《义务教育物理课程标准（2022年版）》指出，物理教学强调学生的主动参与和实践操作能力，旨在培养学生的科学素养和创新能力
［1］。人教版（2024年）物理八年级下册在第十一章第4节“机械能及其转化”中提到：“我们的祖先很早就开始利用水能和风能了。让水流冲击水轮转动，用来汲水、磨粉；靠风力鼓起帆来推动船航行。”
［2］教材为学生提供了水电站的剖面图及抽水蓄能电站场景图，但这些描述和图片相对抽象，难以直观展示风力和水力发电的原理。
结合我们祖先对风能和水能的利用，以及生活中常见的儿童玩具小风车，在汲取传统智慧的基础上，笔者设计制作了“风力、水力发电演示模型”，将古老的风车、水车与现代小型风力、水力发电演示模型相结合，直观、动态地呈现能量的转化与利用过程。该模型以实物形式直观呈现相关知识，旨在引导学生从生活现象中洞察物理本质，贯彻“从生活到物理”的教学理念，并强调科学探究的新课程精神，使学生在学习物理知识的同时，感受古代智慧与现代科技融合的魅力。
1 “风力、水力发电演示模型”设计意图
在当前的教学资源中，人教版（2024年）物理教材对水力发电的呈现仅局限于水电站的剖面图及抽水蓄能电站场景图，内容相对单薄。其他版本教材，如教科版物理的最新教材，虽然将“风能和水能”单设一节，但内容仍显单薄，通常仅以增添风轮场景图片为主。这可能是因为该知识点在教材序列中安排较早，学生尚未系统学习电磁学知识，因此编者选择暂不深入涉及发电原理等细节。
从学生的认知水平来看，尽管在前两节的学习中，他们对于风能和水能作为天然机械能这一概念具备了一定的接受能力，但对于风能和水能在发电领域的实际应用，却缺乏直观、真切的感受。尤其对于八年级学生而言，尚未接触电学知识，这使得发电原理成为他们理解上的一大难点。而且，受限于现实条件，大多数学生很难有机会亲自前往电站进行实地参观，这无疑进一步阻碍了他们对相关知识的深入理解。
基于教材在展示风力和水力发电原理方面的不足，以及学生对这些原理理解的难点，笔者设计制作了自制教具“风力、水力发电演示模型”。该教具能够高度模拟真实的能源转化过程，使学生可以直观地观察到水能和风能是如何一步步转化为电能的，从而更加清晰地理解其发电的基本原理。具体而言，该教具通过模拟风力和水力驱动发电机的场景，生动地展示了能量从机械能转化为电能的过程。通过观察风力和水力驱动发电机转动的过程，学生可以直观地理解风能、水能（机械能）向电能转化的本质，即能量的转移与转化。
笔者通过介绍该教具的制作及应用，提高学生对风力和水力发电原理的学习兴趣和理解程度，激发其创新思维，培养其实践能力，并增强其环保意识和科学精神，为物理教学注入新的活力。
2 制作方法
2.1 材料准备
主要材料：带变速箱的发电机、小轴承、木料、废旧PVC管（或者大饮料瓶）。
辅助材料：PVC板材、大饮料桶、大瓶盖、二极管组、铜线、绝缘胶带等。
2.2 工具准备
切割工具：手锯、小台锯；钻孔工具：手持电钻；粘接工具：热熔胶枪；其他工具：剪刀等。
2.3 风力发电机模型制作过程
（1） 制作风轮。
使用手锯将细木条截成15 cm长的小木条8根，备用（可根据实际设计调整木条的长度及根数，以适应不同大小的风轮。水轮制作时也可进行类似调整）。截取直径约2 cm、长度约4 cm的圆木，用铅笔、直尺和量角器将其分成8等份并作出标记，然后在每个等分点处钻孔，将小木条插入圆孔中，用热熔胶固定，确保风轮结构稳定。将PVC管截成25 cm长的两段，每段再锯为4等份，画出风叶轮廓并用剪刀剪出（或用易拉罐、饮料瓶等材料剪成叶片），再用热熔胶将风叶调整至合适的角度并固定在风轮的小木条上，以确保风叶能够有效捕获风力并带动风轮旋转（
图1）。
（2） 固定发电机，组装风力发电演示模型。
如
图2所示，在圆木中心钻孔，插入电机轴，并调整电机轴的角度，使其与风轮的旋转平面垂直，然后用强力胶固定，确保发电机与风轮连接牢固。在支撑手柄的一头开槽，将减速电动机（作为增速发电机使用）镶入槽中，并用热熔胶加固，以保证发电机在风轮旋转时能够稳定地输出电能。将二极管组连接到发电机的输出端，注意正负极的正确连接，然后转动风叶，检查二极管是否正常发光，以验证风力发电机的发电效果。
2.4 水力发电机模型制作过程
水力发电模型的主体部分如
图3所示。主要步骤包括制作水轮、固定发电机、组装水轮及水力发电机等。
（1） 制作水轮。
使用手锯将细木条截成20 cm长的小木条16根，备用，以便后续组装成完整的水轮。截取直径为 6 cm的圆木，用铅笔将其分成16等份并作出标记，然后在每个等分点处钻孔，将小木棍插入圆孔中，用热熔胶固定，确保水轮结构的稳定性和牢固性。用热熔胶将大瓶盖固定在木棍的远轴端，注意瓶盖的开口方向应朝向水流方向，以便水流能够顺利冲击水轮并带动其旋转。
（2） 固定发电机，组装水轮及水力发电机模型。
在圆木的中心位置钻孔，穿入硬木轴，并在轴的两端套上小轴承，用热熔胶固定，以确保水轮能够平稳地旋转并带动发电机工作。在水轮机支架木的一端钻孔，将水轮机轴两端的轴承套入，然后在水轮轴的一端钻孔，插入发电机轴，并用502胶固定，确保发电机与水轮连接牢固可靠。将发电机接上发光二极管组，以便在水轮旋转时能够观察到发电效果。在集水槽的一端底板上打孔，固定支架，以便后续安装高位水仓。
