资源简介

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STEM学习 节能小屋（教案）六年级科学下册（苏教版）
核心素养目标
※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。
※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。
※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。
※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，作出调整。
※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。重点
※确定节能小屋的设计方向；在每个设计点上作出决策；基于检测结果开展评价反思。难点
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、便笺纸、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）、50 mL烧杯、水。
教学内容
首先揭示现实困境，提出绿色建筑的概念，了解人类需求。然后提出“制作节能小屋”的任务，让学生明确这个任务的具体要求及需要解决的问题。接着进入前期研究环节，采用多种方法回顾以往科学课的相关学习内容，运用查阅资料、实验探究等方法对有关技术问题展开前期研究，包括建筑散热途径、节能建筑保温隔热技术、材料保温隔热性能，以及本地区所处地理位置的气候特点，这是后续设计节能小屋需要考虑的相关重要因素。在此基础上，学生进行节能小屋的方案设计、讨论交流形成最佳方案、画出设计示意图。随后让学生依据各自的设计方案，选择合适的材料和工具制作实物模型。最后由学生根据节能小屋节能效果的检测情况，对整个设计和制作过程进行回顾反思。
教学过程
环节A 了解需求
建筑节能具体指在建筑的规划、设计、新建、改造和使用过程中，执行节能标准，采用节能型的技术、工艺、设备、材料和产品，提高保温隔热性能和采暖供热、空调制冷制热系统效率，加强建筑用能系统的运行管理，利用可再生能源，在保证室内热环境质量的前提下，增大室内外能量交换热阻，以减少供热系统、空调制冷制热、照明、热水供应因大量热消耗而产生的能耗。
面对日益减少的化石能源和越来越突出的环境污染问题，工程师们正在努力想办法解决。建筑工程师设计出能最大限度地节约资源、保护环境和减少污染的建筑，如无须空调和暖气也能保持冬暖夏凉的建筑，人们亲切地将这种建筑称为“绿色建筑”。
绿色建筑与周边环境相融合，和谐一致，动静互补。绿色建筑根据地理条件，安装太阳能电池、采暖及风力发电装置，以充分利用可再生资源。室内空气清新，温度、湿度适当，使居住者感觉舒适，利于身心健康。
绿色建筑倡导的理念是“ 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”。
绿色建筑与普通建筑的主要区别在于 ：① 能耗更小，可降低能耗 70%，甚至达到零能耗、零污染、零排放；②更强调采用本地文化、原材料和自然气候条件；③ 内部与外部更有效连通，会随气候变化自动调节；④ 强调全寿命周期对环境友好，贯穿从原材料开采、加工、运输、使用到建筑废弃拆除的整个过程。
设计意图：通过分析建筑能耗的严峻局面，了解降低建筑能耗（节能）的需求，认识绿色建筑及其核心理念。
环节B 明确问题
1.你认为绿色建筑中节能保温技术的关键是什么？
绿色建筑冬暖夏凉的关键技术是要做到保温隔热，节约能源。保温，指热量的散失速度慢，温度保持在一定的数值；隔热，指限制或减弱物体之间的传热，阻止热量进入。
