STEM学习  节能小屋

【教学目标】

1．经历“节能小屋”从需求到建成的全过程，能够列举并说明STEM项目学习的大致流程。

2．能够梳理回顾已有知识，并将这些知识应用到问题情境中，对解决问题产生作用。

3．能够识别所要解决的问题，能够将各种想法汇集起来，运用一定的策略形成一个完整的建设方案。

4．能够基于测试结果进行评价反思，并联系前期研究、设计方案等环节，做出调整。

【教学重点】

经历STEM项目学习各环节；针对问题进行前期研究；形成节能小屋的设计方案。

【教学难点】

确定节能小屋的设计方向；在每个设计点上做出决策；基于检测结果开展评价反思。

【教学准备】

教师材料：“问题小屋”模型、PPT课件、相关视频。

学生分组材料：方格绘图纸、2B铅笔、题板、便签纸、纸板（或手工木板、KT板）、竹条（或桐木条）、太阳隔热膜、保温板（或棉花、泡沫板、海绵）、防晒隔热漆、纸板切割机（或儿童手工锯）、热熔胶枪、剪刀、刻刀、直尺、温度计（酒精温度计、热电偶温度计）、50mL烧杯、水。

【教学时间】

4课时

【教学过程设计】

 

第一课时

一、了解需求，明确问题

（一）导入：分析现状，揭示需求

1. 引入课题。

谈话：同学们好！欢迎你来参加《节能小屋》这个项目的学习，看到这个课题，你可能会产生哪些问题呢？

预设：什么是节能？为什么要节能？为什么要建节能小屋？节能小屋长什么样？节能小屋怎么建？……

强调：要想解决这些问题，还得从“能”这个字说起。

2. 认识到化石能源的消耗及其带来的环境污染是全球话题。

（1）谈话：当今社会快速发展，化石能源的消耗及其带来的环境污染，正成为一个全球性的话题。

（出示PPT：能源枯竭、环境污染两幅漫画）

这两幅漫画形象地表达了现在人类所面临的状况。一方面，无节制地开采化石能源，造成能源枯竭；另一方面，无限制地使用化石能源，造成环境污染。

（2）（出示PPT：四张建筑图片）

说到能源消耗的“大户”，大家可能立刻就会想到汽车、飞机、工业生产等，可是，你很可能忽略了这样一类物体——建筑。它们是人们起居作息的庇护，是文化生活的场所；它们是现代化城市的“地标”；它们被誉为“凝固的艺术”……它们有一个共同的名字——建筑。

（3）人们的生产生活一刻也离不开建筑，随着建筑数量的不断增加，功能不断丰富，建筑对2. 认识到化石能源的消耗及其带来的环境污染是全球话题。

（4）（出示PPT文字：建筑能耗越来越大，建筑节能成为迫切需求。）

人们的生产生活一刻也离不开建筑，随着建筑数量的不断增加，功能不断丰富，建筑对化石能源的消耗也越来越大，建筑节能成为迫切需求。

3. 认识到建筑能耗越来越大，建筑节能成为迫切需求。

（1）你可能还没有认识到问题有多严重。

（2）说生活。

① 远的不说，就说我们自己的家，每天饮食起居就要消耗很多能源。

② 在寒冷的冬季，需要靠采暖、空调保持室内的温度；

③ 在炎热的夏季，需要靠空调来隔绝室外的热浪；

④不仅如此哦，干燥时需要加湿，潮湿时需要抽湿，而这些往往都需要消耗能源才能

实现。

（3）说数据

① 让我们再来看一组数据。

建筑能耗在人类整个能源消耗中所占比例竟然高达30—40%，而且上升速度非常快。

②（出示PPT：我国建筑能耗及其占社会能耗的比例）

其中绝大部分是采暖和空调的能耗。在整个建筑能耗中空调系统的能耗占约40%左右。

③（出示PPT：采暖和空调在建筑能耗中占比）

（4）谈体会

① 看到这些数据，你有什么想法？

②譬如，夏天这么热，到底是该用空调呢？还是不该用呢？恐怕你会陷入两难的境地。不用吧，太热了；用吧，消耗能源。怎么办呢？

［设计意图：教师结合现实生活，给出真实数据，用图文并茂的方式，将节能与真实社会需求进行有效链接，使得学生产生参与工程设计的同理心与社会认同感。]

