迷你风力农场与小风车的制作

闵杰+朱玉洁+陈凯

摘 要 参考美国迷你风车农场项目案例，对STEM项目及其开展做简要介绍，并以此为例，探讨将其融入小学科学课程的途径。

关键词 STEM；风车农场；可再生能源；实验；小学科学

中图分类号：G424.31 文献标识码：3

文章编号：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项目背景介绍

STEM理念 STEM教育需要综合科学、技术、工程、数学等领域的知识和技能支持，现实问题往往无法单凭STEM中的某一门学科知识来解决，而需要依靠多学科的协同。因此，STEM教育更加注重综合运用多领域知识和方法解决现实问题的能力[1]，学生在应用学到的数学和科学知识来应对未来各种挑战时，通过进行创造、设计、建构、发现、合作来解决问题[2]。

风车农场开发者背景 此次参考的国外STEM项目是“构建一个微型风车农场——为非技术型教师的操作手册”（Building a Mini Wind Farm： “How to” Handbook for Non-

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

Lynch。他们曾于2012年提出“Advancing the STEM Agenda：

Quality Improvement Supports STEM”，并于2013年进行了题为“Building a Wind Farm in Your Classroom”的演讲。

迷你风车农场制作面向所有科学教师，为那些没有太多技术学習背景的教师提供资源和帮助。在该项目中，教师指导学生制作一个迷你风车农场。风车农场项目对技术的要求不高，并且操作较简单、材料易得，所以容易被不同年龄、不同经验层次的学生接受。

风车农场与STEM 风车农场作涉及很多学科领域，与STEM理念融合处体现在表1。

采用问题解决模型 STEM项目的过程常常以一个情景为背景提出问题，在教师带领和学生主动搜集工程等相关领域知识后重新定义问题、提出具体要求，让学生从科学家或工程师的角度思考问题，根据具体要求设计、建造方案并加以测试，从而解决问题。赛耶模型，即解决问题的四步循环模型，通过重新定义问题、具体要求、得出方案和测试方案四个步骤解决问题，也是STEM项目中常见的方法（如图1所示）。

2 “迷你风力农场”项目简介

相关常识和背景 风能是太阳能的一种，是清洁能源。风是由于太阳辐射而地球表面受热不均匀，热空气上升则冷空气进入填补而形成的。因其较环保、可再生等优点，在生活中的使用越来越多，逐渐替代一部分传统能源。

生活中的风车一般由叶片、机舱和高塔三部分组成。通过利用风吹动叶片带动轴旋转，发电机在轴的带动旋转下发电，即将风的动能转化为旋转轴的机械能，再将机械能转变为电能，同时产生热能。

许多商业或者大规模风车的高塔都超过90米，大型风车上的叶片一般长38～45米。这些叶片感觉转得很慢，但其实叶片最外面的尖端是以240～320千米/时的速度在旋转。机舱通常安装在高塔上，内有增速箱、发电机、电控系统等一系列重要的零部件，它们通过轴和齿轮与叶片相连。机舱的尺寸类似于一辆有轨电车，有些机舱上还为直升机专门设置了停机坪。图2显示的是安装在机舱里的发电机。

项目准备 了解了生活中的风车农场的基本知识后，需要对其进行模仿，自己动手制作迷你风车农场，完成整个能源转化的过程，加深学生对于风力发电的理解。迷你风车农场由四个基础的部分组成，分别为风力发电机、导线、接线板和灯泡。

风力发电机：一般生活中指安装在机舱里的大型发电机，实验中用的是直径为0.3米的直流永磁发电机。

导线：生活中指电线，实验中是用标准导线。

接线板：生活中使用电源分局或者电源总线，实验中使用的是接线板；接线板可以简单地将风力发电机与其他装置连接或断开，也可以利用它增加风力发电机和灯泡。

灯泡：生活中指家庭、工厂、企业等一些需要电源的地方，实验中选用LED灯。

材料清单（此为一个迷你农场所需材料）：PVC管类（1根24号、6根6号、3根T形管、4根90°弯管），螺旋桨一个，直流永磁发电机一个，绝缘胶带一卷，接线板木板若干，LED灯若干，螺帽若干，剥离器螺丝刀一个，弓锯小刀或剃刀一个，高速落地扇一个。

操作步骤 接下来将制作连接风力发电机、接线板和灯泡。

1）风力发电机。将不同规格的塑料管按如图3所示搭建好，做成高塔；将螺旋桨的背部安装在发电机（直流永磁发电机）上；在发电机的周围绑上绝缘胶带；将发电机放进弯头管里固定，如果不牢固，可以绑些胶带；将发电机与之前连接完成的高塔安装在一起，将发电机的标准导线露出来；最终得到风力发电机成品。制作步骤图示及最终成品见图3。endprint

