2023-06-29
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2023-03-18
2023-07-05
2023-03-19
更新时间：2024-01-20 18:01:53 发布时间：24小时内 作者：文/会员上传 下载docx
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发明背景：
冬天，喝热水是一件很舒服的事情，所以，很多同学都用保温杯从家里带来热水。
普通的保温杯不自带杯子，他们就把杯盖当作杯子，喝完水后再把杯盖盖到保温杯上。但问题是，课间只有10分钟，冬天，把热水倒出来后，还没等到热水凉到合适的温度，就要上课了。
平时，人们都是把热水倒入普通的杯中散热，等温度合适了再喝。如果我把保温杯和普通杯连接起来，让热水提前流入普通杯凉着，或者普通杯中装着凉开水，再倒入一些热水，冷热混合，不就解决问题了吗？
如何把保温杯和普通杯连接起来呢？
一次科学实验课上，科学老师让我关闭实验室的自来水总阀，当看到控制阀的那一刻，我兴奋不已：这不就是我要找的连接工具吗？我找来两个空瓶，用来模拟保温杯和普通杯，然后用自来水球形控制阀连接起来，发明了新型多功能保温杯。
制作过程：
在“保温杯”杯盖和“普通杯”杯底各钻一个与自来水球形控制阀两端一样大的孔，再把自来水球形控制阀的两端分别插入两个孔中，然后密封好。新型多功能保温杯的模型就做好了。
使用方法：
使用时，把新型多功能保温杯倒立，打开自来水球形控制阀，这样“保温杯”中的热水就会流入“普通杯”。
等“普通杯”中的水达到需要的量后，关闭自来水球形控制阀，把新型多功能保温杯倒回正位。这样，要喝的水提前在“普通杯”中散热，等到喝时，水温刚好适合。
如果“普通杯”中本来就装有凉开水，则热水与凉水混合，变成温水，可即倒即喝。
完善设计：
方案一：在“保温杯”杯盖和“普通杯”杯底各钻3个大小相同、位置正好重合的孔，再将一颗螺丝钉穿过其中一个孔，连接“保温杯”和“普通杯”。
使用时，把新型多功能保温杯倒立，旋转“普通杯”，当4个孔重合时，“保温杯”中的热水就可流到“普通杯”中。
方案二：把控制阀小型化，装入“保温杯”杯盖中，杯盖上与“普通杯”的连接处用胶皮封住。当不和“普通杯”连接时，“保温杯”可单独使用，而撕开胶皮，“保温杯”与“普通杯”连接，就变成了新型多功能保温杯。
控制开关设计成按钮形式，设在“保温杯”杯盖侧面，通过摁、松按钮，实现热水的出和停。
研究背景
近些年，STEM教育是全球科学教育改革中炙手可热的话题。美国20_年颁布的（《新一代科学教育标准》将工程和技术明确地写进了科学教育中。如何在科学课堂中合理地运用STEM教育，是每一个科学教师都希望解决的问题。
在当今的科学教学中，课堂的关注点已经由原来单一的知识传授转变为以探究为主的学习方式。在探究式科学学习中，学生通过对已收集到的证据进行思考和逻辑推理生成概念，使自己能够更好地理解周围世界。学生掌握一个科学概念，实质上就是掌握同类事物的共同特征，中高年级的科学教学中如何指导学生将具有共同关键属性的一类对象、事件、情境、需求、性质等的科学概念融合，建构成科学的大概念，则是我们需要深入研究的课题。
STEM教育活动中融合了科学、工程、技术和数学4门学科，以整合的教学方式帮助学生在活动中建构理解，掌握解决问题的技能，并能够灵活地运用到日常生活中去。因此，设计一个适合学生研究的STEM活动显得尤为重要，这样可以促使学生在解决实际问题的过程中，自发地对已有经验提取和再内化，加强有效的部分概念，修改有问题的部分概念，在评价和交流过程中，逐步建立正确的概念认知。
活动主题设计思路――以“设计保温杯”为例
