第三节 跨学科实践：设计节能房屋模型（导学案）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

第三节 跨学科实践：设计节能房屋的模型 （导学案） 【学习目标】 1．巩固和深化能量转移与转化的观念，能从“输入-利用-散失”的视角分析房屋的能量流动。建立能量利用效率的概念，理解提高效率是节能的核心途径之一。 2．能运用“需求-功能-结构”的工程思维，将节能理念转化为具体的设计方案，并综合考虑多种因素进行系统优化。在模型设计中，能提出新颖、合理的节能创意并进行论证。 3．能基于“如何节能”的核心问题，设计并完成探究可再生能源利用和材料保温效果的实验。能通过实验收集数据，分析不同因素对能量收集与保存效果的影响，并为设计提供证据支持。 4．深刻理解节能技术对可持续发展的重要意义，树立绿色、低碳的生活理念。体验从理论分析、实验探究到模型设计的完整工程实践过程，培养动手能力、合作精神和将创意变为现实的成就感。能将所学应用于对家庭或社区节能改造的思考中，形成用科技服务社会的意识。 【学习重点】 1．通过实验探究，理解影响太阳能、风能利用效率的因素以及不同材料的保温性能。 2．完成一个综合考虑“开源”与“节流”的节能房屋模型设计方案。 【学习难点】 1．将实验探究的结论有效地迁移、应用到模型设计的决策中。 2．在模型设计中体现系统思维，实现多种节能措施的有机整合与优化。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．房屋的“能量系统”观念： 、 、 。节能房屋应有哪些特征？一是减少房屋与外界环境的 ；二是提高能源的利用 。 2．节能房屋的两大设计方向：方向一：  → 提高可再生能源利用比例。方向二：  → 提高能量利用效率（减少 ）。 3．节能房屋利用可再生能源的具体途径： 能的利用； 能的利用。 4．设计节能房屋，提高房屋的能量利用效率。 （1）选址与朝向：房屋的朝向，应该 、 。但应避开“风口”或“阴湿区域”； （2）保温隔热：墙体应选用保温性能 的材料，如泡沫板、双层纸板等，中间填充棉花、碎海绵等。屋顶用 屋顶，便于安装太阳能电池板。窗户玻璃应该用 层透明亚克力板。 （3）充分利用自然资源：如太阳能，太阳能装置应可调节 ，争取最大日照。充分利用风能，风力发电机应安装在风速 、风向 的位置。涉及可开启的 ，有利于通风。合理设置窗户大小及数量，充分利用自然光。 （4）其他方面： 设施、 措施、材料选用 等。 【探究新知】 探究一、从能量视角分析房屋 （一）评估房屋的节能水平 1. 引导学生分析教材图20.3-1，建立房屋的“能量系统”观念（输入、利用、散失）。 2. 组织“议一议”：节能房屋应有哪些特征？ 引导学生归纳出两大设计方向： 方向一：开源 → 提高可再生能源利用比例。 方向二：节流 → 提高能量利用效率（减少散失）。 探究二、可再生资源的利用 请你结合能量和相关学科的知识探讨节能房屋利用可再生能源的具体途径。如结合生物学、地理学等知识设计太阳能的利用方案，结合地理学等知识设计风能的利用方案。 （一）活动一：太阳能的利用 【活动目的】 利用太阳能电池板，让小风扇转动。 【活动器材】 【活动内容】 1.将太阳能电池板和小风扇连接起来。 2.将连接好的电路放到阳光下，使小风扇转动。 3.改变太阳能电池板的摆放角度，使太阳能电池板与阳光的夹角分别为90°(阳光直射太阳能电池板)、60°、30°,观察小风扇的转动速度。根据实验结果，请你分析：太阳能电池板与阳光的夹角对太阳能发电有什么影响? 设计节能房屋模型时，需要根据房屋的朝向等，构思太阳能发电装置安装的位置。上述探究结果对你有什么启示? （二）活动二：风能的利用 【活动目的】 组装小型风力发电机，并使小灯泡发光。 【活动器材】 直流发电机(带支杆)、叶片、导线、小灯泡、电风扇等(部分器材如图20.3-3所示)。 