在科技类项目学习中培养学生物理学科核心素养

摘   要：高中阶段的项目学习可以分为三类：常态课堂微项目学习、学生实验项目化学习和科技类专题项目学习。文章着眼于科技类专题项目学习的案例，以科技类专题项目学习为载体，从选题注重社会责任、设计指向高阶思维、过程注重科学思维等方面，助力学生物理学科核心素养的生成。

关键词：项目学习； 核心素养； 高风速发电机

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）3-0009-5

１    项目学习及其分类

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》提出，为促进学生物理学科核心素养的发展，课程学习中要倡导基于项目的学习或整合学习等方法，促进学生基于真实情境下学科和跨学科问题解决能力的发展［１］。

笔者通过实践，发现项目化教学具有不可替代的价值：传统的教学模式固然能培养学生的思维能力，掌握知识和技能，却较难培养其科学论证、质疑创新和解决实际问题的能力。项目化教学不仅能培养这些能力，还能促进学生个性化发展，弥补传统教学的不足［２］。

高中阶段的项目学习大体可以分为三类：常态课堂微项目学习、学生實验项目化学习和科技类专题项目学习。科技类专题项目学习周期较长，可利用教师学科特长和学校特色进行设计和安排，部分对科技创新兴趣浓厚的学生参加。本文主要着眼于科技类专题项目学习的案例，以科技类专题项目学习为载体，从选题注重社会责任、设计指向高阶思维、过程注重科学思维等方面，助力学生形成物理学科核心素养。科技类专题项目活动模式流程一般是：确定主题、提出猜想、设计方案、获取数据、推理分析、改进方案、合理解释、得出结论。

２    “设计高风速发电机”项目学习

笔者和学生共同投入一年半之久，研究“设计高风速发电机”项目。下面以这个项目为例，说明在开展科技类专题项目学习的过程中培养学生物理学科核心素养的方法。

２．１    项目选题注重社会责任

科学态度与社会责任是指在认识科学本质的基础上，逐渐形成的探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度和社会责任感［３］。

选择科技类项目课题时，要注重课题本身育人的意义。比如，确定“设计高风速发电机”这个项目源于学校一直坚持参加的省科技创新活动，也是全国青少年科技类某项赛事的赛题。为什么要设计高风速发电机？一是我国沙漠、草原、海域等地区的风力资源极为丰富，但是这些地区却因风速过大等原因，风力发电机不能正常工作。二是柴油发电不仅运输成本高，而且还污染环境，能源浪费相对严重，这的确是国家乃至人类的一大憾事。该项目涉及电路、电能、发电、变电、输电等方面的物理知识，也涉及３Ｄ打印、地理气候等知识，属于基于生产生活应用的工程类跨学科综合性问题，能让学生认识科学本质、体会社会责任。

２．２    课题设计指向高阶思维

高阶思维的典型表现是能创造性地解决问题，并显性体现解决问题的创新方法。在“设计高风速发电机”项目中，教师提出了如下问题以引发高阶思维：国内、国外现有的风力发电机在南极高风速下为什么不能正常运转？如何设计能在高风速环境下有效利用风能的装置？南极恶劣的天气环境主要原因在于风速大的同时夹杂着高速运动的砂石、雪粒，如何减少或避免砂石、雪粒等与风力发电装置的扇叶直接撞击呢？

项目学习小组查阅资料后发现，原来风力发电装置基本是由一根中轴加多片扇叶组成，当前国际上风力发电机最多能在不高于１０级的风速下正常工作，风速过大则发电机无法正常工作；当较大的砂石、雪粒吹打在扇叶的迎风面上时，会造成扇叶的损伤；雪粒高速击打产生破碎的冰末粘附在扇叶上，堆积冻结后扇叶会发生形变且旋转效率降低；如果扇叶受力不均，还可能导致扇叶无法正常转动。以上情况会大大降低扇叶的发电效率以及寿命。

这是一项全新的任务，目的在于挑战青少年的认知框架，能根据所学知识进行分析，创造性地设计出独具特点的高风速发电机。设计关键：一是设计具有在恶劣环境下减少风力发电装置损伤的结构，二是设计增加风能利用率的部分。学生想到在风扇外面制造一个大空腔，利用大空腔使大风中的颗粒物沉降以保护风扇。但进一步考虑外面加空腔后，空腔内空气流速是否会有影响，从而影响发电机的发电功率呢？由此学生的高阶思维活动就开始了。

