骤
- 打开热箱上方的灯，预热20分钟左右。通过预热，热箱底部的表面将受热均匀，然后再进行下一步。
- 给每组学生一个塑料烧杯。让每组的一个学生拿好他们的测试杯排队，准备接收他们的企鹅冰块。
- 从冰箱里拿出企鹅冰块并快速分发到每个烧杯中。
- 指导学生尽快把企鹅冰块放入到他们的小屋中，然后将小屋放到热箱里（同时）。在放小屋的过程中将灯关掉几秒钟，以降低烧伤学生的风险。当放置好企鹅房屋后，打开灯，将定时器设定为20分钟。
教师注意：注意20分钟大约是一个“无家可归”的企鹅冰块完全融化的时间。一定要添加一个“无家可归”的企鹅冰块作为控制组（对照组）。只需在热箱中放置一个有企鹅冰块的塑料烧杯。20分钟后，企鹅将融化为一个非常微小的冰块。 - 在测试进行过程中，让学生进行15分钟的活动。活动内容在第五课课前准备中。
- 当定时器在20分钟后发出声音后，关掉灯而不要接触灯泡或灯的圆顶，因为它们会非常热！把灯挪开，请学生快速取回各自的小屋。
- 指导学生快速取出企鹅冰块剩余的部分并放入救援杯中。
教师注意：确保学生不把液体“企鹅汁”倒入救援杯！
测试数据
- 让学生把救援杯放在电子秤上，记录救援杯和剩下的冰块的总质量。学生将通过减去烧杯质量来得到他们拯救的企鹅冰块的最终质量。
教师注意：如果学生们担心他们的企鹅块在排队等候的时候继续融化，提醒学生，无论冰是否融化，留在杯子里的水和冰仍然代表企鹅的总质量。 - 请学生在黑板上写下他们的测试结果，以及自己房屋的成本。
- 让学生在故事板上新的区域记录这部分的结果。
- 让全班同学分析测试结果：
a.分析性能最好的企鹅房屋（企鹅冰块剩余质量最多的房屋）。
b.言行得体地分析表现不好的房屋，并给出可以提高性能的建议。
c.问学生以下问题：
哪个房屋的设计最有效地阻碍了热传递？
为什么这些设计能有效地阻碍热传递？
在每个部位的设计中，阻碍了哪种方式的热传递？ - 让学生在故事板上记录他们对设计的修改。如果时间允许，请他们绘制出新的企鹅房屋设计方案。
延伸知识
数学延伸：从第5课获得的数据，可以用来讨论斜率、线性方程、插值和外推数据点的值。让学生制作图表来确定：
- 房屋设计成本加制造成本和企鹅冰块剩余的最终质量之间是否存在关系（数据须来自有效的房屋设计）？
- 房屋成本和企鹅冰块剩余的最终质量之间是否存在关系？
重新设计阶段
课前准备
- 在本课的前一天晚上，准备一份新的企鹅冰块，或者在一开始就准备两份企鹅冰块，如果重新设计是在测试的当天进行的话。由于冰会随时间升华而失去质量，所以你应该在每个测试前的晚上做一份新的样本。使用医用注射器确保每只企鹅具有相同的质量。
- 你可以打印一份获奖证书，这样你就可以在课堂上将填写“优胜者”的名字证书发给某个小组。
- 复制后测题（附录B），并分发给学生，在重新设计的房屋在热箱中进行测试时，让学生填写。
课程步骤
-
允许学生15-20分钟修改他们的设计。
重新设计的企鹅房屋
- 像之前一样重复测试过程。
- 当小屋在热箱中测试时，让学生完成后测试题（附录B）。如果学生提前完成后测实体，让他们完成故事板上的工作。
- 当计时器响起，重复称量剩余企鹅冰块的步骤，并将数据记录在黑板上进行讨论。
- 让学生在故事板上记录他们最终的设计和测试结果。
教师注意：如果任何团队在测试后拯救了很多质量的企鹅冰块，那么他们应该作为合格的工程师被获得称赞。 - 问学生他们喜欢和不喜欢这个课程。使用学生的反馈信息来帮助你规划未来的把工程设计和科学结合起来的课程。
- 确定获胜的团队并分发给每个团队成员证书 。
教师注意：下面是一个建议的奖项清单。
- 有效设计奖–颁发给拯救最多企鹅冰块的团队。（取前三名）
- 最佳完善奖–授予从第一次测试到第二次测试改善最多的团队。
- 最佳财政奖–奖励给至少拯救了一半企鹅的团队中成本最低的团队。
- 改进设计奖–授予改进了设计方案，在第二次测试中拯救了更多的企鹅冰块的团队。
-
人民选择奖–授予由学生投票决定的他们最喜欢的设计。
奖励证书
总结
- 总结课程中学到的知识和能力。以下是一些可供选择的问题：
工程：工程师遵循工程流程设计来解决问题。
- 你在设计一个解决问题的方案时使用了什么流程？
- 为什么这个课程称为“拯救企鹅”？
- 如何在家里通过节能帮助远方的动物？
- 工程师是如何帮助人们和动物的？
- 在本课程中，你需要了解什么科学概念来帮助你成为一个好的工程师？
- 在设计你的房屋时你受到了哪些方面的约束？
- 为什么重新设计是很重要的？
- 为了设计并建立最好的企鹅房屋，你认为需要知道哪些工程实践经验？
科学：热传递 - 热传递的一些规则是什么？（它从暖的区域传递到冷的区域，它是热能在运动，它有三种不同的传递方式）
- 描述三种热传递的方法。
- 热的良导体和不良导体之间的区别是什么？
- 为什么相同温度的金属托盘摸上去比塑料托盘冷？
- 如果冬天你坐在一个金属的凳子上，你会有什么感觉？为什么？
- 如果冬天你坐在一个塑料的凳子上，会有不同的感觉吗？为什么？
- 哪种材料阻碍传导/辐射/对流的能力最好？
- 组合材料中哪种组合效果最好？为什么？
- 对你来说，课程中最有趣的部分是什么？
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