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物理学中的探索太阳能热水器物理概念教学的建议

Torres M. J.a , Rincoacute;n M. E.b ,Lentz H. A.b and Gonzalez C. L.c

Universidad Autoacute;noma Chapingo, Km. 38.5 Carretera Texcoco-Meacute;xico C.P.56230, Meacute;xico. b Universidad 墨西哥Autoacute;noma de la Ciudad de Meacute;xico, Distrito Federal 墨西哥自治大学，墨西哥联邦区。

Meacute;xico. c Termomecaacute;nica Solar, Distrito Federal, Meacute;xico.

摘要

作为一种教学方法，探索太阳能热水器物理概念教学，在可替代能源的课程中有着重要意义，对于查平戈自治大学的预科生（即已经完成必修课程的学生）来说，进入大学学习太阳能聚光器。这项探索研究使得人们能够通过工作表了解太阳能加热器的制造改进过程与物理概念相关的学习过程。从而使得人们对于清洁能源的兴趣日益浓厚，因此了解热太阳能等替代能源系统的功能是及其有必要的。当人们在物理实验室和多媒体系统中使用工作表时，是教学探索改进过程与物理概念相关的学习过程。多媒体允许通过图片、视频、文本和计算机动画来传授物理概念。这种方法分为四个设计阶段。第一阶段定义了名为“调查教学”提案的理论框架。第二个描述了教学模型，这种教学模型由三种工作表组成：（1）概念（2）现象学（3）实验形式。第三阶段包括讨论收集的数据以及太阳能加热器的制造和如何改善大学预科生的物理学习过程。最后一个阶段展示了多媒体的信息如何有助于研究使用太阳能热水器的物理概念，展示了多媒体信息在物理概念学习过程中的重要意义。

copy; 2014 Elsevier Ltd.出版，这是一篇在CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章

Selection and/or peer-review under responsibility of ISES.

关键词：太阳能热能、物理概念与探索性教学

* 通讯作者Corresponding author. 电话 Tel.: 52-5951077721

电子邮件地址E-mail address: jonastom68@yahoo.com.mx1876-6102 copy; 2014 Published b y Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/).

Selection and/or peer-review under responsibility of ISES.ISES 负责选择和、同行评审。

doi: 10.1016/j.egypro.2014.10.080

1.介绍

人们对于清洁能源的兴趣日益浓厚，更具体地说是利用太阳辐射的兴趣日益浓厚，这促使我们在UACh大学教授有着大学预科水平的学生用于加热水的聚光太阳能集热器的设计、操作、制造、表征和评估。本次太阳能热能体验“探索性综合教学”包括设计、不同材料的使用、制造、操作、表征和对能源的概念及其转化的评估等几个方面。

清洁能源，即绿色能源，是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源，它包括可再生能源。狭义的绿色能源是指可再生能源，如水能、生物能、太阳能、风能、地热能和海洋能。这些能源消耗之后能够恢复补充，很少产生污染。广义的清洁能源则包括在能源的生产、及其消费过程中，选用对生态环境低污染或无污染的能源，如天然气、清洁煤、核能等。新能源指近几年发展的二次能源技术，如燃料电池、新型二次电池。清洁能源包括以下几个部分：

氢能一直被认为是一种终极能源，氢气相比于其他燃料其燃烧产物最清洁，基本只产生无污染的水，而且燃烧产生的水又可以继续制氢，反复利用。其次，氢气燃烧的比能量高，除核燃料以外氢气的发热值是所有燃料中最高的，是汽油发热值的3倍。再者，它“轻如鸿毛”，作为我们了解到的最轻的物质，即使是加压液化后的液态氢，密度也不及钢铁的1/10，这种低密度的性质使得它可以减轻燃料自重，增大运输工具的有效载荷量，从而有效降低运输成本。

风能是空气流动所产生的动能。太阳能的一种转化形式。由于太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀，引起大气层中压力分布不平衡，在水平气压梯度的作用下，空气沿水平方向运动形成风。风能资源的总储量非常巨大，一年中技术可开发的能量约5.3*10^13千瓦时。风能是可再生的清洁能源，储量大、分布广，但它的能量密度低（只有水能的1/800），并且不稳定。在一定的技术条件下，风能可作为一种重要的能源得到开发利用。风能利用是综合性的工程技术，通过风力机将风的动能转化成机械能、电能和热能等。