唤醒儿童的前概念
在帮助儿童建构科学概念时，我们得先知道学生现有的知识结构、他们感兴趣的一些内容，以此为基础唤醒孩子的前概念。由于学生日常积累的认知概念可能是肤浅的，或者是错误的，活动设计前，需要了解学生原有生活的经验和概念。
在开展“设计保温杯”的教学设计之前，对我校四五年级学生对保温杯的认知情况进行了调查，结果显示孩子们认为好的保温杯应该具有美观、轻便、保温效果好、携带方便、结实、功能多这些特点（如图1），而谈到如何让保温杯的保温效果更好时，孩子们想到许多想法（如图2）。
调查反映出，大部分学生认为在杯子夹层中添加泡沫、棉花、塑料等材料会起到很好的保温作用，但是问他们选用什么材料最好，大部分学生说不出来；调查还显示出，大部分学生在思考时，仅仅考虑保温效果好就可以了，而忽略了实际中可能存在的其他问题，如杯子的重量会不会增加、外形是否美观、成本是否增加等。
根据调查统计（如图3），发现孩子在4年级科学课中，有过对“热”的单元的学习，在生活中也有相关经验，但是对保温这一概念还不清晰，或者有许多片段式的小概念，还没有融合成一个科学大概念，并且运用的概念也很难和生活实际现象相联系。
设计需要解决的问题
Dyasi教授在培训活动中指出，开展STEM活动时一个清晰的、学生感兴趣的且富有挑战性的问题非常重要。在“设计保温杯”课程中，我们围绕学生的前概念，设计出3个阶段的主题活动。
・设计一个保温杯
这一阶段的目标是通过观察生活中的保温杯和保温的物品，能够借助生活经验。描述出影响物体保温效果的因素；小组合作设计一个保温杯，并介绍保温杯的原理；再次修改自己小组的保温杯设计。
・如何将自己设计的保温杯制作出来
这一阶段的目标是在设计的基础上思考制作保温杯的可行性和需要准备的物品，制订工作计划。
・检测保温杯的效果
这一阶段的目标是介绍自己保温杯的制作过程，从多个方面相互检测和评价彼此保温杯的实际效果。
制订活动中的学科维度
制订活动中的学科维度是设计STEM活动的重要步骤，也是体现STEM综合活动设计思路的有效方法。图4显示出在“设计保温杯”课程活动中所涉及的科学与工程实践、跨学科概念及学科核心概念，这使得课程目标、方法和过程都一目了然。
在课堂中的教学方法
建立适合学生学习的“学习场”
让学习活动真正发生，需要构建适合学生学习的学习场，就是营造学习的氛围。而设计有深度参与性的话题则是学习场的核心。那么最好的话题就是学生认橛幸庖澹与学生生活密切相关的问题。例如“设计保温杯”主题活动，一开始就从学生的需求出发，“冬天即将到来，大家都会使用保温杯，什么样的保温杯好呢？”这样的话题是学生生活所需要的，也是STEM活动的特点之一。
设计核心问题，引导学生深入思考
科学概念往往隐身于现象的背后，以物质或能量为载体，通过相互作用产生的现象呈现出来。在科学的STEM活动中，教师应该如何引导学生透过实际现象把握其背后的科学概念呢？第一，可以让孩子们自己提出自己的观点，在讨论中归纳出相关科学概念。第二，教师围绕核心概念以追问的形式，提出问题。举例如下。
教师：刚才大家从多个角度评论了彼此设计的作品，现在我们再来看一看，大家设计的保温杯，都有哪些共同的目的？
学生：都为了让保温杯更加保温。
教师：什么是保温呢？
学生在提出自己的设计观点后，让他们归纳这些观点的相同点，学生则能抓住“保温”这个核心概念，进而教师可以请学生解释什么是保温，再一次引发学生对核心概念的思考，将前概念调动起来。
以小组合作方式完成方案设计
美国加利福尼亚大学索诺玛分校校长保尔认为，在课堂教学中，对话性思维和辩证性思维是活跃知识、重建概念的方法，而合作学习可以促进学生之间的思维互动，帮助他们更好地构建相关概念，避免以自我为中心的思维局限。
