一、单元概述
热学起源于人类对冷热现象本质的探索。在人类社会初期，由于生产力低下，人们对热的认识只是从一般概念出发的朴素认知，是对冷热现象的主观感受，没有任何科学实验作根据。人们对冷热现象本质的研究，是从 17 世纪出现温度计和计温学以后，才走上实验探索热学道路的。直到 1912 年热力学第三定律确立，人们对热的本质才有了正确的认识，并逐步建立和完善了热学理论。
热学是物理学的一个分支，主要研究物质内部热运动的规律以及热运动对物体性质的影响和应用，包括热的性质、热的传播、热效应、物体受热后的变化、温度的测定等。热学的理论分成两部分，一部分是统计物理学，一部分是热力学。两者都是研究热现象和热运动规律，但研究方法不同。
热力学所得到的关于物质热运动的宏观性质可通过统计物理学的微观分析来了解其本质，统计物理学的理论则需经热力学的研究而得到验证。因此，两者相辅相成，互相补充，使人们对于物质世界中有关热现象的规律能逐步深入地了解，对于物质状态变化规律，也能很好地掌握。统计物理学和热力学的一些基本规律具有普适性，从基本粒子到物质的气态、液态、固态和等离子态以及各种各样的相变都适用。
热是一种能量形式。然而在小学五年级，让学生探究“热”，主要还是观察和思考一些与物体冷热程度有关的热现象。例如，探究物质在热量变化过程中产生的不易察觉的变化，气体、固体和液体三态的转化及与温度的关系、热量转移（传递）的过程、材料的导热性能等。
本单元的学习目标来自课程标准中 5～6 年级的下列相关学习内容。
1.2 观察常用材料的漂浮能力、导热性等性能，说出它们的主要用途。
2.1.1 列举日常生活中水的蒸发和水蒸气凝结成水的实例。如晒衣服、雾、玻
璃窗上的水珠等。
2.1.2 知道温度是影响水结冰和水沸腾过程的主要因素。
6.3.3.1 说出生活中常见的热传递的现象，知道热通常从温度高的物体传向温
度低的物体。
6.3.3.2 举例说明影响热传递的主要因素，列举它们在日常生活和生产中的应用。
14.1 描述雾、雨、雪、露、霜、雹等天气现象形成的原因。
14.2.2 举例说明水在地球上的循环产生了云、雾、雨、雪等天气现象。
17.2 认识生活中保温、防霉、防锈等技术的应用。
对于五年级学生而言，上述内容的学习，关键在于实验探究。他们需要在科学规范的实验中，观察与交流热传递的现象，了解热是能量的一种表现形式，热量变化导致了温度变化。在研究热传递的方式后，利用热传递的性质来创造性地制作保温杯。
本单元共 7 课，以“热是怎样传递的”为主要学习线索，循序渐进地安排了一系列探究活动。
第 1 课“温度与水的变化”中，我们持续给水加热直到沸腾，停止加热，水不再沸腾，温度下降。通过探究温度的变化和水的形态变化，了解到温度变化表示了热量在传递，完善了“热量变化导致了物体温度变化”这一科学概念，并感受到科学探究的乐趣。
第 2 课“水的蒸发和凝结”探索水的蒸发现象，推测水温高低跟水蒸发快慢的关系。学生需要设计实验，通过实验记录证明水温高低会影响水蒸发的速度。我们在玻璃杯中加入冰块，将玻璃杯外壁擦干，静置一会儿，玻璃杯外壁又会出现水珠。用食盐降低玻璃杯里冰块的温度，观察玻璃杯外壁的水珠。学生经历了水的沸腾、冰的融化、水的蒸发，水蒸气凝结的探究活动，可以继续联想水还有哪些物态变化，以及自然界的云、雾、霜、雪等是怎样形成的。
第 3 课“温度不同的物体相互接触”安排了不同温度的水接触后变化的探究活动。教科书引用平时生活中常见的温牛奶现象，然后提出问题：热水是怎样使牛奶由凉变热的？通过研究试管中的凉水和烧杯中热水接触后的温度变化，探究热量的转移和平衡。
