中国传统科技文化与STEM教育——风车

　　STEM知识素养

　　一、人文知识

　　风车起源于周，传说是由姜子牙发明用来镇妖降魔的用具，原名八卦风轮（如图1所示），直径1尺1寸5，周长365分，1分为一天，即365天。有四道符，为四季，12根条代表12个月，24根头代表24个节气，此风轮用于辟邪，距今有2000多年的历史。在我国传统文化中，风车还有万事如意轮、四季平安符等别称，所以在民间，风车代表了喜庆和吉祥之意。

图1 八卦风轮[1]

　　古代的风车从船帆发展而来，它具有6至8副像帆船那样的篷（如图2所示），分布在一根垂直轴的四周，风吹时像走马灯似的绕轴转动，被称为“走马灯式的风车”。这种风车因效率较低，已逐步为具有水平转动轴的木质布蓬风车和其它风车取代，如“立式风车”“自动旋翼风车”等。

图2 船帆式风车[2]

　　在中国使用风车的历史开始于汉朝。在辽宁三道壕东汉晚期的汉墓壁画中，可以见到许多风车的图形，可见在当时我国便有了风车。在明代文献中，对于利用风车进行提水灌溉以及排水的记载很多。《天工开物》卷记载，扬郡“以风帆数扇”驱动翻车，“去泽水以便栽种”。明代以前，劳动人民就会制作将风力的直线运动转变为风轮旋转运动的风车，在风力的利用上前进了一大步。清朝中叶，周庆云在《盐法通志》卷36中描述了立轴式风车构造的原理，“风车者，借风力回转以为用也。”

　　二、科学知识

　　风车是一种把风能转变为机械能的动力机。风车是利用杠杆原理设计的单向受力转动机械。风车的叶片是旋转对称设计，不是轴对称设计。在有风的情况下，通过风车风叶高低错落的固定形状，使得叶片在对称位置产生的扭转力矩无法互相抵消，这样部分风能被风车留下了，风车就可以转动了。风车的风叶都是倾斜的，风车是把风作为动力。当风吹动叶片时，相当于对叶片施加一个作用力而产生转动力矩，在此力的作用下，风车就会不停的转动。小风车的旋转速度取决于多种因素，包括叶片的形状、大小和材料，以及风力的大小和方向。

图3 风车风叶旋转原理图

　　风车风力发电的原理：

　　1.利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升促使发电机发电。

　　2.依据目的风车技术，微风便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一般热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染[3]。

　　STEM活动实践

　　著名的心理学家皮亚杰说：“思维是从动作开始的，切断动作和思维的关系，思维就不能得到发展。”为培养学生独立解决问题的能力以及创新能力，教师可利用生活易获得与操作的学习材料，引导学生亲身经历制作仪器以及进行科学实验的过程，主动获取与建构知识，从而进行有意义的学习[4]。

　　一、创意实践

　　纸风车的制作

　　材料：

　　A4纸、大头针、竹杆或高粱杆（或纸棒）

　　创意参考步骤：

　　1.裁成正方形

　　A4纸短边对角折叠成三角形，裁除多余部分，得到正方形纸。

　　2.剪出风车叶

　　对角线折叠压实展平，分别沿对角线折痕剪至2/3处，剪出风车叶。

　　3.制成风车轮

　　风车叶按顺序依次间隔，用胶水粘在正方形纸中心，制成风车轮。

　　4.大头针的穿插

　　风车轮中心贴上白色圆纸，大头针插过中心白色圆纸，穿过黄纸筒。

　　5.大头针的固定

　　大头针穿过白色纸卷成的纸棒小孔后，牢牢固定于纸棒上。

图4 纸风车制作步骤图示

　　二、创意改良

　　1.是否可以考虑其他材料作为风车的叶片，比如木片、塑料？

　　2.用一片纸做好风车，用两片纸重叠起来制造，会不会更具美观呢？

　　3.风车无法在微小的风吹过时快速转动，如何让风车减小风阻和摩擦力？

　　三、创意挑战

　　1.风车的叶片数量和它的旋转速度以及产生的能量有没有什么关联？请设计实验并探究。

　　2.如何设计能让风车将机械能转换成电能使得小灯泡发光？请设计实验并探究。

　　参考文献

　　[1] 图片来源于http://www.163.com/dy/article/D2NARMRT0523JHL1.html

　　[2] 图片来源于http://www.niwota.com/submsg/9786759

　　[3] 董晋明.风力发电的发展、挑战和解决方法[J].硅谷,2012,5(15):68-69.

　　[4] 魏小亮.有效利用自制仪器 回归物理教学本源[J].物理教师,2017,38(10):41-43.

　　（作者/周华蝶 侯小丽）

（一审：谢振华 二审：邓望军 三审：石伟）