STSE视角下自制趣味风力发电站

黄琪莉 吴先球

摘  要：利用激光切割、单片机编程等技术，自制了风力发电站模型，以提高物理课堂的趣味性，加强学生对物理知识的应用能力。促进学生了解电磁感应现象在生产、生活中的应用，了解能源对人类生活和社会发展的影响，关注科学、技术、社会、环境的关系。

关键词：STSE理念;风力发电;能源;电磁感应

1 引   言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》[1]提出物理学科核心素养的四个维度，其中“科学态度与责任”要求学生认识科学、技术、社会、环境的关系，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。课程改革的基本理念强调注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求[2]。能量观念贯穿于高中物理学习中，学习电磁场的知识时也离不开能量转化与守恒定律。目前，大多数教学以习题和查阅资料的形式进行巩固，缺乏趣味性，学生也无法亲身感受到物理知识在生活中。将STSE内容引入教学中可以增加科学课程的趣味性，自制教具将抽象的科学概念、原理与实际生活中的具体事物联系起来，从而激发学生的学习动机，使学生学习和了解科学的用途，达到拓展视野的目的[3-4]。因此，笔者基于STSE理念设计了一个“风力发电站”模型，让学生理解电磁学的相关知识，提高学生的学习兴趣，并且让学生体会“物理来源于生活，又走向生活”的理念，领悟STSE之间的相互联系。

2    装置简介与基本原理

如图1所示，外界风力使发电机发生转动，产生电磁感应，从而产生电流。将电流输入到电压能量塔中，点亮LED灯。通过改变外界风力的大小，使得LED灯塔亮灯的层数发生变化，能够直观地观察到风力发电产生的电量大小。装置实物图如图2所示。

3    所需材料

2块长40 cm、宽40 cm、厚0.4 cm的透明亚克力板，亚克力胶，8051单片机一块，80 cm长的线阵贴片LED灯珠，1个高亮大功率LED灯珠，12 V直流发电马达，导线若干。

4    制作方法

4.1    风力发电站的制作

用Corel软件先绘制需要激光切割的部件的尺寸和形状，如图3所示。设计发电站的底板规格为35 cm×20 cm，灯塔需要5块28 cm×6 cm的长矩形。发电站小屋前后墙的规格为12 cm×9 cm，左右两面墙则设计为三角形与矩形的组合图形。其余的部分可以用于制作发电站底板的底角。将各个切好的板块组合粘贴，将粘贴好的灯塔、发电小屋以及小发电机装置安放在底板上，进行合理布局。

4.2    电压显示板的制作

将线阵贴片LED灯珠每3个剪开，均匀地将16条LED灯条贴在长矩形灯塔面上，每条LED灯用并联结构连接在51单片机的串口。设计单片机程序读取发电机转动时产生的电流值，判断当电压值超过0.1 V时，点亮LED。在发电机转动过程中，电压每增加0.3 V，LED灯的个数增加一排[5]，显示范围为0～4.8 V。当电压超过4.8 V时，发电站小屋里面的LED灯珠被点亮，如图4（a）所示。

5    在物理教学中的应用

电磁感应的内容与生产生活、科技进步、社会发展密切相关，新课程标准也要求在教学中引导学生了解发电机工作过程中的能量转化，认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用，关注STSE的关系，培养学生解决实际问题的能力。

5.1    法拉第电磁感应定律的应用

进行“法拉第电磁感应定律”教学时，可以用本装置对知识点进行应用拓展。发电机的基本原理是法拉第电磁感应定律，利用小风扇或者风筒模拟室外的风速转动发电机。教师在展示时可用手定性地控制电机转动的快慢，让学生观察现象，不同转速下灯塔的亮灯情况不同。教师启发学生结合发电机的基本原理思考：为什么当风速改变或者改变小风扇与发电机的距离，电压灯塔上亮灯的层数就不一样，如图4所示。最后，让学生结合本节课的知识去思考，如何能让电压能量灯塔的灯亮的更多，如何增大风力发电机的效率。布置课后小组探究任务，让学生查找资料讨论，关注社会上用风力发电的清洁能源的使用量有多少，为什么不能大面积推广使用，如果要推广使用，要借助什么样的技术问题。通过风力发电站的模型，启发学生思考所学知识该如何应用于生活中。提醒学生学习科学知识时不忘关注社会能源与环境的热点问题，激励学生学习技术手段解决问题。STSE理念提倡不仅要关注当前的社会、技术、环境的发展情况，还要关心未来的发展状况。