在设计方案这一环节中，不少教师可能会担心孩子是否有能力进行设计。21世纪初期，美国斯坦福大学设计学院和德国波茨坦大学设计学院研究表明，设计思维并不一定是由专门的设计学校培养出来的，设计专业以外的普通人也拥有设计思维的天资和潜力，只是需要经过恰当的引导和训练。而对于儿童和青少年这个年龄阶段的学生来说，他们的思维塑造处于黄金时期。因此，在STEM活动课程教学中，引导学生共同对一个计划进行合理设计，制订研究方案，在学生设计活动时，学生自发帮助彼此，发现错误想法，搭建支架，促进彼此转变错误的想法，提高学生思维能力的同时，也帮助学生建立起正确的概念认知。举例如下。
师生谈话：如果让你设计并制作一个保温效果好的保温杯，你会怎样设计？
（学生合作进行）
为学生创造展现小组设计方案的平台
在科学教学中，学生设计活动之后，需要让学生充分介绍自己的设计思路，在相互交流中让学生充分质疑，达成共识。相互交流的过程，不仅是学生思维显性化的过程，更是学生思维精细化发展的需要。举例如下。
（将课前大家的设计作品挂在墙上）教师提问：我们每个小组都对保温杯进行了设计，我们请他们来介绍一下自己的设计思路，你也可以对他们的方案提出一些建议或可行的想法。
为了充分展示学生的作品，教学中，不仅将学生设计的原版作品贴在教室周边，还为每组打印了相关设计的副本图片，让每个学生了解每一件作品。这样在对每件作品的充分了解基础上，学生交流起来也有理有据。为了让方案更精细化、可行化，在学生相互介绍和评价了彼此作品之后，提醒学生进一步修改自己的设计作品，为制作保温杯做好铺垫。
引导学生合理设计制作方案，在过程中引发学生对跨学科概念.核心慨念和自己的技术能力进行反思，并解决相关问题
在STEM活动中，问题作为核心，而解决问题的过程往往要运用许多领域的概念知识，还要运用多种解决的技术能力。在学生准备活动方案时，往往会在交流过程中发现原有的知识能力不足以解决现在遇到的问题，会产生认知的需求。学生会自主地寻求新的知识，或者对原有知识产生质疑，从而重新建构原有的概念。e例如下。
师生谈话：刚才大家已经设计好自己小组的保温杯，接下来你准备怎么去制作这个保温杯？你们可以相互交流，指定一个可行的制作方案。
（学生讨论）
教师提问：你们在制订计划的时候遇到了哪些困难？准备怎样解决？
学生汇报：材料问题――不知道哪种材料保温效果最好。
检测问题――如何才能知道自己制作的杯子保温效果好不好？
颜色配比问题――不同的组员对颜色搭配有不同的意见。
技术问题――怎样切割泡沫？保温丝怎么做？可显示温度计怎么做？真空环境怎么制造出来？
可见，在制订方案过程中，学生会遇到许多自己没有接触过或者自己尚不知道的问题，引导学生查资料或者进行探究活动，自主解决这些相关问题，这种方法可以促使学生主动学习、积极思考。活动的开展像吸铁石一样紧紧地吸引学生的注意力，充分调动学生学习的主动性，让学生形成主动学习的内驱力，调动学生积极思考建构科学概念。
设计合理的评价方法，帮助学生归纳出核心概念
1、妈妈的温度，爱的呵护!
2、风光无限好，温暖杯中找。
3、冷静从容，舒适办公。
4、家的温馨，饮水自知。
5、家有哈尔斯，冷暖最相知!
6、冷静自从容。
7、好杯在手，悦享运动。
8、相由心生，杯中传递。
9、让温度不变，让关爱无限!
10、不给能量给清爽，不给动力给心力。
11、保温新榜样，户外正能量!
12、真情空间哈尔斯，无限冷暖都是爱。
13、非同小渴，饮以为荣。
14、渴了，累了，亲亲我!
15、爱的呵护，温度如春。
16、冷暖随心，沁爽可亲。
17、一家人的选择，一夏天的凉爽。
18、点滴细致关爱，全面无尽呵护!
19、关爱杯至，相爱百年。
20、宝宝的温度，妈妈的呵护!