【活动内容】 1.将叶片安装到直流发电机上，制成小型风力发电机。 2.用导线将小灯泡连接到直流发电机两端。将电风扇正对叶片放置，启动电风扇，小型风力发电机的叶片转动，观察小灯泡是否发光。 3.使电风扇在不同挡位工作，小型风力发电机的叶片转动，观察小灯泡的亮度。请你分析：风速对风力发电机发电有什么影响? 4.改变电风扇的摆放位置，使风向与小型风力发电机的叶片所在平面分别成90°(电风扇与叶片正对)、60°、30°,使电风扇在最高挡位工作，小型风力发电机的叶片转动，观察小灯泡的亮度。请你分析：风向对风力发电机发电有什么影响? 设计节能房屋模型时，需要根据房屋所在地的气候、地理条件等，构思风力发电装置在整个建筑中的位置。上述探究结果对你有什么启示? 探究三、设计节能房屋模型 （一）提高房屋的能量利用效率 1．活动三：探究不同建筑外墙保温材料的保温效果 设计节能房屋模型时，制作外墙的材料、房屋的窗户和门等应该如何选择呢?可以从提高房屋的能量利用效率角度分析。下面的样例可供参考。 【活动目的】 探究矿物棉、珍珠岩、泡沫塑料三种外墙保温材料的保温效果。 【活动器材】 矿物棉、珍珠岩、泡沫塑料、带盖大纸杯、小纸杯、数字温度计、搅拌棒，如图20.3-4所示。 【活动内容】 1.将矿物棉、珍珠岩和泡沫塑料分别倒入3个大纸杯底部，用力压实并使材料的厚度相同。 2.在每个大纸杯中央分别放1个小纸杯，在大、小纸杯间的缝隙处填满相应的保温材料并压实。 3.分别向小纸杯中倒入温度(60℃左右)、质量相同的热水，并盖上相同盖子。 4.每隔5min测一次水温，并将数据记录在表20.3-1中。测温间隙用搅拌棒搅拌小纸杯中的水。 5.根据实验数据，判断矿物棉、珍珠岩、泡沫塑料哪种材料的保温效果较好。 在实际生活中，选用外墙保温材料时除了保温效果，还需要考虑哪些因素? （二）初步设计制作节能房屋模型 【组织与指导】将学生分为三大组，分别围绕三个活动进行探究： A组（开源1-太阳能）：探究太阳能板角度对发电效率的影响。 B组（开源2-风能）：探究风速、风向对发电效率的影响。 C组（节流-材料）：探究不同保温材料的保温效果。 教师巡视指导，确保实验规范、数据记录准确。 【搭建平台】组织三个大组的代表向全班汇报实验现象、数据和结论。 教师点睛：将各组结论提炼为设计指南： 太阳能装置应可调节角度，争取最大日照。 风力发电机应安装在风速大、风向稳定的位置。 墙体应选用保温性能好的材料。 【引导与创造】 1. “议一议”：引导学生以小组为单位，参考表20.3-2，进行“头脑风暴”，填写设计方案。 2. 提供设计支架： 房屋选址与朝向？ 如何集成太阳能、风能设备？ 选用何种保温材料和门窗结构？ 还有哪些节能妙招？ 3. 指导学生将设计方案转化为实物模型（或精细的三维效果图/设计图）。 【组织与评价】 举办“未来节能家园设计博览会”。各小组展示模型/设计图，并派代表讲解： 1. 设计理念与核心功能是什么？ 2. 方案中运用了哪些节能技术和材料？具体是如何结合房屋选址、朝向、布局等因素实现能源高效利用的？ 3. 储能装置的设计思路是什么，如何确保能源供给与需求的平衡？ 4. 整个设计在成本控制和实际应用可行性方面有哪些考量？（其他小组在聆听讲解后，可围绕设计的创新性、实用性、节能效果等方面进行提问和点评，最后由教师根据各小组的展示情况、方案的完整性以及团队协作表现进行综合评价，评选出最具创意节能设计、最佳实用节能方案等奖项。） 3. 创新之处。 组织学生从科学性、创新性、美观性、可行性等维度进行互评。 【实践与探索】 1.采用实物或影像等方式对模型设计方案、实物模型作品进行展示、交流，介绍模型的设计思路、数据及其合理性等，说明模型制作的关键环节。从科学性、艺术性和创新性等角度对节能房屋模型进行综合评价。 2.查阅资料，了解节能房屋研究和建造的进展，对家庭居住房屋的节能改造提出具有可操作性的建议。 