“華夏杯”論壇 || 好風憑巧力——風力發電機主題科普實踐

作者

徐可頤　唐照雄　許豪杰

（黃岡師范學院物理與電信學院）

摘要：本研究基于STSE構建物理科普實踐“好風憑巧力”，選擇風力發電機科普主題，沿著“風能—機械能—電能”能量轉換思路，階梯式設計風洞實驗模型、變速滑輪組模型和簡易發電模型，展示了風力發電機的工作原理，為在清潔能源與可持續發展大背景下，提升青少年科學素養提供鮮活的實踐案例。

關鍵詞：STSE教育　風力發電機　科普實踐

科普實踐思路

當代科學技術已深度融入社會生活，提升青少年科學素養已成為當下物理教育改革的核心命題。《義務教育物理課程標準（2022年版）》中明確要求“引領學生認識科學（Science）、技術（Technology）、社會（Social）、環境（Environment）之間的關系” [1] 。因此，立足于STSE教育理念，本科普實踐綜合選擇人教版《物理》（全一冊）第二十章“能源清潔與可持續發展”中的風能知識模塊，以風力發電機為關鍵錨點，設計科普教育方案。該設計路線既契合新課標的知識目標，又能有效融合學科知識與現實應用場景，為青少年建立完整的能源保護體系提供科普實踐思路。

《義務教育物理課程標準（2022年版）》著重提出“生活走向物理，從物理走向社會”的理念，強調在教學中要加強物理與“生產生活、社會發展及科技進步的聯系，凸顯我國科技成就，引導學生增強文化自信，樹立科技強國的遠大理想”。然而，在傳統的物理實驗教學過程中，受限于教學設備與條件，實驗往往難以與生活實際和社會生產緊密結合，這直接影響了學生知識應用能力的培養。因此，在教育教學過程中，務必精準把握知識傳授與能力培養相融合的根本法則。本科普實踐巧妙利用日常生活中的普遍現象，點燃學生的學習熱情與探知欲望，在借助生動實例傳授專業知識的同時，也鍛煉了學生的邏輯思考能力。汲取生活中的素材，更能觸動學生的心靈，從而引發他們的學習動力。創意源自生活，教師可以指導學生動手制作相關裝置，以此增強學生的實驗操作技能。例如，利用簡單材料制作一個小型風力發電裝置，讓學生親自感受風能的轉化和利用過程。

義務教育是全面發展的教育，在傳授知識的同時也要注意思想品德的發展與培養，要體現知識的科學性與思想性，本科普實踐的知識講解過程要與當代中國現代生產相結合，通過闡述我國在風力發電領域取得的巨大成就，強調我國作為“世界能源生產第一大國”的擔當與責任，培養全球視野下的公民責任感。通過真實成就案例，實現價值觀塑造、能力培養與未來導向的多維教育目標。

基于青少年的心理認知發展特征與STSE教育理念的要求，本科普實踐搭建了“歷史情境—技術實踐—批評反思”的三維框架。首先以風力發電機技術史為時間軸，創設歷史情境吸引青少年注意力，從而激發學習求知欲。其次構想風洞科普模型、行星變速齒輪模型與簡易發電裝置，將枯燥的物理知識轉化為實驗操作，并有機融入科普活動中，使學生了解風力發電機運行原理，豐富科學知識。最后，通過課本知識點，探討課本知識在實際應用中的局限性，揭示理論與實際的不同，拓展科學批判思維。

科普實踐成果

在教師的悉心指導下，實踐小組不斷優化核心風洞流體攻角模型，以及科普講解思路，最終完成了2項核心科普實踐成果。

攻角可調式風洞模型開發

模型主體器材由透明亞克力箱組成（見圖1），左側配置煙霧發生器與蜂窩狀整流板，煙霧形成后，穿過整流板后能轉化為較有序的氣流，以保證層流的穩定性；右側由2個風扇與變壓器組成氣流控制系統，通過改變電壓大小，實現氣流速度的調整。當煙霧穿過翼型模擬葉片時，能清楚地展現伯努利原理，上方氣流經過的路程長，流速快；下方氣流經過的路程短，流速慢，因此在葉片的上下表面能形成壓強差。經過反復實驗測試，最終得出：左側發煙器連接7.5?v電壓，風扇連接220?v電壓時，流體可視化效果最佳。

圖1

為了更加清晰地展示不同攻角給風力發電機帶來的影響，我們改進了實驗裝置（見圖2）。

圖2

在亞克力箱側壁的適當高度上鉆出小孔，將螺絲刀插入泡沫葉片中，通過機械式角度調整裝置，確保攻角大小可調。當逐漸增大攻角時，葉片上方的氣流不再有序，而呈現出雜亂的狀態，由層流轉變為湍流，因此產生的升力也會改變（見圖3）。