（3） 制作高位水仓支架及水仓。
在集水槽的另一端底板上开4个孔，固定高位水仓的4根支架，然后在方木板上开4个孔，将木板固定在水仓支架的上端，形成高位水仓的结构。在大饮料桶的底部开孔，并接入水管。然后将其放置在高位水仓支架上，调整水管的出水方向，使其能够准确地冲击水轮，从而为水力发电提供动力。
（4） 安装集水槽边板及整体底部支架。
使用热熔胶枪在集水槽的四周镶上木条，以增强集水槽的结构稳定性，然后在集水槽的底部安装支架，并在支架上打孔，以便后续固定整个水力发电模型。
（5） 制作集水桶及加装防溅护板。
取另一个大饮料桶，上部截断，制成集水桶，放置在集水槽的下方，用于收集水流。在集水槽的四周加装PVC护板，三面固定，正面为活动面板，以便于观察和维护。
（6） 整机调试及固定。
在整机组装完成后，加水进行调试，检查水轮的旋转是否平稳，发电机是否正常工作，二极管是否发光等，确保整个水力发电模型能够正常运行。调试完成后，使用热熔胶枪对需要固定的位置进行加固，以保证模型的稳定性和耐用性。
3 使用方法
“风力、水力发电演示模型”的使用方法包括室外自然风驱动、手持风力发电机手柄驱动以及电风扇驱动风力发电机发电；水力发电机使用时通过水流冲击水轮机水轮转动带动发电机发电。
3.1 风力发电机模型部分
可以在室外选择一个开阔的场地，利用自然风吹动风轮，观察风轮的旋转速度和发电机的发电效果。如果遇到无风或风力不足的情况，可以手持风力发电机的手柄，跑步迎风，通过人工制造风力来驱动风轮旋转，从而带动发电机发电，将机械能转化为电能。此外，在教室等室内环境中，可以使用电风扇或吹风机对准风轮吹动，模拟风力的作用，使风轮转动并带动发电机发电，进一步验证风力发电的原理和效果。
3.2 水力发电机模型部分
首先将高位水仓加满水，确保水仓中有足够的水量来驱动水轮旋转。然后打开水管口的木塞，让水流从高位水仓流出，冲击水轮机的水轮，使其转动。水轮的旋转带动发电机工作，将水能转化为电能，此时二极管发光，直观地证明机械能已经成功转化为电能。在使用过程中，可以观察水流的大小与速度、水轮的旋转情况以及二极管的发光强度等，分析不同因素对水力发电效果的影响。
4 教学应用与效果
4.1 课堂实验效果
该教具的应用显著提升了学生的课堂参与度和学习积极性。通过直观展示机械能及其转化过程，降低了学生对复杂物理概念的理解难度。学生在课堂上变得更加积极主动，纷纷提出问题、发表见解，展开热烈的讨论，课堂氛围活跃，极大地增强了教学效果，提高了学生的学习成效。
4.2 课外拓展效果
学生通过参与模型的制作与调试，实现了理论知识与实践的结合，体验了科学创作的乐趣与挑战。例如，在制作风轮和水轮时，需要考虑叶片的角度、形状等因素，以确保其能够有效捕获风力和水流的动力；在连接发电机和二极管时，要正确处理电路连接，保证电流的顺利传输。这些实践操作不仅锻炼了学生的动手能力，还激发了他们的创新思维，使他们意识到物理知识在实际生活中已经得到广泛应用。例如，风力和水力发电作为一种清洁能源，具有广阔的应用前景，能够为环境保护和可持续发展作出重要贡献。通过这些实践活动，学生不仅增强了对环境保护和可持续发展理念的理解与认同，也锻炼了实践能力，从而提升自身的科学素养。
5 教具特性与价值
5.1 创新特性
该教具的设计融合了我国古代经典动力装置与现代发电技术，通过加装小型发电机和变速装置，实现了能量的古法驱动与现代转换。这一设计不仅体现了文化与科技的贯通，更能有效激发学生的学习兴趣，引导他们在动手探究中，自然而然地建立起古今知识、不同学科领域之间的联系。
5.2 实用且易推广
该教具具有显著的实用性和推广优势。制作材料易获取，结构设计精巧合理，操作简便易行。无论是教师自制还是学生参与制作，都不需复杂的工具和技能，使更多的学生能够参与到教具的制作和使用中来。因此，该教具非常便于在各类学校中推广应用，能够满足不同教学环境下的物理教学需求，具有广泛的适用性和推广价值。
5.3 提升多种能力
从制作到教学应用，该教具始终备受师生的关注和喜爱。其独特的设计和丰富的实践环节成功吸引了学生的兴趣，激发了他们的好奇心和求知欲，使他们乐于参与其中，积极探索和学习。例如：在教具制作过程中，学生通过观察材料与工具，锻炼了细节观察力；通过动手组装与调试，提升了实践操作能力；通过思考性能优化方案，培养了创新思维；通过小组协作，增强了团队合作精神。更重要的是，在全球倡导可持续发展的背景下，这一实践活动使学生对风能、水能发电原理有了直观认识，从而深刻理解清洁能源的价值与优势。这不仅有效提升了他们的环保与可持续发展意识，更是引导其成为具有社会责任感的未来公民的重要一环。
河北省教育科学研究“十四五”规划“双减专项”课题“‘双减’视域下初中物理实验生活化的策略研究”(2104037)
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