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STEAM案例《迷你风力农场》课程设计

迷你风车农场制作面向所有科学教师，为那些没有太多技术

学习背景的教师提供资源和帮助。在该项目对技术的要求不高，

并且操作较简单、材料易得，所以容易被不同年龄、不同经验层

次的学生接受。

风车农场作涉及很多学科领域，与STEM理念融合。

科学：风力发电的原理学习

S：认识力、地磁引力和诱导电压之间的关系、能量的转化

工业技术：制作高塔和发电机，认识环路的组成部分，知道

导线颜色标码的重要性

T：锻炼学生的动手制作能力，掌握用电安全准则

设计工程：设计不同的叶片测试螺旋桨旋转的快慢或发动机

产生能量的大小

E：对风能利用率高低的探索

商业：风能的消费带动经济增长

M：数学计算与应用

一、相关常识和背景风是由于太阳辐射而地球表面受热不均匀，

热空气上升则冷空气进入填补而形成的。因其较环保、可再生等

优点，在生活中的使用越来越多，逐渐替代一部分传统能源。

生活中的风车一般由叶片、机舱和高塔三部分组成。通过利

用风吹动叶片带动轴旋转，发电机在轴的带动旋转下发电，即将

风的动能转化为旋转轴的机械能，再将机械能转变为电能，同时

产生热能。

许多商业或者大规模风车的高塔都超过90米，大型风车上

的叶片一般长38～45米。这些叶片感觉转得很慢，但其实叶

片最外面的尖端是以240～320千米/时的速度在旋转。机舱

通常安装在高塔上，内有增速箱、发电机、电控系统等一系列重

要的零部件，它们通过轴和齿轮与叶片相连。机舱的尺寸类似于

一辆有轨电车，有些机舱上还为直升机专门设置了停机坪。如下

图显示的是安装在机舱里的发电机。

机舱里的发电机

二、项目准备了解了生活中的风车农场的基本知识后，需要

对其进行模仿，自己动手制作迷你风车农场，完成整个能源转化

的过程，加深学生对于风力发电的理解。

迷你风车农场由四个基础的部分组成，分别为风力发电机、

导线、接线板和灯泡。

风力发电机：一般生活中指安装在机舱里的大型发电机，实

验中用的是直径为0.3米的直流永磁发电机。

导线：生活中指电线，实验中是用标准导线。

接线板：生活中使用电源分局或者电源总线，实验中使用的

是接线板；接线板可以简单地将风力发电机与其他装置连接或断

开，也可以利用它增加风力发电机和灯泡。

灯泡：生活中指家庭、工厂、企业等一些需要电源的地方，

实验中选用LED灯。

：PVC管类（1根

24号、6根6号、3根T形管、4根90弯管），螺旋桨一个，直

流永磁发电机一个，绝缘胶带一卷，接线板木板若干，LED灯若

干，螺帽若干，剥离器螺丝刀一个，弓锯小刀或剃刀一个，高速

落地扇一个。

三、操作步骤接下来将制作连接风力发电机、接线板和灯泡。

1.风力发电机。将不同规格的塑料管按如下图所示搭建好，

做成高塔；将螺旋桨的背部安装在发电机（直流永磁发电机）上；

在发电机的周围绑上绝缘胶带；将发电机放进弯头管里固定，如

果不牢固，可以绑些胶带；将发电机与之前连接完成的高塔安装

在一起，将发电机的标准导线露出来；最终得到风力发电机成品。

制作步骤图示及最终成品见图。

风力发电机的制作

2.接线板与灯泡。如下图所示，将接线板安装在木板上，再

将LED灯的两条线插入接线板并旋紧螺丝（长端插入左侧，短

端插入右侧）；剥去白色与黑色导线底端的塑料皮，将其黑线（阳

极）插入左边，白线（阴极）插入右边；在木板上安装两个接线

将之前风力发电机底端留的线与接线板连接起来（黑为阳极、红

白为阴极），接线板的另一端与灯泡相连。最后将中间连接两个

接线板的两根白线与黑线用螺母遮起来，防止触摸漏电。

灯泡与接线板的制作

：在连接整个线路时不要手动旋转螺旋桨，以防产生电

流触电。在制作过程中，学生要在教师、家长的看护下安全使用

危险工具，如锯刀。

3.测试。风车