第 4 课“热在金属中的传递”中，学生主要观察和探究与“热传导”相关的问题：在金属条的一端加热，另一端是否会热起来，通过实验观察热在金属条中的传递过程和方向。学生尝试着自主设计实验，观察热在金属片中的传递过程和方向，然后综合观察结果，分析热传导过程中的共同特点。通过实验，有助于深化“热量可以在物体内和物体间传递”概念的理解，引导学生关注引起物体温度变化的热传递现象。
第 5 课“热在水中的传递”中，学生通过加热试管中的水和加热烧杯中的水，认识热在水中以对流的方式传递。由于水和空气都是能流动的物体，由水进一步推想出热在空气中的传递方式，最后了解热对流在生活中的应用。
第 6 课“哪个传热快”包含了两个活动：观察、记录木勺、塑料勺、金属勺的导热快慢和比较铜、铝、铁等金属材料的导热性能。通过比较不同材料的导热性能，让学生了解不同物体的传热本领是不同的，建立“不同材料制成的物体，导热性能是不一样的”这一初步认识。
第 7 课“做个保温杯”中，学生观察常用材料的导热性能，并说出它们的主要用途。本课帮助学生更深入地了解生活中保温、散热等技术的应用。学生将同样多的、相同温度的热水倒入不锈钢杯、陶瓷杯、塑料杯中，测量哪一杯水凉得慢，进而测量并比较出各种方法的保温效果。学生根据已掌握的知识和生活经验及对各种材料保温效果的观察和比较，选择合适的材料制作一个保温杯，并通过保温冰块的比赛活动，检测保温杯的保温效果。
二、单元教学目标
科学概念目标
热是能量的一种表现形式，热量变化导致了温度变化。
温度变化是影响水结冰和水沸腾过程的主要因素。
温度变化形成了水的蒸发和水蒸气凝结成水。
气温变化形成了自然界的云、雾、霜、雪等。
热通常从温度高的物体传向温度低的物体。
两个系统在发生传热的条件下趋向于热平衡。
热可以在物体间和物体内传递，发现固体、液体、气体都能传递热。
热可以通过热传导、热对流、热辐射三种方式进行传递。
不同物体的导热性是不一样的。
热的不良导体可以减慢物体热量的散失。
多种因素影响了热传递，确定这些因素应用在日常的生产和生活中。
保温技术、散热技术不断地发展，并应用在各种产品上。
科学探究目标
能熟练使用温度计测量各种热现象中的温度变化。
尝试从事物的结构、变化的角度提出可探究的科学问题。
能借助以温度计、感温纸带、感温粉末等材料，采用重复测试等方式来搜集热传递的相关证据。
能运用箭头、图画、符号等来记录热传递的方向。
能分析雾、雨、雪、露、霜、雹等天气现象形成的原因。
能获取多个证据支持研究的观点，尝试利用多种方式认识事物。
能运用分析、比较、推理等方法得出科学探究的结论。
能有效开展热传递的实验；能用图形表示自己的研究结果。
能运用比较和归纳的方法从实验证据中发现物体导热性能的差异。
能合乎规范地开展传热实验，知道交流科学探究需要经历一定的有序步骤，并能对探究活动进行过程性反思。
能根据热传递的原理创作保温杯，尝试自主设计开发产品，并在研究后改进产品。
科学态度目标
亲历热传递的变化及相关关系的研究过程，形成科学探究的兴趣。
讨论热传递的原因，以事实为依据做出判断。
感受到实验方法的选择和改进会对实验数据的准确性产生影响。
体验从热量的传递角度认识效率。
能和别人一起合作交流，愿意倾听他人的意见，反思、调整自己的想法。
养成运用探究的证据进行信息加工，科学地表述探究的规律。
激发设计研究保温杯的兴趣，能不断进行尝试和创新。
知道科学调查可以采用多种形式，乐于进行科学调查。
科学、技术、社会与环境目标
通过描述生活、自然中的一些简单热现象，了解热传递的一些特点。
温度计能测量温度是应用了科学的规律。