【课堂总结】 三、跨学科实践：设计节能房屋的模型 【课堂练习】 1．如图所示，是一种新型节能路灯，它“头顶”小风扇，“肩扛”太阳能电池板。关于节能灯的设计，下列说法错误的是（　　） A．太阳能电池板将太阳能转化为电能 B．小风扇是风力发电机，将电能转化为机械能 C．白天，多余的电能会储存在蓄电池里，是将电能转化为化学能 D．夜晚，蓄电池放电，将化学能转化为电能 2．太阳能制氢是一种极具潜力的清洁能源技术，它利用光催化剂吸收太阳光，直接将水分解为氢气和氧气，氢气可以作为高效的能源载体，用于发电、交通、工业等领域。下列有关说法正确的是 ） A．氢气不属于清洁能源 B．氢气燃料燃烧的过程中热值变小 C．太阳能来源于太阳内部氢核的聚变 D．太阳能不能直接用于发电 3．在你的节能房屋模型中，你打算将太阳能电池板安装在什么位置？朝向如何？请用活动一的实验结论解释你这样设计的理由。 4．你为模型房屋的“墙壁”选择了哪种（或哪几种）材料？请结合活动三的探究结果，论证你选择的合理性。 5．除了利用可再生能源和提高保温性能，你的模型还考虑了哪些节能措施？（例如：利用自然光照明、设计通风系统减少空调使用等） 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第三节 跨学科实践：设计节能房屋的模型 （导学案） 【学习目标】 1．巩固和深化能量转移与转化的观念，能从“输入-利用-散失”的视角分析房屋的能量流动。建立能量利用效率的概念，理解提高效率是节能的核心途径之一。 2．能运用“需求-功能-结构”的工程思维，将节能理念转化为具体的设计方案，并综合考虑多种因素进行系统优化。在模型设计中，能提出新颖、合理的节能创意并进行论证。 3．能基于“如何节能”的核心问题，设计并完成探究可再生能源利用和材料保温效果的实验。能通过实验收集数据，分析不同因素对能量收集与保存效果的影响，并为设计提供证据支持。 4．深刻理解节能技术对可持续发展的重要意义，树立绿色、低碳的生活理念。体验从理论分析、实验探究到模型设计的完整工程实践过程，培养动手能力、合作精神和将创意变为现实的成就感。能将所学应用于对家庭或社区节能改造的思考中，形成用科技服务社会的意识。 【学习重点】 1．通过实验探究，理解影响太阳能、风能利用效率的因素以及不同材料的保温性能。 2．完成一个综合考虑“开源”与“节流”的节能房屋模型设计方案。 【学习难点】 1．将实验探究的结论有效地迁移、应用到模型设计的决策中。 2．在模型设计中体现系统思维，实现多种节能措施的有机整合与优化。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．房屋的“能量系统”观念：输入、利用、散失。节能房屋应有哪些特征？一是减少房屋与外界环境的热量交换；二是提高能源的利用效率。 2．节能房屋的两大设计方向：方向一：开源 → 提高可再生能源利用比例。方向二：节流 → 提高能量利用效率（减少散失）。 3．节能房屋利用可再生能源的具体途径：太阳能的利用；风能的利用。 4．设计节能房屋，提高房屋的能量利用效率。 （1）选址与朝向：房屋的朝向，应该通风、向阳。但应避开“风口”或“阴湿区域”； （2）保温隔热：墙体应选用保温性能好的材料，如泡沫板、双层纸板等，中间填充棉花、碎海绵等。 屋顶用斜屋顶，便于安装太阳能电池板。窗户玻璃应该用双层透明亚克力板。 （3）充分利用自然资源：如太阳能，太阳能装置应可调节角度，争取最大日照。充分利用风能，风力发电机应安装在风速大、风向稳定的位置。涉及可开启的窗户，有利于通风。合理设置窗户大小及数量，充分利用自然光。 （4）其他方面：遮阳设施、节水措施、材料选用再生资源等。 【探究新知】 探究一、从能量视角分析房屋 （一）评估房屋的节能水平 1. 引导学生分析教材图20.3-1，建立房屋的“能量系统”观念（输入、利用、散失）。 