[活动DIY]超酷的!由你来为宇航员设计一套太空服

活动DIY

适合年级

6—8年级

活动概述

在这项活动中，学生要为宇航员设计一套太空服。当宇航员在绕地球运行时的航天器外工作时，周围温度在250华氏度（太阳直射）和零下250华氏度（星球阴影带）之间变化，宇航员会遭遇极热和极寒现象。这项活动可以激发学生探索太空的兴趣，吸引他们参与能源与工程领域的学习。活动第1天专门为学生介绍项目并开始材料测试，第2天和第3天可用于材料测试和原型设计，最后1天可以专注于展示交流和最后的总结。

项目开始

太空服工程项目的开始阶段会向学生提供学生工作单（见在线补充资料），介绍学生要面临的挑战。学生们要解决如何能成功地维持宇航员在太空的体温问题。学生们的工作单概述了项目的出发点并强调了评价标准：太空服必须允许宇航员在温度变化最小的测试区内生存10分钟，而且必须是经济的。这2项标准推动学生权衡温度控制和价格成本。这本活动里，教师不需要设置价格天花板从面影响工程项目的真实性。

在项目的准备阶段，教师需要收集材料并为学生们的设计划出测试区域。因为宇航员需要经历不同的极端情况，测试必须在热和冷这2种不同的情况下进行。

材料

● 用以下材料制作宇航员模型：用杯子盛装1盎司水，用保鲜膜覆盖杯口并用橡皮筋扎紧，以确保水不会洒出来（每组）

● 2或3个红外温度枪

● 棉花或毛毡

● 泡沫包装材料

● 白纸

● 铝箔

● 剪刀

● 纸胶带

其他材料，如空白纸和塑料包装，也可包括在内。最好能准备45种不同的太空服装材料，从而为学生提供足够的选择。纸胶带用于将衣服“缝”到“宇航员”身上（见图1和图2）。

图 1

图 2

布置检测区域

冷的环境可以是一个冰箱或是一个装满冰块的冷却器。学生们必须提前预估装卸冷却箱的时间，否则温度将会升高，测试就会变得无效。热的环境可以是一个热箱，由铝制容器组装而成，并用加热灯或白炽灯作为加热装置。组装材料如下图所示。

图 3

当学生理解了活动的全局时，他们可以每34人组成设计小组。接下来，学生们讨论如何使用工程模型。例如，如果不对太空服原型进行测试，NASA不会将宇航员送入太空。不仅是因为使用模型试验比人亲自试验要安全，也是因为在地球上的测试区域进行测试比真正进入国际空间站测试成本更低。

因为人体的构成物质大部分为水，因此，在教室中进行的测试使用装有1盎司水的容器作为宇航员的模型。也可使用装有8盎司水的瓶子进行实验，但是因为容量较大，测试区内需要的时间起码要翻倍。在测试区，热箱和冰箱模拟了热和冷2个环境，宇航员需要在这些环境中生存。

收集数据和建立原型

安全须知：在进行所有活动时，学生须佩戴护目镜。在热源附近需谨防烫伤。须警告学生不可以将温度枪指向除宇航员模型外的任何事物。

在工程领域，设计选择必须有数据支撑。因此，在活动的第1阶段，学生们从可选择的材料中，将每1种都只使用1层来模拟太空服包裹宇航员模型进行测试。也可以让每个小组测试1种材料，然后与其他小组分享测试数据。每种材料需准备充足，从而能够将宇航员模型完全包裹，且均需在热和冷2种环境中进行测试。宇航员需要用一种材料完全包裹并尽量少使用胶带进行固定。将这些宇航员与1个控制组或“裸体宇航员”共同放置于测试区域，如图4所示。

图4 给宇航员模型穿上衣服

测试材料要使用1个控制组，或是“裸体宇航员”，以及1个用白纸包裹的宇航员模型，然后用红外温度枪测量温度。

学生们记录初始温度，10分钟后记录最终温度。最好能够对每种材料进行多次试验，如果活动是在不同的教室进行，多次试验可以进行结合。收集数据后，应在课堂内对结果进行讨论，同时指导教师对学生的数学及计算思维能力进行评估。评估学生对于准度和精度的概念至关重要，因为有些学生会认为24.1℃（75.4℉）和24.2℃（75.6℉）差别很大。

在测试材料时，学生们也会学到热能会从暴露在外的区域流失，他们还可以通过确保没有热能流失来提高实验数据的可靠性。在对比不同材料时，尽管依据科学经验，一些材料性能更好，但是在本次活动中，可能并非如此。例如，尽管基础材料相同，毛毡应该比棉质材料性能更好，因为毛毡里的空气有绝缘效果。基于此，在课堂上讨论辐射是如何被反射、吸收或在不同的材料间传导，以及这些将如何影响材料的热传递是非常有用的。

由于太空是辐射为主的环境，因此以上讨论至关重要。在辐射为主的环境中，铝箔将非常适用，因为铝箔利于反射能量而非吸收和传递辐射。然而，传导与辐射不同，将导致不同的结果。塑料包装和泡沫包装材料因为会传送能量而在辐射环境中表现不佳。不过，对于传导而言，当表面被其他材料覆盖时，泡沫塑料则是很好的能量传递的绝缘体，因为它可以被视为是一个空气层。