描述各种各样的热传递和生产、生活的关系。
讨论材料因为导热性能的不同在日常生活中有不同的应用。
了解观察工具的精密化能使研究更接近于事物的本质。
初步体验包括设计、实施、改进在内的简单的技术与工程过程。
认识到人类的好奇心和社会需求是科技发展的动力，认识到科学技术的发展影响着我们的生活。
考察生活中常见的保温制品，体会它们给人类生活带来的便利。
单元词汇
热传递：又称“传热”。有热传导、热对流和热辐射三种方式，是物质系统内的热量转移过程。在实际传热过程中，这三种方式常伴随进行。
热传导：又称“导热”。热量传递的三种形式之一。当物体内或物体间温度不均匀时，热量通过大量分子、原子或电子的相互撞击，从高温处传递到低温处的现象。各种物质的导热性能不同，金属导热性相对较好，故常用作热交换器的材料，而石棉的导热性能很差，可用作绝热材料。
热对流：又称“对流”，热量传递的三种形式之一。流体各部分之间发生相对运动（位移）时，使热量由高温流体转移到低温流体的现象。
热辐射：热量传递的三种形式之一。热量以电磁波的形式从一个物体传给其他物体的过程。实验证明，任何物体只要其温度不是绝对零度，都能以电磁波的形式向外辐射热量，温度越高，辐射越强，而且其波谱的分布随温度变化而变化，可从远红外区直到波长极短的紫外区。
导热性：金属传导热量的能力称为导热性，一般用导热系数（导热率）“λ”来表示，单位是瓦 /（米·开）。它的物理意义是物体内部垂直于导热方向取两个相距 1 米、面积为 1 平方米的平行平面，而这两个平面的温度相差 1℃，1 秒内从一个平面传导到另一个平面的热量。金属材料的导热系数越大说明导热性越好。一般说来金属越纯，其导热性能也越好。
材料清单
烧杯、酒精灯、火柴、石棉网、三脚架、温度计、玻璃杯、冰块、热水、凉水、感温纸带（或感温粉末）、铁架台、金属条、蜡、感温油墨、金属片、木块、试管、红墨水、木勺、塑料勺、金属勺、铜丝、铁丝、铝丝、不锈钢杯、陶瓷杯、塑料杯、毛巾、泡沫块、热水瓶胆、护目镜、湿布、学生活动手册、班级记录表。
基于SOA架构的热管理系统软件设计来源：焉知智能汽车 作者：Hailing
01 整车热管理系统的发展历程
长久以来传统燃油车都是汽车产业的主角，热管理系统也相对简单，主要包含空调系统和发动机系统的热管理。
空调系统热管理可细分为乘员舱制冷和乘员舱制热。乘员舱制冷是由发动机带动压缩机，通过压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器形成的制冷剂回路，将经过蒸发器的空气降温后送入乘员舱，实现乘员舱制冷；乘员舱制热是利用发动机产生的废热加热冷却液后，通过冷却液回路，将经过暖风芯体的空气加热后送入乘员舱，实现乘员舱制热。
发动机系统的热管理主要是发动机的冷却需求，将吸收发动机热量的高温冷却液，经过前端模块散热降温后，循环流回发动机，进而实现发动机的冷却。
伴随汽车产业的发展，尤其是伴随着近年新能源汽车的普及，由此应运而生的纯电车热管理系统与传统燃油车相比发生了很大的变化。纯电车与传统燃油车热管理的差异主要包括以下三点：
（1）两者均需要进行空调系统热管理，然而在空调制热的情况下，传统燃油车可以通过发动机的废热给乘员舱供热，而纯电车则必须要进行主动制热。
（2）由于两者的动力系统不同，传统燃油车动力系统热管理主要针对发动机模块，而纯电车热管理主要针对电机模块。
（3）纯电车相比传统燃油车增加了电池热管理，只有保证电池维持在一定的范围内，才能达到电池的使用寿命、充放电性能、驾驶安全性等的最佳平衡，因此需要对电池进行热管理。
图1 汽车热管理差异
