“华夏杯”论坛 || 好风凭巧力——风力发电机主题科普实践

作者

徐可颐　唐照雄　许豪杰

（黄冈师范学院物理与电信学院）

摘要：本研究基于STSE构建物理科普实践“好风凭巧力”，选择风力发电机科普主题，沿着“风能—机械能—电能”能量转换思路，阶梯式设计风洞实验模型、变速滑轮组模型和简易发电模型，展示了风力发电机的工作原理，为在清洁能源与可持续发展大背景下，提升青少年科学素养提供鲜活的实践案例。

关键词：STSE教育　风力发电机　科普实践

科普实践思路

当代科学技术已深度融入社会生活，提升青少年科学素养已成为当下物理教育改革的核心命题。《义务教育物理课程标准（2022年版）》中明确要求“引领学生认识科学（Science）、技术（Technology）、社会（Social）、环境（Environment）之间的关系” [1] 。因此，立足于STSE教育理念，本科普实践综合选择人教版《物理》（全一册）第二十章“能源清洁与可持续发展”中的风能知识模块，以风力发电机为关键锚点，设计科普教育方案。该设计路线既契合新课标的知识目标，又能有效融合学科知识与现实应用场景，为青少年建立完整的能源保护体系提供科普实践思路。

《义务教育物理课程标准（2022年版）》着重提出“生活走向物理，从物理走向社会”的理念，强调在教学中要加强物理与“生产生活、社会发展及科技进步的联系，凸显我国科技成就，引导学生增强文化自信，树立科技强国的远大理想”。然而，在传统的物理实验教学过程中，受限于教学设备与条件，实验往往难以与生活实际和社会生产紧密结合，这直接影响了学生知识应用能力的培养。因此，在教育教学过程中，务必精准把握知识传授与能力培养相融合的根本法则。本科普实践巧妙利用日常生活中的普遍现象，点燃学生的学习热情与探知欲望，在借助生动实例传授专业知识的同时，也锻炼了学生的逻辑思考能力。汲取生活中的素材，更能触动学生的心灵，从而引发他们的学习动力。创意源自生活，教师可以指导学生动手制作相关装置，以此增强学生的实验操作技能。例如，利用简单材料制作一个小型风力发电装置，让学生亲自感受风能的转化和利用过程。

义务教育是全面发展的教育，在传授知识的同时也要注意思想品德的发展与培养，要体现知识的科学性与思想性，本科普实践的知识讲解过程要与当代中国现代生产相结合，通过阐述我国在风力发电领域取得的巨大成就，强调我国作为“世界能源生产第一大国”的担当与责任，培养全球视野下的公民责任感。通过真实成就案例，实现价值观塑造、能力培养与未来导向的多维教育目标。

基于青少年的心理认知发展特征与STSE教育理念的要求，本科普实践搭建了“历史情境—技术实践—批评反思”的三维框架。首先以风力发电机技术史为时间轴，创设历史情境吸引青少年注意力，从而激发学习求知欲。其次构想风洞科普模型、行星变速齿轮模型与简易发电装置，将枯燥的物理知识转化为实验操作，并有机融入科普活动中，使学生了解风力发电机运行原理，丰富科学知识。最后，通过课本知识点，探讨课本知识在实际应用中的局限性，揭示理论与实际的不同，拓展科学批判思维。

科普实践成果

在教师的悉心指导下，实践小组不断优化核心风洞流体攻角模型，以及科普讲解思路，最终完成了2项核心科普实践成果。

攻角可调式风洞模型开发

模型主体器材由透明亚克力箱组成（见图1），左侧配置烟雾发生器与蜂窝状整流板，烟雾形成后，穿过整流板后能转化为较有序的气流，以保证层流的稳定性；右侧由2个风扇与变压器组成气流控制系统，通过改变电压大小，实现气流速度的调整。当烟雾穿过翼型模拟叶片时，能清楚地展现伯努利原理，上方气流经过的路程长，流速快；下方气流经过的路程短，流速慢，因此在叶片的上下表面能形成压强差。经过反复实验测试，最终得出：左侧发烟器连接7.5 v电压，风扇连接220 v电压时，流体可视化效果最佳。

图1

为了更加清晰地展示不同攻角给风力发电机带来的影响，我们改进了实验装置（见图2）。

图2

在亚克力箱侧壁的适当高度上钻出小孔，将螺丝刀插入泡沫叶片中，通过机械式角度调整装置，确保攻角大小可调。当逐渐增大攻角时，叶片上方的气流不再有序，而呈现出杂乱的状态，由层流转变为湍流，因此产生的升力也会改变（见图3）。