回忆学过的知识和做过的实验，想一想：哪些可以用到建筑节能上？
黑色（深色）物体具有良好的吸热性能，有利于吸收外源热量；浅色物体具有良好的反射性能，在一定程度上能隔绝外部热量。
有的物体导热性能好，有的差，选择导热性能差的材料，可以起到保温隔热的效果。
双层玻璃具有良好的隔热性能， 很多建筑正是采用双层玻璃技术来实现隔热保温。
我国地处北半球，一年四季太阳高度角周期性变化，夏高冬低。夏季，绿色建筑可以通过屋檐、遮阳棚、卷帘等遮挡阳光，控制阳光的射入量。
3.提出任务。
任务主题：运用所学知识建造一个节能小屋。
设计要求：(1)小屋的长、宽、高分别为21厘米、21厘米、17厘米，南北朝向，南北都有窗户，墙的厚度不超过1厘米。
(2)需在两周内完成。
(3)节能效果要经保温实验来检测。
检测方法：模拟冬天或夏天气温环境，测量冷水温度上升或热水温度下降速度，检测节能效果。
4.列出建造节能小屋的任务、要求及问题清单。
任务 建造一座节能小屋
要求 小屋的长、宽、高分别为21厘米、21厘米、17厘米，南北朝向，南北都有窗户，墙的厚度不超过1厘米
问题清单 节能建筑保温隔热性能与哪些因素有关？与房屋结构有没有关系？ （围合结构及门窗）哪些材料保温隔热性能好？如何综合运用节能技术设计并建造小屋？如何检测其节能效果？
设计意图： 创设一个学校科创大赛的学习场景，让学生知道建造节能小屋的具体要求及检测节能效果的方法，逐步明确完成任务的关键问题，试着联系已有科学知识，获得有利于物体保温隔热的启示。
环节C 前期研究
研究一：超低能耗示范楼节能技术大搜索。
建筑保温隔热技术主要有：外墙节能、幕墙节能、门窗节能、屋面和楼板节能、地板节能、建筑形态节能等。
1.太阳能技术。
(1)太阳能集热器；太阳能集热器是一种将太阳的辐射能转换为热能的设备。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来。由于用途不同，集热器名称也不同，如用于炊事的太阳灶、用于产生热水的太阳能热水器、用于干燥物品的太阳能干燥器，以及太阳房、太阳能热电站、太阳能海水淡化器等。
(2)碟式太阳光收集器：太阳能碟式发电也称盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千倍，因此可产生非常高的温度。
(3)光电玻璃：光电玻璃是光能、电能和玻璃的有机结合体，能利用太阳光产生电能。它是一种新型的建筑材料，主要优点有：遮阳、环保、节能、隔音、结构牢固、美化建筑、良好透光率、产生电能等。
(4)地下室太阳光采光：运用导光管采光系统，在不需要用电的情况下，通过室外的采光装置抽获室外的日光，经过导光管高效反射及传输后，再由漫射器将自然光均匀散射到室内每个角落。
(5)采光井：第一种是地下室外及半地下室两侧外墙采光口外设的井式结构物，主要解决建筑内个别房间采光不好的问题。第二种是大型公共建筑采用四面围合，中间呈井的形式，内部建造内天井，将光线不足的房间布置于内天井四周，通过天井来解决采光、通风不足的问题。
(6)太阳能夜景照明：以太阳能为能源，通过太阳能电池实现光电转换，白天用蓄电池积蓄、贮存电能，晚上通过控制器对电光源供电，实现所需要的功能性照明。
2.通风及幕墙技术。
(1)自然通风系统。主要应用于绿色节能建筑中，作为建筑节能很重要的一部分，自然通风系统对建筑物内部的能耗控制、环境质量控制起到不可或缺的作用。自然通风系统主要通过合理适度地改变建筑通风方式达到提高室内空气质量，减少空调能耗的目的。
(2)自然通风烟囱：住宅楼上的通风烟囱，利用自然通风原理，将室内废气、高温气体等排出去，提升空气质量。