（二）聚焦核心技术，梳理已有知识

1．了解工程师的思维特点，以及他们解决问题的办法。

（1）面对问题，人们都在努力想办法解决。但是不同人解决问题的思路和方法是不同的。

（2）在众多人中，工程师的思维方式很特别。他们是做出一个产品来解决问题。建筑工程师想，让建筑保持冬暖夏凉，但是无须空调和暖气，这不就大大地节能了吗？

(3)（出示PPT：绿建筑图片）

建筑工程师设计出无须空调和暖气也能保持冬暖夏凉的建筑，人们亲切地将这些建筑称为“绿建筑”。

(4)（出示PPT：绿建筑的理念图示）

绿建筑所倡导的理念是，“舒适健康的人居环境”“最少地消耗自然资源”“最少地影响外界环境”。

(5) 在这个项目中，我们要学着建筑工程师的思路来想问题、解决问题。

2．讨论绿建筑的关键技术：保温隔热。

（1）绿色建筑有一个特点，无须空调和暖气也能保持冬暖夏凉。那你认为其中的关键技术是什么？（保温隔热）

（2）什么是保温隔热呢？

①（出示PPT：盖被子睡觉）保温，就是使热量的散发传导速度减慢，使温度保持在一定的数值。就像我们冬天睡觉盖被子，虽然被子不会发热，但是它能使热量不向外散发。

②（出示PPT：棉被盖冰柜的图片）隔热，就是限制或减弱物体之间进行传热，阻止热量进入。还是以被子为例，卖冷饮的商贩会用棉被盖住冰柜，减少冰柜和外界的热传递。

（3）怎么才能做到保温隔热呢？

①除了盖棉被，我们以前学过哪些保温隔热的知识，可以用到绿建筑的设计上，实现保温隔热？

②（出示PPT：保温隔热知识点回顾，逐一点击）讨论：

l  黑色物体吸热效果好。受这一点启发，我们可以选用浅色的材料。

l  我们做过物体导热性实验，知道物体导热性能有的好有的差。这一点提醒我们选择导热性能差的材料，可以起到保温隔热的效果。

l  一年四季影子长短不同，这是由于一年四季中太阳高度的变化所造成的。这一知识点提示我们，可以通过屋檐、遮阳棚等遮挡阳光，来控制阳光的摄入量，冬天让阳光多照进屋内一些，夏天最好不要照到屋子里。

l  双层玻璃具有保温效果。很多建筑采用双层玻璃技术来保温隔热的。

（4）谈话：我们就要带着这些知识储备，挑战一个棘手的任务。

［设计意图：工程就是应用数学、科学和技术领域的概念来系统地解决复杂问题，为学习者提供了一种解释概念的良好背景环境。而学生基于问题，调动头脑中已储备的“保温隔热”知识，更这有助于学生充满动力地参与对概念的理解与运用。]

（三）提出任务，明确问题

1．提出任务。

（出示PPT：运用所学知识建造一个节能小屋）

学校科技创新大赛今年的赛题是“运用所学知识建造一个节能小屋”。

要求是：小屋的长、宽、高分别为21厘米、21厘米、21 厘米，南北朝向，南北都有窗户，墙的厚度不超过2厘米。需在两周内完成。采用冷水升温控制程度检测节能效果。

2．明确问题，预期成果。

（1）这是一个不同于我们以往学习内容的复杂任务，要明确任务要求和需要解决的问题。

（2）（出示表格：活动记录1）

请同学们把建造节能小屋的任务、要求及需要解决的问题填写在表格中。

（3）（出示PPT：测试方法）

我们做成的是一个小房子，这个房子要能接受检测。具体来说，就是模拟夏天高温天气，水温度上升越慢，节能效果越好。

［设计意图：通过识别问题与任务，有助于学生清楚而准确地设计工作目标，规划工程进度，同时厘清工程任务的制约因素与任务标准，据此提出设计观点。]