5.2    交变电流的情境导入

学习交变电流前，教师可以使用本装置创设情境，激发学生的学习兴趣。装置中的LED灯珠具有单向导通性的特点，因此教师将电机往顺时针和逆时针的方向转动时，学生会观察到一个方向能够点亮灯珠，一个方向则灯珠不亮。教师以不同速度拨动发电机，灯塔上亮灯数目变化，说明电流的大小和方向可以发生改变，不一定是恒定的。通过对发电机的内部结构图和转动时的运动分析，教师引出交变电流的概念：强弱和方向都随时间周期性变化的电流叫做交变电流，从而引出本节课的课题。

5.3    渗透能量转化观念与可持续发展教育

能量转化与守恒定律在高中物理学习中起着至关重要的作用。新课程标准中明确提出要了解水能、风能、太阳能和核能的方式，知道不同形式的能量可以互相轉化，通过了解能源的知识认识环境污染的危害。因此，教师在教学中要渗透能量观点，通过实例来培养学生关注能源与环境的关系，培养学生的价值观[6]。教师引导学生思考发电机转动发电过程存在几种能量的转化，是如何转化的。实际上，用手拨动发电机的扇叶，灯塔被点亮，是人手的机械能转化为灯塔的电能，这个转化过程是通过电磁作用完成的。学生了解了能量转化的过程，从能源的来源方式，也明确了风力发电是清洁能源，进一步提高学生环境保护的意识和行为。

6    小  结

STSE理念是为了更好地促进学生的全面发展。在物理教学上，以STSE理念为指导，不仅可以使教学设计变得生动有趣，还可以提高学生的综合素养。在中学物理教学中可以将教学内容与实际生活的技术、社会、环境方面的成果联系起来，用科技成果激发学生的好奇心，提高学生的积极性[7]。本教具具有以下特色：

（1）联系生活，应用科学。利用风力发电站模型拓展能源与电磁学等知识的应用，加强学生对STSE的关注，让学生认识到能源的重要性，培养学生可持续发展的意识。

（2）运用激光切割、单片机编程等技术制作，展现现代科学技术的魅力。用单片机程序读取电压，控制电灯的点亮，能直观地观察电压的大小，帮助学生猜想影响电压大小的因素，从物理知识的角度去思考问题。运用新型技术，落实STSE教育观念下的交叉学科的范式，使学生将自然科学与社会科学结合，促进学生的全面发展。

（3）教具展示的现象美观，趣味性强。直观的风力发电的物理现象，激发了学生的直观兴趣、关注兴趣以及应用兴趣，让学生将概括的物理知识与日常生活建立联系，甚至应用物理知识解决实际问题，提高学以致用的能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]郭玉英.从三维课程目标到物理核心素养[J].物理教学，2017，39（11）：2-4，8.

[3]陆真，沈婷，钱海滨. 从点缀到主角——新世纪科学教育中STSE的课程形式与功能演进[J].课程·教材·教法，2009，29（3）：52-56，65.

[4]陆红娟.用自制教具助力物理教学[J].物理教学探讨，2012，30（7）：14-15.

[5]黄慧敏，程敏熙，赖才，等.自制太阳能与风能发电的新型能量转换演示仪[J].物理通报，2016（8）：82-86.

[6]刘兵.对物理新课标中STSE的理解之一例：关于能源与环境[J].物理教学探讨，2018，36（11）：1-2.

[7]張智博，田勇.基于STSE教育理念的中学物理教学应用研究[J].中学物理：初中版，2018（11）：7-9.

（栏目编辑    王柏庐）