图3

基于STSE模式的科普架构设计

首先通过风力发电机历史发展线，比较垂直轴与水平轴风力发电机的优缺点，阐释水平轴机型在稳定性方面的技术优势，引出本次科普主要对象——水平轴风力发电机。其次利用图片模型具象化呈现风机四大核心组件（翼型叶片、变速箱、发电机、塔架），阐述为了提高发电机的输出功率，在演变趋势上呈现体积大型化、地点沿海化等发展特点 [2] 。接着使用风洞可视化实验与多媒体技术手段（见图4）揭示叶片形状为翼型的机理，并对叶片长度、宽窄的要求进行进一步讲解；进一步讲解叶片的攻角，利用仿真模拟文献数据绘制表格展示攻角与升力、阻力系数关系图，引出贝茨理论下风能转化为机械能最大效率为59.3%。

图4

设置探究性问题：“仔细观察不难发现，真实生活中风力发电机叶片旋转的速度很慢，这种低速旋转也能产生有效的电力输出吗？”进而引出齿轮组增速模型，即大齿轮与小齿轮链接，当大齿轮转1圈时，小齿轮可以旋转很多圈，因此能提高发电效率。借助不同齿轮组的组装配合，直观解释发电机提高电力输出效率的基本原理。

在指导教师的帮助下，我们通过模拟实验演示可观察到：当叶片转速过快时，小齿轮会产生偏心振动现象，危害风力发电机的正常运转。该现象不利于风力发电机正常运作，因此工业上常用行星齿轮变速箱结构，以保证电机的正常工作（见图5）。

图5

最后回到物理课本，让学生熟悉电磁感应相关知识（通常是提供磁场装置的永磁铁充当定子，转子为闭合导线），并进一步引发思考：“在真实场景中，发电机又是如何设计的？”继续解释发电机使用过程中，永磁铁会随着时间的流逝慢慢退磁，因此常常选择电磁铁，通过改变电流的大小进一步控制磁场，进而提高发电机的输出功率。最后以小型发电装置（见图6）展示机械能与电能转换的完整演示。

图6

本科普实践涉及的演示教具具有以下特点：

直观性强在教具设计上，充分分析义务教育物理课程标准要求，由浅入深、由繁到简，充分利用学生既有的知识经验，遵循基本教育规律，循序渐进，适当引导。本实验开发了攻角可调式风洞模型，通过流体的可视化效果不仅能让学生直观理解伯努利原理，还引入了流体力学的一些概念，拓展学生的科学素养，促进学生理解风力发电的基本流程和原理，形成完整的科学思维。

性价比高在组装教学器材时要充分考量时间和经济两方面的投入。本实验器材选材来源于日常生活[3]，即便对于学生而言，在教师的指导下也能轻松复制出本实验所需器材。其经济和时间成本均较为低廉，而器材的演示成效却颇为理想。

有一定灵活性教师可根据教学内容自行选择教具，在实际教学过程中，本实验中的齿轮组可进行拆卸再组装；通过对攻角可调式风洞模型的演示，教师可以用其讲解风力发电的基本原理，解释‌飞机升力‌、‌船吸现象等日常生活中的常见现象。

与传统教学方法对比，本案例的物理教具使物理现象更加具体化，同时通过引入生活中的实际案例，实现了从生活走向物理、从物理走向社会的课程理念，让学生体会到物理学可以实实在在改变人们的生活，不同的物理学知识联合起来可以产生巨大的能量。此外，科普实践构思也是技术创新优化的过程，本案例经过第九届“华夏杯”的参赛经历，不断反复打磨，最终形成此“好风凭巧力”科普实践作品。希望通过本科普实践设计，给读者带来启发，共同在繁荣科普文化之路上继续努力。

（本文得到兰智高、秦河林老师的指导）

基金项目：湖北省高校省级教学研究项目“基于OBE教育理念的物理学专业人才培养模式研究与实践”（项目编号：2021444）；湖北省高校一流专业建设点——物理学（鄂教高厅函【2021】7号）项目支持。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准（2022年版）[M]．北京：北京师范大学出版社，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] 邹新政．基于核心素养的高中物理自制教具应用研究[D]．西南大学，2020．DOI:10.27684/d.cnki.gxndx.2020.001349．

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来源 | 《中国科技教育》2025-10

编辑 | 孟想

审校 | 若惜、朱志安