(3)幕墙：是建筑的外墙图护，不承重，像幕布一样挂上去，故又称为“帷幕墙”。幕墙工艺与科技的结合，响应全球节能减排的号召，如太阳能光伏幕墙、通风道呼吸幕墙、感应风雨智能幕墙等。
(4)双层幕墙 ：又称热通道幕墙 、呼吸式幕墙 、通风式幕墙、 节能幕墙等。由内外两层立体构造组成，形成一个室内外之间的空气级冲层。其隔声防噪效果显著，能改善室内空气质量及室内热环境。
(5)单元式窄通道内循环双层皮幕墙：外层幕墙采用中空玻璃、隔热型材形成封闭状态。内层幕墙采用单层玻璃或单层铝合金门窗，呈可开启状态。利用机械通风，空气从楼板或地下的风口进入通道，经上部排风口进入顶棚流动。
(6)宽通道外循环双层皮幕墙：外层幕墙采用单层玻璃，在其下部有进风口，上部有排风口。内层幕墙采用中空玻璃、隔热型材，且设有可开启的窗或门。它无需专用机械设备，完全靠自然通风将太阳辐射热，经通道上排风口排出室外，从而节约能源和机械运行维修费用。夏季开启上下通风口，进行自然排风降温。冬季关闭上下通风口，利用太阳辐射热经开启的门或窗进入室内，可利用热能和减少室内热能的损失。
3.门窗、地板及墙体材料。
(1)轻质保温墙体：保温墙能起到保温隔热，维持室内温度稳定的作用，传统保温墙体般在内外墙体之间浇筑保温材料， 但是保温材料般强度较低 ，若在内外墙体之间设置骨架，则骨架与保温材料相互连接强度低，而且设置骨架会使整体质量变大。轻质保温墙体采用新型材料，质量轻、性能高，在起到保温效果的同时，降低材料的质量。
(2)塑钢保温门窗：塑钢保温门窗是以聚氯乙烯树脂为主要原料，加上一定比例的稳定剂、着色剂、填充剂、紫外线吸收剂等，经挤出成型材，然后通过切割、焊接或螺接的方式制成门窗框扇。配装上密封胶条、毛条、五金件、隔热材料等等，结实、耐用还保温。
(3)自洁净玻璃：自洁净玻璃是通过在光滑的玻璃表面上镀掺杂某种物质的薄膜，使得空气中的尘埃及其他污染物无法附着在玻璃表面，保持玻璃的清洁。
(4)外遮阳：户外设置的百叶窗、卷帘等遮阳设备。不但可将户外的日照隔绝，并且能够抑制室内的空气上升。其主要效果是具有自然的节能功效。
①水平外遮阳是在窗户的上方设置一定宽度的遮阳板，能遮挡高度角较大的从窗户上方照射下来的阳光，适用于接近南向的窗口或北回归线以南低纬度地区的北向附近窗口。比如电动可调水平外遮阳。
②垂直外遮阳是在窗户的两侧设置了一定宽度垂直方向的大遮阳板，能遮挡高度角比较小的从窗户两侧斜射进的阳光，对日出、日落平射窗口的阳光不起遮挡作用。适用于东北、北、西北附近窗口。比如电动可调垂直外遮阳。
③综合式遮阳：有效遮挡高角度中等的从窗前斜射下来的阳光，遮阳效果比较均匀。主要适宜东南、西南附近窗口。
④挡板式遮阳：有效遮挡高角度较小的正射窗口的阳光。主要适宜东、西向附近窗口。
(5)相变蓄热架空地板。
①相变蓄热：相变材料是指在温度不变的情况下，通过改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热，节能环保。
②架空地板是用可调支架、横梁、面板等组合拼装而成的，下部中空。其特点是灵活性强，综合布线的方便性，避免了电线的外漏，防静电，节能。利用架空地板的架空层进行空调送风改善了热舒适性和室内空气品质。
(6)真（中）空玻璃具有隔音、隔热、防结霜、防潮、抗风压强度大等优点。炎热的夏天，双层中空玻璃可以挡住90%的太阳辐射热。
(7)电动开启扇：窗户中可以打开的那部分叫开启扇，通常窗框比不开的宽。幕墙中的开启扇起到散热、通风等作用。
(8)铝合金断桥内开窗：断桥铝合金，是指铝合金型材中间有一道黑色的尼龙隔热穿条，它阻断了室内外的冷热传导，因此叫作断桥铝合金。传统铝合金窗户虽然在强度上比塑钢窗好一些，但是不隔热，而且是以推拉窗为主，所以会出现密封不严、不隔音、不保温等缺点。断桥铝合金窗设计了多种密封组合，解决了上述问题，可以达到节能保温、舒适的效果。
