自制风速仪活动教案

跨学科科学实践：自制风速仪活动教案设计与教学延伸

一、项目背景与教育价值

在STEAM教育理念逐渐普及的背景下，动手实践类科学活动成为培养学生核心素养的重要载体。自制风速仪项目通过低成本材料的创造性应用，引导学生理解流体力学原理，同时融合工程设计与数据分析能力训练，为中小学科学课堂及课后拓展活动提供可操作性方案。本教案以问题导向为驱动，覆盖物理、数学、工程等多学科知识点，适合8-15岁学生分阶段实施。

二、活动目标与核心素养培养

科学探究能力
通过观察自然现象提出可验证的问题，例如“如何量化描述风力大小”，激发学生设计测量工具的动机。

工程思维训练
经历从设计草图到原型制作的全流程，培养系统化解决问题的能力，强调迭代优化的重要性。

数据素养提升
学习建立简易分级标准（如1-5级风力），将物理现象转化为可记录、可比较的量化数据。

环保意识渗透
选用废弃塑料瓶、纸杯等材料，强化资源循环利用理念。

三、材料准备与工具清单

基础材料：500ml透明塑料瓶（1个）、竹签或吸管（4根）、纸杯（3个）、大头针（1枚）、量角器（1个）

辅助工具：剪刀、胶枪、防水记号笔、直尺

可选升级材料：轻质轴承、激光切割亚克力板（适用于高阶版本）

四、分步骤操作指南

第一阶段：原型设计与制作（40分钟）

结构分解教学

展示商用风速仪图片，解析旋转杯、支撑轴、标尺三大部分的功能关联。

引导学生用塑料瓶底部切割出半球形底座，作为轴承固定点。

旋转组件组装

将3个纸杯等距固定在竹签末端，形成120°对称结构，用大头针连接竹签与瓶盖中心点。

关键技巧：纸杯开口方向需统一顺时针或逆时针，确保风力驱动有效性。

标尺校准实践

在瓶身粘贴量角器，用记号笔标注0°-90°区间，通过吹风机模拟风力观察偏转角度。

第二阶段：测试与优化（30分钟）

对照实验设计

使用电风扇三档风速（低/中/高）测试装置响应，记录纸杯旋转速度与标尺偏转角度的对应关系。

数据记录表示例：

误差分析与改进

常见问题诊断：旋转卡顿（检查轴心对齐度）、标尺灵敏度不足（减少旋转组件重量）。

引入工程学术语：摩擦力优化、力矩平衡调整。

五、跨学科知识延伸路径

1. 物理原理深化

流体力学：结合伯努利方程解释杯型设计对风能捕获效率的影响。

运动学计算：推导旋转角速度与线速度的换算关系。

2. 数学模型构建

指导学生用测试数据绘制散点图，建立偏转角度与实际风速的回归方程。

进阶任务：对比不同杯数（3杯 vs 4杯）装置的数据波动范围。

3. 地理学科整合

关联气象学知识：分析蒲福风级表划分依据，制作校园风力分布图。

拓展讨论：地形对局部风速的影响（楼群间狭管效应）。

4. 艺术设计融合

开展装置美化竞赛，要求兼顾功能性（如标尺可视性）与美观性。

引入工业设计思维：用户需求分析、人机交互界面优化。

六、教学效果评估与反馈

过程性评价维度

设计合理性：是否通过草图呈现结构逻辑，材料选择是否符合力学要求。

问题解决记录：针对测试故障的调试方法及最终解决方案。

成果展示标准

功能性：在3级自然风中能稳定显示偏转读数。

创新性：对标准模型的改进点及其效果验证。

反思与迁移

组织小组讨论：如何将此设计思维应用于湿度、光照等其它环境参数测量工具开发。

职业启蒙：介绍气象工程师、工业设计师等职业的真实工作场景。

七、安全须知与教学建议

工具操作规范：强调热熔胶枪使用时的防烫伤措施，低龄学生需在教师监督下完成切割步骤。

差异化教学策略：

基础版：侧重结构组装与现象观察，适用小学中高年级。

进阶版：增加Arduino传感器数据采集模块，适合初中创客社团。

家校协同建议：鼓励家庭利用生活物品进行改良实验（如用乐高零件替代竹签）。

通过此项目，学生不仅掌握测量工具的制作技能，更重要的是理解“观察-假设-验证”的科学思维范式。将抽象物理概念转化为具象化探索过程，为后续学习流体动力学、机械工程等学科奠定实践认知基础。

风速档位	10秒旋转圈数	偏转角度
低档	15	30°
中档	28	55°
高档	42	80°