我们为学生提供一个标准的基础烤箱设计，挑战是他们要为太阳能烤箱设计隔热层，从而引入绿色环保工程的相关概念。根据烤箱的保温能力以及保温材料的环保性，对学生的设计进行评估。

故事书先向学生介绍了工程设计挑战的背景。在开始这一设计挑战之前，学生还会探索工程师用于评估技术对环境影响的工具——生命周期评估。学生学习使用这一工具，并对纸这种天天打交道的产品进行简单的生命周期评估。

在设计太阳能烤箱的隔热材料时，他们将利用从这个活动中学到的材料如何影响环境的知识，以及科学课上学到的能量知识。

本课从提示学生思考太阳能烤箱的设计开始。教师问学生设计太阳能烤箱的目的（或目标）是什么，并回顾太阳能烤箱的4个组成部分——反射器、箱体、窗口和烤盘。在此基础上，她会提示学生思考，为什么示例中太阳能烤箱这样设计，她会问：“你觉得为什么反射器可用铝箔制作？”和“为什么烤箱顶部的孔用透明塑料覆盖？”

然后，教师会引导学生将他们的思路与能量，特别是热能，联系起来。她会进一步提示学生思考烤箱中能量的来源，以及它是如何工作的。

她还要帮助学生认识到，在设计产品的各个部分时要考虑热量保存，这是非常重要的。例如，烤箱顶部的窗口用塑料覆盖，以保存烤箱中的热量，隔热材料也可以保存热量。

设计活动的第一步是收集“科学”数据，为工程决策和设计提供参考依据——学生们将开展对照实验，测试现有材料（铝箔、泡沫塑料、毛毡、塑料和报纸）作为隔热材料的性能。

首先，学生们仔细研究了热的不良导体和良导体，确定每种材料的特性，并对其作为不良导体的隔热能力进行预测。他们建立仅有一个变量的对照实验，以测试每种材料的隔热性能。他们对每种材料都进行两次测试——一次使用“完整”材料，一次使用“碎屑”材料。

学生会做出预测，哪种材料是他们认为最好的隔热材料，然后以小组为单位测试 10 种材料。他们将材料放入杯中后再将杯子放入冰浴，在此之前，教师会向学生提问，杯中的空气温度会怎样变化及其原因。这促使学生思考这个系统中的能量是如何流动的——热能从较热的杯子流向较冷的冰浴。

学生每30秒记录一次杯中空气的温度来收集数据。数据收集完成后，学生通过计算每种材料的温度变化来分析数据。

在课堂上，学生描述观察到的温度变化，教师再以“热能到哪里去了？你为什么这么认为？”等科学问题让学生思考系统中的热运动情况。

学生在分析数据时会继续反思。全班同学会建立一个从热的不良导体到热的良导体的隔热量表，并根据测量的温度变化，找到每一种测试材料（复合或完整/碎屑）在量表上的位置。在对材料进行排名后，学生就可以生成柱状图以比较这5种材料在完整或碎屑状态下的温度变化，并将它们与没有隔热材料的对照组比较。

借助这些数据，学生需要从热能和空气流动的角度，对碎屑材料的隔热性能比完整材料好这一现象进行观察并解释。学生在反思材料的哪些特性能很好地起到隔热作用后，再继续思考每种材料对环境的影响。

在材料探索的最后阶段，学生会考虑材料对环境的影响。他们要确定每种材料是天然的还是加工过的以及需要多少量（能减少材料的使用量吗？），材料是否曾用于其他的目的（是否循环使用过），或者可否回收利用。学生将建立第二个量表即环境影响量表，按照对环境影响从小到大的顺序，将每种材料放在对应的位置。

在教师的指导下，学生会仔细考虑这两个材料性质量表（隔热性和环境影响）。他们权衡材料的优劣，并仔细考虑在设计中可能使用哪种材料。

当收集到更多的信息以应用于设计选择时，学生会提出问题并开展相关实验，这也强化了对能量相关科学概念的理解。他们还运用数学工具来理解和比较这些结果。

当学生围绕隔热设计进行头脑风暴时，他们就会（或应该）应用所学的知识。然后，学生设计太阳能烤箱的隔热材料，需要平衡隔热性能以及对环境的影响。他们要规划整个设计并制作样品。

学生将太阳能烤箱放在阳光或强光下进行测试，每隔5分钟记录烤箱内温度，持续30分钟。然后，再将烤箱放到阴凉处，记录下烤箱内温度每分钟下降的情况，持续10分钟。

学生用以下分值评估设计：

• 热度得分（将烤箱达到的最高温度与对照组进行比较）；

• 时间得分（将烤箱放在阴凉处时，用了多长时间恢复到原来的温度）；

• 环境影响得分（所用材料对环境的影响）。

根据这些单项指标，学生算出一个总分。他们要观察自己和同学们的烤箱及其性能，每个小组都要反思设计中哪些地方做得好，以及应该如何改进。然后，他们需要至少再重新设计和测试一次。

基于真实世界的背景，他们得以拓展与解决当前问题有关的知识，同时也加深了对热传递和隔热材料的理解。这使得他们在完成工程挑战的过程中能够应用这些知识。

太阳能烤箱隔热工程挑战要求学生运用并进一步强化与能量、能量传递和隔热材料相关的科学概念。通过实践应用，学生对一些科学概念有了更深的理解，包括以下几个方面：

• 某些材料比其他材料更容易传递热能（如热的不良导体和热的良导体）。

• 热是能量的一种形式。

• 能量可以从一个物体或材料转移到另一个物体或材料上。

• 热能总是从温度较高的地方转移到温度较低的地方。

我们的研究表明，与仅学习科学且不学习任何工程的学生相比，参与此整合工程单元的学生科学学科的学习效果确实更好。不出所料，通过在相互关联和有意义的情境中应用所学的科学概念，通过精心的项目设计将科学和工程整合在一起，可以加强学生对工程和科学的理解。

此外，设计太阳能烤箱活动为学生提供了一个机会，让他们了解到数学是多么有用和重要。学生在工作时收集数据、创建表格并计算，以根据规定的标准，最大限度地发挥产品的设计功能。

对于许多学生来说，这些数学主题可能不是他们目前在数学课上学习的内容。然而，计算能力（如测量、计算差值和变化率），以及创建图表来展示和分析数据，需要在整个学校教育中不断加强。

（本文摘编自《基于项目的小学工程教育》）