作者

徐可頤　唐照雄　許豪杰

（黃岡師范學(xué)院物理與電信學(xué)院）

摘要：本研究基于STSE構(gòu)建物理科普實(shí)踐“好風(fēng)憑巧力”，選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)科普主題，沿著“風(fēng)能—機(jī)械能—電能”能量轉(zhuǎn)換思路，階梯式設(shè)計(jì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�、變速滑輪組模型和簡易發(fā)電模型，展示了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理，為在清潔能源與可持續(xù)發(fā)展大背景下，提升青少年科學(xué)素養(yǎng)提供鮮活的實(shí)踐案例。

關(guān)鍵詞：STSE教育　風(fēng)力發(fā)電機(jī)　科普實(shí)踐

科普實(shí)踐思路

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)已深度融入社會生活，提升青少年科學(xué)素養(yǎng)已成為當(dāng)下物理教育改革的核心命題�！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中明確要求“引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、社會（Social）、環(huán)境（Environment）之間的關(guān)系” [1] 。因此，立足于STSE教育理念，本科普實(shí)踐綜合選擇人教版《物理》（全一冊）第二十章“能源清潔與可持續(xù)發(fā)展”中的風(fēng)能知識模塊，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為關(guān)鍵錨點(diǎn)，設(shè)計(jì)科普教育方案。該設(shè)計(jì)路線既契合新課標(biāo)的知識目標(biāo)，又能有效融合學(xué)科知識與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景，為青少年建立完整的能源保護(hù)體系提供科普實(shí)踐思路。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》著重提出“生活走向物理，從物理走向社會”的理念，強(qiáng)調(diào)在教學(xué)中要加強(qiáng)物理與“生產(chǎn)生活、社會發(fā)展及科技進(jìn)步的聯(lián)系，凸顯我國科技成就，引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)文化自信，樹立科技強(qiáng)國的遠(yuǎn)大理想”。然而，在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，受限于教學(xué)設(shè)備與條件，實(shí)驗(yàn)往往難以與生活實(shí)際和社會生產(chǎn)緊密結(jié)合，這直接影響了學(xué)生知識應(yīng)用能力的培養(yǎng)。因此，在教育教學(xué)過程中，務(wù)必精準(zhǔn)把握知識傳授與能力培養(yǎng)相融合的根本法則。本科普實(shí)踐巧妙利用日常生活中的普遍現(xiàn)象，點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與探知欲望，在借助生動實(shí)例傳授專業(yè)知識的同時，也鍛煉了學(xué)生的邏輯思考能力。汲取生活中的素材，更能觸動學(xué)生的心靈，從而引發(fā)他們的學(xué)習(xí)動力。創(chuàng)意源自生活，教師可以指導(dǎo)學(xué)生動手制作相關(guān)裝置，以此增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能。例如，利用簡單材料制作一個小型風(fēng)力發(fā)電裝置，讓學(xué)生親自感受風(fēng)能的轉(zhuǎn)化和利用過程。

義務(wù)教育是全面發(fā)展的教育，在傳授知識的同時也要注意思想品德的發(fā)展與培養(yǎng)，要體現(xiàn)知識的科學(xué)性與思想性，本科普實(shí)踐的知識講解過程要與當(dāng)代中國現(xiàn)代生產(chǎn)相結(jié)合，通過闡述我國在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域取得的巨大成就，強(qiáng)調(diào)我國作為“世界能源生產(chǎn)第一大國”的擔(dān)當(dāng)與責(zé)任，培養(yǎng)全球視野下的公民責(zé)任感。通過真實(shí)成就案例，實(shí)現(xiàn)價值觀塑造、能力培養(yǎng)與未來導(dǎo)向的多維教育目標(biāo)。

基于青少年的心理認(rèn)知發(fā)展特征與STSE教育理念的要求，本科普實(shí)踐搭建了“歷史情境—技術(shù)實(shí)踐—批評反思”的三維框架。首先以風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)史為時間軸，創(chuàng)設(shè)歷史情境吸引青少年注意力，從而激發(fā)學(xué)習(xí)求知欲。其次構(gòu)想風(fēng)洞科普模型、行星變速齒輪模型與簡易發(fā)電裝置，將枯燥的物理知識轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)操作，并有機(jī)融入科普活動中，使學(xué)生了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理，豐富科學(xué)知識。最后，通過課本知識點(diǎn)，探討課本知識在實(shí)際應(yīng)用中的局限性，揭示理論與實(shí)際的不同，拓展科學(xué)批判思維。

