自制實(shí)驗(yàn)裝置及其在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

謝翠霞

本論文介紹了太陽能龍骨水車與舂米機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特點(diǎn)，先描述了太陽能龍骨水車與舂米機(jī)聯(lián)動裝置的制作過程，同時(shí)探究了太陽能龍骨水車與舂米機(jī)聯(lián)動裝置的科學(xué)原理，最后通過太陽能龍骨水車與舂米機(jī)聯(lián)動裝置的巧妙結(jié)合，簡單闡述了古代科技與現(xiàn)代科技的創(chuàng)新點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)。

對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，水的重要性不言而喻。中國有幾千年農(nóng)耕文明的歷史，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，中國古人發(fā)明了桔槔、轆轤、翻車、筒車、戽斗、刮車等提水工具，以幫助農(nóng)業(yè)灌溉，其中有些工具在今天的一些鄉(xiāng)村仍然在使用。

龍骨水車的歷史演變結(jié)合古今科技上下一千八百年。世界首創(chuàng)太陽能龍骨水車是利用太陽能（光發(fā)電）就可以抽水的龍骨水車，傳承中國古代科技，結(jié)合1800年前的先賢智慧，開創(chuàng)新的功能，承先啟后，以第五代形式重現(xiàn)于世。

舂米機(jī)又叫水輪車，是以水流做動力的傳統(tǒng)機(jī)械裝置，多用以帶動米碓、石磨、石碾等。它是古代勞動人民利用水力資源來服務(wù)人類的杰作，這對于提高當(dāng)時(shí)的勞動效率和農(nóng)業(yè)效益，起了巨大的作用。早在漢朝時(shí)，水輪車就被廣泛應(yīng)用于帶動水碓舂米。

太陽能板（也叫太陽能電池組件）由若干個(gè)太陽能電池片，按一定方式組裝在一塊板上的組裝件。通過晶體硅n/p型太陽電池的工作原理，當(dāng)p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體緊密結(jié)合、連成一塊時(shí)，在兩者的交界面處就形成p-n結(jié);當(dāng)光電池被太陽光照射時(shí)，在p-n結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生了光生電壓，形成了內(nèi)建電場。這就是“光生伏特效應(yīng)”。

一、原理分析

作品中的舂米機(jī)利用的流體力學(xué)、杠桿及重心轉(zhuǎn)移;龍骨水車中的鏈傳動;太陽能電路板、水泵涉及的電路原理及多個(gè)能量的轉(zhuǎn)換。

舂米機(jī)是通過三個(gè)立式小杯筒分別與三個(gè)舂米重錘在一條桿上，桿中間有一條鋼鐵線作杠桿的支點(diǎn)，利用重心轉(zhuǎn)移和杠桿的原理。桿的一端與小杯筒結(jié)合固定在一起，當(dāng)龍骨水車排出的水落到三個(gè)立式的小杯筒上，小杯筒由于水的增加，重心的上移使小杯筒失去平衡，從而倒出杯里的水。由于小杯筒添加了橡皮泥，形成了一個(gè)不倒翁，始終呈立式杯筒，進(jìn)行裝水。桿的另一端連接圓臺狀的橡膠塞，小杯筒的水不停地裝水與倒出，使帶橡膠塞為重錘的舂米桿一起一落地進(jìn)行舂米。

太陽能龍骨水車主要是由主動齒輪、從動齒輪、有機(jī)玻璃鏈、水、有機(jī)玻璃刮板、馬達(dá)提供動力等組成，節(jié)節(jié)鏈似根根龍骨，它的龍骨葉板置于矩形長槽中，太陽能龍骨水車斜置水槽邊，下鏈輪和車身一部分浸入水中，驅(qū)動鏈輪、葉板，沿糟刮水上升，到水槽上端將水送出，傳動裝置由馬達(dá)拉動主動齒輪帶動從動齒輪轉(zhuǎn)動，利用鏈傳動原理。

太陽能龍骨水車與舂米機(jī)聯(lián)動裝置的重點(diǎn)在于機(jī)械結(jié)構(gòu)，電路則是采用最簡單的電路，1.太陽能電路板直接為充電寶充電;2.充電寶直接連接一個(gè)電機(jī)和水泵形成的并聯(lián)電路，中間通過一個(gè)撥動開關(guān)來控制電路的通斷。

太陽能電路板將光能轉(zhuǎn)換成儲存在充電寶的電能，通過充電寶釋放電能轉(zhuǎn)換成馬達(dá)的動能，馬達(dá)帶動龍骨水車轉(zhuǎn)動，將低處的水轉(zhuǎn)移到高處，轉(zhuǎn)換成水的重力勢能。水通過水道落到杵桿的小杯轉(zhuǎn)換成舂米機(jī)的機(jī)械能，進(jìn)行舂米，同時(shí)，充電寶釋放的電能轉(zhuǎn)換成水泵的機(jī)械能，將舂米機(jī)低處的水抽到高處的水槽中，形成重力勢能，從而實(shí)現(xiàn)裝置系統(tǒng)的水的循環(huán)。