4.生态设计。
(1)生态水池：生态水池是既能适于水下动植物生长，又能美化环境、调节小气候、供人观赏的水景。在居住区里的生态水池多饲养观赏鱼虫和习水性植物（如鱼草、芦苇荷花、莲花等），营造动物和植物互生互养的生态环境。
(2)种植屋面：在屋面防水层上覆土或铺设锯末、蛭石等松散材料，并种植植物，起到隔热作用的屋面。在建筑屋面和地下工程顶板的防水层上铺以种植土，并种植植物，使其起到防水、保温、隔热和生态环保作用的屋面称为种植屋面。
5.把你了解的节能技术记录下来。
研究二：普通房屋的散热情况。
通过上图可知，普通房屋的散热主要是通过屋顶和墙壁，占60%，所以，无论是夏季降温还是冬季保暖，都要从这两处着手。就保暖来说，可以设计保温墙、使用高性能的保温隔热材料；夏季再利用自然通风的方式，降低室温。我们在设计小屋的时候，墙壁和屋顶的设计最为关键。
研究三 了解材料的隔热性能。
房屋的保温隔热，就是针对围护结构进行采温隔热的设计，即对房屋的屋顶、墙体、窗户、门、地板等组成部分进行节能设计，材料自身的隔热性能起到关键作用。墙体内保温节能材料品种较多，如珍珠岩保温砂浆、内贴充气石膏板、黏土珍珠岩保温砖、各种聚苯夹芯保温板等。常用的外保温墙体节能材料有膨胀珍珠岩及制品、复合硅酸盐保温材料、酚醛树脂泡沫保温材料、纳米孔硅保温材料等。屋面保温隔热材料包括：膨胀蛭石、岩棉等松散的保温材料，泡沫混凝土等整体现浇保温材料，EPS泡沫塑料板等板状保温材料。
1.砖的隔热性能。
(1)普通红砖。具有一定的强度和耐久性，做成多孔砖可以隔热、隔音。
(2)混凝土实心砖。质量较大，抗震性能好，强度高，隔音隔热性能好，价格高。
(3)隔热保温砖。质量较小，保温节能，隔音隔热，无辐射，绿色环保。
2.反射隔热涂料。选择合适的原料和配方等，制成高反射率的涂料，通过反射太阳光来达到隔热目的。
玻璃：玻璃的发明极大地改善了房屋的自然采光。玻璃的优点在于价格低、透明、耐用、易清洗、密封性好，但隔热性能不太理想，冬天美丽的窗花证明了这一点。
研究四 搜集更多的资料，说一说窗户、墙体、屋顶等所用的隔热新技术和新材料。
建筑门窗是建筑物热交换、热传递最活跃的部位，其热损失量是同面积墙体热损失量的5~6倍。最初玻璃窗是单层的，保温性能与金属一样差。后来演变为双层玻璃窗，利用两块玻璃之间的空气间层有效阻隔热传递。现在普遍应用双层镀膜玻璃窗，采用低散射镀膜镀于内层玻璃，使向外散射的热量反射回屋里。目前最先进的节能玻璃窗，双层镀膜玻璃中间抽成真空。
使用密封材料提高门窗的气密性和水密性，能减少空气渗透热损失。
研究五 怎样根据白天太阳的移动改进窗户的设计？
太阳移动的规律。
上午和下午太阳高度角小，如果东、西方向窗户很大，阳光会大量、长时间照进屋内，且西窗容易造成西晒。房屋东、西两侧可以开小窗户，甚至不用窗户。中午太阳高度角相对较大，阳光直射房屋南面，南窗可以做得大些。一天中阳光始终照不到房屋的北面，因此北面可以减少窗户的数量及大小。
2.用纸板做个房屋模型，研究冬天如何让阳光长时间照进房间，夏天如何让阳光少照进房间。
(1)测试一下，在屋檐长度不变的情况下，在不同季节"，手电筒需要如何调整才能使光线照进屋内？
冬天和夏天，太阳在一天当中的运动轨迹不同。一般来说，冬天太阳的运动轨迹偏南，在夏天太阳的运动轨迹偏北。又因为冬天是在远日点，而冬天的太阳直射南回归线，此时太阳高度角大于北回归线所处的角度。根据冬天和夏天的太阳照射角度的不同，设计房屋的窗户位置。比如：