让学生在图中标注出太阳辐射、室内用电设备等能量输入途径，以及通过墙体、门窗、屋顶等部位的热量散失方式，帮助学生直观理解房屋能量流动的基本框架。接着组织小组讨论，结合生活经验举例说明不同季节房屋能量输入和散失的差异，比如冬季供暖设备输入能量增加而热量散失更快，夏季则需要考虑遮阳以减少太阳辐射输入，从而为后续评估节能水平奠定基础。 2. 组织“议一议”：节能房屋应有哪些特征？ 一是减少房屋与外界环境的热量交换，比如通过优化墙体、屋顶和门窗的保温性能来降低能量散失；二是提高能源的利用效率，包括合理利用太阳能等可再生能源，以及优化房屋内部的能源消耗设备。在此过程中，鼓励学生结合生活经验，举例说明不同特征在实际房屋中的体现，如双层真空玻璃如何减少热量传递，太阳能热水器如何为房屋提供热水等，从而为后续的模型设计积累具体的设计思路。 引导学生归纳出两大设计方向： 方向一：开源 → 提高可再生能源利用比例。 方向二：节流 → 提高能量利用效率（减少散失）。 探究二、可再生资源的利用 请你结合能量和相关学科的知识探讨节能房屋利用可再生能源的具体途径。如结合生物学、地理学等知识设计太阳能的利用方案，结合地理学等知识设计风能的利用方案。 （一）活动一：太阳能的利用 【活动目的】 利用太阳能电池板，让小风扇转动。 【活动器材】 【活动内容】 1.将太阳能电池板和小风扇连接起来。 2.将连接好的电路放到阳光下，使小风扇转动。 3.改变太阳能电池板的摆放角度，使太阳能电池板与阳光的夹角分别为90°(阳光直射太阳能电池板)、60°、30°,观察小风扇的转动速度。根据实验结果，请你分析：太阳能电池板与阳光的夹角对太阳能发电有什么影响? 太阳能电池板、小风扇、导线、支架、量角器。实验过程中需记录不同夹角下小风扇的转速变化，比如在阳光直射（90°夹角）时，太阳能电池板接收的太阳辐射能量最集中，此时小风扇转速最快；随着夹角减小至60°、30°，接收的辐射量逐渐减少，小风扇转速也随之变慢。这说明太阳能电池板与阳光的夹角直接影响其能量转换效率，夹角越接近90°，发电效果越好，反之则越差。 设计节能房屋模型时，需要根据房屋的朝向等，构思太阳能发电装置安装的位置。上述探究结果对你有什么启示? 在设计节能房屋模型时，应优先将太阳能发电装置安装在房屋能最大限度接收阳光直射的位置，比如朝南的屋顶或墙面。因为根据实验中太阳能电池板与阳光夹角接近90°时发电效果最好的结论，朝南的位置在一天中能更长时间地让太阳能装置与阳光保持较优夹角，从而更高效地利用太阳能。同时，还可以考虑为太阳能发电装置设计可调节角度的支架，这样在不同季节或一天中不同时段，都能通过调整角度使太阳能电池板尽可能接近与阳光垂直的状态，进一步提升发电效率，让节能房屋模型的太阳能利用更加充分和高效。 （二）活动二：风能的利用 【活动目的】 组装小型风力发电机，并使小灯泡发光。 【活动器材】 直流发电机(带支杆)、叶片、导线、小灯泡、电风扇等(部分器材如图20.3-3所示)。 【活动内容】 1.将叶片安装到直流发电机上，制成小型风力发电机。 2.用导线将小灯泡连接到直流发电机两端。将电风扇正对叶片放置，启动电风扇，小型风力发电机的叶片转动，观察小灯泡是否发光。 若小灯泡发光，说明风能成功转化为电能；若未发光，可检查叶片安装是否牢固、导线连接是否紧密或发电机是否正常工作。在实验过程中，还可以改变电风扇的风速档位，观察不同风速下小灯泡的亮度变化，从而直观感受风速对风力发电效率的影响，进一步理解风能利用中能量转化的实际效果和影响因素。 3.使电风扇在不同挡位工作，小型风力发电机的叶片转动，观察小灯泡的亮度。请你分析：风速对风力发电机发电有什么影响? 一般来说，风速越大，风力发电机的叶片转动速度越快，驱动发电机产生的电能就越多，小灯泡的亮度也就越亮；反之，风速越小，叶片转动速度越慢，产生的电能越少，小灯泡亮度则越暗。这是因为风速直接影响叶片获取的风能大小，风速增大时，单位时间内作用在叶片上的风能增加，转化为的机械能随之增多，进而使发电机输出的电能增大，导致小灯泡的发光强度增强，通过这样的现象可以清晰地看到风速与风力发电机发电效率之间存在正相关的关系。 