纵观纯电车近十几年的迅猛发展过程，热管理系统大致经历了如下几个阶段：
第一阶段纯电车热管理系统：采用单独转速可控的电动压缩机，在传统燃油车制冷剂回路的基础上，增加Chiller电池冷却回路。在电池水回路上装配水PTC，通过水PTC加热回路冷却液，进而实现电池的加热。在空调箱内装配空气PTC，通过空气PTC加热送入乘员舱的空气，实现乘员舱的加热。
第二阶段纯电车热管理系统：与第一代相比系统复杂度明显增大。最主要的特点是将热泵技术应用到乘员舱制热，同时将电池回路、电机回路与制冷剂回路耦合，可实现电机、电池的余热利用。通过热泵技术可将环境中低品位的热量或电机、电池回路中的余热进行利用，在乘员舱制热时制热效率提高，增加冬季纯电车的续航里程。然而，此阶段的热泵系统一般使用制冷剂134a或1234yf，在低温环境下制热量能力衰减严重，无法满足纯电车低温条件下的制热量需求，因此还是需要配置水PTC或空气PTC进行辅助加热。而且，这一阶段的热管理系统，虽然将制冷剂、电机、电池回路系统进行了整合，但各执行器及系统换热器等分布分散，集成度不高，同时存在电机、电池余热未被充分利用的问题点。
第三阶段纯电车热管理系统：针对上一阶段热管理系统存在的问题，此阶段进行了一系列的热管理系统改进措施。为提高低温制热效率和能力，大众ID4已研发成功将制冷剂由134a/1234yf替代为CO2的热管理系统。在集成化方面，有代表性的特斯拉已将热管理系统在整车上进行了高度化集成，并应用于Model Y车型上，同时此套系统的电机、电池余热利用效率也有了一定程度的提升。
下一阶段纯电车热管理系统：虽然目前纯电车热管理已经取得了一定的进展与成果，但还是没有达到开发出一套集安全环保、低温高效、空间及轻量化、成本低廉等于一身的理想热管理系统。而且随着对尽量缩短充电时间的客户需求，满足超级快充时的高制冷能力也是热管理系统需要面对的一个挑战。并且，伴随汽车智能化技术的发展，开发适应不同用户需求的热管理功能，必将是未来的大势所趋。换句话说，就是我们要实现将热管理功能服务化，由用户自主选择喜好的功能体现。
接下来在下一章节中介绍这种面向服务开发的软件架构SOA。
02 面向服务的软件架构 (SOA)
简单了解了热管理系统的发展历程之后，接下来我们一起认识下什么是SOA。
自从进入智能汽车时代，软件定义汽车已被业内人事广接受。汽车产业也正在由电子时代向软件时代转变。软件已逐渐成为智能汽车差异化的核心。为了满足快速的软件和功能的开发，面向服务的软件架构（SOA）开始被业界所认可。
在SOA 架构下，所有的服务组件接口均被标准化，软件的部署不再依赖特定的硬件平台、操作系统等，其松耦合、灵活易于拓展的特点真正意义上实现了汽车的“软硬分离”。SOA能将车端不同功能及硬件能力划分为服务，并按整车的原子能力将服务拆分为颗粒度更小的接口。各服务组件的接口进行标准化封装，可通过既定协议互相访问、拓展组合；SOA的核心要素包括松耦合、标准化定义、软件复用等。SOA使应用层功能可在不同车型上复用，且能够基于标准化接口快速响应用户新的功能需求，软件工程师在修改或新增某一软件功能时，只需对上层相对应的服务组件进行代码编写，而无需进行基础软件层、运行环境层和其他软件组件的重新编译和重复开发，这极大地减少了软件升级的复杂度和成本，提高了效率。正因如此，SOA正成为软件定义汽车的软件趋势。
图2 SOA设计架构
目前众多主机厂及供应商都介入SOA软件开发，预计未来5年将迎来SOA的量产高峰。