２．３    研究过程注重科学思维

项目的研究过程最能体现也最能培养科学思维。科技类项目过程要注重从物理学视角对事物的规律进行本质分析，基于实验事实建构物理模型，充分进行分析综合和推理论证，在创造性地解决问题的过程中培养学生的创新能力，从而提升其物理学科核心素养。

２．３．１    初步实验体现论证推理

前面失败的想法让学生认识到利用气压差来发电可能是一个很好的突破口。此时课题进入实质性探究和分析综合阶段。这需要解决一系列的问题：怎样设计实验方案？空腔怎么得到？竖直管道用什么材料？初步实验怎么进行？

学生尝试先用塑料瓶进行实验，将空腔中开一个竖直管道，分析是否能发电。他们认为，根据伯努利原理，空腔上部空气流速大，内部管道空气流速小，从而产生了上下空气的压强差，空气就会顺着竖直管道上升。他们将两个塑料瓶去掉底部之后粘接在一起，制成空腔的形状；在第一步制成的空腔中部开一个小口，并粘上轻小纸片；固定好上述装置，利用风扇制造出稳定的风；观察纸片的变化，如图1所示。

从（１）—（６）式可以得到，ｖ１越大，θ也越大，两者成正相关。实验结果表明瓶子内外的压强差存在，利用流体速度的不同所产生的压强差发电是有可能的。

通过综合论证、公式推理，得到利用压强差进行发电是有可能的。而气流中所携带的固体颗粒物因为自身重力以及惯性作用无法随上升气流进入竖直管道，将随着水平管道的气流一起排出装置或掉落装置底部。这使减少及避免颗粒物与风力发电装置的扇叶正面撞击的问题有了解决办法，从而使高风速中风能的利用有了可能。

２．３．２    利用跨学科融合进行二次设计

有了初步设想，需要进行真实实验研究，怎样设计实验装置利用气压差进行发电？学生提出，为了提高发电的效率，应并排多设置几个竖直风道。考虑到理论上说多个风道在一定程度上能够提高风能利用率，但在本质上却没有作出重大改变，关键还是要加大空腔上下部空气的压强差从而实现发电。进一步考虑将底部的风洞合并在一起成为一个风洞，并且尽量将空腔做大。为了做出真实实验，学生自学了３Ｄ打印技术，看着头脑中的设想从纸面走到眼前。动手制作实物模型的过程是一个创新与完善的过程，学生自主学习３Ｄ打印这项跨学科技术以后，许多改进措施都可在电脑原有的三维模型基础上直接修改，模型有准确的数据，能很好地把控模型的比例关系，也让他们意识到技术的实用性。

２．３．３    三次设计助推科学探究

第二次设计的３Ｄ打印模型安装成小型风力发电机后，根本无法正常发电，实验失败。失败的原因有两种可能性：一是这种方式根本就不可能推动发电机的扇叶；二是装置虽然能产生压强差，但这个压强差过小，风力发电机的扇叶转不起来。学生决心不轻易否定设想，多做几次实验进行尝试。比如，把空腔再做得大一點；根据流体力学的原理，尝试设计成飞机外形一样的流线型；考虑到风力发电靠的是自然风，而自然风的风速、风向会随时变化，学生还设计了一个灵活又牢固的底座，腔体的形状设计成水滴状，一头大一头小，这样腔体可以随风向而改变朝向。发电装置安装在腔壁的四周，具体的部位通过实验进行不断尝试和调整。

学生设计出如图２所示的会随风向而改变朝向的发电装置。在腔体沿中轴线一周设置多个垂直通风管道，发电装置能一直保持迎风的方向，进一步提高了发电的效率。学生第三次设计获得了回报，３Ｄ打印的模型进行实验时电表发生了偏转。在制作出第一台风力发电机实体后（体积约为０．６ ｍ３），学生又做了两处改动：一是在空腔的中后部添加了一个导风板，在其下部制作开口，使装置在提高风能利用率的同时能使颗粒物正常排出；二是在装置的尾部加装尾翼，使装置能始终准确地朝着迎风的方向。电表偏转幅度越来越大，在进行各种尝试后，实验装置也不断改进。