4.改变电风扇的摆放位置，使风向与小型风力发电机的叶片所在平面分别成90°(电风扇与叶片正对)、60°、30°,使电风扇在最高挡位工作，小型风力发电机的叶片转动，观察小灯泡的亮度。请你分析：风向对风力发电机发电有什么影响? 风向垂直叶片平面时，风能利用最充分，叶片转速最快，发电最多，灯泡最亮；夹角60°时，风能减少，转速降低，发电减少，灯泡变暗；夹角30°时，风能进一步减少，转速更慢，发电最少，灯泡最暗。风向与叶片夹角决定有效迎风面积，夹角越大风能利用率越高，发电效果越好，夹角越小发电效果越差，灯泡亮度变化直观反映这一影响。 设计节能房屋模型时，需要根据房屋所在地的气候、地理条件等，构思风力发电装置在整个建筑中的位置。上述探究结果对你有什么启示? 在设计节能房屋模型时，应优先将风力发电装置安装在能最大程度捕捉当地主导风向的位置，确保风向与叶片平面夹角接近90°，以获得最大的有效迎风面积。比如，若房屋所在地常年盛行某一方向的风，就应让风力发电装置的叶片平面正对该方向，这样风能利用率最高，发电效果最佳；同时，要避免周围建筑物或障碍物对风向造成遮挡或偏转，防止因风向夹角减小而降低发电效率，从而更高效地利用风能为节能房屋供电，提升房屋的整体节能性能。 探究三、设计节能房屋模型 （一）提高房屋的能量利用效率 1．活动三：探究不同建筑外墙保温材料的保温效果 设计节能房屋模型时，制作外墙的材料、房屋的窗户和门等应该如何选择呢?可以从提高房屋的能量利用效率角度分析。下面的样例可供参考。 【活动目的】 探究矿物棉、珍珠岩、泡沫塑料三种外墙保温材料的保温效果。 【活动器材】 矿物棉、珍珠岩、泡沫塑料、带盖大纸杯、小纸杯、数字温度计、搅拌棒，如图20.3-4所示。 【活动内容】 1.将矿物棉、珍珠岩和泡沫塑料分别倒入3个大纸杯底部，用力压实并使材料的厚度相同。 2.在每个大纸杯中央分别放1个小纸杯，在大、小纸杯间的缝隙处填满相应的保温材料并压实。 3.分别向小纸杯中倒入温度(60℃左右)、质量相同的热水，并盖上相同盖子。 4.每隔5min测一次水温，并将数据记录在表20.3-1中。测温间隙用搅拌棒搅拌小纸杯中的水。 5.根据实验数据，判断矿物棉、珍珠岩、泡沫塑料哪种材料的保温效果较好。 在实验过程中，要确保每次测量水温时数字温度计的探头都处于小纸杯内水的中间位置，避免接触杯壁或杯底影响读数准确性。同时，整个实验应在相同的环境条件下进行，比如保持室温稳定、避免阳光直射或空气对流过快等外部因素干扰，这样才能保证实验结果的可靠性。完成所有数据测量后，通过比较相同时间间隔内不同材料组小纸杯水温的下降幅度，下降幅度越小的材料，其保温性能越强，从而为节能房屋外墙保温材料的选择提供科学依据。 在实际生活中，选用外墙保温材料时除了保温效果，还需要考虑哪些因素? 选择外墙保温材料需考虑安全性，如防火性能和毒气释放；耐久性要能抵抗自然侵蚀，保持保温效果；成本包括采购和施工费用，追求性价比；环保性应减少生态影响；施工便利性影响效率；密度和强度需符合结构要求；还需考量隔音、抗冻融等性能满足使用需求。 （二）初步设计制作节能房屋模型 【组织与指导】将学生分为三大组，分别围绕三个活动进行探究： A组（开源1-太阳能）：探究太阳能板角度对发电效率的影响。 教师可引导A组学生先查阅资料，了解当地的太阳高度角变化规律，再设计对比实验——固定太阳能板的光照强度和面积，依次调整其与地面的夹角（如30°、45°、60°等），记录不同角度下的输出电压和电流数据，通过计算功率来分析角度与发电效率的关系，并绘制数据曲线图，总结出在当前环境下的最佳安装角度范围。同时，鼓励学生思考实际应用中如何根据季节变化动态调整角度，以最大化太阳能的收集效率。 B组（开源2-风能）：探究风速、风向对发电效率的影响。 