 

第二课时

二、前期研究

（一）聚焦围护结构，找准节能设计的着眼点

1． 资料学习：低能耗建筑的节能技术。

（1）节能建筑的设计非常复杂，其中会运用很多新的材料、新的技术。让我们来看看这

一幢超低能耗示范楼都运用了哪些节能技术。

（2）（出示PPT：超低能耗示范楼节能技术大搜索）   

这里有很多新技术。譬如：太阳能集热器……搜集相关资料，了解这些节能技术的节能方法，填写表格。

（3）（出示表格：活动记录2）学生小组讨论，并完成记录表。

（4）就活动记录展开交流。

2．认识建筑的围护结构。

（1）如果我们对这些技术进行一个分类，会发现它们都是针对在外墙、门窗、屋顶、地板等方面。这些地方都是房屋的外围结构。

（2）讨论：为什么会有这样的特点呢？

（3）（出示PPT：房屋散热情况动图）

工程师研究了普通房屋的散热情况，他们发现，热量都是从屋顶、墙体、窗户、门、地板这些地方散出去的。

（4）（出示PPT：热量进入房屋情况动图）围合建筑空间四周的墙体、门、窗等，能够有效地抵御不利环境的影响，建筑工程师给它一个专门的名字——围护结构。房屋与外部的热量交换，绝大多数都是通过围护结构进行的。

（5）这里说的是保温性能，反映的是冬季由室内向室外的传热过程。隔热性能反映的是夏季由室外向室内以及室内向室外的传热过程，道理是一样的，热也是通过围护结构进入到房屋内的。

（6）小结：也就是说，房屋的保温隔热，其实就是说围护结构的保温隔热，具体来说，就要在房屋的屋顶、墙体、窗户、门、地板的设计上做文章。

3. 小结：我们要做的事情就是针对围护结构的各个组成部分进行节能设计。

［设计意图：前期调查能为形成设计观点并对设计观点进行批判性分析提供必要的信息。在本项目中，就是要在开始制造节能小屋之前，引导学生对建筑师已有的一些节能措施进行调查与分析，了解其已经做过的工作，从中获得启发与灵感，同时避免重复劳动。]

