摘? ?要：高中階段的項(xiàng)目學(xué)習(xí)可以分為三類：常態(tài)課堂微項(xiàng)目學(xué)習(xí)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)和科技類專題項(xiàng)目學(xué)習(xí)。文章著眼于科技類專題項(xiàng)目學(xué)習(xí)的案例，以科技類專題項(xiàng)目學(xué)習(xí)為載體，從選題注重社會(huì)責(zé)任、設(shè)計(jì)指向高階思維、過(guò)程注重科學(xué)思維等方面，助力學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的生成。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目學(xué)習(xí)； 核心素養(yǎng)； 高風(fēng)速發(fā)電機(jī)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）3-0009-5

１? ? 項(xiàng)目學(xué)習(xí)及其分類

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出，為促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，課程學(xué)習(xí)中要倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)或整合學(xué)習(xí)等方法，促進(jìn)學(xué)生基于真實(shí)情境下學(xué)科和跨學(xué)科問(wèn)題解決能力的發(fā)展［１］。

筆者通過(guò)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目化教學(xué)具有不可替代的價(jià)值：傳統(tǒng)的教學(xué)模式固然能培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，掌握知識(shí)和技能，卻較難培養(yǎng)其科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。項(xiàng)目化教學(xué)不僅能培養(yǎng)這些能力，還能促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足［２］。

高中階段的項(xiàng)目學(xué)習(xí)大體可以分為三類：常態(tài)課堂微項(xiàng)目學(xué)習(xí)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)和科技類專題項(xiàng)目學(xué)習(xí)?？萍碱悓ｎ}項(xiàng)目學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng)，可利用教師學(xué)科特長(zhǎng)和學(xué)校特色進(jìn)行設(shè)計(jì)和安排，部分對(duì)科技創(chuàng)新興趣濃厚的學(xué)生參加。本文主要著眼于科技類專題項(xiàng)目學(xué)習(xí)的案例，以科技類專題項(xiàng)目學(xué)習(xí)為載體，從選題注重社會(huì)責(zé)任、設(shè)計(jì)指向高階思維、過(guò)程注重科學(xué)思維等方面，助力學(xué)生形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)?？萍碱悓ｎ}項(xiàng)目活動(dòng)模式流程一般是：確定主題、提出猜想、設(shè)計(jì)方案、獲取數(shù)據(jù)、推理分析、改進(jìn)方案、合理解釋、得出結(jié)論。

２? ? “設(shè)計(jì)高風(fēng)速發(fā)電機(jī)”項(xiàng)目學(xué)習(xí)

筆者和學(xué)生共同投入一年半之久，研究“設(shè)計(jì)高風(fēng)速發(fā)電機(jī)”項(xiàng)目。下面以這個(gè)項(xiàng)目為例，說(shuō)明在開(kāi)展科技類專題項(xiàng)目學(xué)習(xí)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的方法。

２．１? ? 項(xiàng)目選題注重社會(huì)責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感［３］。

選擇科技類項(xiàng)目課題時(shí)，要注重課題本身育人的意義。比如，確定“設(shè)計(jì)高風(fēng)速發(fā)電機(jī)”這個(gè)項(xiàng)目源于學(xué)校一直堅(jiān)持參加的省科技創(chuàng)新活動(dòng)，也是全國(guó)青少年科技類某項(xiàng)賽事的賽題。為什么要設(shè)計(jì)高風(fēng)速發(fā)電機(jī)？一是我國(guó)沙漠、草原、海域等地區(qū)的風(fēng)力資源極為豐富，但是這些地區(qū)卻因風(fēng)速過(guò)大等原因，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能正常工作。二是柴油發(fā)電不僅運(yùn)輸成本高，而且還污染環(huán)境，能源浪費(fèi)相對(duì)嚴(yán)重，這的確是國(guó)家乃至人類的一大憾事。該項(xiàng)目涉及電路、電能、發(fā)電、變電、輸電等方面的物理知識(shí)，也涉及３Ｄ打印、地理氣候等知識(shí)，屬于基于生產(chǎn)生活應(yīng)用的工程類跨學(xué)科綜合性問(wèn)題，能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)、體會(huì)社會(huì)責(zé)任。

２．２? ? 課題設(shè)計(jì)指向高階思維

高階思維的典型表現(xiàn)是能創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，并顯性體現(xiàn)解決問(wèn)題的創(chuàng)新方法。在“設(shè)計(jì)高風(fēng)速發(fā)電機(jī)”項(xiàng)目中，教師提出了如下問(wèn)題以引發(fā)高階思維：國(guó)內(nèi)、國(guó)外現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在南極高風(fēng)速下為什么不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)？如何設(shè)計(jì)能在高風(fēng)速環(huán)境下有效利用風(fēng)能的裝置？南極惡劣的天氣環(huán)境主要原因在于風(fēng)速大的同時(shí)夾雜著高速運(yùn)動(dòng)的砂石、雪粒，如何減少或避免砂石、雪粒等與風(fēng)力發(fā)電裝置的扇葉直接撞擊呢？

