自制太阳能热水器

基于STEM理念的小学科学实验活动设计——以“制作太阳能

热水器”为例

摘要】通过本文概述STEM教育理念对开展小学科学实验活动的指导意义，以

“制作太阳能热水器”活动为例，基于STEM教育的工程设计过程，开展STEM小

组的实验探究活动，介绍研究目的、研究方法、研究阶段、研究准备与活动实施。

结合学生反思与活动效果，对开展STEM小学科学实验提出可供参考的实施建议。

【关键词】STEM；小学科学实验活动；制作太阳能热水器

STEAM教育近年来开始变得火热，这是一种跨学科教育，强调的是跨学科知识的

融合，注重理论学习与动手实践的联系，培养孩子多方面的能力。STEM教育基

于现实生活中的实际问题，以工程设计过程为主导，提出自己的解决思路。在学

习的过程中让学生大胆尝试不同的想法，在不断试错中发现问题，分析问题和解

决问题。

小学科学教师指导学生开展科学实验活动，旨在让学生灵活运用知识，动手动脑，

积极参加科学科技实验活动，提高科技意识；提倡自己动手设计并完成实验，充

分发挥其创新精神，把所学的科学知识、技能与生活实际紧密联系起来，让科学

科技活动在校园、家庭和社会开花结果。

一、设计目的和实施方法

（一）设计目的

太阳能是一种没有污染、可再生能源。太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将

水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。我国太阳能

资源丰富，全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件，因此，太阳能

热水器可以得到广泛的使用。

学生已学过太阳能热水器的工作原理，这个实验，通过学生的分析、设计，真正

地把学到的知识运用到实际生活中，体现了“探究——思考——实践”的学习理念。

（二）实施方法

1.文献研究法：班级学生以4-6人形式组建STEM实验小组，用简要的篇幅概括

介绍小组在实验主题相关的学习成果及查阅、引用的文献资料。教师要为学生提

供资料查阅的路径和方法，使学生学会收集信息，学会提出问题，学会撰写简单

资料查阅报告。

2.实验探究法：STEM实验小组合作研究太阳能热水器的原理、构成与功能，并

提出一些太阳能热水器的制作方案，进行头脑风暴选择可行方案，进而着手制作

原型，并通过实验探究对原型进行测评，然后重新设计并改进原型，最后交流展

示。

二、设计过程

本研究包括三个阶段：太阳能热水器的结构和工作原理；比较生活中常见的热水

器；开展制作太阳能热水器的实验活动。

（一）太阳能热水器的结构和工作原理

学生通过学习教材中有关太阳能热水器的结构和工作原理的内容，进步理解太阳

能热水器是一种光热转换器，具有节能、环保、安全的优点，设计太阳能热水器，

不仅要考虑构造，还要考虑材料的选择。

（二）比较生活中常见的热水器

实验小组的学生通过查阅文献知道生活中常用的热水器主要分类有：从

集热部分来分可分为：真空玻璃管太阳能热水器和金属平板太阳能热水器。从结

构上来分可分为：普通式太阳能热水器和分体式太阳能热水器。

实验小组的学生对不同类型热水器的作用、优点、缺点进行比较。

（二）开展制作太阳能热水器的实验活动

STEM教育工程设计过程

在工程设计过程指导下（如上图），STEM实验小组开展制作太阳能热水器小实

验活动。实施流程为：首先研究太阳能热水器的结构和工作原理等相关知识；针

对如何制作太阳能热水器进行头脑风暴；绘制一份太阳能热水器的设计图。其次

是着手制作环保型太阳能热水器，并查阅相关科学书籍或其他资料，记录检测对

比的结果，对模型进行评价，分析太阳能热水器各个部分的成分与功能。接着是

确定装置设计的改进方案，进行必要的更改，对改进后的设计重新进行检验和评

价。最后是展示小组学习成果。

三、实验准备

（一）梳理实验原理

太阳能热水器的结构和原理：一个家用太阳能热水器，其基本结构由太阳能集热

器、绝热贮水箱、连接管道、支架和控制系统组成。利用集热器吸收太阳光，将

光能转化成热能，并通过储水箱将热水储存。

（二）实验器材准备

纸盒、泡沫塑料或棉花、能装水的塑料袋或饮料瓶、玻璃片或塑料薄膜、盒盖、

黑色纸、镜子或锡箔纸等。

四、实施过程

（一）设计制作方案

1.在理解了太阳能热水器的构造、工作过程及原理，又读懂了教科书上的设计方

案的基础上，学生制作出STEM小组的最初设计方案。

小组内部交流讨论。为了设计方案的可靠性、合理性和科学性，STEM小

组进行设计后的交流，反思改进。

3.制定最佳方案。引导学生应用前面学习的知识，发挥自己的创新性，制定最佳

方案，设计出更多更好的简易太阳能热水器。

（二）制作太阳能热水器，学生分组、动手制作、教师巡视、指导。

（三）检验太阳能热水器保温效果，STEM小组展示自制太阳能热水器。检验标

准：能够装水200毫升；能够尽可能地在15分钟内，使热水器中水的温度升上

去；要求每5分钟测一次水温。

（四）交流评价。各小组汇报太阳能热水器保温效果、改进策略以及经验教训。

五、反思与建议

在开展制作太阳能热水器实验活动的过程中，学生设计制作了许多优秀的作品。

与此同时，STEM小组的学生在修正和改进太阳能热水器的过程也进行了反思，

包括效果、成败原因、改进措施等。

基于STEM理念开展小学科学实验活动时，建议教师指导学生按照如下步骤进行

探究实验：首先是问题研究，在收集、整理和阅读与本活动任务相关的资料后做

一个小结，展示文献资料的已有研究成果。其次是模型设计，在设计图纸上进行

标注，并解释团队的策略。接着是结果分析，记录、分析并解释测试结果。然后

是实验总结，总结任务和实际发生的情况，总结中应当包括实验目的、测试过程

的简短描述和对实验结果的解释。随后是活动反思，思考各自团队的选择过程，

完成STEM小组反思报告。最后是自我评价，学生个体反思在团队中的行为表现，

完成自我评价。

【参考文献】

[1]杨晓哲,任友群.数字化时代的STEM教育与创客教育[J].开放教育研

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[2]林建芬，刘月娇，古春文.互联网+视角下化学教师运用信息技术促进课堂教学

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