人造龍卷風(fēng)機(jī)的研究與實(shí)踐

李尤

2017年夏天，我有幸成為第5屆國(guó)際青少年科學(xué)家錦標(biāo)賽（IYNT）南外初中隊(duì)的一員。在幾個(gè)月的科學(xué)研究學(xué)習(xí)中，我第1次與科研有了親密接觸。通過(guò)賽前準(zhǔn)備、動(dòng)手制作、比賽答辯等環(huán)節(jié)，讓我對(duì)STEM科學(xué)探究有了更深刻的認(rèn)識(shí)和理解。本文以我負(fù)責(zé)的第17題“Tornado machine（龍卷風(fēng)機(jī)）”為例，介紹參加IYNT賽事的基本情況。

賽題——跨學(xué)科立體融合

IYNT是一個(gè)極具綜合性與多樣性的比賽。比賽題目類型多樣，跨學(xué)科性很強(qiáng)，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)不局限于一門學(xué)科，常常是物理、化學(xué)、生物、地理、人文、數(shù)學(xué)等不同學(xué)科的融合。

如本次賽題第15題“Water from air”中，要求制作一個(gè)能夠從空氣中提取出水的裝置。解答賽題不僅需要考慮物理中物態(tài)變化的知識(shí)和化學(xué)中催化作用等原理，還需要用數(shù)學(xué)建模工具繪制圖紙并考慮成品外觀，之后還要用到通用技術(shù)的設(shè)備進(jìn)行制作，涉及到的學(xué)科領(lǐng)域非常寬泛。

賽題第17題“Tornado machine”，要求制作一個(gè)能夠產(chǎn)生人造龍卷風(fēng)的機(jī)器，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的龍卷風(fēng)，并且最好能夠帶到現(xiàn)場(chǎng)演示。這個(gè)賽題的解答不僅需要研究龍卷風(fēng)產(chǎn)生的機(jī)理，還需要考慮怎么人為滿足龍卷風(fēng)產(chǎn)生的條件，并且用能夠采購(gòu)到的器材實(shí)踐和研究各種變量，整個(gè)過(guò)程結(jié)合了科學(xué)（龍卷風(fēng)原理的探索）、技術(shù)（各種變量的控制）、工程（龍卷風(fēng)機(jī)的制作）和數(shù)學(xué)（結(jié)果的定量分析）等相關(guān)知識(shí)，綜合性非常強(qiáng)。

再如賽題1“Good guesses”研究在一場(chǎng)800個(gè)農(nóng)夫猜測(cè)1頭牛重量的比賽中，如何得到一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的猜測(cè)。這一問(wèn)題涉及到概率論、博弈論等數(shù)學(xué)知識(shí)，還涉及到人文社會(huì)等學(xué)科內(nèi)容；賽題2“Time-lapse videos”要求用延時(shí)攝像研究某個(gè)緩慢變化的生物、化學(xué)或天文現(xiàn)象等；賽題4“Language barriers”要求研究不同地方不同語(yǔ)言可相互理解的有趣現(xiàn)象，需要結(jié)合地理、語(yǔ)言、人文等學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)。

每一個(gè)賽題都包含了諸多學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容，題目具有極強(qiáng)的多樣性、綜合性和開(kāi)放性，它們沒(méi)有固定答案，讓人眼花繚亂，無(wú)從下手，每個(gè)實(shí)驗(yàn)課題都需要參與者自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并得出結(jié)論，體驗(yàn)一個(gè)具體而完整的探究過(guò)程。

答題——開(kāi)腦洞步步為營(yíng)

要解答IYNT這類開(kāi)放性的賽題，傳統(tǒng)課堂上那套平鋪直敘的標(biāo)準(zhǔn)答案顯然是不行的。必須學(xué)會(huì)科學(xué)研究的思路與精髓。通過(guò)學(xué)習(xí)，我們了解到科學(xué)探究一般包括提出問(wèn)題、作出猜想、考慮參量變量、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、誤差分析等幾個(gè)部分，下面就以本次比賽第17題“Tornado machine”龍卷風(fēng)機(jī)為例具體說(shuō)明。

分析問(wèn)題，作出猜想

題目：Build a machine to produce an an-door air tornado.Investigate the properties and stability of the tornado.Is the machine portative enough to be demonstrated at a Science Fight room of the 5^thIYNT？（制造1臺(tái)能產(chǎn)生室內(nèi)龍卷風(fēng)的機(jī)器，以研究龍卷風(fēng)的性質(zhì)和穩(wěn)定性。這臺(tái)機(jī)器是否足夠方便攜帶以便在第5屆IYNT比賽現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行演示？）

拿到題目，我們先對(duì)題干進(jìn)行了分析，我們標(biāo)出了幾個(gè)關(guān)鍵的詞匯：property（性質(zhì)）、stability（穩(wěn)定性）和portative（易攜帶）。這些關(guān)鍵詞給了我們一些研究方向、思路和簡(jiǎn)單構(gòu)想。