2）接线板与灯泡。如图4所示，将接线板安装在木板上，再将LED灯的两条线插入接线板并旋紧螺丝（长端插入左侧，短端插入右侧）；剥去白色与黑色导线底端的塑料皮，将其黑线（阳极）插入左边，白线（阴极）插入右边；在木板上安装两个接线板，再将白线与黑线安装上去（注意白线与黑线要各在一边）；将之前风力发电机底端留的线与接线板连接起来（黑为阳极、红白为阴极），接线板的另一端与灯泡相连。最后将中间连接两个接线板的两根白线与黑线用螺母遮起来，防止触摸漏电。

注意：在连接整个线路时不要手动旋转螺旋桨，以防产生电流触电。在制作过程中，学生要在教师、家长的看护下安全使用危险工具，如锯刀。

3）测试。风车建造的目的是供电，因此，将落地扇的开关打开，风吹动螺旋桨旋转，如果LED灯亮，说明回路完成，风力发电机为灯提供了电力，实现了能量转化的过程。

拓展资料 完成一个STEM项目不要只限于有限的手册资源，针对一个具体的项目可以应用围绕主题的多维度网络资源（表2），有的提供数据信息作为项目佐证，有的提供高新科技的前沿资料作为思路引导，有的提供专家权威观点作为设计参考[3]。

项目评价 近年来，国内STEM教育逐渐开始受到关注，但我国STEM教育毕竟起步较晚，还不成熟。风车农场项目介绍了详细完整的实验步骤和拓展领域，不仅整合多學科领域知识，而且拓展风车农场在实际生活中各方面的应用，真正实现将科学知识融入生活实践，为我国中小学科学教师研发STEM项目、整合教学设计提供了方法和资源。

3 与国内科学教学的整合

在小学科学教学中应用 苏教版小学科学六年级下册涉及“能量的转化”一课的教学中，可将风力农场作为课堂实验，让学生深入了解能量转化的过程。实验不仅融入生活，而且锻炼了学生的动手能力，实验的直观形象利于学生对知识点的理解和巩固。

另外，此实验可作为苏教版小科学课六年级下册“能源”一课的STEM课程。可以以能源短缺为背景，让学生分组建造一个风车农场，利用可再生能源解决问题。模型可以根据现实中的风车大小同比缩小，目标是达到规定的电流输出。最终，教师可从风车数量、线路连接、美观程度、成本等方面对学生的作品进行评价。其中与STEM教育关联最大的是从STEM中工程和数学的视角，让学生思考怎样设计组装风车叶片，能将可再生能源的利用率最大化，如探究风车叶片形状、长度、安装角度对风能的利用率。每个小组采用相同的实验器材和同功率的发电机，仅改变叶片进行对照试验；在原本灯泡安装处放置电流表测电流，以电流大小来测定风能利用率（如表3所示）。

此外，苏教版小学科学四年级下册涉及“物体间的相互作用及受力分析”，课本中有一例“旋转水桶，水不洒落”的实验思考（对中学物理知识的拓展）。这里还可以对风车进行思考：为什么风车会旋转？它如何受力？可以让学生课后用科学写作的方式进行回答。

用科学读写作为项目的补充 国内科学教育工作者在应用国外STEM项目进行教学实践时，可以融入科学语言的工具。一方面需要考虑国外课程体系与国内的差异，所以有必要在项目开展前补充相关的学科知识或技术文本资料给学生阅读自学，并提供针对性指导启迪思维，提示学生如何分析阅读材料的内容或观点，必要时先解析一些关键概念，刺激学生已有知识和新知的联系[4]；另一方面提供科学写作任务，请学生记录STEM项目实施过程中的疑难问题、心得体会，表达自己对相关社会问题、科技问题的思考，以期对STEM的理解更深入。同时，STEM中的写作既是教师与学生进行双向沟通和交流的重要工具和平台[5]，也是学生之间开展合作的沟通工具和研究轨迹的记录工具。

参考文献

[1]傅骞，刘鹏飞.从验证到创造：中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育，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]陈凯，陈昌云，陆真.化学教育英文网络资源分类例谈[J].化学教育，2011，32（5）：47-52.

[4]包宇璐，陈凯，龙琪.对科学阅读的研究与思考[J].中学教学参考，2016（23）：88-91.

[5]陈凯.美国小学科学教材中科学写作的分析与启示：以《科学启蒙》教材中的“物质科学”为例[J].现代中小学教育，2013（8）：63-67.endprint