拯救企鹅-第三课：实验设计概论

学习目标

1. 材料影响传热速率。
2. 不同材料的传热能力不同。
3. 工程师必须利用他们的科学知识，找到解决问题的可能的办法。

课程内容

1. 复习热传递的三种方法
2. 向学生介绍不同的材料
3. 示范使用不同材料的实验
4. 让学生用不同材料做实验

课程目标

在本课结束时，学生将能够：

• 比较不同材料来确定哪种材料能更好地阻隔热传递
• 辨别不同的材料阻隔了哪种热传递的方式

课程简述

1. 复习热传递的测试卡（15分钟）
2. 向学生介绍材料包（5分钟）
3. 示范如何在实验站进行实验（15分钟）
4. 学生测试材料性能并记录在故事板上（30分钟）
5. 老师和学生讨论课堂上所有的实验（10分钟）

背景

鼓励合作，而不是竞争。学生组可以通过分工，分别测试不同的材料或组合不同材料来，和班级的其他人进行共享。
热箱在房屋建造完毕并准备测试之前是不需要的，但学生提前看到热箱有助于他们进行具体的思考，来根据热箱的条件进行设计隔热方式。

教师材料

• 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 数字定时器
• 7份 海绵或纸巾（湿润的）
• 1卷 耐用铝箔

学生资料（每组）

• 1个 材料盒包含一个样品
• 1个 故事板（来自于第一课）
• 1盒 彩笔或铅笔

课前准备

1. 为每一组学生准备一个实验袋。每袋应包括两个3英寸见方的材料样品，两个棉花球，两木棒。

2. 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。

   
   
   

   热箱
3. 至少设立三个实验站，每个学生小组最好有一个。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 数字定时器
• 2个 即读数字温度计
• 7份 海绵或纸巾（湿润的）

课程步骤

1. 复习上节课的测试卡。让学生进行改正并用胶水把卡片粘到到他们的故事板上。
2. 把材料袋分发给每组学生。

3. 向学生说明，他们将设计并建立一座冰屋，来放置企鹅形状的冰块融化。但首先，他们像工程师一样测试不同的材料，来确定他们要使用何种材料来设计自己的小屋。

   
   
   

   材料示例
4. 向学生展示用来测试他们设计的“热箱”。要求学生识别可能发生的热量传递的所有形式，并解释热传递发生的地方。
   *教师注意：热箱会发生所有三种方式的热传递。
   辐射-从四盏灯中的光辐射到达企鹅小屋，企鹅小屋两侧的铝箔也反射了光。
   传导-由于辐射，黑色的底部会变热，当企鹅小屋放到上面时，热通过传导进入到屋子。
   对流-黑色的底部由于变热会加热空气，热空气上升，遇到企鹅小屋中的冷空气后，形成对流。
5. 示范如何正确地在实验站进行实验。向学生解释，当光线照射到材料上时，你将测量每种材料（或组合在一起的材料）下面的温度。
   教师注意：建议教师向学生示范应避免的常见错误。

• 错误1 -样品不阻隔辐射。
  为了演示这个错误，将样品放在实验站中心，并在每个顶部放置温度计。学生会经常尝试这个。问他们这样做有什么错吗？
• 错误2 -样本底部的温度可能较高，因为更多的时间过去了。
  为了证明这一点，只使用一个温度计，并在不同的时间点温度。学生往往不会控制时间。鼓励使用定时器。
• 错误3 -桌面也会变热，并且会转移热量，影响实验。
  为了演示这一点，用灯光照射桌面和热箱一段时间后，测量它们的温度并对比。鼓励他们关闭实验站，然后将热箱轻轻地挪到室温的位置进行测温。
• 错误4-温度计太烫，它们不会冷却到室温。
  向学生解释温度计会变热。在测试后，使用一片湿海绵或一团湿纸巾让温度计迅速冷却至室温。你可以提供一杯室温的水，但学生有可能使水溢出！
• 错误5-温度计正在测量桌面的温度。
  向学生解释，如果他们用棉球或棍子稍微垫高温度计，他们会测得样品下面空气的温度，而不是桌子表面的温度。

6. 让学生建立他们的数据表。解释每个小组将跟踪自己的实验数据。数据表可以参考下图，每次实验中，使用两个温度计在同一时刻对两种材料进行测试：

   
   
   

   材料测试数据表
7. 每组实验10分钟后，根据需要给学生提示或测试建议：

• 学生可以测试不同材料的组合
• 学生可以测试相同的材料组合
• 学生要和全班分享他们的成果，鼓励他们的测试与其他组不同的东西

• 学生可以添加在他们的数据表中添加组合，如下图所示：

  
  
  

  材料测试数据表

8. 与全班讨论实验。讨论内容必须包含以下问题：

• 哪些材料展现出了更好的特性？
• 为什么你认为这些材料展现出了更好的特性？

总结

1. 让学生在故事板绘制另一个区域，这个区域中要列出三种最好的阻隔热传递的材料和三种最差的材料。