在STEM教育理念指导下，小学科学实验教学更加注重跨学科融合与实践探究，旨在提升学生的科学素养和综合实践能力。本文在阐释STEM教育理念内涵与特点的基础上，分析其融入小学科学实验教学的设计原则与育人价值，并以“设计一个保温杯”课例为载体，围绕材料导热性知识，探讨STEM教育理念在小学科学实验教学中的具体实施路径。

STEM教育理念强调科学、技术、工程与数学等学科知识的有机融合，倡导以真实问题为载体，通过实践、探究与合作培养学生解决实际问题的能力，提升学生科学素养、工程思维和数学素养。“设计一个保温杯”项目中，科学维度聚焦热传递和材料导热性等原理，技术维度借助温度计、计时工具等采集并处理数据，工程维度围绕需求设计、制作并改进保温杯原型，数学维度通过测量、记录和比较温度变化，计算保温效果。各学科并非简单拼接，而是围绕同一任务形成相互支撑关系。多学科知识在真实任务中相互关联、协同运用，有助于学生形成整体性认识，改善传统分科教学中知识相互割裂的问题。

在“设计一个保温杯”项目中，STEM教育理念的促进作用主要体现在三个方面：其一，强化真实问题驱动。以热水杯烫手、降温较快等生活现象为切入点，引导学生经历发现问题、科学探究、工程设计、制作测试等完整过程，在实践中理解并运用科学知识。其二，促进跨学科知识整合。学生既要掌握热传递和材料导热性的科学知识，又要使用温度计、计时器、红外测温仪等工具收集和分析数据，在同一任务中协同运用科学、技术、工程与数学知识。其三，发展合作与工程实践能力。项目以小组合作方式开展，从实验设计、保温杯制作到测试评价，均由成员在持续交流讨论中分工协作、共同完成。

该项目的教学设计遵循四项原则：(1)开放性原则：在任务驱动下，学生自主选择隔热材料和结构方案，探究路径与制作方式的多样性。(2)多元化原则：学习内容涵盖材料导热实验、工程结构和数据处理等；教学中综合运用情境导入、动手实验、汇报展示等方式，并提供保温杯剖面模型、热成像视频、感温变色贴等资源。(3)合作性原则：四人小组围绕方案构思、实验制作和评价改进进行分工协作与互评。(4)实践性原则:强调“做中学”，学生通过亲手实验、制作、测试和迭代，将科学原理转化为解决实际问题的产品设计方案。

真实情境是STEM教学的起点。教师应依据STEM教育理念，引导学生认识保温杯的材料、结构和保温效果。结合《义务教育科学课程标准(2022年版)》、教材及学生年龄特点，创设贴近生活的任务情境，引发学生思考，为后续科学探究和任务设计奠定基础。

上课伊始，教师准备一个普通单层杯和一个保温杯，分别倒入等量、同温的热水。静置片刻后，教师用红外测温仪测量两个杯子的外壁温度，并引导学生观察比较。学生发现：普通杯外壁温度变化较为明显，而保温杯外壁温度变化较小。教师据此提出驱动性问题：“两个杯子中装着相同温度的热水，为什么保温杯既能减少外壁升温，又能使杯中的热水凉得更慢？”学生结合生活经验进行猜测。随后，教师播放保温杯剖面结构短视频，并展示保温杯内部模型，引导学生观察内胆、真空夹层、反射层和密封杯盖等构造，思考这些结构分别是怎样减少热量传递的，由此引出后续对材料导热性及保温结构的探究。

学生初步观察保温杯结构后，教师不直接给出结论，而是提出问题：“怎样让杯中的热水凉得更慢，同时使杯壁不烫手？”学生提出选择隔热材料、增加夹层、密封杯口等办法。教师将这些想法记录下来，宣布挑战任务：今天每个小组都要成为“保温杯工程师”，利用材料包设计制作一个迷你保温杯。基本要求如下：外壁温度不能过高，杯中热水降温速度尽可能慢。各组制作完成后，通过测量温度变化检验保温效果，并比较不同方案的保温性能。教师发放项目任务书和材料清单，引导学生结合已有猜想选择材料，为后续实验探究和工程设计作准备。

STEM教育理念倡导跨学科学习，强调不同学科之间的融合与交叉，使学生在探究中学习、在学习中探究，通过跨学科学习来理解知识、掌握知识。因此，在实验教学中，教师可以引导学生运用跨学科知识进行分析、推理和综合，通过科学原理来解释现象，并将科学原理转化为工程方案。