二、制作過程

1.舂米機(jī)的制作過程：舂杵、杵桿的制作，底座及杵桿支撐架的固定，舂米機(jī)接水水道的制作，舂米機(jī)水槽的制作。

2.太陽能龍骨水車的制作過程：軟件繪圖零件切割，龍骨水板黏合，龍骨鏈的鏈接連接，外殼組裝及齒輪安裝，馬達(dá)固定，水槽制作，電力水泵的連接。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

1.巧妙地將古代機(jī)械龍骨水車與舂米機(jī)有機(jī)結(jié)合一起，以現(xiàn)代科技動力太陽能電路板提供給馬達(dá)為動力系統(tǒng)，將古代科技與現(xiàn)代科技有機(jī)結(jié)合起來，形成一個(gè)具有古今科技的創(chuàng)新作品。

2.采用光能轉(zhuǎn)換為電能，動力能源豐富，綠色節(jié)能的能源更具環(huán)保性。

3.展現(xiàn)了多種能（光能—電能—動能—重力勢能—機(jī)械能）的轉(zhuǎn)換。

4.實(shí)現(xiàn)了水循環(huán)。水車水槽的水，通過龍骨水車，由低處轉(zhuǎn)移到高處的舂米機(jī)水道，再通過水道流入杵桿小杯，從而使小杯重心上升，倒出水，流入舂米機(jī)水槽，舂米機(jī)水槽的水由水泵再次抽到水車水槽中，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)。

四、實(shí)驗(yàn)裝置在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.本裝置中的豎立不倒的小杯運(yùn)用了不倒翁的重心轉(zhuǎn)移的原理，可以結(jié)合本裝置來介紹不倒翁及教學(xué)動手制作不倒翁。

2.本裝置可以應(yīng)用在小學(xué)科學(xué)四年級的《電與電路》一單元中，通過對作品的操作、展示，更加形象具體地向?qū)W生介紹一個(gè)完整的電路需要有電源、導(dǎo)線、用電器（馬達(dá)和水泵）、開關(guān)，以及各元件在電路中的作用。例如開關(guān)是控制整個(gè)裝置電流的通與斷，從而決定電器是否正常運(yùn)行。結(jié)合本裝置進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生更能深刻體會到每個(gè)電路元件在電路中的作用，也通過對裝置電路的連接，讓學(xué)生直觀地感受到并聯(lián)電路與串聯(lián)電路的異同。

3.借助本裝置用于小學(xué)科學(xué)五年級中《各種各樣的能量》及小學(xué)科六年級《能量及其轉(zhuǎn)換》兩個(gè)單元的深入學(xué)習(xí)，通過采用演示教學(xué)方法、觀察法、動手操作等教學(xué)方法，讓學(xué)生身臨其境，親身體會、觀察到各種能量的形成，更加生動、形象、具體地體現(xiàn)出各種能量的產(chǎn)生及其存在的形式，把抽象的能量概念變成實(shí)實(shí)在在的、可以觀察到、可以觸摸到的各種能量。例如裝置中的水的重力勢能、馬達(dá)水泵的機(jī)械能、龍骨水車的動能、太陽光的光能、電路板的電能等等能量及其形式。也可以通過演示法，讓學(xué)生真實(shí)體會到各種能量之間轉(zhuǎn)換的奧秘，激起學(xué)生對能量這一抽象單元的學(xué)習(xí)興趣。

4.在小學(xué)科學(xué)六年級的《機(jī)械與工具》《機(jī)械的好幫手》單元中，涉及古代農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中的龍骨水車及舂米機(jī)的認(rèn)識，了解其工作方式和原理，整個(gè)裝置采用透明有機(jī)玻璃板，能清晰明了地觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)理，大大克服了因?yàn)槭軋龅?、場所或教學(xué)經(jīng)費(fèi)，以及古代機(jī)械采用的木質(zhì)不透明材料帶來的授課困難。本裝置是一個(gè)古代機(jī)械的縮小版，直接進(jìn)入課堂進(jìn)行展示觀察授課。且能很好地展示本單元涉及的《杠桿》一課中形成杠桿的三要素，快速直觀地展現(xiàn)杠桿的秘密及作用。本裝置中的龍骨水車的主、從動齒輪的鏈傳動，也充分地向?qū)W生闡釋了《傳動的齒輪》一課中大小齒輪及其傳動的工作方式與形式。

5.整個(gè)裝置經(jīng)過系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了水的循環(huán)，可以應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)中的一個(gè)小型生態(tài)平衡的認(rèn)識、介紹與推廣。

【作者單位：中山市實(shí)驗(yàn)小學(xué)藍(lán)波灣學(xué)校? 廣東】