圖3

基于STSE模式的科普架構設計

首先通過風力發電機歷史發展線，比較垂直軸與水平軸風力發電機的優缺點，闡釋水平軸機型在穩定性方面的技術優勢，引出本次科普主要對象——水平軸風力發電機。其次利用圖片模型具象化呈現風機四大核心組件（翼型葉片、變速箱、發電機、塔架），闡述為了提高發電機的輸出功率，在演變趨勢上呈現體積大型化、地點沿海化等發展特點 [2] 。接著使用風洞可視化實驗與多媒體技術手段（見圖4）揭示葉片形狀為翼型的機理，并對葉片長度、寬窄的要求進行進一步講解；進一步講解葉片的攻角，利用仿真模擬文獻數據繪制表格展示攻角與升力、阻力系數關系圖，引出貝茨理論下風能轉化為機械能最大效率為59.3%。

圖4

設置探究性問題：“仔細觀察不難發現，真實生活中風力發電機葉片旋轉的速度很慢，這種低速旋轉也能產生有效的電力輸出嗎？”進而引出齒輪組增速模型，即大齒輪與小齒輪鏈接，當大齒輪轉1圈時，小齒輪可以旋轉很多圈，因此能提高發電效率。借助不同齒輪組的組裝配合，直觀解釋發電機提高電力輸出效率的基本原理。

在指導教師的幫助下，我們通過模擬實驗演示可觀察到：當葉片轉速過快時，小齒輪會產生偏心振動現象，危害風力發電機的正常運轉。該現象不利于風力發電機正常運作，因此工業上常用行星齒輪變速箱結構，以保證電機的正常工作（見圖5）。

圖5

最后回到物理課本，讓學生熟悉電磁感應相關知識（通常是提供磁場裝置的永磁鐵充當定子，轉子為閉合導線），并進一步引發思考：“在真實場景中，發電機又是如何設計的？”繼續解釋發電機使用過程中，永磁鐵會隨著時間的流逝慢慢退磁，因此常常選擇電磁鐵，通過改變電流的大小進一步控制磁場，進而提高發電機的輸出功率。最后以小型發電裝置（見圖6）展示機械能與電能轉換的完整演示。

圖6

本科普實踐涉及的演示教具具有以下特點：

直觀性強在教具設計上，充分分析義務教育物理課程標準要求，由淺入深、由繁到簡，充分利用學生既有的知識經驗，遵循基本教育規律，循序漸進，適當引導。本實驗開發了攻角可調式風洞模型，通過流體的可視化效果不僅能讓學生直觀理解伯努利原理，還引入了流體力學的一些概念，拓展學生的科學素養，促進學生理解風力發電的基本流程和原理，形成完整的科學思維。

性價比高在組裝教學器材時要充分考量時間和經濟兩方面的投入。本實驗器材選材來源于日常生活[3]，即便對于學生而言，在教師的指導下也能輕松復制出本實驗所需器材。其經濟和時間成本均較為低廉，而器材的演示成效卻頗為理想。

有一定靈活性教師可根據教學內容自行選擇教具，在實際教學過程中，本實驗中的齒輪組可進行拆卸再組裝；通過對攻角可調式風洞模型的演示，教師可以用其講解風力發電的基本原理，解釋?飛機升力?、?船吸現象等日常生活中的常見現象。

與傳統教學方法對比，本案例的物理教具使物理現象更加具體化，同時通過引入生活中的實際案例，實現了從生活走向物理、從物理走向社會的課程理念，讓學生體會到物理學可以實實在在改變人們的生活，不同的物理學知識聯合起來可以產生巨大的能量。此外，科普實踐構思也是技術創新優化的過程，本案例經過第九屆“華夏杯”的參賽經歷，不斷反復打磨，最終形成此“好風憑巧力”科普實踐作品。希望通過本科普實踐設計，給讀者帶來啟發，共同在繁榮科普文化之路上繼續努力。

（本文得到蘭智高、秦河林老師的指導）

基金項目：湖北省高校省級教學研究項目“基于OBE教育理念的物理學專業人才培養模式研究與實踐”（項目編號：2021444）；湖北省高校一流專業建設點——物理學（鄂教高廳函【2021】7號）項目支持。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．義務教育物理課程標準（2022年版）[M]．北京：北京師范大學出版社，2022．04．

[2] Yaramasu V, Wu B, Sen P C, et al. High-Power Wind Energy Conversion Systems: State-of-the-Art and Emerging Technologies[J]. Proceedings of the IEEE, 2015(103-5). DOI:10.1109/JPROC.2014.2378692.

[3] 鄒新政．基于核心素養的高中物理自制教具應用研究[D]．西南大學，2020．DOI:10.27684/d.cnki.gxndx.2020.001349．

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來源 | 《中國科技教育》2025-10

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安