学习目标
- 热量会从高温区域转移到较低温度区域。
- 隔热物质会降低传热速率。
- 工程师为了解决问题需要先定义问题。
课程内容
- 向学生介绍环境变化对企鹅的影响，全球气候变暖与能源消耗的关系，以及工程可以在环境问题和企鹅生活的问题上发挥的作用。
- 提供一系列与热传递有关的活动，让学生形成对隔热、热和温度的理解。
- 向学生介绍故事板的使用方法。
课程目标
在本课结束时，学生将能够：
- 解释全球气候变暖和气温升高、地球两极冰川融化之间的关系。
- 解释人类是如何导致全球气候变暖的。
- 头脑风暴的方式可以使工程师通过设计更节能的建筑来减少能源的使用。
- 定义热传递是热量的转移。
- 将温度定义为某一特定标度下的热或冷。
- 解释热与温度之间的差异。热是热能的转移，热量，顾名思义，是运动。温度可以通过不同的标度来测量，如华氏或摄氏度，它是表示热量的一个量度。
- 说明一些材料比其他材料有更好的隔热性，例如毛毯比铝箔隔热。隔热材料会降低传热速率。
- 对一些材料比其他材料有更好的隔热性这一知识进行应用。
- 比较不同的材料，确定哪些有更好的隔热性。
课程简述
- 前测：热传递概念（10分钟）
- 观看拯救企鹅 PPT（30分钟）
- 故事板使用方法介绍（15分钟）
- 示范活动1 -苏打水罐（20分钟）
背景知识
许多科学家都认为地球正在变暖，而且人类活动使之恶化。世界各地的工程师、科学家和环境组织都在辛勤工作，寻找能够减缓或停止全球变暖的颁发。本文所讲授的课程的主要目标之一——拯救企鹅，就是为了帮助学生认识到，即使是我们在家里做的事情也会影响到生活在南半球的企鹅的实物。我们在房间里取暖和制冷所使用的能源来来自于发电厂，而大多数发电厂都使用化石燃料。人们已经发现，化石燃料的燃烧与二氧化碳含量的增高有关联，而这又转而与全球气温的升高有关联。全球气温的这种变化已经广泛影响了地球上的生物，包括企鹅的生活。如果加强家里房子的隔热性能，取暖和制冷的能耗就会降低，也就会减少化石燃料的使用和二氧化碳的排放。
热：热是热能的传递。热能存在于某物运动时，当物质中的原子或分子振动时。原子和分子有动能，这部分动能产生了热能。某物的热能的量是所有粒子的动能之和。这就是为什么当一个浴缸的水和一个水槽中的水温度相同时，前者有更多的热能。当一些东西失去热能时，它原子或分子的振动会减慢。当某物获得热能时，这些振动增加。如果在物质中加入足够的热能，振动甚至会使固体变形并融化，或者使液体蒸发成气体，或者使气体随着粒子之间距离的增大而膨胀。当存在一个温度差时，热能可以从一个地方转移到另一个地方。热能总是从温度高的地方传递到温度低的地方。浴缸内的热能从热水传递到较冷的空气，较冷的地板，较冷的浴缸两侧，以及水里较冷的人。
热是研究：
- 热能在两个物体之间交换的过程。
- 物体中相关的变化和状态
热主要集中在： - 温度差异的地方或事物之间
- 流，或是热能量的运动
热由以下因素驱动： - 温差；由高温区域向低温区域发生热传递
温度：温度是物质在某一特定情境下的平均动能的量度。当一个物体的平均动能较高时，我们称它为“热”的，当一个物体的平均动能较低时，我们称它为“冷”的。有许多标度用于测量温度。在开尔文温标下，0度代表没有分子或原子振动。一杯沸腾的水可能比温水浴缸的温度更高，因为杯中的水分子的平均动能较高。然而，如果你将浴缸里所有的水分子的动能总和与一杯水中水分子的动能总和对比，毫无疑问，浴缸中水的总热能会更高。如果你想象一个房间里装满了人，他们的口袋里有糖果（数量相同），温度就像是数一个人口袋里的糖果一样。总热能就像是将房间里所有个人的糖果全部加起来一样。热量的传递就像糖果店里的糖果流向装满口袋的人一样！