摘 要：我们在试验时可以加入开水，根据轻工行业标准（QB/T2332）不锈钢真空杯（壶）的保温性能的标准为：在室温20 ℃的条件下，往杯中注满95 ℃以上的开水，盖上盖子6 h后，容量小于400 mL的杯子水温不低于42 ℃，容量大于400 mL的杯子水温不低于54 ℃。通常市场上在售的塑料保温杯都是只有隔热的功能，其保温的功能最多只有2～3 h，室温越低其热量流失越快，而如果是真空保温杯一般装入开水6 h后温度还会有50 ℃以上，真空率越高保温时间就越长，10 h都是可以达到的，在使用了节能膜后，双层塑料保温杯的保温效果得到了显著提升，由于节能膜可以反射90%以上的红外线，所以杯子的保温效果达到了6～7 h，这个设计使保温杯的保温效果得到了提升。
关键词：节能环保 双层塑料保温杯 节能膜技术
中图分类号：TU52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（20_）02（b）-0107-03
在当今社会，保温杯已经广泛融入到了我们每个人的生活中，从办公室到会议室，从学校到家中，我们每个人在生活中都用过保温杯，如果有人和我们提起保温杯，我们一定不会感到陌生，但保温杯的保温性能是由保温杯的材质和保温原理决定的，情况下不锈钢真空保温杯的保温性能最好，可以达到10 h以上的保温效果，个别的不锈钢保温杯可以达到1 d以上，相比之下，双层塑料保温杯的效果就差多了，接下来，我们来讨论通过节能膜技术在双层塑料保温杯中的应用来提升其保温性能。
1 建筑节能技术及建筑节能膜
PET（聚酯）膜
建筑膜是一种多层的PET（聚酯）膜，通过使用真空多层金属镀层技术、离子技术以及薄膜物理、精细化工技术，使其具有极佳的清晰度、极好的强度和耐久性，以及极高的隔热效率、抗冲击能力或装饰等性能，通过背胶粘附在玻璃等材质表面，广泛应用于建筑节能、建筑安全和建筑装饰领域，是高科技的建筑材料。
PET是一种耐久性强、坚固耐潮、耐高、低温性均佳的材料。它清澈透明，经金属化镀层、磁控溅射、夹层合成等多种工艺处理，成为具有不同特性的膜。
建筑节能膜，顾名思义是应用于住宅、办公大楼、商业大厦等建筑门窗玻璃、幕墙玻璃，通过阳光控制，改善室内环境、降低制冷采暖能耗，从而达到节能效果的玻璃膜。其广泛应用于居家、办公、休闲等场所。在夏季，建筑膜通过阻隔高达79%的太阳热能，可大大降低空调的制冷成本；冬季，室内热量透过窗户散失，不仅使室内人员感到不适，而且增加了不必要的能耗费用。把一线品牌高品质节能膜安装于普通玻璃的内表面能降低热损耗达30%，从而达到冬季室内保暖的作用。
建筑膜以节能隔热为主要目的，同时还具有防紫外线和一定的安全功能。该种膜还可分为热反射膜和低辐射膜。热反射膜，这种膜贴在玻璃表面使房内能透过一部分可见光和一部分近红外线光，反射和吸收了一部分可见光和一部分近红外线光，因此可以让足够的光线进入室内，而将大部分的太阳能的热量反射回去，所以，在炎热的夏季保持室内温度不会升高太多，从而降低室内空调负荷，达到节省空调费用和节能的作用。低辐射膜，这种膜能透过一定量的短波太阳辐射能，使太阳辐射热进入室内，被室内物体所吸收；同时又能将90%以上的室内物体辐射的长波红外线反射保留于室内。低辐射膜能充分利用太阳光辐射和室内物体的长波辐射能。因此在寒冷地区和采暖建筑中使用可起到保温和节能效果。
铝箔
铝箔是良好的绝热材料，它的绝热性能可表现在它表面的热辐射性能上。