上图中，窗户的位置有利于夏季遮阳，冬季采光。春分到夏至，正午时屋檐的速阳作用逐渐增强；可以用手电筒模拟太阳的位置，在屋檐长度不变的情况下，调整手电筒，让光照进屋内。
(2)增加遮阳装置。遮阳装置分为水平遮阳、垂直遮阳、综合式遮阳和挡板式遮阳，可根据太阳的位置自行设计遮阳装置。
设计意图： 对低能耗建筑的节能技术进行分类，引入“围护结构”的概念，引导学生理解围护结构的重要性。通过对问题小屋的分析，开展对比实验，知道窗户的设计要考虑一天中太阳位置的变化，屋檐的长短也与不同季节太阳高度角的变化规律有关，为后续的设计方案打下基础。
环节D 设计方案
集思广益，讨论节能小屋的设计方案。
设计时，要从以下几个方面考虑：
(1)使用的技术。设计的节能小屋使用哪些节能技术，比如充分利用太阳能技术、利用自然通风技术、节约电力。
(2)使用的材料。包括房屋的墙体、屋顶、地板、窗户、玻璃等。
(3)房屋的造型与风格。包括房屋整体造型、窗户的位置、屋檐的长短等。既节省材料，又美观大方。
对照要求，选择最佳方案，画出设计图。画设计图，就是把头脑中的想法表现在图纸上的过程。设计图包括三个部分：立体草图、正视图、左视图 。每张图上都要标识出构件的具体尺寸和加工材料，便于加工制作。
设计意图： 在前期研究结果的基础上，让学生借助表格建构法进行节能小屋的方案设计，小组讨论交流形成最佳方案，画出设计图。
环节E 制作改进
按照设计方案，建造节能小屋。
1.准备材料和工具：木板、木条、泡沫、热融胶枪、锯、剪刀等。
2.制作步骤：(1)先依据图纸尺寸，裁剪相应的制作部件。
(2)按照修建房屋的顺序搭建小屋：建造地基、搭建围墙、制作门窗、建造屋脊、搭建房顶、粘贴隔热材料等。
设计意图： 选择合适的材料和工具，按照设计方案制作节能小屋，用于后续的测试环节。
环节F 评价反思
1.检测节能小屋的节能效果。
隔热效果的检测方法：
① 小屋按照“坐北朝南”的方位放置好；
② 利用2000W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，用温度计测量初始水温；
④ 以15分钟为单位时间，测三次，看节能小屋室内温度控制的效果如何。
检测保温效果时，不需使用钨丝灯照射，用热水代替自来水。
保温效果和隔热效果检测方法不同，不能互相替代。
2.对照要求，评价自己建造的节能小屋。
3.展示小组的研究成果，并对绿色建筑的发展趋势作出判断。
绿色建筑的五大发展趋势：
（1）可持续建筑材料受重用；
（2）空气对流设计成为重点；
（3）零能耗技术运用更进一步；
（4）“零用水”与雨洪管理；
（5）新型节能门窗及遮阳产品将大量应用。
设计意图：用温度计检测节能小屋的保温隔热效果，对照节能小屋验收检查单，对自己参与整个设计和制作的过程进行评价与反思。用PPT、模型、文字等多种形式展示小组的研究成果，并对绿色建筑的发展趋势作出自己的判断。
课堂总结
本课通过设计节能小屋，经历STEM项目学习的六个环节：了解需求、明确问题、前期研究、设计方案、制作改进和评价反思。在针对问题进行前期研究环节，需要通过查阅资料、实验探究等多种方法对有关技术问题展开前期研究，包括建筑散热途径、节能建筑保温隔热技术、材料保温隔热性能，以及本地区所处地理位置的气候特点等；在设计方案环节，强调找到“节能小屋”的最优方案，学会绘制简图。依据方案设计节能小屋，并在每个设计点上进行充分讨论交流，选择合适的材料和工具制作模型，最后根据节能小屋节能效果的检测情况，对整个设计和制作过程进行回顾反思。
板书设计
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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