隔热材料：降低传热速率的材料。
教师材料
- 拯救企鹅PPT
- 多媒体设备和计算机
- 6罐 苏打水（在冰箱保存一夜）
- 1只 羊毛袜
- 1只 棉袜
- 1卷 铝箔
- 1卷 纸巾
- 1卷 塑料保鲜膜
- 6支 温度计
学生资料（每组）
- 1张 A3纸（作为故事板）
- 1盒 彩色笔
课前准备
- 复印学生的热传递前测题（从网上下载或见附录B）。
- 准备演示
a.将6罐苏打水放进冰箱中冷藏一夜。同时测量冰箱的温度，大多数冰箱的温度保持在40华氏度。
b.在上课前至少一个小时，取出苏打水并用下列材料包裹：羊毛袜，棉袜，铝箔，纸巾（用透明胶带固定），塑料保鲜膜。最后一个不进行包裹，作为控制组。
c.把每一个苏打水都放在纸袋里，并在每个袋子上贴上标签。 - 准备一个记录温度的数据表。数据表可以写在白板上，在交互式白板上，也可以使用所提供的Excel文档。
- 在幻灯片中查看 拯救企鹅 PPT中的注释。
课堂步骤
- 让学生完成热传递前测题。
- 观看 拯救企鹅 PPT。让学生在教师引导下针对PPT中预设的问题进行讨论。
-
为每组学生分配一个空白故事板，向学生展示一个有完整的故事情节的示例。让学生为自己的小组起一个名字并写在海报板上。解释说，每次学习一个新概念，做了一个实验，创建一个设计或测试的设计，都应该记录在海报板上，应在教师和学生看到和评论上的故事。
教师注意：在工程设计过程中使用故事版来提供可视化的体验，这可以帮助学生理解整个“拯救企鹅”项目中每个需要了解的步骤。有了故事板，学生可以划分每一个重要的概念以便进行分析，并提供每节课关键点的形成性评价。除此之外，故事板的使用贯穿整个工程设计过程：寻找解决方案，开发一个初始的设计，在课程的最后展示设计方案。
示例故事板 - 向学生提出以下困境：
你要进行一次野外旅行，必须带上午餐。早上你在你的午餐袋里放了一罐冷苏打水，但是那天晚些时候你打开午餐的时候，苏打水是热的！发生了什么？
教师注意：现在是一个好时机，以解决以下学生可能持有的有关对热传递的误解。
“保持寒冷”的误解：学生可能相信他们的方法会将寒冷保持在苏打水罐中。为了解决这种误解，提醒他们，只有热量（而不是寒冷）能转移。如果只有热量可以转移，他们的方法达到了什么效果？最终它使挡住了外部的热量而不是保存了罐中的寒冷。 - 讨论热量与温度的区别。
教师注意：现在是一个好时机，以解决以下学生可能持有的有关对热传递的误解。
“热和温度是一样的”误解：有些学生可能认为温度随着温度的变化而进行传递。许多人使用“互换”这个词，但并不理解它的意思。使用下面的说明（背景知识部分提供的信息）来帮助学生了解热量和温度和两者之间的差异。
热–热能量的转移
温度–按照某个标度下所测得的冷热程度 - 让每个小组在故事板的第一个方框中写下对热量和温度的定义。
-
告诉学生，你已经用一些日常生活中的物品设计了一个实验，这个实验中你设计了你认为可以很好地给罐装冷饮保“冷”的方案。拿出六个纸袋，向学生展示每个袋子里面是什么。
6个罐子示例 - 要求学生与他们的团队一起做预测。在一张纸或在他们的科学笔记本上回答下列问题：
对6种材料按照保温效果最好到保温效果最差的顺序进行排列。
对于你的排名中排第一的材料，为什么你认为它效果最好？
对于你的排名中排最后的材料，为什么你认为它效果最差？ - 让小组提出他们的预测和解释。当小组提出后，解决任何学生有关于热传递的误解。
教师注意：下面是学生们可能持有的常见误解。
