迷你風力農場與小風車的制作

閔杰+朱玉潔+陳凱

摘 要 參考美國迷你風車農場項目案例，對STEM項目及其開展做簡要介紹，并以此為例，探討將其融入小學科學課程的途徑。

關鍵詞 STEM；風車農場；可再生能源；實驗；小學科學

中圖分類號：G424.31 文獻標識碼：3

文章編號：1671-489X（2017）22-0150-03

Production of Mini Wind Farm and Small Windmill： Introduc-tion to Foreign STEM Project//MIN Jie， ZHU Yujie， CHEN Kai

Abstract This article briefly introduces the STEM project and its development with reference to the project case of the American Mini

Windmill Farm， and explores the ways to integrate it into the pri-mary science curriculum.

Key words STEM； windmill farm； renewable energy； experiment； primary science

1 STEM項目背景介紹

STEM理念 STEM教育需要綜合科學、技術、工程、數學等領域的知識和技能支持，現實問題往往無法單憑STEM中的某一門學科知識來解決，而需要依靠多學科的協同。因此，STEM教育更加注重綜合運用多領域知識和方法解決現實問題的能力[1]，學生在應用學到的數學和科學知識來應對未來各種挑戰時，通過進行創造、設計、建構、發現、合作來解決問題[2]。

風車農場開發者背景 此次參考的國外STEM項目是“構建一個微型風車農場——為非技術型教師的操作手冊”（Building a Mini Wind Farm： “How to” Handbook for Non-

Technical Teachers）[2]，原作者是Jim Gibson和Rose Marie

Lynch。他們曾于2012年提出“Advancing the STEM Agenda：

Quality Improvement Supports STEM”，并于2013年進行了題為“Building a Wind Farm in Your Classroom”的演講。

迷你風車農場制作面向所有科學教師，為那些沒有太多技術學習背景的教師提供資源和幫助。在該項目中，教師指導學生制作一個迷你風車農場。風車農場項目對技術的要求不高，并且操作較簡單、材料易得，所以容易被不同年齡、不同經驗層次的學生接受。

風車農場與STEM 風車農場作涉及很多學科領域，與STEM理念融合處體現在表1。

采用問題解決模型 STEM項目的過程常常以一個情景為背景提出問題，在教師帶領和學生主動搜集工程等相關領域知識后重新定義問題、提出具體要求，讓學生從科學家或工程師的角度思考問題，根據具體要求設計、建造方案并加以測試，從而解決問題。賽耶模型，即解決問題的四步循環模型，通過重新定義問題、具體要求、得出方案和測試方案四個步驟解決問題，也是STEM項目中常見的方法（如圖1所示）。

2 “迷你風力農場”項目簡介

相關常識和背景 風能是太陽能的一種，是清潔能源。風是由于太陽輻射而地球表面受熱不均勻，熱空氣上升則冷空氣進入填補而形成的。因其較環保、可再生等優點，在生活中的使用越來越多，逐漸替代一部分傳統能源。

生活中的風車一般由葉片、機艙和高塔三部分組成。通過利用風吹動葉片帶動軸旋轉，發電機在軸的帶動旋轉下發電，即將風的動能轉化為旋轉軸的機械能，再將機械能轉變為電能，同時產生熱能。

許多商業或者大規模風車的高塔都超過90米，大型風車上的葉片一般長38～45米。這些葉片感覺轉得很慢，但其實葉片最外面的尖端是以240～320千米/時的速度在旋轉。機艙通常安裝在高塔上，內有增速箱、發電機、電控系統等一系列重要的零部件，它們通過軸和齒輪與葉片相連。機艙的尺寸類似于一輛有軌電車，有些機艙上還為直升機專門設置了停機坪。圖2顯示的是安裝在機艙里的發電機。

項目準備 了解了生活中的風車農場的基本知識后，需要對其進行模仿，自己動手制作迷你風車農場，完成整個能源轉化的過程，加深學生對于風力發電的理解。迷你風車農場由四個基礎的部分組成，分別為風力發電機、導線、接線板和燈泡。

風力發電機：一般生活中指安裝在機艙里的大型發電機，實驗中用的是直徑為0.3米的直流永磁發電機。

導線：生活中指電線，實驗中是用標準導線。

接線板：生活中使用電源分局或者電源總線，實驗中使用的是接線板；接線板可以簡單地將風力發電機與其他裝置連接或斷開，也可以利用它增加風力發電機和燈泡。

燈泡：生活中指家庭、工廠、企業等一些需要電源的地方，實驗中選用LED燈。

材料清單（此為一個迷你農場所需材料）：PVC管類（1根24號、6根6號、3根T形管、4根90°彎管），螺旋槳一個，直流永磁發電機一個，絕緣膠帶一卷，接線板木板若干，LED燈若干，螺帽若干，剝離器螺絲刀一個，弓鋸小刀或剃刀一個，高速落地扇一個。

操作步驟 接下來將制作連接風力發電機、接線板和燈泡。

1）風力發電機。將不同規格的塑料管按如圖3所示搭建好，做成高塔；將螺旋槳的背部安裝在發電機（直流永磁發電機）上；在發電機的周圍綁上絕緣膠帶；將發電機放進彎頭管里固定，如果不牢固，可以綁些膠帶；將發電機與之前連接完成的高塔安裝在一起，將發電機的標準導線露出來；最終得到風力發電機成品。制作步驟圖示及最終成品見圖3。endprint

