STSE視角下自制趣味風(fēng)力發(fā)電站

黃琪莉 吳先球

摘? 要：利用激光切割、單片機(jī)編程等技術(shù)，自制了風(fēng)力發(fā)電站模型，以提高物理課堂的趣味性，加強(qiáng)學(xué)生對物理知識的應(yīng)用能力。促進(jìn)學(xué)生了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，了解能源對人類生活和社會發(fā)展的影響，關(guān)注科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：STSE理念;風(fēng)力發(fā)電;能源;電磁感應(yīng)

1 引? ?言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)維度，其中“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”要求學(xué)生認(rèn)識科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系，具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。課程改革的基本理念強(qiáng)調(diào)注重課程的時(shí)代性，關(guān)注科技進(jìn)步和社會發(fā)展需求[2]。能量觀念貫穿于高中物理學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)電磁場的知識時(shí)也離不開能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。目前，大多數(shù)教學(xué)以習(xí)題和查閱資料的形式進(jìn)行鞏固，缺乏趣味性，學(xué)生也無法親身感受到物理知識在生活中。將STSE內(nèi)容引入教學(xué)中可以增加科學(xué)課程的趣味性，自制教具將抽象的科學(xué)概念、原理與實(shí)際生活中的具體事物聯(lián)系起來，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使學(xué)生學(xué)習(xí)和了解科學(xué)的用途，達(dá)到拓展視野的目的[3-4]。因此，筆者基于STSE理念設(shè)計(jì)了一個(gè)“風(fēng)力發(fā)電站”模型，讓學(xué)生理解電磁學(xué)的相關(guān)知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且讓學(xué)生體會“物理來源于生活，又走向生活”的理念，領(lǐng)悟STSE之間的相互聯(lián)系。

2? ? 裝置簡介與基本原理

如圖1所示，外界風(fēng)力使發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，從而產(chǎn)生電流。將電流輸入到電壓能量塔中，點(diǎn)亮LED燈。通過改變外界風(fēng)力的大小，使得LED燈塔亮燈的層數(shù)發(fā)生變化，能夠直觀地觀察到風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電量大小。裝置實(shí)物圖如圖2所示。

3? ? 所需材料

2塊長40 cm、寬40 cm、厚0.4 cm的透明亞克力板，亞克力膠，8051單片機(jī)一塊，80 cm長的線陣貼片LED燈珠，1個(gè)高亮大功率LED燈珠，12 V直流發(fā)電馬達(dá)，導(dǎo)線若干。

4? ? 制作方法

4.1? ? 風(fēng)力發(fā)電站的制作

用Corel軟件先繪制需要激光切割的部件的尺寸和形狀，如圖3所示。設(shè)計(jì)發(fā)電站的底板規(guī)格為35 cm×20 cm，燈塔需要5塊28 cm×6 cm的長矩形。發(fā)電站小屋前后墻的規(guī)格為12 cm×9 cm，左右兩面墻則設(shè)計(jì)為三角形與矩形的組合圖形。其余的部分可以用于制作發(fā)電站底板的底角。將各個(gè)切好的板塊組合粘貼，將粘貼好的燈塔、發(fā)電小屋以及小發(fā)電機(jī)裝置安放在底板上，進(jìn)行合理布局。

4.2? ? 電壓顯示板的制作

將線陣貼片LED燈珠每3個(gè)剪開，均勻地將16條LED燈條貼在長矩形燈塔面上，每條LED燈用并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接在51單片機(jī)的串口。設(shè)計(jì)單片機(jī)程序讀取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流值，判斷當(dāng)電壓值超過0.1 V時(shí)，點(diǎn)亮LED。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，電壓每增加0.3 V，LED燈的個(gè)數(shù)增加一排[5]，顯示范圍為0～4.8 V。當(dāng)電壓超過4.8 V時(shí)，發(fā)電站小屋里面的LED燈珠被點(diǎn)亮，如圖4（a）所示。

5? ? 在物理教學(xué)中的應(yīng)用

電磁感應(yīng)的內(nèi)容與生產(chǎn)生活、科技進(jìn)步、社會發(fā)展密切相關(guān)，新課程標(biāo)準(zhǔn)也要求在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生了解發(fā)電機(jī)工作過程中的能量轉(zhuǎn)化，認(rèn)識電磁學(xué)在人類生活和社會發(fā)展中的作用，關(guān)注STSE的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

5.1? ? 法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用

進(jìn)行“法拉第電磁感應(yīng)定律”教學(xué)時(shí)，可以用本裝置對知識點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用拓展。發(fā)電機(jī)的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，利用小風(fēng)扇或者風(fēng)筒模擬室外的風(fēng)速轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)。教師在展示時(shí)可用手定性地控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，不同轉(zhuǎn)速下燈塔的亮燈情況不同。教師啟發(fā)學(xué)生結(jié)合發(fā)電機(jī)的基本原理思考：為什么當(dāng)風(fēng)速改變或者改變小風(fēng)扇與發(fā)電機(jī)的距離，電壓燈塔上亮燈的層數(shù)就不一樣，如圖4所示。最后，讓學(xué)生結(jié)合本節(jié)課的知識去思考，如何能讓電壓能量燈塔的燈亮的更多，如何增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率。布置課后小組探究任務(wù)，讓學(xué)生查找資料討論，關(guān)注社會上用風(fēng)力發(fā)電的清潔能源的使用量有多少，為什么不能大面積推廣使用，如果要推廣使用，要借助什么樣的技術(shù)問題。通過風(fēng)力發(fā)電站的模型，啟發(fā)學(xué)生思考所學(xué)知識該如何應(yīng)用于生活中。提醒學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識時(shí)不忘關(guān)注社會能源與環(huán)境的熱點(diǎn)問題，激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)技術(shù)手段解決問題。STSE理念提倡不僅要關(guān)注當(dāng)前的社會、技術(shù)、環(huán)境的發(fā)展情況，還要關(guān)心未來的發(fā)展?fàn)顩r。

5.2? ? 交變電流的情境導(dǎo)入

學(xué)習(xí)交變電流前，教師可以使用本裝置創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。裝置中的LED燈珠具有單向?qū)ㄐ缘奶攸c(diǎn)，因此教師將電機(jī)往順時(shí)針和逆時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，學(xué)生會觀察到一個(gè)方向能夠點(diǎn)亮燈珠，一個(gè)方向則燈珠不亮。教師以不同速度撥動(dòng)發(fā)電機(jī)，燈塔上亮燈數(shù)目變化，說明電流的大小和方向可以發(fā)生改變，不一定是恒定的。通過對發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析，教師引出交變電流的概念：強(qiáng)弱和方向都隨時(shí)間周期性變化的電流叫做交變電流，從而引出本節(jié)課的課題。

5.3? ? 滲透能量轉(zhuǎn)化觀念與可持續(xù)發(fā)展教育

能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在高中物理學(xué)習(xí)中起著至關(guān)重要的作用。新課程標(biāo)準(zhǔn)中明確提出要了解水能、風(fēng)能、太陽能和核能的方式，知道不同形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化，通過了解能源的知識認(rèn)識環(huán)境污染的危害。因此，教師在教學(xué)中要滲透能量觀點(diǎn)，通過實(shí)例來培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注能源與環(huán)境的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的價(jià)值觀[6]。教師引導(dǎo)學(xué)生思考發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電過程存在幾種能量的轉(zhuǎn)化，是如何轉(zhuǎn)化的。實(shí)際上，用手撥動(dòng)發(fā)電機(jī)的扇葉，燈塔被點(diǎn)亮，是人手的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為燈塔的電能，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程是通過電磁作用完成的。學(xué)生了解了能量轉(zhuǎn)化的過程，從能源的來源方式，也明確了風(fēng)力發(fā)電是清潔能源，進(jìn)一步提高學(xué)生環(huán)境保護(hù)的意識和行為。

6? ? 小? 結(jié)

STSE理念是為了更好地促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。在物理教學(xué)上，以STSE理念為指導(dǎo)，不僅可以使教學(xué)設(shè)計(jì)變得生動(dòng)有趣，還可以提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。在中學(xué)物理教學(xué)中可以將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際生活的技術(shù)、社會、環(huán)境方面的成果聯(lián)系起來，用科技成果激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高學(xué)生的積極性[7]。本教具具有以下特色：

（1）聯(lián)系生活，應(yīng)用科學(xué)。利用風(fēng)力發(fā)電站模型拓展能源與電磁學(xué)等知識的應(yīng)用，加強(qiáng)學(xué)生對STSE的關(guān)注，讓學(xué)生認(rèn)識到能源的重要性，培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的意識。

（2）運(yùn)用激光切割、單片機(jī)編程等技術(shù)制作，展現(xiàn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的魅力。用單片機(jī)程序讀取電壓，控制電燈的點(diǎn)亮，能直觀地觀察電壓的大小，幫助學(xué)生猜想影響電壓大小的因素，從物理知識的角度去思考問題。運(yùn)用新型技術(shù)，落實(shí)STSE教育觀念下的交叉學(xué)科的范式，使學(xué)生將自然科學(xué)與社會科學(xué)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

（3）教具展示的現(xiàn)象美觀，趣味性強(qiáng)。直觀的風(fēng)力發(fā)電的物理現(xiàn)象，激發(fā)了學(xué)生的直觀興趣、關(guān)注興趣以及應(yīng)用興趣，讓學(xué)生將概括的物理知識與日常生活建立聯(lián)系，甚至應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題，提高學(xué)以致用的能力。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陸真，沈婷，錢海濱. 從點(diǎn)綴到主角——新世紀(jì)科學(xué)教育中STSE的課程形式與功能演進(jìn)[J].課程·教材·教法，2009，29（3）：52-56，65.

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[5]黃慧敏，程敏熙，賴才，等.自制太陽能與風(fēng)能發(fā)電的新型能量轉(zhuǎn)換演示儀[J].物理通報(bào)，2016（8）：82-86.

[6]劉兵.對物理新課標(biāo)中STSE的理解之一例：關(guān)于能源與環(huán)境[J].物理教學(xué)探討，2018，36（11）：1-2.

[7]張智博，田勇.基于STSE教育理念的中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)用研究[J].中學(xué)物理：初中版，2018（11）：7-9.

（欄目編輯? ? 王柏廬）