迷你風(fēng)力農(nóng)場與小風(fēng)車的制作

閔杰+朱玉潔+陳凱

摘 要 參考美國迷你風(fēng)車農(nóng)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(xué)科學(xué)課程的途徑。

關(guān)鍵詞 STEM；風(fēng)車農(nóng)場；可再生能源；實驗；小學(xué)科學(xué)

中圖分類號：G424.31 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識和技能支持，現(xiàn)實問題往往無法單憑STEM中的某一門學(xué)科知識來解決，而需要依靠多學(xué)科的協(xié)同。因此，STEM教育更加注重綜合運用多領(lǐng)域知識和方法解決現(xiàn)實問題的能力[1]，學(xué)生在應(yīng)用學(xué)到的數(shù)學(xué)和科學(xué)知識來應(yīng)對未來各種挑戰(zhàn)時，通過進行創(chuàng)造、設(shè)計、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作來解決問題[2]。

風(fēng)車農(nóng)場開發(fā)者背景 此次參考的國外STEM項目是“構(gòu)建一個微型風(fēng)車農(nóng)場——為非技術(shù)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(fēng)車農(nóng)場制作面向所有科學(xué)教師，為那些沒有太多技術(shù)學(xué)習(xí)背景的教師提供資源和幫助。在該項目中，教師指導(dǎo)學(xué)生制作一個迷你風(fēng)車農(nóng)場。風(fēng)車農(nóng)場項目對技術(shù)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(jīng)驗層次的學(xué)生接受。

風(fēng)車農(nóng)場與STEM 風(fēng)車農(nóng)場作涉及很多學(xué)科領(lǐng)域，與STEM理念融合處體現(xiàn)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(lǐng)和學(xué)生主動搜集工程等相關(guān)領(lǐng)域知識后重新定義問題、提出具體要求，讓學(xué)生從科學(xué)家或工程師的角度思考問題，根據(jù)具體要求設(shè)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(huán)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(fēng)力農(nóng)場”項目簡介

相關(guān)常識和背景 風(fēng)能是太陽能的一種，是清潔能源。風(fēng)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(huán)保、可再生等優(yōu)點，在生活中的使用越來越多，逐漸替代一部分傳統(tǒng)能源。

生活中的風(fēng)車一般由葉片、機艙和高塔三部分組成。通過利用風(fēng)吹動葉片帶動軸旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機在軸的帶動旋轉(zhuǎn)下發(fā)電，即將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的機械能，再將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，同時產(chǎn)生熱能。

許多商業(yè)或者大規(guī)模風(fēng)車的高塔都超過90米，大型風(fēng)車上的葉片一般長38～45米。這些葉片感覺轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。機艙通常安裝在高塔上，內(nèi)有增速箱、發(fā)電機、電控系統(tǒng)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(shè)置了停機坪。圖2顯示的是安裝在機艙里的發(fā)電機。

項目準(zhǔn)備 了解了生活中的風(fēng)車農(nóng)場的基本知識后，需要對其進行模仿，自己動手制作迷你風(fēng)車農(nóng)場，完成整個能源轉(zhuǎn)化的過程，加深學(xué)生對于風(fēng)力發(fā)電的理解。迷你風(fēng)車農(nóng)場由四個基礎(chǔ)的部分組成，分別為風(fēng)力發(fā)電機、導(dǎo)線、接線板和燈泡。

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

導(dǎo)線：生活中指電線，實驗中是用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(fēng)力發(fā)電機與其他裝置連接或斷開，也可以利用它增加風(fēng)力發(fā)電機和燈泡。

燈泡：生活中指家庭、工廠、企業(yè)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(nóng)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(fā)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(fēng)力發(fā)電機、接線板和燈泡。