汽车SOA是对整车智能化的底层能力进行组织。将车端的硬件能力和各种功能SOA化，划分为不同的服务，拆分成颗粒度更小的接口。这些服务根据SOA标准进行接口设计，基于SOA标准协议进行通信。这样，各服务组件之间就可以相互访问，从而扩展了服务的组合形式。为汽车出厂后的持续升级和服务降低难度、拓展出更多的可能性。
03 热管理与SOA的碰撞
SOA最早被使用于整车智驾及座舱，国内多家OEM已对其有所探索。而随着技术的不断发展，整车其他软件也势必需要顺应大势来满足SOA架构。
而当前阶段的热管理软件开发多依托于传统燃油汽车发展而来，大多数OEM热管理软件现阶段只满足Classic Autosar，甚至部分OEM热管理软件都不足以满足Classic Autosar架构。那么对于SOA架构，我们应该做什么？怎么做？
图3 不同软件格式差异
首先，需要明确的一点， Autosar软件架构和SOA软件架构并不是冲突的。笔者认为，Autosar架构更多的是一种规范，统一了软件接口、交换格式、方法论标准。其中Auotsar所实现软硬件分离也正是SOA架构所需要的。但Autosar是一种面向信号的软件架构，而SOA是一种面向服务的软件架构。这也表明SOA更侧重一种架构策略层面的指导思想。可以理解成SOA在AUTOSAR的基础上对ASW进一步分层，以便实现更大的解耦。所以，如果现有热管理软件暂不满足Classic Autosar架构，需现对其进行改造以满足Classic Autosar架构。然后再进行以下转换。
其次，笔者认为为满足SOA，热管理软件需要实现以下两部分。
（1）暴露能力
SOA的本质是由信号导向转变为服务导向。SOA软件既然需要面向服务，首先就需要暴露自己的能力以供其他服务调用。而热管理软件做为一个为空调及三电系统服务的软件模块，所以热管理软件的服务接口大部分面向于空调及三电系统。正是基于以上情况笔者建议将热管理软件大部分逻辑算法布置于SOA软件架构的基础服务层。
而鉴于热管理系统涉及到多部件控制策略的强耦合，所以热管理软件只有传感器和执行器可以置于元服务层释放服务接口以供诊断及后市场使用。即需要将热管理软件中传感器、执行器信号转换及硬件诊断部分从热管理主体软件中拆分出来。
注：因热管理系统强耦合性，执行器强制驱动需要考虑系统安全性，所以该部分服务接口笔者不建议直接释放。需添加算法并对其进行保护。
（2）信号转换为服务
SOA的本质是由信号导向转变为服务导向。整车传统软件开发，模块交互通过信号的形式进行交互。为实现SOA的转变，模块间交互要变更为服务导向。好在AUTOSAR支持SOME-IP，能够实现交互形式的切换。
结语
最后总结一下基于SOA架构的热管理软件设计对热管理软件开发的影响：
（1）可按需定制
现有软件开发多是基于开发人员的经验及车型定位进行设计。但是，毕竟千人千面。基于SOA 平台，开发者可以自由开发出海量的服务和应用，通过测试验证后上架；用户可以自由订阅服务，实现用车千人千面。由此热管理在实现SOA后也可通过把决策权释放给用户从而实现个性定制。例如，A更看中电池的安全，所以A选择电池热管理优先。B更在乎用车舒适性，所以B把乘客舱热管理优先级拉满。C在乎加速的畅快感，所以C更在乎电机时刻准备好以便下一秒动力的全力输出。
（2）可实现软件快速迭代
基于SOA架构，我们可以提升软件迭代速度。新的功能开发可以不影响或尽可能少的影响已有软件。以后软件迭代将更多的以功能增加包的形式释放。
而且也将类似手机一样，吸引更多的软件开发人员依托于已释放的API接口进行二次开发。届时一定会有很多有趣的APP会开发出来。但是，各大OEM也要注意相关API接口的管理，加强信息安全及功能安全建设，以免被不法分子恶意使用。