項(xiàng)目學(xué)習(xí)小組查閱資料后發(fā)現(xiàn)，原來(lái)風(fēng)力發(fā)電裝置基本是由一根中軸加多片扇葉組成，當(dāng)前國(guó)際上風(fēng)力發(fā)電機(jī)最多能在不高于１０級(jí)的風(fēng)速下正常工作，風(fēng)速過(guò)大則發(fā)電機(jī)無(wú)法正常工作；當(dāng)較大的砂石、雪粒吹打在扇葉的迎風(fēng)面上時(shí)，會(huì)造成扇葉的損傷；雪粒高速擊打產(chǎn)生破碎的冰末粘附在扇葉上，堆積凍結(jié)后扇葉會(huì)發(fā)生形變且旋轉(zhuǎn)效率降低；如果扇葉受力不均，還可能導(dǎo)致扇葉無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng)。以上情況會(huì)大大降低扇葉的發(fā)電效率以及壽命。

這是一項(xiàng)全新的任務(wù)，目的在于挑戰(zhàn)青少年的認(rèn)知框架，能根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出獨(dú)具特點(diǎn)的高風(fēng)速發(fā)電機(jī)。設(shè)計(jì)關(guān)鍵：一是設(shè)計(jì)具有在惡劣環(huán)境下減少風(fēng)力發(fā)電裝置損傷的結(jié)構(gòu)，二是設(shè)計(jì)增加風(fēng)能利用率的部分。學(xué)生想到在風(fēng)扇外面制造一個(gè)大空腔，利用大空腔使大風(fēng)中的顆粒物沉降以保護(hù)風(fēng)扇。但進(jìn)一步考慮外面加空腔后，空腔內(nèi)空氣流速是否會(huì)有影響，從而影響發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率呢？由此學(xué)生的高階思維活動(dòng)就開(kāi)始了。

２．３? ? 研究過(guò)程注重科學(xué)思維

項(xiàng)目的研究過(guò)程最能體現(xiàn)也最能培養(yǎng)科學(xué)思維?？萍碱愴?xiàng)目過(guò)程要注重從物理學(xué)視角對(duì)事物的規(guī)律進(jìn)行本質(zhì)分析，基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型，充分進(jìn)行分析綜合和推理論證，在創(chuàng)造性地解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而提升其物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

２．３．１? ? 初步實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)論證推理

前面失敗的想法讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到利用氣壓差來(lái)發(fā)電可能是一個(gè)很好的突破口。此時(shí)課題進(jìn)入實(shí)質(zhì)性探究和分析綜合階段。這需要解決一系列的問(wèn)題：怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案？空腔怎么得到？豎直管道用什么材料？初步實(shí)驗(yàn)怎么進(jìn)行？

學(xué)生嘗試先用塑料瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將空腔中開(kāi)一個(gè)豎直管道，分析是否能發(fā)電。他們認(rèn)為，根據(jù)伯努利原理，空腔上部空氣流速大，內(nèi)部管道空氣流速小，從而產(chǎn)生了上下空氣的壓強(qiáng)差，空氣就會(huì)順著豎直管道上升。他們將兩個(gè)塑料瓶去掉底部之后粘接在一起，制成空腔的形狀；在第一步制成的空腔中部開(kāi)一個(gè)小口，并粘上輕小紙片；固定好上述裝置，利用風(fēng)扇制造出穩(wěn)定的風(fēng)；觀察紙片的變化，如圖1所示。

從（１）—（６）式可以得到，ｖ１越大，θ也越大，兩者成正相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明瓶子內(nèi)外的壓強(qiáng)差存在，利用流體速度的不同所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差發(fā)電是有可能的。

通過(guò)綜合論證、公式推理，得到利用壓強(qiáng)差進(jìn)行發(fā)電是有可能的。而氣流中所攜帶的固體顆粒物因?yàn)樽陨碇亓σ约皯T性作用無(wú)法隨上升氣流進(jìn)入豎直管道，將隨著水平管道的氣流一起排出裝置或掉落裝置底部。這使減少及避免顆粒物與風(fēng)力發(fā)電裝置的扇葉正面撞擊的問(wèn)題有了解決辦法，從而使高風(fēng)速中風(fēng)能的利用有了可能。

２．３．２? ? 利用跨學(xué)科融合進(jìn)行二次設(shè)計(jì)