教师可引导B组学生利用风速仪和风向标监测不同时段的自然风况，同时搭建简易风力发电模型，通过改变风扇的转速模拟不同风速（如2m/s、4m/s、6m/s等），并调整风车叶片的朝向以对应不同风向，记录每种情况下的输出功率数据。学生需分析风速与功率的非线性关系，观察在何种风速区间发电效率增长最为显著，同时研究风向偏差对功率输出的衰减影响，比如当风向与叶片正面夹角超过30°时功率下降的幅度。此外，鼓励学生结合当地气候特征，讨论如何设计带有自动迎风装置的风力发电系统，以减少风向变化带来的效率损失，还可思考在低风速环境下如何通过优化叶片形状或增加叶片数量来提升能量捕获能力。 C组（节流-材料）：探究不同保温材料的保温效果。 教师可指导C组学生选取常见的保温材料，如泡沫塑料、岩棉、玻璃棉、珍珠岩等，制作相同尺寸的保温盒，在盒内放置温度传感器和加热装置，将初始温度加热至统一标准后关闭加热，记录不同材料保温盒在相同时间间隔内的温度变化数据，比如每10分钟测量一次，持续2小时。学生需要计算各材料的温度下降速率，比较单位时间内的热量损失情况，分析材料导热系数与保温效果的关系，找出哪种材料的温度保持能力最强，同时观察材料厚度对保温效果的影响，例如增加同种材料厚度是否能线性提升保温性能。此外，引导学生结合材料的密度、成本、环保性等因素，讨论在建筑外墙保温或管道保温工程中如何选择合适的材料，还可思考不同材料组合使用时是否能产生更好的保温效果，比如在泡沫塑料外层包裹反射膜是否能进一步减少热辐射损失。 教师巡视指导，确保实验规范、数据记录准确。 【搭建平台】组织三个大组的代表向全班汇报实验现象、数据和结论。 教师点睛：将各组结论提炼为设计指南： 太阳能装置应可调节角度，争取最大日照。 风力发电机应安装在风速大、风向稳定的位置。 墙体应选用保温性能好的材料。 【引导与创造】 1. “议一议”：引导学生以小组为单位，参考表20.3-2，进行“头脑风暴”，填写设计方案。 2. 提供设计支架： 房屋选址与朝向？ 考虑采光、迎风 如何集成太阳能、风能设备？ 位置、角度 选用何种保温材料和门窗结构？ 保温材料可结合导热系数、厚度及成本综合考量，门窗可采用双层真空玻璃以减少热传递）房屋的整体布局如何规划以实现能源高效利用？（比如合理划分功能区，减少不必要的空间浪费导致的能耗）是否需要设计储能装置来平衡能源供给与需求？（例如配备蓄电池储存太阳能发电的多余电量。 还有哪些节能妙招？ 如自然采光、雨水收集 3. 指导学生将设计方案转化为实物模型（或精细的三维效果图/设计图）。 【组织与评价】 举办“未来节能家园设计博览会”。各小组展示模型/设计图，并派代表讲解： 1. 设计理念与核心功能是什么？ 设计理念应围绕“绿色低碳、智能高效、人与自然和谐共生”展开，核心功能则聚焦于通过系统性的节能设计与可再生能源利用，实现房屋在全生命周期内的能源自给自足与低环境负荷，例如优先满足居住空间的基础能源需求，同时具备能源调节、资源循环利用等复合能力，让房屋不仅是居住载体，更是可持续生活方式的实践平台。 2. 方案中运用了哪些节能技术和材料？具体是如何结合房屋选址、朝向、布局等因素实现能源高效利用的？ 该方案采用被动式太阳能技术，南向设双层中空Low-E玻璃窗和遮阳百叶调节光照；应用地源热泵系统利用地热能供暖制冷。墙体使用加气混凝土砌块与保温砂浆，屋顶铺设XPS挤塑板保温层。选址优先考虑地势高、通风好、无遮挡的区域，建筑坐北朝南保证主要房间采光通风。采用"回"字形平面布局，中央设采光天井实现自然采光；厨房卫生间集中布置以缩短管道，卧室书房设在安静区，通过合理分区降低能耗。 3. 储能装置的设计思路是什么，如何确保能源供给与需求的平衡？ 储能系统采用锂电池与相变材料组合，以光伏发电优先供房屋用电，多余电量存入锂电池。相变材料利用夜间谷电储冷热，高峰时释放以调节室温。智能管理平台监测能耗数据，结合天气与用户习惯动态调控储能策略。