科普實(shí)踐成果

在教師的悉心指導(dǎo)下，實(shí)踐小組不斷優(yōu)化核心風(fēng)洞流體攻角模型，以及科普講解思路，最終完成了2項(xiàng)核心科普實(shí)踐成果。

攻角可調(diào)式風(fēng)洞模型開發(fā)

模型主體器材由透明亞克力箱組成（見圖1），左側(cè)配置煙霧發(fā)生器與蜂窩狀整流板，煙霧形成后，穿過整流板后能轉(zhuǎn)化為較有序的氣流，以保證層流的穩(wěn)定性；右側(cè)由2個風(fēng)扇與變壓器組成氣流控制系統(tǒng)，通過改變電壓大小，實(shí)現(xiàn)氣流速度的調(diào)整。當(dāng)煙霧穿過翼型模擬葉片時，能清楚地展現(xiàn)伯努利原理，上方氣流經(jīng)過的路程長，流速快；下方氣流經(jīng)過的路程短，流速慢，因此在葉片的上下表面能形成壓強(qiáng)差。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)測試，最終得出：左側(cè)發(fā)煙器連接7.5?v電壓，風(fēng)扇連接220?v電壓時，流體可視化效果最佳。

圖1

為了更加清晰地展示不同攻角給風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶來的影響，我們改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置（見圖2）。

圖2

在亞克力箱側(cè)壁的適當(dāng)高度上鉆出小孔，將螺絲刀插入泡沫葉片中，通過機(jī)械式角度調(diào)整裝置，確保攻角大小可調(diào)。當(dāng)逐漸增大攻角時，葉片上方的氣流不再有序，而呈現(xiàn)出雜亂的狀態(tài)，由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧�，因此產(chǎn)生的升力也會改變（見圖3）。

圖3

基于STSE模式的科普架構(gòu)設(shè)計(jì)

首先通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)歷史發(fā)展線，比較垂直軸與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，闡釋水平軸機(jī)型在穩(wěn)定性方面的技術(shù)優(yōu)勢，引出本次科普主要對象——水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其次利用圖片模型具象化呈現(xiàn)風(fēng)機(jī)四大核心組件（翼型葉片、變速箱、發(fā)電機(jī)、塔架），闡述為了提高發(fā)電機(jī)的輸出功率，在演變趨勢上呈現(xiàn)體積大型化、地點(diǎn)沿�；劝l(fā)展特點(diǎn) [2] 。接著使用風(fēng)洞可視化實(shí)驗(yàn)與多媒體技術(shù)手段（見圖4）揭示葉片形狀為翼型的機(jī)理，并對葉片長度、寬窄的要求進(jìn)行進(jìn)一步講解；進(jìn)一步講解葉片的攻角，利用仿真模擬文獻(xiàn)數(shù)據(jù)繪制表格展示攻角與升力、阻力系數(shù)關(guān)系圖，引出貝茨理論下風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能最大效率為59.3%。

圖4

設(shè)置探究性問題：“仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，真實(shí)生活中風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)的速度很慢，這種低速旋轉(zhuǎn)也能產(chǎn)生有效的電力輸出嗎？”進(jìn)而引出齒輪組增速模型，即大齒輪與小齒輪鏈接，當(dāng)大齒輪轉(zhuǎn)1圈時，小齒輪可以旋轉(zhuǎn)很多圈，因此能提高發(fā)電效率。借助不同齒輪組的組裝配合，直觀解釋發(fā)電機(jī)提高電力輸出效率的基本原理。

在指導(dǎo)教師的幫助下，我們通過模擬實(shí)驗(yàn)演示可觀察到：當(dāng)葉片轉(zhuǎn)速過快時，小齒輪會產(chǎn)生偏心振動現(xiàn)象，危害風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該現(xiàn)象不利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)作，因此工業(yè)上常用行星齒輪變速箱結(jié)構(gòu)，以保證電機(jī)的正常工作（見圖5）。