因?yàn)轭}目明確指出要求我們建造出1臺(tái)龍卷風(fēng)機(jī)，而先前的理論知識(shí)又超出了我們的理解范圍，于是我們決定先查找資料，了解國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究的現(xiàn)狀，重點(diǎn)便放在確定龍卷風(fēng)的性質(zhì)上。我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、圖書館查閱了大量關(guān)于龍卷風(fēng)的概念與形成機(jī)理，以及國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面的研究現(xiàn)狀，進(jìn)行了全面的整理、歸納、概括，并組織成文字，同時(shí)根據(jù)題目的要求建模，通過(guò)一次次討論計(jì)算，定下我們需要研究的參量與變量——切力、上升力、風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)量等，最后建立模型如圖1所示。

考慮變量，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在真正開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前，我們先在紙上繪制了機(jī)器的草稿，如圖2所示。之后經(jīng)過(guò)多次討論定下實(shí)驗(yàn)材料的相關(guān)數(shù)據(jù)，例如龍卷風(fēng)設(shè)備中玻璃板材料的長(zhǎng)寬高、抽風(fēng)機(jī)的數(shù)量、位置和進(jìn)風(fēng)量等。全部考慮清楚之后，再開(kāi)始采購(gòu)定制所需要的所有材料，例如，抽風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、有機(jī)玻璃板、超聲波霧化器等，并進(jìn)行組裝和實(shí)驗(yàn)，圖3所示為從網(wǎng)上采購(gòu)的各種材料。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)

在搭建完龍卷風(fēng)機(jī)器后，我們就開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。圖4所示為龍卷風(fēng)機(jī)器實(shí)驗(yàn)的圖片，在實(shí)驗(yàn)中我們選擇了多種合適的研究方法，如控制變量法、對(duì)照法等。圖4從左到右依次是產(chǎn)生穩(wěn)定的龍卷風(fēng)、半穩(wěn)定的龍卷風(fēng)（上部區(qū)域不穩(wěn)定）和不穩(wěn)定的龍卷風(fēng)。我們通過(guò)多次改變進(jìn)風(fēng)量、抽風(fēng)量，以及它們影響的風(fēng)速等實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行對(duì)照，通過(guò)計(jì)算并測(cè)量多組數(shù)據(jù)后繪制成表格，如表1所示。

另外，為了改變抽風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量，我們用硬紙板遮蓋抽風(fēng)機(jī)的一部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而模擬控制變量，以達(dá)到對(duì)比實(shí)驗(yàn)的效果。

誤差分析，得出結(jié)論

我們計(jì)算并測(cè)量了板間距離、抽風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量與風(fēng)速的關(guān)系。通過(guò)定義“stability” （穩(wěn)定性），認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù)，找出數(shù)據(jù)所反映出的共同規(guī)律，簡(jiǎn)要地得出了我們的定性定量?jī)煞矫娴慕Y(jié)論：當(dāng)板間距離更小、抽風(fēng)量更小時(shí)，形成穩(wěn)定的龍卷風(fēng)所需要的時(shí)間便會(huì)更長(zhǎng)；當(dāng)風(fēng)速v>0.44m/S時(shí)，能形成穩(wěn)定的龍卷風(fēng)；0.11 m/s

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)量中的不準(zhǔn)確及設(shè)備的不完善，實(shí)驗(yàn)中肯定存在一定的誤差，于是我們對(duì)于實(shí)驗(yàn)和理論中不盡如人意、還可以有提升空間之處進(jìn)行了提及與試圖修正，例如希望能夠改變板間距的寬度，希望能用更精確的方法測(cè)量風(fēng)速，希望能用更準(zhǔn)確的手段改變進(jìn)風(fēng)量與抽風(fēng)量等。

整理報(bào)告，準(zhǔn)備演講

光悶頭做實(shí)驗(yàn)還不行，我們還需要系統(tǒng)分析自己的研究結(jié)果，同時(shí)理清思路把自己的最終成果清晰地展示出來(lái)。由于比賽要求，我們需要對(duì)每道題作8分鐘的匯報(bào)演講。既要讓匯報(bào)完整清晰，又要簡(jiǎn)潔易懂，那么這個(gè)時(shí)候就考驗(yàn)我們的條理與思路了。所以，比賽前，我們?cè)俅瓮暾鼗仡櫿麄€(gè)課題，從題目分析、理論分析，到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與推進(jìn)，最后是結(jié)論與誤差分析，把整個(gè)過(guò)程清晰地呈現(xiàn)在我們匯報(bào)的幻燈片上，同時(shí)還模擬對(duì)手針對(duì)課題可能提出的疑問(wèn)并進(jìn)行模擬解答，為最終的比賽作好一切準(zhǔn)備。