２．４    实验过程真实细致

实验装置：风洞实验室、垂直风压发电装置实体模型、风速仪、电压表、电流表、导线、固定装置等。

实验步骤：

（１）安装设备，将风力发电机牢牢固定在风洞环境中。

（２）将风速开到一级风，测量装置前入风口、尾部出风口、周围各个风扇出风口以及上部弧形结构周围的风速，同时记录控制室内所测得的电表读数。

（３）将风速逐级调整，再次测量装置前入风口、尾部出风口、周围各个风扇出风口以及装置上部弧形结构周围的风速，同时记录电表读数。

（４）将实验测量的数据实时导入电脑，制作表格，绘制图表（ｖ－ｔ图像）。

（５）综合数据，建立物理模型并验证准确性。

（６）进行检验，得出结论。

２．５    获取数据科学分析

这个过程要利用装置不同部位的风速并进行效率计算，研究发电机模型的实际发电效率。测得装置上部的风速约为２．５ ｍ/ｓ，装置竖直管道内的风速约为２．０ ｍ/ｓ，装置尾部出风口的风速约为１．２ ｍ/ｓ。

2.5.1    关于垂直风压发电装置的功率及效率计算

2.5.2    关于（１0）式中空气能量损耗的计算

在计算空气能量损耗时，有一个重要的无量纲数——雷诺数，雷诺数是流体惯性力与黏性力比值的量度，当雷诺数较小（小于２ ３２０）时，黏性力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏性力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大（大于４ ０００）时，惯性力对流场的影响大于黏性力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场，为湍流。

雷诺数计算公式为Ｒｅ＝Ｄｖρ/μ（其中，开口管道直径D＝０．３ ｍ，ｖ为风速，空气密度ρ＝１．２９ ｋｇ/ｍ３，

２．６    数据记录可靠有效

表1为本实验的数据记录表，“未及测”是由于扇叶使用的是塑料扇叶，比较脆弱，其中一个风扇叶出现即将断裂的现象，实验被迫中断。

２．７    实验结论

由数据得出，本装置在大风环境中的风能利用率较高，实际情况若安装多根管道，考虑额外损耗后，发电效率估计可在３０％到４０％之间。

３    项目反思

本次项目学习的成果参加全国青少年科技创新大赛获得全国一等奖，该项目研究对学生的成长影响很大。笔者是学生第一指导老师，同时还有多位其他指导老师，比如辅导他们３Ｄ技术的信息老师、制作发电机实体的通用技术老师、指导风能发电建模计算的浙江大学能源学院教授和指导风洞实验的老师等。学生从课题兴趣起始到一步步深入研究，在获得全国青少年科技创新大赛一等奖之后，他们继续发现在装置的入口需要做入口段效应的计算和测试，并且在入口段应该设计一个科学的引流装置（如同一个喇叭口），让风能更好地加以利用。虽然最后学生们感觉用他们一生的努力可能也无法穷尽对风力发电机的研究，但少年的兴趣逐渐转化为长久的人生志趣，如一个学生在高考填报高校志愿时最终选择了自己喜爱的飞行器专业，继续与风洞打交道。尽管该装置在风洞实验室测试时风速未达大风级别，但风洞实验使我们的装置离实际发电装置更近一步，也让学生体验科学实验的严谨性和真实性，理解什么是“学以致用”“学无止境”。

科技类项目学习追求在真实情境下的探索，教师带着学生开展项目学习，这对于教师的知识边界是巨大的挑战，但也是教师不断学习、不断创新提升专业的好途径。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］白小珍.项目化教学促物理学科核心素养生长［J］.中学物理，2022，40（13）：33-38.

［3］林定夷.科学的进步与科学目标：科学认识论与方法论之探究［M］.杭州：浙江人民出版社，1990：148.

［4］王贤，金祺然，白小珍，等.基于垂直变向的风力发电装置［J］.中国科技教育，2019（6）：24-25.

（栏目编辑    赵保钢）

收稿日期：２０２２－11－22

作者简介：白小珍（１９７４－），女，中学高级教师，主要研究方向为中学物理教学。