清洁能源是针对传统能源提出的新概念，它既肯定了人类发展对能源的需

求，又强调了利用能源要清洁化，注重环境保护的理念。随着传统能源体系导致的能源供应、环境污染等矛盾和问题日益突出，可持续利用、环境友好的清洁能源的开发已成为必然选择。

清洁能源有效利用就是要找到一条经济上可行，做法上简单、实用,有利于环境保护和节能减排的新途径。电能的远距离输送看起来很美,实际是有很高代价的,既要大量投入电网建设,还要承受远距离输电的线损和线路维护运营费用。认为可再生能源接人电网就能用的观点是错误的。电网如同高速公路，只有在车流持续稳定的条件下,利用效率才有保证。可再生能源天然具有间歇性,把可再生能源都转化成电能，再通过远距离输电传送给用户，不可避免地会造成输电线路的利用效率比较低，同时线损比重偏高。即使采用风火、风水或风光打捆送出的方式，也不能完全解决问题。因此采取适当方式,把宝贵的清洁能源用到该用的地方去，建立以满足清洁能源利用为目的、有当地特色的转换系统，尽可能实现就地消纳，达到与地方和谐共处，让当地政府和老百姓也从中受益,才能实现清洁能源的有效利用。风能和太阳能等可再生能源应该向已经获得广泛应用的太阳能热水器那样,不需要政府补贴，发挥每个企业和用户的积极性，既实现企业盈利，也让老百姓得到实惠。

清洁能源的有效利用，可以适应可再生能源的间歇性特点,符合客观规律,不依赖输电,不受电网制约。可以充分利用因电网限制出力造成的废弃资源，符合各方利益,有助于调动各方积极性,达到多方共赢和人与自然和谐发展的目标。这种方式通过清洁能源的就地转化,造福地方，对地方GDP增长也会有更大贡献，有利于解决地方重复引进风机厂，并强制风电开发商购买当地风机的问题。可以说，清洁能源的有效利用是未来清洁能源最好的出路，前景广阔。

哈佛大学校长普西认为，一个人是否具有创造力，是“一流人才和三流人才之间的分水岭'。思维方式和思维水平是影响创造能力的核心因素，因此，我们必须更新教育观念，改变原有的“应试教育'观，树立创新教育观念，确立厚基础、宽口径、高素质的培养模式，改单一传授式教育为启发式教育，改教条式教育为探索式教育，改强制式教育为民主式教育，通过创新教育、教学活动来培养学生业的创新能力，引导学生在掌握现有知识的同时，努力发现新知识，在了解现有结论的同时有所突破、有所发展。只有这样，才能激发学生潜在的创造欲望和创造热情，使其逐步形成创造性思维，为创新能力的培养提供不竭的动力源泉。高校作为培养创新型人才的主阵地，肩负着重要的使命，课程教学是高校实现人才培养目标的主要手段。专业课就其深度、广度来讲都是基础课内容所无法比拟的，专业课程的教学在创新素质培养中可以起到事半功倍的效果。

因此，通过探索和输入数据（A）；学习方法的手机(B)；不同概念和表征的识别（C）；概念和方法论与三种工作表的探索和整合：概念性、现象学和实验性（D）；原型制造中的合作（E）；了解它们在各种用途中的实际应用（F），并制定太阳能加热器中发生的太阳能和物理现象的教学策略，有助于在不同背景下的学习，与科学、技术和社会相关（G）；图1。

图1. 为理解而教学；将物理概念与太阳能加热器相结合的教学探索

2.总体目标

• 在UACh中制定教学建议，让学生有意识的去减少化石燃料的消耗和温室气体的排放。同时，促进对传动发电的自主化，形成健康的习惯和改善生活质量，以及发展可持续的农业模式和技术独立。
• 2.1具体目标
• 2.1.1.制定有关太阳能相关现象研究的教学指南。
• 2.1.2.在能量及转化为有用热的研究背景下表征、评估和研究原型。
• 2.1.3.验证教学建议及其在物理教学中的实用性。
• 2.1.4.通过设计农业-工业应用的太阳能原型，促进人们对适当使用太阳能好处的认识。

3.理论框架要素

通过探索、记录的方法，克服学习困难、识别以前的知识、研究替代方案或使用工作表以及包括合作的方法来教授物理。这需要一种新的教育方法，其中很多物理问题是从认知和认识论的起源而不是从教学指导来分析的。通过探索性研究，使用定性和非实验性数据收集技术，例如纸笔测试、综合评估（诊断性、形成性、总结性和替代性）等，以及应用探索性技术获取信息，是行动研究。是Chipingo物理教学实践中的一部分。