2）接線板與燈泡。如圖4所示，將接線板安裝在木板上，再將LED燈的兩條線插入接線板并旋緊螺絲（長端插入左側，短端插入右側）；剝去白色與黑色導線底端的塑料皮，將其黑線（陽極）插入左邊，白線（陰極）插入右邊；在木板上安裝兩個接線板，再將白線與黑線安裝上去（注意白線與黑線要各在一邊）；將之前風力發電機底端留的線與接線板連接起來（黑為陽極、紅白為陰極），接線板的另一端與燈泡相連。最后將中間連接兩個接線板的兩根白線與黑線用螺母遮起來，防止觸摸漏電。

注意：在連接整個線路時不要手動旋轉螺旋槳，以防產生電流觸電。在制作過程中，學生要在教師、家長的看護下安全使用危險工具，如鋸刀。

3）測試。風車建造的目的是供電，因此，將落地扇的開關打開，風吹動螺旋槳旋轉，如果LED燈亮，說明回路完成，風力發電機為燈提供了電力，實現了能量轉化的過程。

拓展資料 完成一個STEM項目不要只限于有限的手冊資源，針對一個具體的項目可以應用圍繞主題的多維度網絡資源（表2），有的提供數據信息作為項目佐證，有的提供高新科技的前沿資料作為思路引導，有的提供專家權威觀點作為設計參考[3]。

項目評價 近年來，國內STEM教育逐漸開始受到關注，但我國STEM教育畢竟起步較晚，還不成熟。風車農場項目介紹了詳細完整的實驗步驟和拓展領域，不僅整合多學科領域知識，而且拓展風車農場在實際生活中各方面的應用，真正實現將科學知識融入生活實踐，為我國中小學科學教師研發STEM項目、整合教學設計提供了方法和資源。

3 與國內科學教學的整合

在小學科學教學中應用 蘇教版小學科學六年級下冊涉及“能量的轉化”一課的教學中，可將風力農場作為課堂實驗，讓學生深入了解能量轉化的過程。實驗不僅融入生活，而且鍛煉了學生的動手能力，實驗的直觀形象利于學生對知識點的理解和鞏固。

另外，此實驗可作為蘇教版小科學課六年級下冊“能源”一課的STEM課程。可以以能源短缺為背景，讓學生分組建造一個風車農場，利用可再生能源解決問題。模型可以根據現實中的風車大小同比縮小，目標是達到規定的電流輸出。最終，教師可從風車數量、線路連接、美觀程度、成本等方面對學生的作品進行評價。其中與STEM教育關聯最大的是從STEM中工程和數學的視角，讓學生思考怎樣設計組裝風車葉片，能將可再生能源的利用率最大化，如探究風車葉片形狀、長度、安裝角度對風能的利用率。每個小組采用相同的實驗器材和同功率的發電機，僅改變葉片進行對照試驗；在原本燈泡安裝處放置電流表測電流，以電流大小來測定風能利用率（如表3所示）。

此外，蘇教版小學科學四年級下冊涉及“物體間的相互作用及受力分析”，課本中有一例“旋轉水桶，水不灑落”的實驗思考（對中學物理知識的拓展）。這里還可以對風車進行思考：為什么風車會旋轉？它如何受力？可以讓學生課后用科學寫作的方式進行回答。

用科學讀寫作為項目的補充 國內科學教育工作者在應用國外STEM項目進行教學實踐時，可以融入科學語言的工具。一方面需要考慮國外課程體系與國內的差異，所以有必要在項目開展前補充相關的學科知識或技術文本資料給學生閱讀自學，并提供針對性指導啟迪思維，提示學生如何分析閱讀材料的內容或觀點，必要時先解析一些關鍵概念，刺激學生已有知識和新知的聯系[4]；另一方面提供科學寫作任務，請學生記錄STEM項目實施過程中的疑難問題、心得體會，表達自己對相關社會問題、科技問題的思考，以期對STEM的理解更深入。同時，STEM中的寫作既是教師與學生進行雙向溝通和交流的重要工具和平臺[5]，也是學生之間開展合作的溝通工具和研究軌跡的記錄工具。

參考文獻

[1]傅騫，劉鵬飛.從驗證到創造：中小學STEM教育應用模式研究[J].中國電化教育，2016（4）：71-78.

[2] Building a Mini Wind Farm： A “How to” Handbook for Non-Technical Teachers[DB/OL].http：//www2.ivcc.edu/mimic/nsf/renewable_energy/Building%20Wind%20Farm-Handbook.pdf.

[3]陳凱，陳昌云，陸真.化學教育英文網絡資源分類例談[J].化學教育，2011，32（5）：47-52.

[4]包宇璐，陳凱，龍琪.對科學閱讀的研究與思考[J].中學教學參考，2016（23）：88-91.

[5]陳凱.美國小學科學教材中科學寫作的分析與啟示：以《科學啟蒙》教材中的“物質科學”為例[J].現代中小學教育，2013（8）：63-67.endprint