有了初步設(shè)想，需要進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)研究，怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置利用氣壓差進(jìn)行發(fā)電？學(xué)生提出，為了提高發(fā)電的效率，應(yīng)并排多設(shè)置幾個(gè)豎直風(fēng)道?？紤]到理論上說(shuō)多個(gè)風(fēng)道在一定程度上能夠提高風(fēng)能利用率，但在本質(zhì)上卻沒(méi)有作出重大改變，關(guān)鍵還是要加大空腔上下部空氣的壓強(qiáng)差從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。進(jìn)一步考慮將底部的風(fēng)洞合并在一起成為一個(gè)風(fēng)洞，并且盡量將空腔做大。為了做出真實(shí)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自學(xué)了３Ｄ打印技術(shù)，看著頭腦中的設(shè)想從紙面走到眼前。動(dòng)手制作實(shí)物模型的過(guò)程是一個(gè)創(chuàng)新與完善的過(guò)程，學(xué)生自主學(xué)習(xí)３Ｄ打印這項(xiàng)跨學(xué)科技術(shù)以后，許多改進(jìn)措施都可在電腦原有的三維模型基礎(chǔ)上直接修改，模型有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，能很好地把控模型的比例關(guān)系，也讓他們意識(shí)到技術(shù)的實(shí)用性。

２．３．３? ? 三次設(shè)計(jì)助推科學(xué)探究

第二次設(shè)計(jì)的３Ｄ打印模型安裝成小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)后，根本無(wú)法正常發(fā)電，實(shí)驗(yàn)失敗。失敗的原因有兩種可能性：一是這種方式根本就不可能推動(dòng)發(fā)電機(jī)的扇葉；二是裝置雖然能產(chǎn)生壓強(qiáng)差，但這個(gè)壓強(qiáng)差過(guò)小，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扇葉轉(zhuǎn)不起來(lái)。學(xué)生決心不輕易否定設(shè)想，多做幾次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行嘗試。比如，把空腔再做得大一點(diǎn)；根據(jù)流體力學(xué)的原理，嘗試設(shè)計(jì)成飛機(jī)外形一樣的流線型；考慮到風(fēng)力發(fā)電靠的是自然風(fēng)，而自然風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向會(huì)隨時(shí)變化，學(xué)生還設(shè)計(jì)了一個(gè)靈活又牢固的底座，腔體的形狀設(shè)計(jì)成水滴狀，一頭大一頭小，這樣腔體可以隨風(fēng)向而改變朝向。發(fā)電裝置安裝在腔壁的四周，具體的部位通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不斷嘗試和調(diào)整。

學(xué)生設(shè)計(jì)出如圖２所示的會(huì)隨風(fēng)向而改變朝向的發(fā)電裝置。在腔體沿中軸線一周設(shè)置多個(gè)垂直通風(fēng)管道，發(fā)電裝置能一直保持迎風(fēng)的方向，進(jìn)一步提高了發(fā)電的效率。學(xué)生第三次設(shè)計(jì)獲得了回報(bào)，３Ｄ打印的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)電表發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。在制作出第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)體后（體積約為０．６ ｍ３），學(xué)生又做了兩處改動(dòng)：一是在空腔的中后部添加了一個(gè)導(dǎo)風(fēng)板，在其下部制作開(kāi)口，使裝置在提高風(fēng)能利用率的同時(shí)能使顆粒物正常排出；二是在裝置的尾部加裝尾翼，使裝置能始終準(zhǔn)確地朝著迎風(fēng)的方向。電表偏轉(zhuǎn)幅度越來(lái)越大，在進(jìn)行各種嘗試后，實(shí)驗(yàn)裝置也不斷改進(jìn)。

２．４? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程真實(shí)細(xì)致

實(shí)驗(yàn)裝置：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室、垂直風(fēng)壓發(fā)電裝置實(shí)體模型、風(fēng)速儀、電壓表、電流表、導(dǎo)線、固定裝置等。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（１）安裝設(shè)備，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)牢牢固定在風(fēng)洞環(huán)境中。

（２）將風(fēng)速開(kāi)到一級(jí)風(fēng)，測(cè)量裝置前入風(fēng)口、尾部出風(fēng)口、周圍各個(gè)風(fēng)扇出風(fēng)口以及上部弧形結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)速，同時(shí)記錄控制室內(nèi)所測(cè)得的電表讀數(shù)。

（３）將風(fēng)速逐級(jí)調(diào)整，再次測(cè)量裝置前入風(fēng)口、尾部出風(fēng)口、周圍各個(gè)風(fēng)扇出風(fēng)口以及裝置上部弧形結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)速，同時(shí)記錄電表讀數(shù)。