（二）确定设计点，谋划前期研究的思路

1. 从节能的角度分析房屋模型的问题。

（1）既然要在围护结构上做文章，接下来我们就要进一步思考，屋顶怎么设计，墙体怎么设计，窗户怎么设计，等等。不仅要考虑美观，关键要考虑怎么节能。

（出示两个纸板“问题小屋”模型：一个单面开单门、单窗，不装玻璃，不装门，屋檐短；一个四周全开窗，不装玻璃。）

（2）从节能的角度评价这个房屋，看看存在哪些问题。

预设：

纸板的保温隔热效果不好。

窗户少，采光不够；如果窗户太多太大，冬季保温效果不好，夏季隔热效果不好。

西边窗户太大，容易造成西晒。

屋檐太短，冬季阳光可以更多地射进来，但是夏季太晒。

……

2. 确定设计点。

（1）就某一个部分来说，比如窗户，你会从哪些方面来考虑它的设计呢？（材料的选择，造型，位置、数量等）

（2）注意，这些东西都要组合在一起的，所以还要考虑连接技术。

（3）综合起来看，我们可以用气泡图来确定设计点。

（出示PPT：设计点气泡图）设计点包括：材料、位置、数量、造型、连接点……

3.激发前期研究的需求。

（1）每一个点上又该怎么设计呢？

（2）需要开展一些研究：

l  材料：可以指向下面的材料研究，只以墙体为例；

l  位置和数量：可以指向根据太阳一天移动规律改进窗户设计；

l  造型：可以指向屋檐的造型设计。

（三）动用不同的方法开展前期研究

1. 研究墙体材料的选择。

（1）（出示PPT：房屋散热情况动图）

①根据“房屋散热情况图”，我们可以知道，墙体的散热占了房屋散热的大头，因此首先要考虑墙体设计。

②（出示PPT：选材考虑的各种因素）

选什么材料呢？这里需要考虑的因素很多，比如——

l  价格：价格要低，否则房屋成本太高；

l  隔热性：隔热性要好，否则达不到节能要求；

l  强度：强度要大，否则房屋不够坚固；

l  厚度：厚度要薄，否则人的活动空间就会变小；

l  加工难度：加工难度要小，否则耗费太多人工、时间，不划算；

l  其他因素如：隔音、防水、耐用、辐射、密封性等。

③这其中你觉得首要考虑的因素是什么？（隔热性）

④建筑工程师也是这样考虑的。他们会考察市面上常用的各种建筑材料的特性，首要考察隔热性，再兼顾其他各种因素，反复比较，做出选择，例如材料的隔热性能。

（出示PPT：材料的隔热性能）

(2) 我们怎么选材？

①首先明确要求：墙体不能超过2厘米。

②（出示材料）可选的选材：

l  基本材料：纸板，高密度板；

l  保温隔热材料：隔热涂料，保温板；

进行材料价格测算。

③可能的材料组合，每一种组合都要同时考虑隔热性、价格、强度、厚度、加工难度等因素。

④（出示表格：墙体材料矩阵决策法）现在我们利用这些信息建立一个表格。

⑤你会选择哪一个材料组合呢？请仔细研究每一个因素，完成表格。

⑥用1-5等级给每个项目评分。5代表最重要，1代表最不重要。比如“隔热性”一栏，隔热性最好的就是5分，最差的就是1分。各组完成打分，并合计。

⑦讨论：现在有决定了吗？（如选组合⑥）

（3）小结：选材，要考虑很多因素，可以用“矩阵决策法”这个策略帮助决策。

2. 借助太阳东升西落的模拟实验确定节能小屋窗户的布局。

(1) 谈话：任务要求中提到，节能小屋要求南北朝向，南北有窗户。

①出示问题小屋，现在这个小屋符合要求吗？

②怎么增加窗户？加在哪里？几个？多大？是不是被这一连串问题问得有点晕？

（2）窗户有什么作用？（采光、通风、围护）然而窗户又是最容易造成热量进出的部位，所以说窗户不是越大越好，越多越好。

（3）我们知道，自然界热量的主要来源是太阳。窗户的设计要考虑一天中太阳位置的变化。

（4）演示实验：一天中太阳的移动

①讨论：白天太阳的移动有什么规律？

预设：太阳东升西落。太阳高度有变化，正午的时候最高，早晚低。

②知识补充：以江苏为例，江苏的纬度大约在北纬31°～32°，北回归线大约在北纬23.5°，因此太阳总是在我们的南边。

③这一现象对于改进窗户设计有什么启发？

预设：

l  上午和下午，太阳高度低，如果东西向窗户很大，阳光会大量、长时间照进屋内。

l  特别是下午，如果西边窗户太大，就会造成我们说的西晒。因此，东西两边开小窗户，证一定的采光通风就行了。也可以不开窗户。

l  南、北两边可以开大窗户。

3. 测试屋檐设计对阳光入射量的控制效果。

(1)前面同学们提到，这个房屋的屋檐太短了。

（2）（出示PPT：窗外遮阳装置给你什么启示？）屋檐有什么功能？

预设：①挡雨，防水；②遮阳；③起美观作用。

（2）夏天热，我们希望阳光少照进房间；冬天冷，我们希望阳光长时间照进房间。怎么才能做到呢？屋檐应该怎么设计呢？

（3）讲解：在我们江苏，如果都在正午12:00，夏天和冬天太阳的位置是不同的。夏天太阳高度角大，冬天太阳高度角小。我们学过太阳高度角的知识，太阳高度角越大，辐射越大，气温越高；反之，太阳辐射强度小，气温就低。

（5）现在我们来根据阳光直射点的变化，通过实验模拟冬天和夏天阳光照射房屋的情况。演示实验：手电筒照射纸板房屋模型，调节手电筒的位置模拟四季，看到阳光照射到房间内的情况。