1）風(fēng)力發(fā)電機。將不同規(guī)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(fā)電機（直流永磁發(fā)電機）上；在發(fā)電機的周圍綁上絕緣膠帶；將發(fā)電機放進彎頭管里固定，如果不牢固，可以綁些膠帶；將發(fā)電機與之前連接完成的高塔安裝在一起，將發(fā)電機的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線露出來；最終得到風(fēng)力發(fā)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(cè)，短端插入右側(cè)）；剝?nèi)グ咨c黑色導(dǎo)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(fēng)力發(fā)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(zhuǎn)螺旋槳，以防產(chǎn)生電流觸電。在制作過程中，學(xué)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(fēng)車建造的目的是供電，因此，將落地扇的開關(guān)打開，風(fēng)吹動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，如果LED燈亮，說明回路完成，風(fēng)力發(fā)電機為燈提供了電力，實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)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(yīng)用圍繞主題的多維度網(wǎng)絡(luò)資源（表2），有的提供數(shù)據(jù)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(dǎo)，有的提供專家權(quán)威觀點作為設(shè)計參考[3]。

項目評價 近年來，國內(nèi)STEM教育逐漸開始受到關(guān)注，但我國STEM教育畢竟起步較晚，還不成熟。風(fēng)車農(nóng)場項目介紹了詳細(xì)完整的實驗步驟和拓展領(lǐng)域，不僅整合多學(xué)科領(lǐng)域知識，而且拓展風(fēng)車農(nóng)場在實際生活中各方面的應(yīng)用，真正實現(xiàn)將科學(xué)知識融入生活實踐，為我國中小學(xué)科學(xué)教師研發(fā)STEM項目、整合教學(xué)設(shè)計提供了方法和資源。

3 與國內(nèi)科學(xué)教學(xué)的整合

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中應(yīng)用 蘇教版小學(xué)科學(xué)六年級下冊涉及“能量的轉(zhuǎn)化”一課的教學(xué)中，可將風(fēng)力農(nóng)場作為課堂實驗，讓學(xué)生深入了解能量轉(zhuǎn)化的過程。實驗不僅融入生活，而且鍛煉了學(xué)生的動手能力，實驗的直觀形象利于學(xué)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(xué)課六年級下冊“能源”一課的STEM課程?？梢砸阅茉炊倘睘楸尘?，讓學(xué)生分組建造一個風(fēng)車農(nóng)場，利用可再生能源解決問題。模型可以根據(jù)現(xiàn)實中的風(fēng)車大小同比縮小，目標(biāo)是達(dá)到規(guī)定的電流輸出。最終，教師可從風(fēng)車數(shù)量、線路連接、美觀程度、成本等方面對學(xué)生的作品進行評價。其中與STEM教育關(guān)聯(lián)最大的是從STEM中工程和數(shù)學(xué)的視角，讓學(xué)生思考怎樣設(shè)計組裝風(fēng)車葉片，能將可再生能源的利用率最大化，如探究風(fēng)車葉片形狀、長度、安裝角度對風(fēng)能的利用率。每個小組采用相同的實驗器材和同功率的發(fā)電機，僅改變?nèi)~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(fēng)能利用率（如表3所示）。

此外，蘇教版小學(xué)科學(xué)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(zhuǎn)水桶，水不灑落”的實驗思考（對中學(xué)物理知識的拓展）。這里還可以對風(fēng)車進行思考：為什么風(fēng)車會旋轉(zhuǎn)？它如何受力？可以讓學(xué)生課后用科學(xué)寫作的方式進行回答。

用科學(xué)讀寫作為項目的補充 國內(nèi)科學(xué)教育工作者在應(yīng)用國外STEM項目進行教學(xué)實踐時，可以融入科學(xué)語言的工具。一方面需要考慮國外課程體系與國內(nèi)的差異，所以有必要在項目開展前補充相關(guān)的學(xué)科知識或技術(shù)文本資料給學(xué)生閱讀自學(xué)，并提供針對性指導(dǎo)啟迪思維，提示學(xué)生如何分析閱讀材料的內(nèi)容或觀點，必要時先解析一些關(guān)鍵概念，刺激學(xué)生已有知識和新知的聯(lián)系[4]；另一方面提供科學(xué)寫作任務(wù)，請學(xué)生記錄STEM項目實施過程中的疑難問題、心得體會，表達(dá)自己對相關(guān)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(xué)生進行雙向溝通和交流的重要工具和平臺[5]，也是學(xué)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(xiàn)

[1]傅騫，劉鵬飛.從驗證到創(chuàng)造：中小學(xué)STEM教育應(yīng)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(xué)教育英文網(wǎng)絡(luò)資源分類例談[J].化學(xué)教育，2011，32（5）：47-52.

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

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