学生们收集的实验数据也许不会反应预期的结果，但如果结果具有说服力而且没有大的误差，学生们就应当参考已有数据选择材料并制作第1个太空服的原型，这将远远好于仅基于猜想而制作太空服。此外，如果可能，学生们应进行2次实验以复查数据。

现实世界中，工程项目的常见限制因素是时间和经费。教师可以根据材料测试数据为材料设置价格。性能好的材料价格应当更高，而性能较差的材料定价则应相对较低。这样能激发学生设计的创造力。另外，现实世界中的信息也可用于为材料定价。然而，由于铝箔现实中价格较低但在测试中性能良好，这将导致学生的设计会多数或全部选择使用铝箔。

为了模拟现实，每个队伍都需要计算研发阶段使用材料的成本，这些成本不包括最终原型将使用的材料成本。因此，为每个队伍提供充足的材料让大家自由设计，同时记录使用材料的数量最终核算研发成本（如图5）可能是最佳的方式。采用这种方式还能够锻炼学生的数学技能，因为学生们必须决定每种材料的使用面积（精确到平方厘米）及胶带的长度。最终原型的成本必须包含研发和最终成果两部分成本。

图5 工程师笔记本模板

你在设计中将用到哪些材料？为什么你的小组会挑选这些材料？

各小组在制作原型时要决定使用哪些材料及需要覆盖多少层。大多数小组倾向于覆盖2层，可以鼓励他们考虑更多层的可能性。此外，可以鼓励各组考虑空气作为绝缘体的优势并在设计中添加一层空气覆盖层。各组应当重视进行目的明确的、数据驱动的设计，仔细思考并做好记录工作。

各小组最终选出自己最成功的原型，并据此进行展示，介绍他们为满足活动开始时提出的各项要求而采取的策略（图6）。特别是，学生们应该分享实验数据及推动他们设计出最终原型的推理过程。

图 6 一个学生用8盎司水瓶制作的原型

活动不设费用限制。学生们可以根据意愿使用各种材料，然而，他们需要明白最终是需要核算成本的。最终项目评估的标准包括：①太空服保持宇航员温度稳定的性能；②太空服的成本；③团队工作；④文字记录及推理过程（详见在线补充材料）。文字记录需要给予重视，因为在现实世界中，文字记录能够提供具有信服力的证据以支持他们的设计。

太空服的深层次展望

本活动提供了了解能源概念和工程实践的机会。学科内容主要是区分热、温度、热能，学生理解以上内容时普遍存在困难。需要注意的普遍错误概念包括：

● 将热或热能当成一种物质

● 对于热平衡的理解

● 温度和对一个物体感觉冷热的混淆

正确使用术语能够引导正确操作，向学生提出明确的问题能够将学科内容整合到活动当中。以下列出了科学和工程范围内的形成性和总结性问题，有助于学生们得出明确结论。

在本单元中向学生提出的形成性问题

● 本次活动中的“系统”是什么？

● 本次活动中如何追踪能量流动？

● 我们的系统中能量为何流动？什么时候能量会停止流动？在我们的系统中热是向哪个方向流动的？你是如何推理的？

● 在我们的系统当中，会发生哪些类型的热传递？

● 你的标准是什么，限制条件是哪些？在现有标准和限制的前提下，有哪些可能的解决方法最为可行？你设计的解决方式有哪些证据支撑？

在本单元结束时向学生提出的总结性问题

● 本活动的标准是什么？

● 本活动的限制条件有哪些？

● 你优化了哪些因素？

● 举例说明你作出的权衡。

● 你选择哪种设计制作原型？对你的推理作出解释并给出证据。

在本活动中，通常而言，3种形式的热传递（对流、传导和辐射）同时发生。然而，在没有原子和分子的情况下，太空中的能量传递以辐射为主，不存在对流和传导。因此，外太空的真空环境代表了一个绝热层，类似于一个隔绝了对流和传导的真空保温杯，能够保持液体的热或冷。从而引出了一个表述：“没有最好的绝缘体”，这对于学生和成人都是具有挑战的一个想法，代表了测试遇到的挑战和本次活动的局限性，需要被引起重视。

在线补充材料

学生工作单、班级数据表、工程笔记本模板和评估标准

www.nsta.org/scope1703

资源

深空服装

http://bit.ly/2g73SQV

冰融化阻碍热活性

http://bit.ly/2h4brHt

对于温度的误解

www.youtube.com/watch?v=vqDbMEdLiCs

NASA对于太空服纺织面料危害的评估

http://go.nasa.gov/2gA7s1X

NASA的太空服原型

http://go.nasa.gov/2heIB7F

在国际空间站保持凉爽

http://go.nasa.gov/2ghJ4Va

工程学教学

www.teachengineering.com

即将到来的太空漫步者为迎接商业团队而准备空间站

http://go.nasa.gov/2g7W5x7

什么是太空漫步者

http://go.nasa.gov/2heDFjh

本活动案例改编自《中国科技教育》杂志2017年第6期NSTA专栏文章。中国青少年科技辅导员协会会员可登录杂志网站下载全文。

中国科技教育

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