（6）讨论：屋檐怎么设计，有想法了吗？

（7）小结：我们可以给房屋加装屋檐，并且可以调节屋檐的长度，满足要求。

4. 讨论：连接技术的选择。

（1）为什么要把连接技术也考虑在内呢？

预设：因为墙体、门窗、屋顶，各个部分的密封性都要很好。

（2）你们用过的连接技术有哪些？在这个项目上有什么选择吗？（热熔胶枪）

［设计意图：工程设计可以借助模型，来预测所考虑到的不同解决途径在实践中的执行情况。教师引导学生结合“保温节能”这两个因素进行分析，通过实验演示，调动生活经验，识别出切实可行的设计点。]

本课总结：前期研究的意义和成果

1.究竟选择什么材料、造型、数量来实现节能，要建立在研究的基础上。对于一个项目来说，这都叫做前期研究。

2. 经过前期研究，我们在房屋围护结构的设计上，形成自己初步的想法。

 

第三课时

三、设计方案，制作改进

（一）引导学生根据前期研究的结果进行方案设计

1.根据前期的研究，我们现在要集思广益，讨论节能小屋的设计方案了。

2.（出示表格：“节能小屋设计方案表格建构法”）

由于需要考虑的因素非常多，我们可以借助一个叫做“表格建构法”的策略来帮助我们谈论方案设计。

3.发给每个小组一块题板，上面有画好的表格。学生小组讨论并填写。

强调：不管你怎么决定，问自己一句：“我用到的节能技术是什么？”一会儿我们来汇报。（操作提示：节能技术的标出可以用贴标签的方式，在便签纸上写好，贴在题板上。）

（二）小组间交流想法，互评互议，形成最佳方案。

1. 以小组为单位，结合“表格建构法”题板，汇报设计方案。

2. 学生需要说清楚每一点上的想法是什么。教师注意挑战学生背后的想法，或追问：“你这里的节能技术是？”或小结：“你这里的节能技术是……”。

预设：

(1) 墙体：防晒漆隔热

(2) 屋顶：外遮阳，屋檐

(3) 窗户：内遮阳，静电太阳膜

(4) 门：外防晒漆隔热，内保温板隔热

(5) 地板：保温板隔热

4. 将学生所运用的节能技术，用便签纸写好，贴在表格上。

［设计意图：工程设计不是提出单一的正确答案，而是在几个可能的答案中识别出最好的解决途径。学生根据标准用表格法给出切实可行的选项排序，就每个设计的不同优势和缺点进行批判性的评估，有助于他们删选出最佳方案。]

（三）根据设计方案画出设计图。

1.谈话：在制作节能小屋之前，我们必须先画出设计图。对于建筑工程师来说，画设计图是制造建筑非常重要的环节，也是一项非常专业的工作。我们达不到那样的专业要求，我们画的是简单的“设计示意图”。

2.（出示PPT：设计示意图）

（1）画设计示意图是一个把头脑中的想法表现在图纸上的过程。示意图包括三个部分：立体草图：就是节能小屋整体造型是什么样的；

正视图：从正面看小屋是什么样的；

左视图：从左边看小屋是什么样的；

（2）提出要求：每张图上都要标清楚构建具体的尺寸，便于制作的时候裁切用料。

3.发给学生方格绘图纸，学生绘制设计示意图。

［设计意图：对于工程师来说，绘制设计对象是一项非常重要的专业技能。基于小学生的能力水平，尚不能精准地表现出物体的空间感，但可以尝试把简图和想法画下来。三视图就是一种很好的表现方式，一般以主视图为主，高年级的学生还可以尝试绘制俯视图与左视图，图上标注物体的大概尺寸及文字信息，这种形象的表达能够帮助学生简化头脑中复杂的设计思路。]

（四）按照设计方案制作节能小屋。

1. 接下来我们要按照设计方案，制作节能小屋。制作的过程三个人要分好工，合作好。

2.（出示表格：“建造过程问题调整单”）

3.发给学生“建造过程问题调整单”题板。要求：在建造过程中发现问题，应及时作出调整，并明确为什么这样调整。

4.学生制作节能小屋。

［设计意图：学生根据设计图纸建立相应的实物模型，在制作制作过程中发现作品的缺陷或优点，论证设计方案的可行性，并在此基础上获得修改与优化的策略。]