- “保持寒冷”的误解：学生可能相信他们的方法会将寒冷保持在苏打水罐中。为了解决这种误解，提醒他们，只有热量（而不是寒冷）能转移。如果只有热量可以转移，他们的方法达到了什么效果？最终它使挡住了外部的热量而不是保存了罐中的寒冷。
- “羊毛提供温暖”的误解：学生可能会认为羊毛袜会给苏打罐加热。这种误解源于他们在冬天的经验，保暖的衣服、羊毛袜温暖了他们身体和脚。为了解决这个误解，向学生解释，当你穿上袜子，你的脚感到更暖和，是因为袜子阻碍了你的身体发射的热量，袜子本身无法产生热量。问学生：“这袜子怎么能让苏打水变热？”“
- “传统”的误解：一个学生可能认为，铝箔是最好的材料，因为学生可能目睹了他们的父母以前用铝箔包裹过罐装饮料来使饮料保持冰凉。为了解决这种误解，提醒学生，传统被几代人传下来而没有遭到质疑，但今天他们将有机会质疑传统。
- 把易拉罐打开一条缝，但不要完全。邀请学生志愿者插入温度计并把温度记录在数据表上。
记录温度的模板
MS延伸:
数学延伸：从第1课获得的数据提供了讨论华氏到摄氏温度转换的机会。让学生开发图表来确定：
随着时间推移，每个罐子温度的箱线图
时间与温度的关系 - 在这里你可以问学生他们是否知道你为什么设置了一个不包裹任何材料的苏打水罐作为对比。你可以在进行材料的对比实验时讨论控制组的意义。这个讨论可以帮助学生建立控制组的概念，并在测试不同材料的企鹅房屋时用到控制组。
-
在获取到温度数据后，绘制柱形图。如果你使用Excel电子表格来记录数据，可以使用图形工具创建一个柱形图来记录不同时间的温度。
拿出冰箱几个小时后苏打水的温度 - 与学生讨论结果，并问他们以下问题：
- 为什么你认为羊毛袜能比棉袜更好地减少热量的传递？
- 可以减慢能量传递的速率的材料被称为隔热材料。羊毛袜和纸巾有什么共同之处使得它们成为良好的隔热材料？
- 为什么在冬天穿羊毛衣服比穿棉制衣服更保暖？
- 根据我们的结果，哪些材料可以称为隔热材料？
教师注意：演示中的所有材料都可以被认为是具有隔热性能的，因为它们都比控制组的隔热性能好。然而，羊毛和纸巾是最好的隔热材料，因为他们能阻隔空气并防止空气四处流动。事实上，纸是由干燥的植物纤维组成的，其中的中空细胞会存储空气并阻碍空气流动。学生可能熟悉以下几个实际生活中隔热的案例：
粉红色或黄色的玻璃纤维被用在房屋的保温上，是因为它能很好地阻隔空气。
建筑师在顶楼糊上纸浆来防止热量传入或传出房子。
流浪狗收容所的狗窝铺有碎报纸或木屑，这能防止热量从动物的身体离开。
- 让每个小组在故事板上记录示例活动1作为第一个图解，并写下对于隔热的定义。
热绝缘体：降低传热速率的材料。
教师注：本演示中使用的一些材料可能隔热效果差不多。因此，第二次测量可以帮助区分一些材料之间的小差异。如果你没有时间在课堂中重复测量，你可以自己课下做，或在其他班级上同一节课的时候测量并记录数据，为进一步讨论提供基础。
总结
总结课程，回顾学习目标。向学生提问：
有些人说热传递总是从热的地方到不热的地方，这意味着什么？
- 有些东西能减慢热传递的速率。你能说出一些吗？
- 下面哪个更有利于减慢热传递的速率，羊毛袜还是棉袜？
- 下次你带一杯冷饮或冰淇淋三明治午餐上学，你可以用什么把它包裹起来，让它保持冷？
- 羊毛袜让什么慢下来了？
- 羊毛袜能阻隔寒冷吗？
- 在测量苏打水的温度时是否存在误差？我们如何找出导致误差的原因？
- 为什么在实验中我们设置了一个什么都不包裹的苏打水罐？
- 为什么人在冬天穿羊毛衣服，夏天穿棉质的衣服？
- 我们讲的这些和企鹅有什么关系？