铝箔的发射率与厚度关系不大，主要取决于其表面的平整度，其发射率一般为5%～20%，因此铝箔对辐射能的吸收非常小，能使80%～95%的辐射热反射回去。铝箔是良好的隔热保温材料，铝的纯度对铝箔的反射率有明显影响。铝箔中有杂质时，会发生杂质散射而使其辐射吸收增加。要获得高反射率的铝箔，纯度应不小于。高纯度铝箔光反射率可达97%，且可以通过涂料处理形成彩色膜。
2 不锈钢保温杯与双层塑料保温杯的区别
抽真空的工艺对于杯子材质也是有要求的，一般使用304不锈钢或201不锈钢材质。而双层塑料杯是不能抽真空处理的，外塑内钢、外钢内塑的杯子也是不能达到真空效果的，通常市场上在售的塑料保温杯都是只有隔热的功能，其保温的功能最多只有2～3 h，室温越低其热量流失越快，而如果是真空保温杯一般装入开水6 h后温度还会有50 ℃以上，真空率越高保温时间就越长，10 h都是可以达到的。
由此看来，塑料保温杯是可以保温的，但塑料保温杯的保温时间只有两三个小时，相对于不锈钢、陶瓷保温杯而言，其保温效果还相差甚远，不适宜秋冬季节使用，所以还需要改进。
3 将节能膜技术用在保温杯中
过去双层塑料保温杯的保温效果不过2～3 h，该设计方法可改进人们日常生活中使用的双层塑料保温杯所遇到的不足之处，实现保温时长的显著提升。
为实现以上目的，该设计采用以下方法。
将建筑节能膜中使用的PET（聚酯）膜材料或铝箔做成杯子的形状，将其紧贴在双层塑料杯外层内壁，以此达到反射来自内部和外部的辐射热，加强保温隔热性能的优良效果，并杜绝传统普通双层塑料杯保温效果不理想这项传统普通保温杯无法解决的问题。此处注意是双层塑料保温杯的外层内壁，这样使用者在饮用的时候，就不会使嘴唇接触到节能膜本身，且节能膜不c双层塑料保温杯内壁接触，这样即使有热饮加入杯中，也不会使节能膜在高温下产生毒素，更不会对人体造成伤害。
该设计的优点是大大提升了双层塑料保温杯的保温隔热性能，延长了内部的保温隔热时长。这样既继承了不锈钢保温杯的优点，又没有原先双层塑料保温杯保温隔热性能差、盛水量小的缺点。
以下提供该设计的一种加工方法的具体实施方式及一个实施例，但该设计不限于所提供的实施例。
制作双层塑料保温杯
双层塑料保温杯的制作方法与传统制作方法一致，在此不做赘述，但一定要注意先不要将内壁和外壁直接焊接，因为我们还要将建筑节能膜中使用的PET（聚酯）膜材料或铝箔所加工成型后的膜材料放入双层塑料保温杯的外壁。
建筑节能膜中使用的PET（聚酯）膜材料和铝箔的成型加工
按照已经制作完成的双层塑料保温杯的外层模型，加工出一个与外层内壁能刚好吻合的建筑节能膜中使用的PET（聚酯）膜材料或铝箔，加工工艺技术也与传统中一般的加工技术一致，建筑节能膜中使用的PET（聚酯）膜材料用注塑或吹塑（可任选）的方法加工成型，而铝箔则采用专门的机器（可自选）加工制成与外层内壁能刚好吻合的形状。
结合成一个新的有建筑节能材料的保温杯
将建筑节能膜中使用的PET（聚酯）膜材料或铝箔所加工成型后的膜材料放入双层塑料保温杯的外壁，注意这里的杯口的内壁和外壁都要有能够相互结合的螺口，这样就可以直接将内外壁通过旋拧的方式固定。
制作双层料保温杯的杯盖
杯盖的方法与杯身相同，注意都要是双层的，杯盖的内壁和外壁都要有能够相互结合的螺口，以便在杯盖的外壁放入建筑节能膜中使用的PET（聚酯）膜材料或铝箔，然后再将杯盖的外壁和内壁通过旋拧的方式固定，这个固定方法与第三步相同。
完成了以上的步骤后，新式双层塑料保温杯就制作完成了，如图1所示，加粗线条的部分就是贴节能膜的部分。
4 将纸质材料用在保温杯中