 

第四课时

四、测试与评价反思

（一）介绍节能小屋的检测方法

1. 小屋按照“坐北朝南”的方位放置好。

2. 利用2000瓦钨丝灯从斜上方对节能小屋进行照射，模拟夏季骄阳似火的高温天气。

3．取50ml量杯装40ml自来水，用普通酒精温度计测得初始温度；热电偶温度计测得杯壁初始温度。

4. 以15分钟为单位时间，测三次，看室内温度控制的效果如何。

（二）检测节能小屋的节能效果

1. （出示表格：节能小屋节能效果监测数据记录表）

发给学生“节能小屋节能效果监测数据记录表”题板。

2.  实际测量。

［设计意图：基于测试的结果，学生会优化他们的设计方案。这个过程要求学生对照问题标准和目标，对结果进行分析。]

（三）反思评价

谈话：根据节能小屋节能效果的检测情况，我们可以对节能小屋整个设计和制作过程进行一个回顾、反思。可以从三个面进行。

1．对标找差。对照标准，检查节能小屋是否符合要求。

（出示表格：节能小屋验收检查单）

发给学生“节能小屋验收检查单”题板，学生以小组为单位进行填写。

2．结果与设计比较。

（1） 将“节能小屋验收检查单”和“节能小屋设计方案表格建构法”进行对比。

（2）指出自己的设计哪里好，哪里还有待改进。

3．细说调整。

（1）将“节能小屋设计方案表格建构法”“建造过程问题调整单”“节能小屋验收检查单”三块题板进行对比分析。

（2）指出本组在哪些地方进行了调整。从检测的效果来看，哪些调整是有效的，哪些没有效果或效果不好。

（3）说一说如果有机会再做一次，可能会做哪些调整。

［设计意图：学生在比较自己的预测和实际的测试结果后，应对自己的设计长处和缺陷进行批判性思考，这是STEM项目中最关键的一个部分，当学生的发现源于自己的独特经历时，他们的理解程度会得到一个很大的提高。]

（三）对绿色建筑的发展趋势作出判断

1．建筑物隔热保温是节约能源、改善居住环境和使用功能的一个重要方面。可是现在它们并没有得到广泛运用，或者说离广泛运用还任重道远。你觉得原因是什么呢？

预设：技术门槛太高；价格昂贵；工艺复杂……

2．专家预测绿色建筑设计发展五大趋势，谈谈你的看法呢？

预设：可持续建筑材料受重用；空气对流设计成为重点；零能耗技术运用更进一步；“零用水”与雨洪管理；新型节能门窗及遮阳产品将大量应用……

（四）项目学习总结

1．任务回顾

我们用了近两周的时间完成了《节能小屋》这个项目，大家收获多多。

2．过程分解

（出示PPT：一组学习过程中拍摄的图片）

这期间我们都做了哪些事情呢？能不能给这些事情排排序？

（出示PPT：项目学习环）

了解需求、明确问题、前期研究、设计方案、制作改进、评价反思

3．策略再认

（1）在研究的过程中，我们用到了很多知识，有科学课上学到的，有数学课上的学到的，有美术课上学到的，这些知识都派上用场。这说明，各个学科学到的知识在解决实际问题的时候都是很管用的，而且它们融合在一起发挥作用。

（2）我们还学习了一些管用的策略——

l  譬如在做前期研究的时候，我们用了“设计点气泡图”来确定涉及点；

l  在选择墙体材料的时候我们用了“矩阵决策法”；

l  在讨论设计方案的时候我们要了“表格建构法”；

l  在制作节能小屋时我们用了“建造过程问题调整单”。

这些策略对我们以后开展项目学习都是很管用的。

4．学习展望

在这个项目中，我们做了一个节能小屋，但是我们是以江苏为情境，重点考虑的是夏天隔热，而在寒冷地区，可能冬天保暖更加重要。如何做到既保温又隔热，这是我们下一步要研究的。

5．《节能小屋》项目学习到此结束，再见！