比賽——拼實(shí)力唇槍舌劍

在緊張的準(zhǔn)備之后，終于迎來(lái)了比賽的日子。

在確定賽題后，首先是正方陳述環(huán)節(jié)。在呈現(xiàn)自己匯報(bào)成果的時(shí)候，如何與臺(tái)下裁判、觀眾交流，如何與對(duì)手交流都有一番技巧。比如語(yǔ)速要適中，才能讓大家聽(tīng)得清晰卻又不冗長(zhǎng)無(wú)力；在匯報(bào)中，多用圖或表格展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能更加形象地表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果；同時(shí)，我們還展示了真正的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與成果，讓人信服。8分鐘的陳述，我信心滿滿，從理論到實(shí)驗(yàn)，從制作到演示，充分展示了前期準(zhǔn)備成果，效果不錯(cuò)。

緊接著是對(duì)方的提問(wèn)環(huán)節(jié)。對(duì)方開(kāi)始狂轟濫炸，一堆“炮彈”向我飛來(lái)。其中典型的2個(gè)問(wèn)題是：①在實(shí)驗(yàn)中給出了不同風(fēng)速的結(jié)果，那么是如何測(cè)定風(fēng)速的？②龍卷風(fēng)外沿和內(nèi)沿有什么區(qū)別？

經(jīng)過(guò)短暫準(zhǔn)備后進(jìn)入辯論環(huán)節(jié)。對(duì)于第1個(gè)問(wèn)題，我早有準(zhǔn)備。因?yàn)闂l件限制，沒(méi)有準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)速的風(fēng)速計(jì)。但是，我們根據(jù)排風(fēng)扇給出的性能參數(shù)，可以計(jì)算出每分鐘排風(fēng)扇會(huì)抽走多少立方米的空氣，再用它除以龍卷風(fēng)機(jī)器四周縫隙的橫截面積，就可以估算出空氣流入的速度，也即估算出風(fēng)速了。對(duì)于第2個(gè)問(wèn)題，一開(kāi)始還是有點(diǎn)發(fā)懵。在仔細(xì)思考之后，這個(gè)問(wèn)題也不難。根據(jù)理論知識(shí)，在一定條件下速度環(huán)量u與半徑r成正比，因此外沿的風(fēng)速顯然大于內(nèi)沿的風(fēng)速，問(wèn)題就有了較好的答案。

在評(píng)委提問(wèn)環(huán)節(jié)，評(píng)委的問(wèn)題通常直擊要害。有評(píng)委提出：“龍卷風(fēng)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是什么？怎么判斷龍卷風(fēng)是否穩(wěn)定？”這個(gè)問(wèn)題確實(shí)有點(diǎn)難，可以說(shuō)打得人措手不及。我深吸一口長(zhǎng)氣，告訴自己一定要冷靜。龍卷風(fēng)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)不好定量分析，但是根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間觀察，能否形成穩(wěn)定的氣旋是關(guān)鍵。最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)演示和錄像解讀，基本上算是給了一個(gè)勉強(qiáng)答復(fù)吧。這個(gè)問(wèn)題也體現(xiàn)出我們還沒(méi)有考慮周全并且對(duì)某方面知識(shí)還有遺漏。

終于到了各方總結(jié)陳詞的環(huán)節(jié)，我也松了一口氣。比賽的過(guò)程緊張而有序，對(duì)我們每一個(gè)人不止是知識(shí)上的挑戰(zhàn)，更是參賽時(shí)心態(tài)的考驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)這次比賽，首先提升了我搜集分析文獻(xiàn)資料的能力。借助圖書館、網(wǎng)絡(luò)等工具查閱課題研究領(lǐng)域的大量文獻(xiàn)資料，從中了解課題的研究現(xiàn)狀、研究前沿及研究熱點(diǎn)，學(xué)習(xí)研究思路，掌握研究方法，為課題的開(kāi)展和順利進(jìn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次，我學(xué)會(huì)了開(kāi)展科學(xué)研究的基本方法。對(duì)提出問(wèn)題、作出猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、誤差分析等基本的科學(xué)研究方法有了更深層次的了解與認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)了在基本方法上利用有限的工具材料，使用切實(shí)可行的方法進(jìn)行高效率的探究。再次，還增強(qiáng)了我們團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作的合作精神。最初分配題目時(shí)，每個(gè)人都分到三四個(gè)題目的研究?jī)?nèi)容，雖然每人的課題不近相似，但我們?cè)谧龊米约赫n題研究的同時(shí)，也關(guān)注隊(duì)友的課題，討論會(huì)上大家積極建言獻(xiàn)策，相互啟發(fā)。我們6個(gè)人在賽場(chǎng)上互相鼓勵(lì)，互相配合，偶爾插科打諢也讓這幾個(gè)月的辛勤準(zhǔn)備和緊張比賽充滿了樂(lè)趣，我深深地為這樣一個(gè)優(yōu)秀隊(duì)伍感到驕傲和自豪。