★探究实验一：比较不同材料的导热性能

每个小组分到一个实验盘，里面装着大小完全一样的金属片、塑料片、木片、泡沫片和棉布，另配有一张感温变色贴纸和一把镊子。教师先让学生触摸常温下的各种材料并说感觉，然后指导学生将感温变色贴纸裁成小方块，用透明胶带粘在每一片材料正面。一切准备就绪之后，各组同时用镊子夹住材料边缘，把材料下端浸入80℃热水中，用秒表计时。教师提醒大家注意观察变色贴纸的颜色变化，并且记录下各个材料全部变色所用的时间。不到10秒，金属片上的贴纸已经由黑变成鲜红，而泡沫片上的贴纸变化不大，约40秒后塑料片上的贴纸变色，约90秒后木片上的贴纸变色，而泡沫片、棉布上的贴纸到2分钟时仍只有边缘微微泛红。教师让各组进行实验结果展示，全班学生都能很清楚地排出导热快慢的顺序：金属>塑料>木材>泡沫≈棉布。教师总结：像金属这样容易传导热量的材料叫热的良导体；像塑料、木材、泡沫、棉布等不容易传导热量的材料叫热的不良导体，也就是我们通常所说的隔热材料。学生顿悟，原来不烫手的秘密就在于选择热的不良导体来做杯子外壳及夹层。

★探究实验二：比较不同材质单层杯的散热速度

为了使学生进一步理解材料导热性与保温性能之间的直接关系，教师给每组分别发放一个铝杯、塑料杯和纸杯，用量杯往每个杯子中倒200毫升75℃的热水，并用保鲜膜封住杯口。学生按分工有条不紊地操作：材料员取放杯子，计时员看秒表报时，记录员每隔2分钟用温度计测量杯中水温并填入表格。10分钟后，各组把实验数据汇总起来，在坐标纸上画出三种杯子水温随时间变化的折线图。教师提出问题：“哪种杯子的水凉得最快？哪种凉得最慢？这和探究实验一有什么联系？”学生得出结论：铝杯导热性好，热量散失快，所以水温下降最快;纸杯、塑料杯导热性差，热量散失慢，所以保温效果更好。教师抓住此节点，紧扣保温杯结构图引导学生将科学原理落实到工程设计思路上，即想让热水凉得慢，那么杯体应该选用什么性质的材料?要想防烫，外壳又该怎么办？除了杯体材料外，还能从哪些方面阻止热量的逸散？学生经过两个实验的充分体验之后纷纷说出“塞棉花”“加铝箔反射”“把盖子封紧”等办法。在科学概念稳固后，学生带着清楚的原理认知和强烈的动手意愿进入制作环节。

STEM教育理念下的创新思维是在实践中发展的，因此，在创意设计制作环节，教师要引导学生从实际问题出发，以生活经验为基础，综合运用科学、工程、数学、技术等知识来解决实际问题。在设计制作过程中，教师可先引导学生结合生活经验，对保温杯的材料和功能进行拓展，让学生进行创意设计，再结合相关知识对保温杯的功能进行改进。

教师给每个小组发放一个材料包，内含大、中、小号纸杯各一个，棉花若于，烧烤用铝箔纸一张，纸巾两张，保鲜膜一段，透明胶带一卷，保温杯工程设计方案表一张。方案表包含四个部分：剖面示意图、各种材料的标注、针对三种传热方式采取的应对措施说明和小组分工记录。教师明确提出要求：先填写好方案表，经老师签字后才可以领取制作工具动手，这是工程师的工作程序，即先设计再施工。

各个小组马上坐成一圈，开始紧张地讨论和画图。通过巡视，教师发现学生设计思路呈现出多样性，有的小组使用了三层嵌套结构：最内层的纸杯外层包着一层铝箔纸，铝箔光亮面向内反射热辐射；中间层填充棉花作为隔热层，因为棉花是热的不良导体且能最大限度锁住空气；最外层用大号纸杯做保护外壳。方案表上该组所绘制的剖面图条理分明，并在边上标注了“反射”“隔热”“保护”。另外一组对铝箔的使用产生分歧，有成员认为铝箔应该直接包在内杯表面以反射热量，而另一个学生则反驳说：“金属是良好的导热材料，与热水直接接触反而会把热量带走。”教师没有直接给出答案，而是引导：“你们的思考很严谨，能不能想办法既保留铝箔反射热辐射的优点，又不让它直接接触热水把热量带走呢？”小组陷入沉思，过了一会，组长拍着脑袋说：“在铝箔和内杯壁之间加一层纸巾！纸巾属于隔热材料，可以阻挡直接传热，又不会削弱铝箔的反射作用。”这一做法很快被别的小组效仿。还有小组关注到杯盖的问题，认为“热量会从杯口向上对流跑掉，只把杯壁做好没用，杯盖必须密封”。保鲜膜多层覆盖在杯口上，扣上纸杯底制作的盖子，用胶带紧紧缠住缝隙。有的小组在外杯壁上画了卡通图案，称好产品既要实用又要美观。