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第3节　跨学科实践：为节约能源设计方案
1.物理观念：经历为节约能源设计方案的过程，能应用所学热学、能量等知识，从节能环保的角度优化家庭能源的使用。
2.科学思维：在实践活动中，尝试运用能源相关知识分析家庭能源利用的情况，对家庭能源利用优化方案的有效性和可行性提出自己的见解，具有质疑创新的意识，培养科学论证能力。
3.科学探究：在为节约能源设计方案的过程中，收集信息、分析问题、提出设想，能表述自己的观点，与他人协作完成方案设计，能自我反思和听取他人意见，具有与他人合作的能力。
4.科学态度与责任：在方案设计、讨论交流和展示活动中，提高合作学习能力，既坚持原则，又能与他人分享、合作，具有保护环境、节约能源、促进可持续发展的责任感。
1.教学重点：调查家中能源使用情况，设计出科学合理且可操作的节能方案，并进行有效测试与评估。
2.教学难点：从多学科角度综合分析节能方案的有效性和可行性，提出创新性的节能措施。
通过前面的学习，我们了解到能源问题对环境和社会发展的重要影响。人们在生产生活中都会使用各种能源。你在生活中都遇到过哪些浪费能源、污染环境的问题？家庭是能源消耗的重要场所，想为节能和环保作出贡献，我们可以先从优化自己家中能源的使用入手。
任务一　调查家中能源的使用情况
教师活动 学生活动
[布置问题] 1.家庭中都使用了哪些能源，用于哪些方面？ 2.如何收集家庭能源消耗数据？ 3.如何分析家庭能源使用数据，找出能源浪费的环节？ 4.根据调查结果，分析家中哪些方面的能源使用可以优化，哪些需要优先改进？ [引导展示]请学生以小组合作的方式调查家中能源的用途、类型，通过电能表、水表、燃气表的读数等多种途径，了解并计算一年内家中的能源消耗量，派代表在课堂上表达交流。 [提问]从同学们的调查结果来看，有的家庭用天然气供暖，有的家庭用电来供暖，我们如何得知一个月的供暖能源消耗量？ [提问]结合本地居民天然气价格和居民生活用电电价表，根据估算出的每月用气量和用电量，大家尝试算一下平均一个月在供暖上的经济支出大约是多少？ 思考、讨论交流。 [展示]家中能源使用情况 学生1： 学生2： [讨论回答] 学生1：利用天然气供暖，可以通过燃气表、账单等查询估算供暖能耗情况。 学生2：空调供暖主要使用的是电能。每年12月至次年的2月需要供暖，根据电能表或用电账单，查询这几月的电费账单对比不需要供暖的月份（如3月至5月），多出来的部分就是供暖的消耗了。 [小组交流讨论，回答]根据预估的数据计算大致的费用金额。
任务二　选取优化对象与确定改进方法
教师活动 学生活动
[提问]根据我们前面的调查结果和分析，请大家思考一下家中在哪些方面的能源使用可以优化？哪些是要优先改进的？ [提问]同学们提出了许多可供选取的优化对象和方法，有同学提到了改变供暖方式和为房屋加装保温层，从两种不同的角度来改善能耗情况。请同学们结合你调查的供暖方式的能效及耗能情况，说一说该供暖方式的优缺点。 [补充归纳] 空调：初期安装成本高，但能效比优势显著，适合长时间、大面积取暖。 电暖器：设备价格低，适合小空间或局部加热，持续使用电费高。 地暖或暖气片：低温地区，避免依赖空调的电辅热。 由此可见，供暖方式的选择需因地区、因家庭环境、因需求而异。 [提问]除了改变供暖方式外，还有为房屋加装保温层的方案，我们怎样来验证这一方案的改善效果呢？ [小组交流讨论，回答]在能源使用方面：在家中使用太阳能等新能源；利用技术手段来提高现有能源的使用效率；用新能源汽车取代家中的传统燃油车…… 在设备升级方面：更换LED灯具、将老旧电器替换为具备节能认证的智能产品…… 在行为习惯方面：将热水器温度设定在40～45℃，既能满足日常需求，又能减少燃气消耗；养成随手关闭待机电器、合理设置空调温度等习惯…… 在出行方面：尽量选择公共交通，减少私家车使用频率，或拼车出行降低燃油消耗。在家居改造方面：改善供暖方式或给房屋加装保温层，增强房屋保温隔热性能，降低空调和取暖设备的运行时长。 [讨论回答] 学生1：空调供暖，空调通过热泵技术将室外的热转移到室内，而非直接将电能转化为内能，能效比可达5∶1。一台1.5匹的变频空调制热功率约为1250W，工作1h产生的热量约为1.8×107J。 优点：长时间运行更省电，适合大面积房间整体升温；缺点：低温环境下，热泵效率下降，需开启电辅热，能效显著降低。 学生2：电暖器供暖，电暖器通过电阻丝或导热油直接将电能转化为内能，能效比1∶1。一台2000W的电暖器，工作1h产生热量约为7.2×106J。 优点：局部快速加热，适合小空间或短时间使用；缺点：长时间使用耗电量高，且温度分布不均匀。 思考、讨论。
任务三　制订与检验设计方案
教师活动 学生活动
[提问]热量能自发地从高温物体传递到低温物体，因此我们要想保持房间的温度不变，就要尽可能减少房间与外界的热传递。怎样才能做到这一点？ [提问]日常生活中的许多材料都可以用来保温，材料的保温性能与哪些因素有关？ [提问]当为房屋选择保温材料时，还需要从哪些方面考虑？ [提问]展示对不同保温材料的评估表格，根据对各种保温材料的分析结果，我们可以选择什么材料？你的依据是什么？ [提问]在选定了保温材料后，围绕下列问题在小组内讨论，设计方案。 （1）在房间的哪些部位安装保温材料？ （2）保温材料的规格、尺寸应满足什么要求？ （3）门窗应该怎样进行保温处理？ [提问]在真正实施设计方案前，需要制作一个简易模型来模拟我们的家，通过测试来检验方案是否有效，并提出优化建议。小组内进行讨论：如何在测试中简单有效地模拟我们的家？给“家”安装哪些保温材料？怎样检验保温效果？ [分组实验]指导学生制作简易房间模型来进行验证。引导学生思考利用其他方法来对方案的保温效果和可行性进行验证。 [回答]可以参考人们冬天穿羽绒服来保暖的方法，选择保温能力比较强的材料将房间“包裹”起来，以此减少房屋内部与外界的热量交换。 [回答]材料的保温性能通常与它的厚度、热导率、干燥程度、与外界的接触面积，以及外界温度等有关。通常，材料厚度越大、热导率越小、与外界的接触面积越小，材料就越能减缓热量散失。 [回答]还要考虑材料的成本、是否易安装、环保性、耐火性等。 [回答]可以选择XPS挤塑板和岩棉板。选择XPS挤塑板的依据是它的导热率低、需要的厚度小，且兼具防水性，适合多数气候条件。岩棉板虽然在费用和厚度上不占优势，但它的防火性能好，尤其适用于高层住宅。 [讨论交流]房屋保温设计方案。 [讨论，回答]用纸盒来模拟家，分别设置普通房间和保温房间，选择易获取的保温材料，保温房间中将保温材料安装在“家”中相应位置，将相同质量的冰块装在塑料袋中，分别放人普通房间和保温房间中，在相同的环境下，经过相同的时间后将冰块取出并进行比较，通过比较冰块质量的变化来评估设计的保温效果。分组实验操作。
任务四　展示交流
教师活动 学生活动
[活动]引导学生展示研究过程和成果，在展示交流的过程中组织学生深入思考，对设计方案的可行性、研究过程的合理性、研究成果的可信度等方面进行分析，并提出建设性意见。 [回答]小组派代表进行成果展示。 检验保温效果时，还可以用装有相同质量、相同温度水的敞口热水瓶替代冰块，用温度传感器实时测量两个房间温度的变化，通过相同时间内温度的变化量来评估保温效果。
教师活动 学生活动
[任务]以思维导图形式归纳总结本节内容。 [总结]本节课中，同学们在设计方案时，不仅提出了具体的优化建议，还提供了充分、确凿的证据以及合理的推理作为支撑。希望同学们能够根据讨论交流过程中他人的建议，进一步完善节能方案，并尝试开展实践，为节能环保贡献自己的力量！ [小组合作]总结核心知识，绘制思维导图。
第3节　跨学科实践：为节约能源设计方案
任务一　调查家中能源的使用情况
任务二　选取优化对象与确定改进方法
任务三　制订与检验设计方案
任务四　展示交流
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

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