遇连续阴雨时，系统切换至地源热泵与电池协同供电，保障基础负荷，并通过APP推送预警，引导错峰用电，实现供需平衡。 4. 整个设计在成本控制和实际应用可行性方面有哪些考量？（其他小组在聆听讲解后，可围绕设计的创新性、实用性、节能效果等方面进行提问和点评，最后由教师根据各小组的展示情况、方案的完整性以及团队协作表现进行综合评价，评选出最具创意节能设计、最佳实用节能方案等奖项。） 成本控制选用本地常规建材降低运费；光伏储能设备选成熟高性价比品牌。相变材料与地源热泵复合系统优化功率匹配，减少冗余。设计考虑气候适应性，如寒冷区加保温、潮湿区设防潮层；智能平台模块化开发，兼容家电接口便于维护。施工遵循现有规范，无需特殊设备，依托常规团队确保成本可控与推广价值。 3. 创新之处。 组织学生从科学性、创新性、美观性、可行性等维度进行互评。 该设计将光伏、相变储热与地源热泵技术深度耦合，突破单一能源形式的局限性，通过智能算法动态调配多源能量流，实现能源梯级利用效率提升30%以上。创新性引入用户行为预测模型，结合实时气象数据与历史用电习惯，提前12小时优化能源供给策略，使系统响应速度较传统被动式调节提高2倍。在结构设计上采用可拆卸式相变材料模块，方便后期维护更换，同时通过模块化智能控制平台开放API接口，支持第三方开发者接入新功能，形成可持续迭代的节能生态系统。 【实践与探索】 1.采用实物或影像等方式对模型设计方案、实物模型作品进行展示、交流，介绍模型的设计思路、数据及其合理性等，说明模型制作的关键环节。从科学性、艺术性和创新性等角度对节能房屋模型进行综合评价。 在展示交流环节，鼓励学生结合设计过程中的实验数据与模拟结果，阐述技术耦合方案如何解决实际能源调配难题，例如极端天气下多源互补的稳定性验证。评价阶段引入量化评分体系，科学性维度重点考察能源利用效率提升的实测数据与理论依据，艺术性维度关注模型外观设计与绿色建筑美学的融合度，创新性维度则侧重技术整合的独特性及用户行为预测模型的应用价值，通过多维度反馈促进设计方案的持续优化与跨学科知识的深度融合。 2.查阅资料，了解节能房屋研究和建造的进展，对家庭居住房屋的节能改造提出具有可操作性的建议。 在资料查阅过程中，可重点关注近年来被动式节能技术在普通住宅中的应用案例，如三层中空Low-E玻璃的传热系数优化数据、相变储能材料在墙体夹层中的安装成本与节能效益比等实际参数。针对家庭居住房屋的节能改造，建议从外围护结构入手，优先选择性价比高的XPS挤塑聚苯板进行外墙保温层加厚处理，同时对门窗缝隙采用硅酮密封胶进行密封，经测算可使冬季室内温度提升3 - 5℃，降低采暖能耗约20% - 25%。此外，结合可再生能源利用，可推荐安装小型家用光伏发电系统，根据户均用电量和屋顶面积，选择3 - 5kW功率的组件，配合储能电池实现白天自发自用、夜间储能放电，在光照条件较好的地区，年发电量可满足家庭30% - 40%的用电需求，剩余电量还可并入电网获取收益，形成"保温降耗+新能源补充"的双重节能改造方案。 【课堂总结】 三、跨学科实践：设计节能房屋的模型 【课堂练习】 1．如图所示，是一种新型节能路灯，它“头顶”小风扇，“肩扛”太阳能电池板。关于节能灯的设计，下列说法错误的是（　　） A．太阳能电池板将太阳能转化为电能 B．小风扇是风力发电机，将电能转化为机械能 C．白天，多余的电能会储存在蓄电池里，是将电能转化为化学能 D．夜晚，蓄电池放电，将化学能转化为电能 【答案】B 【详解】A．“肩扛”太阳能电池板吸收太阳能，将太阳能转化为电能，故A正确，不符合题意； B．小风扇是风力发电机，将机械能转化为电能，故B错误，符合题意； C．多余的电能会储存在蓄电池里，是将电能转化为化学能存储在电池内部，故C正确，不符合题意； D．蓄电池在夜晚放电时，输出电能，将化学能转化为电能，故D正确，不符合题意。 故选B。 2．太阳能制氢是一种极具潜力的清洁能源技术，它利用光催化剂吸收太阳光，直接将水分解为氢气和氧气，氢气可以作为高效的能源载体，用于发电、交通、工业等领域。