（４）將實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入電腦，制作表格，繪制圖表（ｖ－ｔ圖像）。

（５）綜合數(shù)據(jù)，建立物理模型并驗(yàn)證準(zhǔn)確性。

（６）進(jìn)行檢驗(yàn)，得出結(jié)論。

２．５? ? 獲取數(shù)據(jù)科學(xué)分析

這個(gè)過(guò)程要利用裝置不同部位的風(fēng)速并進(jìn)行效率計(jì)算，研究發(fā)電機(jī)模型的實(shí)際發(fā)電效率。測(cè)得裝置上部的風(fēng)速約為２．５ ｍ/ｓ，裝置豎直管道內(nèi)的風(fēng)速約為２．０ ｍ/ｓ，裝置尾部出風(fēng)口的風(fēng)速約為１．２ ｍ/ｓ。

2.5.1? ? 關(guān)于垂直風(fēng)壓發(fā)電裝置的功率及效率計(jì)算

2.5.2? ? 關(guān)于（１0）式中空氣能量損耗的計(jì)算

在計(jì)算空氣能量損耗時(shí)，有一個(gè)重要的無(wú)量綱數(shù)——雷諾數(shù)，雷諾數(shù)是流體慣性力與黏性力比值的量度，當(dāng)雷諾數(shù)較小（小于２ ３２０）時(shí)，黏性力對(duì)流場(chǎng)的影響大于慣性力，流場(chǎng)中流速的擾動(dòng)會(huì)因黏性力而衰減，流體流動(dòng)穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大（大于４ ０００）時(shí)，慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響大于黏性力，流體流動(dòng)較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強(qiáng)，形成紊亂、不規(guī)則的紊流流場(chǎng)，為湍流。

雷諾數(shù)計(jì)算公式為Ｒｅ＝Ｄｖρ/μ（其中，開(kāi)口管道直徑D＝０．３ ｍ，ｖ為風(fēng)速，空氣密度ρ＝１．２９ ｋｇ/ｍ３，

２．６? ? 數(shù)據(jù)記錄可靠有效

表1為本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄表，“未及測(cè)”是由于扇葉使用的是塑料扇葉，比較脆弱，其中一個(gè)風(fēng)扇葉出現(xiàn)即將斷裂的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)被迫中斷。

２．７? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由數(shù)據(jù)得出，本裝置在大風(fēng)環(huán)境中的風(fēng)能利用率較高，實(shí)際情況若安裝多根管道，考慮額外損耗后，發(fā)電效率估計(jì)可在３０％到４０％之間。

３? ? 項(xiàng)目反思

本次項(xiàng)目學(xué)習(xí)的成果參加全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)，該項(xiàng)目研究對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)影響很大。筆者是學(xué)生第一指導(dǎo)老師，同時(shí)還有多位其他指導(dǎo)老師，比如輔導(dǎo)他們３Ｄ技術(shù)的信息老師、制作發(fā)電機(jī)實(shí)體的通用技術(shù)老師、指導(dǎo)風(fēng)能發(fā)電建模計(jì)算的浙江大學(xué)能源學(xué)院教授和指導(dǎo)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的老師等。學(xué)生從課題興趣起始到一步步深入研究，在獲得全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)之后，他們繼續(xù)發(fā)現(xiàn)在裝置的入口需要做入口段效應(yīng)的計(jì)算和測(cè)試，并且在入口段應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)的引流裝置（如同一個(gè)喇叭口），讓風(fēng)能更好地加以利用。雖然最后學(xué)生們感覺(jué)用他們一生的努力可能也無(wú)法窮盡對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究，但少年的興趣逐漸轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)久的人生志趣，如一個(gè)學(xué)生在高考填報(bào)高校志愿時(shí)最終選擇了自己喜愛(ài)的飛行器專業(yè)，繼續(xù)與風(fēng)洞打交道。盡管該裝置在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)風(fēng)速未達(dá)大風(fēng)級(jí)別，但風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)使我們的裝置離實(shí)際發(fā)電裝置更近一步，也讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和真實(shí)性，理解什么是“學(xué)以致用”“學(xué)無(wú)止境”。

科技類項(xiàng)目學(xué)習(xí)追求在真實(shí)情境下的探索，教師帶著學(xué)生開(kāi)展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，這對(duì)于教師的知識(shí)邊界是巨大的挑戰(zhàn)，但也是教師不斷學(xué)習(xí)、不斷創(chuàng)新提升專業(yè)的好途徑。

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［3］林定夷.科學(xué)的進(jìn)步與科學(xué)目標(biāo)：科學(xué)認(rèn)識(shí)論與方法論之探究［M］.杭州：浙江人民出版社，1990：148.

［4］王賢，金祺然，白小珍，等.基于垂直變向的風(fēng)力發(fā)電裝置［J］.中國(guó)科技教育，2019（6）：24-25.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：２０２２－11－22

作者簡(jiǎn)介：白小珍（１９７４－），女，中學(xué)高級(jí)教師，主要研究方向?yàn)橹袑W(xué)物理教學(xué)。