为了促进研究过程并确保提案的成功，我们介绍了在开发太阳能热能时应该考虑的回本理论因素。考虑到社会、尤其是学术界发生的快速变化，除了物理学研究的学习和教育技术的螺旋式变化，特别是太阳能使用的需求，有必要研究关于学习理论、认识论的建议太阳能学科涉及的物理教学和理解，如图二所示。

图2.理论框架的要素

4、方法

通过开发原型来检查对太阳能物理学的理解，同时确定以可持续的方法使用能源的需求，涉及创建与物理学概念及其直接应用的联系。

因此，需要一种新的教育方法，可以从制造过程中识别和分析技术和该概念发展的问题。因此，设计方法来清理围绕学习的认知情况，并理解所涉及的现象，如：热传递、质量和能量平衡、无成像光学、太阳辐射、温室效应、热缸吸效应和太阳能捕获等。如图3所示。

为了协助该项目的进展确保其成功，此处介绍了在开发利用太阳能的原型时考虑的基本理论要素。

有必要了解太阳能主题中涉及的物理学可能通过拟议的探索性研究，一切旨在开发原型的研究，例如：

图3.用于水加热的平面太阳能集热器集中所涉及的物理现象

4.1.太阳能热水器

该项目将开发和评估使用CPC（复合抛物面聚光器）[4]的太阳能热水器，通过之前的设计的工作表与相关物理概念。对清洁能源日益增长的兴趣需要了解太阳能等替代能源系统的功能。我们为研究收集信息的工具借鉴了探索性分析模型的中心思想，其中探索性芯片是提案的一部分，如下所述。

探索与相关物理概念的学习过程，在每个工作表中的项目开发过程中包含六个要素：1）问题，2）情况，3）实验，4）预测，5)比较，和6）结论[5]，图4.

对于我们的研究，工作表中的探索性分析提供了哪些想法和哪些类别与现象相关，以及在什么时间和什么背景下使用这些想法；在经历或事件的叙述中，赋予了他们什么选择和意义。在一般物理课程组织方面，我们发现当学生积极参与使用工作表引导的活动时，学生的学习得到改善。这被称为在替代能源物理学过程中看到的理论实验经验和物理现象。

图4.理论框架的要素

5.结果与讨论

能源是社会发展的基础，创新是一个民族进步的灵魂，是国家竞争力的核心，是富民强国的重要基础。高等学校是培养创新人才的基地和摇篮，肩负着重要的历史使命，但目前大学生创新意识薄弱，创新能力不高，缺乏创新精神，创新成功直接转化为现实生产力的比率较低。

发展清洁能源的开发新模式。当今环境污染与资源短缺作为全球性重大问题亟待解决, 加快可持续性发展进程并有效利用清洁能源, 不仅对环境生态的保护有着重要的推动作用, 同时在其他方面也有一定的影响。(1) 积极宣传发展清洁能源的相关理论知识, 引导人们形成节约资源、绿色生产的观念。(2) 不断推动科技发展促进创新, 改善排污大、耗能多的工业生产方式, 增加产业链, 促进产业结构的优化, 鼓励绿色环保型企业的创建与发展。

参与研究的学生年龄在17-19岁之间，其中女性占50%，男性占50%。25名学生参与了原型制作。制造了四个太阳能加热器；从尺寸、组装和特性。应用了20项综合探索活动来研究太阳能加热器运用中涉及的物理概念。

综合探索性工作表用控制量规进行分析，并根据对能量及其转换概念的理解进行评估。此外，还根据这些文件制定来了一份指南，以提高相关参与者（学生、教师和管理人员）对只用可再生能源的认识。

对“通过理解学习”的提议进行评估，并将该模型与传统的学术同行进行了比较，图5，该方法表明，在研究开发的不同阶段，加强了支持原型开发的合作学术教师团队物理教学，这对于整合学习社区非常重要。

开发多媒体材料是为了在太阳恩能够加热器的制造中提供有用的资源，并研究操作其中涉及的物理概念。它包含视频、照片、测试、问卷、阅读材料、说明、链接、反馈活动、探索性综合工作表和其他被纳入的资源。

图5.教学法：在理解中学习

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