下列有关说法正确的是（    ） A．氢气不属于清洁能源 B．氢气燃料燃烧的过程中热值变小 C．太阳能来源于太阳内部氢核的聚变 D．太阳能不能直接用于发电 【答案】C 【详解】A．清洁能源是指在生产和使用过程中不产生或很少产生污染物的能源。氢气燃烧的产物只有水，不会产生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物，对环境友好，所以氢气属于清洁能源，故A错误； B．燃料的热值是指单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量，它是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等因素无关。 因此，氢气燃料在燃烧的过程中，其热值不会变小，故B错误； C．太阳能来源于太阳内部氢核的聚变反应。在太阳内部，氢原子核在超高温和超高压的条件下发生聚变，聚合成氦原子核，同时释放出巨大的能量，这些能量以光和热的形式辐射到宇宙空间，其中一部分到达地球，就成为了我们所说的太阳能，故C正确；   D．太阳能可以直接用于发电，如太阳能光伏发电，故D错误。 故选C。 3．在你的节能房屋模型中，你打算将太阳能电池板安装在什么位置？朝向如何？请用活动一的实验结论解释你这样设计的理由。 【答案】计划在屋顶南侧安装太阳能电池板，倾斜角度设为当地纬度。北半球朝南放置可接收最大太阳辐射，因太阳轨迹偏南；倾斜角度接近纬度能使电池板全年尽可能垂直太阳光线，提高能量转换效率。此设计充分利用太阳能，为房屋提供稳定电力，符合节能理念。 【详解】在活动一的实验中，我们通过对比不同朝向和角度的太阳能装置发电效率发现，南侧朝向且倾斜角度与当地纬度相近时，接收的太阳光照时间最长、光照强度最大。屋顶作为房屋最高处，遮挡物少，能最大程度避免周围建筑物或树木对阳光的遮挡，确保太阳能电池板全天都能有效捕捉阳光。而将倾斜角度设为当地纬度，是因为这个角度能让太阳光线在大部分时间里近似垂直照射到电池板表面，根据光的直射原理，此时单位面积接收到的太阳能最多，从而使电池板的发电效率达到最优状态，这与实验中记录的该组合下发电量最高的结论完全一致，所以这样的安装设计是科学且高效的。 4．你为模型房屋的“墙壁”选择了哪种（或哪几种）材料？请结合活动三的探究结果，论证你选择的合理性。 【答案】我选用保温棉和石膏板作为房屋墙壁材料。活动三实验显示，保温棉导热系数最低，1小时温度仅下降3℃，优于木板和塑料板。石膏板承重防火，增强结构稳定性且便于装饰。该组合既利用保温棉高效保温减少能耗，又通过石膏板保障墙壁实用安全，符合活动三关于保温性能与结构功能兼备的材料更适合建筑墙体的结论。 【详解】在材料导热实验中，保温棉的保温性能最佳，1小时内仅降温3℃，优于木板和塑料板。石膏板承重和防火性能良好，解决了保温棉结构弱的问题，且表面平整便于装饰。复合墙体设计结合了保温棉的保温优势和石膏板的结构与装饰功能，符合建筑墙体需兼顾保温与实用性的结论。 5．除了利用可再生能源和提高保温性能，你的模型还考虑了哪些节能措施？（例如：利用自然光照明、设计通风系统减少空调使用等） 【答案】模型采用双层中空玻璃减少热量传递，提升保温效果。主采光面朝南，冬季利用太阳辐射取暖，夏季通过屋檐遮挡阳光降温。屋顶安装可调节遮阳百叶，根据季节调整，保证自然光照并防止温度升高。这些设计优化实现了节能。 【详解】双层中空玻璃减少约40%热量损失，提升建筑保温性能。南向主采光面冬季引入阳光升温3-5℃，减少取暖能耗；夏季通过屋檐遮挡避免过热。屋顶百叶冬季收起保证采光，夏季展开过滤强光并阻挡70%太阳辐射热，降低空调需求。这些措施与可再生能源、保温材料共同构成综合节能方案。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $