閔杰+朱玉潔+陳凱

摘 要 參考美國(guó)迷你風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目案例，對(duì)STEM項(xiàng)目及其開(kāi)展做簡(jiǎn)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(chǎng)；可再生能源；實(shí)驗(yàn)；小學(xué)科學(xué)

中圖分類號(hào)：G424.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：3

文章編號(hào)：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(xiàng)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(shí)和技能支持，現(xiàn)實(shí)問(wèn)題往往無(wú)法單憑STEM中的某一門學(xué)科知識(shí)來(lái)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(yùn)用多領(lǐng)域知識(shí)和方法解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)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(shí)來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)各種挑戰(zhàn)時(shí)，通過(guò)進(jìn)行創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作來(lái)解決問(wèn)題[2]。

風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)者背景 此次參考的國(guó)外STEM項(xiàng)目是“構(gòu)建一個(gè)微型風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)——為非技術(shù)型教師的操作手冊(cè)”（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?cè)?012年提出“Advancing the STEM Agenda：

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

迷你風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)制作面向所有科學(xué)教師，為那些沒(méi)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(xiàng)目中，教師指導(dǎo)學(xué)生制作一個(gè)迷你風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)。風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目對(duì)技術(shù)的要求不高，并且操作較簡(jiǎn)單、材料易得，所以容易被不同年齡、不同經(jīng)驗(yàn)層次的學(xué)生接受。

風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)與STEM 風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)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(wèn)題解決模型 STEM項(xiàng)目的過(guò)程常常以一個(gè)情景為背景提出問(wèn)題，在教師帶領(lǐng)和學(xué)生主動(dòng)搜集工程等相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)后重新定義問(wèn)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(wèn)題，根據(jù)具體要求設(shè)計(jì)、建造方案并加以測(cè)試，從而解決問(wèn)題。賽耶模型，即解決問(wèn)題的四步循環(huán)模型，通過(guò)重新定義問(wèn)題、具體要求、得出方案和測(cè)試方案四個(gè)步驟解決問(wèn)題，也是STEM項(xiàng)目中常見(jiàn)的方法（如圖1所示）。

2 “迷你風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)”項(xiàng)目簡(jiǎn)介

相關(guān)常識(shí)和背景 風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種，是清潔能源。風(fēng)是由于太陽(yáng)輻射而地球表面受熱不均勻，熱空氣上升則冷空氣進(jìn)入填補(bǔ)而形成的。因其較環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)，在生活中的使用越來(lái)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(jī)艙和高塔三部分組成。通過(guò)利用風(fēng)吹動(dòng)葉片帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)在軸的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)下發(fā)電，即將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，同時(shí)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(guò)90米，大型風(fēng)車上的葉片一般長(zhǎng)38～45米。這些葉片感覺(jué)轉(zhuǎn)得很慢，但其實(shí)葉片最外面的尖端是以240～320千米/時(shí)的速度在旋轉(zhuǎn)。機(jī)艙通常安裝在高塔上，內(nèi)有增速箱、發(fā)電機(jī)、電控系統(tǒng)等一系列重要的零部件，它們通過(guò)軸和齒輪與葉片相連。機(jī)艙的尺寸類似于一輛有軌電車，有些機(jī)艙上還為直升機(jī)專門設(shè)置了停機(jī)坪。圖2顯示的是安裝在機(jī)艙里的發(fā)電機(jī)。

項(xiàng)目準(zhǔn)備 了解了生活中的風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)的基本知識(shí)后，需要對(duì)其進(jìn)行模仿，自己動(dòng)手制作迷你風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)，完成整個(gè)能源轉(zhuǎn)化的過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的理解。迷你風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)由四個(gè)基礎(chǔ)的部分組成，分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、導(dǎo)線、接線板和燈泡。

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

導(dǎo)線：生活中指電線，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中使用的是接線板；接線板可以簡(jiǎn)單地將風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其他裝置連接或斷開(kāi)，也可以利用它增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)中選用LED燈。

材料清單（此為一個(gè)迷你農(nóng)場(chǎng)所需材料）：PVC管類（1根24號(hào)、6根6號(hào)、3根T形管、4根90°彎管），螺旋槳一個(gè)，直流永磁發(fā)電機(jī)一個(gè)，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(gè)，弓鋸小刀或剃刀一個(gè)，高速落地扇一個(gè)。

操作步驟 接下來(lái)將制作連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)、接線板和燈泡。

1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)。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(jī)（直流永磁發(fā)電機(jī)）上；在發(fā)電機(jī)的周圍綁上絕緣膠帶；將發(fā)電機(jī)放進(jìn)彎頭管里固定，如果不牢固，可以綁些膠帶；將發(fā)電機(jī)與之前連接完成的高塔安裝在一起，將發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線露出來(lái)；最終得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)成品。制作步驟圖示及最終成品見(jiàn)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(zhǎng)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(yáng)極）插入左邊，白線（陰極）插入右邊；在木板上安裝兩個(gè)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(jī)底端留的線與接線板連接起來(lái)（黑為陽(yáng)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(gè)接線板的兩根白線與黑線用螺母遮起來(lái)，防止觸摸漏電。

注意：在連接整個(gè)線路時(shí)不要手動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺旋槳，以防產(chǎn)生電流觸電。在制作過(guò)程中，學(xué)生要在教師、家長(zhǎng)的看護(hù)下安全使用危險(xiǎn)工具，如鋸刀。

3）測(cè)試。風(fēng)車建造的目的是供電，因此，將落地扇的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，風(fēng)吹動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，如果LED燈亮，說(shuō)明回路完成，風(fēng)力發(fā)電機(jī)為燈提供了電力，實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

拓展資料 完成一個(gè)STEM項(xiàng)目不要只限于有限的手冊(cè)資源，針對(duì)一個(gè)具體的項(xiàng)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(xiàng)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(diǎn)作為設(shè)計(jì)參考[3]。

項(xiàng)目評(píng)價(jià) 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)STEM教育逐漸開(kāi)始受到關(guān)注，但我國(guó)STEM教育畢竟起步較晚，還不成熟。風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目介紹了詳細(xì)完整的實(shí)驗(yàn)步驟和拓展領(lǐng)域，不僅整合多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，而且拓展風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)在實(shí)際生活中各方面的應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)將科學(xué)知識(shí)融入生活實(shí)踐，為我國(guó)中小學(xué)科學(xué)教師研發(fā)STEM項(xiàng)目、整合教學(xué)設(shè)計(jì)提供了方法和資源。

3 與國(guó)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(jí)下冊(cè)涉及“能量的轉(zhuǎn)化”一課的教學(xué)中，可將風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)作為課堂實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生深入了解能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)不僅融入生活，而且鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)的直觀形象利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和鞏固。

另外，此實(shí)驗(yàn)可作為蘇教版小科學(xué)課六年級(jí)下冊(cè)“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(gè)風(fēng)車農(nóng)場(chǎng)，利用可再生能源解決問(wèn)題。模型可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)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(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(jì)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(zhǎng)度、安裝角度對(duì)風(fēng)能的利用率。每個(gè)小組采用相同的實(shí)驗(yàn)器材和同功率的發(fā)電機(jī)，僅改變?nèi)~片進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)；在原本燈泡安裝處放置電流表測(cè)電流，以電流大小來(lái)測(cè)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(jí)下冊(cè)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(shí)驗(yàn)思考（對(duì)中學(xué)物理知識(shí)的拓展）。這里還可以對(duì)風(fēng)車進(jìn)行思考：為什么風(fēng)車會(huì)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(jìn)行回答。

用科學(xué)讀寫作為項(xiàng)目的補(bǔ)充 國(guó)內(nèi)科學(xué)教育工作者在應(yīng)用國(guó)外STEM項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐時(shí)，可以融入科學(xué)語(yǔ)言的工具。一方面需要考慮國(guó)外課程體系與國(guó)內(nèi)的差異，所以有必要在項(xiàng)目開(kāi)展前補(bǔ)充相關(guān)的學(xué)科知識(shí)或技術(shù)文本資料給學(xué)生閱讀自學(xué)，并提供針對(duì)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(diǎn)，必要時(shí)先解析一些關(guān)鍵概念，刺激學(xué)生已有知識(shí)和新知的聯(lián)系[4]；另一方面提供科學(xué)寫作任務(wù)，請(qǐng)學(xué)生記錄STEM項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的疑難問(wèn)題、心得體會(huì)，表達(dá)自己對(duì)相關(guān)社會(huì)問(wèn)題、科技問(wèn)題的思考，以期對(duì)STEM的理解更深入。同時(shí)，STEM中的寫作既是教師與學(xué)生進(jìn)行雙向溝通和交流的重要工具和平臺(tái)[5]，也是學(xué)生之間開(kāi)展合作的溝通工具和研究軌跡的記錄工具。

參考文獻(xiàn)

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[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(duì)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(guó)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