圖5

最后回到物理課本，讓學(xué)生熟悉電磁感應(yīng)相關(guān)知識（通常是提供磁場裝置的永磁鐵充當(dāng)定子，轉(zhuǎn)子為閉合導(dǎo)線），并進(jìn)一步引發(fā)思考：“在真實(shí)場景中，發(fā)電機(jī)又是如何設(shè)計(jì)的？”繼續(xù)解釋發(fā)電機(jī)使用過程中，永磁鐵會隨著時間的流逝慢慢退磁，因此常常選擇電磁鐵，通過改變電流的大小進(jìn)一步控制磁場，進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)的輸出功率。最后以小型發(fā)電裝置（見圖6）展示機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的完整演示。

圖6

本科普實(shí)踐涉及的演示教具具有以下特點(diǎn)：

直觀性強(qiáng)在教具設(shè)計(jì)上，充分分析義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求，由淺入深、由繁到簡，充分利用學(xué)生既有的知識經(jīng)驗(yàn)，遵循基本教育規(guī)律，循序漸進(jìn)，適當(dāng)引導(dǎo)。本實(shí)驗(yàn)開發(fā)了攻角可調(diào)式風(fēng)洞模型，通過流體的可視化效果不僅能讓學(xué)生直觀理解伯努利原理，還引入了流體力學(xué)的一些概念，拓展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生理解風(fēng)力發(fā)電的基本流程和原理，形成完整的科學(xué)思維。

性價比高在組裝教學(xué)器材時要充分考量時間和經(jīng)濟(jì)兩方面的投入。本實(shí)驗(yàn)器材選材來源于日常生活[3]，即便對于學(xué)生而言，在教師的指導(dǎo)下也能輕松復(fù)制出本實(shí)驗(yàn)所需器材。其經(jīng)濟(jì)和時間成本均較為低廉，而器材的演示成效卻頗為理想。

有一定靈活性教師可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自行選擇教具，在實(shí)際教學(xué)過程中，本實(shí)驗(yàn)中的齒輪組可進(jìn)行拆卸再組裝；通過對攻角可調(diào)式風(fēng)洞模型的演示，教師可以用其講解風(fēng)力發(fā)電的基本原理，解釋?飛機(jī)升力?、?船吸現(xiàn)象等日常生活中的常見現(xiàn)象。

與傳統(tǒng)教學(xué)方法對比，本案例的物理教具使物理現(xiàn)象更加具體化，同時通過引入生活中的實(shí)際案例，實(shí)現(xiàn)了從生活走向物理、從物理走向社會的課程理念，讓學(xué)生體會到物理學(xué)可以實(shí)實(shí)在在改變?nèi)藗兊纳�，不同的物理學(xué)知識聯(lián)合起來可以產(chǎn)生巨大的能量。此外，科普實(shí)踐構(gòu)思也是技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化的過程，本案例經(jīng)過第九屆“華夏杯”的參賽經(jīng)歷，不斷反復(fù)打磨，最終形成此“好風(fēng)憑巧力”科普實(shí)踐作品。希望通過本科普實(shí)踐設(shè)計(jì)，給讀者帶來啟發(fā)，共同在繁榮科普文化之路上繼續(xù)努力。

（本文得到蘭智高、秦河林老師的指導(dǎo)）

基金項(xiàng)目：湖北省高校省級教學(xué)研究項(xiàng)目“基于OBE教育理念的物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：2021444）；湖北省高校一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)——物理學(xué)（鄂教高廳函【2021】7號）項(xiàng)目支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部．義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[M]．北京：北京師范大學(xué)出版社，2022．04．

[2] Yaramasu V, Wu B, Sen P C, et al. High-Power Wind Energy Conversion Systems: State-of-the-Art and Emerging Technologies[J]. Proceedings of the IEEE, 2015(103-5). DOI:10.1109/JPROC.2014.2378692.

[3] 鄒新政．基于核心素養(yǎng)的高中物理自制教具應(yīng)用研究[D]．西南大學(xué)，2020．DOI:10.27684/d.cnki.gxndx.2020.001349．

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來源 | 《中國科技教育》2025-10

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安