这个问题，其性质是一次性纸杯的使用，我们将双层塑料保温杯的内壁去除，留下外壁，被去除的内壁换成一次性杯子，注意此处不要将一次性纸杯固定，使一次性纸杯能够随时被取出和放入。再放入一次性纸杯后，我们往里加入热饮，再将改装后的杯盖盖上，就可以使一次性纸杯中的热饮得到一定的保温效果，当内部的一次性纸杯不能使用时，可直接将其取出，换一个新的一次性纸杯进去，这样就解决了一次性纸杯本身保温效果差的问题，并且在一定程度上节约了纸杯的使用，十分得节能环保。如图2所示，左边是一次性纸杯放在保温杯中的样式，而右边则是一次性纸杯与保温杯分开后的样式。
这里注意如图2所示的一次性纸杯与保温杯的外壁的规格要一致，如果口径对不上的话，那是无法使用，并且无法达到保温效果的，这里就要在制造保温杯的时候先调查常用一次性纸杯的口径，再根据相应的数据进行下一步的制作，以免产生不必要的麻烦。
5 实验研究的过程及结论
我们准备2个规格、型号、品牌一样的双层塑料保温杯，再准备2个同一品牌和型号的电子温度计。将其中的一个作为实验组，另一个作为对照组，两者进行对比。按照制作研究过程中所讲到的制作方法，将实验组中的杯子做成新式的双层塑料保温杯，和对照组一起放在25 ℃的房间里，我们在试验时可以加入开水，每隔1 h用电子温度计测一次2个杯子中水的温度，并将温度变化记录下来。
至于一次性纸杯放入新式的保温杯后的保温效果，其测试方法与以上相同，只是原来的双层塑料保温杯内壁被换成了一次性纸杯。
经测试，没有经过改装的保温杯在第3个小时的时候，温度就已经从95 ℃降到了 ℃，而经过改装的保温杯，第1个小时只降了14 ℃，在第6个小时时仍有 ℃，2只杯子均为380 mL。而2只一次性纸杯在放入新式保温杯后，未经过改装的保温杯在第2个小时就降到了 ℃，改装后的保温杯在第6个小时的时候才降到了35 ℃（一次性纸杯容量为250 mL）。
根据轻工行业标准（QB/T2332）不锈钢真空杯（壶）的保温性能的标准为：在室温20 ℃的条件下，往杯中注满95 ℃以上的开水，盖上盖子6 h后，容量小于400 mL的杯子水温不低于42 ℃，容量大于400 mL的杯子水温不低于54 ℃，才算合格，但是双层塑料保温杯却没有明确的要求。
通常市场上在售的塑料保温杯都是只有隔热的功能，其保温的功能最多只有2～3 h，室温越低其热量流失越快，在使用了节能膜后，双层塑料保温杯的保温效果得到了显著提升，由于节能膜可以反射90%以上的红外线，所以杯子的保温效果达到了6～7 h，这个结果说明，加入节能膜后的设计使保温杯的保温效果得到了显著提升。
6 结语
通过这次项目试验，笔者所在组发现了一种新的可以提高双层塑料保温杯保温性能的方法，并成功改进了保温杯。感谢新疆农业大学长期以来对该项目的支持，从认真听取该项目，到批准该项目立项，再到1年以后笔者所在组成功完成试验，并听取笔者所在组汇报，新疆农业大学以及学校老师都做出了长时间艰苦努力。
参考文献
1.万水千山，冷暖相伴!
2.冷暖之间，保持最先!
3.运动最时尚，温暖我领航。
4.办公正能量，动静皆时尚。
5.爱运动，热度不减;哈尔斯，温度不变。
6.给你一杯的爱，你用一辈子去爱。
7.保冷一点通，保温更轻松!
8.情满行程，一生随行。
9.清凉一夏，温暖过冬!
10.不管去哪儿，冷暖两知己!
11.温馨一家情，关爱一辈深。
12.品味芯健康，乐享哈生活!
13.冷暖相通，保温专属。
14.品质出众，宝宝感动。
15.冷暖百变，随心方便。
16.冷暖全程呵护，运动更加自如。
17.有空多运动，真空保温度。
18.有家有爱就有哈根斯。
19.冷·竞从容，智·会取胜。
20.杯杯温情，尊贵人生!
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