一款適用于中學(xué)地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的降雨器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳曉月

摘 要：地理實(shí)踐是中學(xué)地理教育的重要教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，而缺少科學(xué)、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，是目前開展地理實(shí)踐活動(dòng)中普遍存在的問題。文章介紹了降雨器的基本結(jié)構(gòu)、控制方法，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可自制、可定量模擬雨量及雨強(qiáng)的降雨器，并探討其在相關(guān)實(shí)踐探究活動(dòng)中的應(yīng)用，可以提升教學(xué)內(nèi)容精細(xì)程度、增加學(xué)習(xí)思維深度。

關(guān)鍵詞：地理實(shí)驗(yàn)教學(xué);降雨器;控制方法

地理實(shí)踐力培養(yǎng)，是現(xiàn)階段高中地理課程改革的亮點(diǎn)之一。地理學(xué)科綜合性的特點(diǎn)，決定了在現(xiàn)實(shí)的自然與社會(huì)環(huán)境中存在大量的實(shí)踐素材，它們是教師教學(xué)的重要資源庫，也是培育學(xué)生地理素養(yǎng)的生動(dòng)資源庫。目前的地理實(shí)踐教學(xué)，多在教師個(gè)體或校本層面開展，這些活動(dòng)開發(fā)了豐富多樣的實(shí)踐內(nèi)容，但橫向?qū)Ρ纫研纬赏暾麑?shí)驗(yàn)教學(xué)體系的理、化、生等科目，依然顯得零散隨意。要讓全體學(xué)生的地理實(shí)踐力素養(yǎng)得到發(fā)展，選擇部分經(jīng)典的地理實(shí)驗(yàn)，建立一套比較統(tǒng)一的、自上而下的地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是有必要的。而要成為經(jīng)典的地理實(shí)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)、操作必須是科學(xué)的、規(guī)范的，實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果是能夠重復(fù)的，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備提出了更精細(xì)的要求。

在2017年的《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施建議中列舉了“不同地表覆被的水源涵養(yǎng)、水土保持功能探究”這一經(jīng)典模擬實(shí)驗(yàn)[1]，要求實(shí)驗(yàn)過程中控制降水量、降水強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)條件。但過去應(yīng)用于中學(xué)的模擬降雨器都比較簡單粗糙（一般用噴壺或打有孔洞的鐵筒），難以實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨條件的準(zhǔn)確控制。而應(yīng)用于科學(xué)研究的人工模擬降雨器，如降雨大廳、野外便攜式降雨器等，由于規(guī)模大、造價(jià)高，對(duì)于中學(xué)而言，并不適用。因此，有必要研制一種低成本、可定量控制、師生能自制的降雨器。

一、降雨器的基本結(jié)構(gòu)與控制方法

1.基本結(jié)構(gòu)

降雨器是可以模仿自然降雨過程的實(shí)驗(yàn)儀器，與自然降雨的不可重復(fù)性不同，人工降雨器可以建立相同降雨條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，為揭示降雨與地表水文、土壤侵蝕、地貌發(fā)育、水源涵養(yǎng)等諸多自然過程之間的機(jī)理，提供了必要的實(shí)驗(yàn)支撐[2]。降雨器的基本結(jié)構(gòu)簡單地說，與平常使用的花灑噴壺是相似的，應(yīng)包括具有儲(chǔ)水功能的壺身（儲(chǔ)水器）、將水流分散成若干水滴的壺嘴（噴頭）以及將水從壺身輸往壺口的壺管（輸水管）三個(gè)基本組件。與花灑不同的是，降雨器具有一套可以控制水量多少（雨量）、出水快慢（雨強(qiáng)）等條件的控制系統(tǒng)。

2.降雨量的控制方法

降雨量，指降水的多少，用單位面積上的降水深度（單位/mm）表示。一般而言，自制降雨器水壓較小，噴頭的水滴不會(huì)噴散張開，降水垂直滴落，可測量噴頭出水面積作為降雨覆蓋面積。在噴頭面積確定的情況下，降水深度只與儲(chǔ)水器中水的體積有關(guān)，如噴頭面積為100cm2，實(shí)驗(yàn)需要10mm的降雨量，則只需在儲(chǔ)水器中量入100ml的水量，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)雨量10mm的控制。

3.降雨強(qiáng)度的控制方法

雨強(qiáng)是衡量單位時(shí)間內(nèi)降雨量大小的指標(biāo)，表示降雨快慢，單位為mm/h，實(shí)驗(yàn)中也可用mm/min來衡量。與雨量的控制方法相比，降雨強(qiáng)度的控制要復(fù)雜一些。要實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨強(qiáng)度的控制，筆者根據(jù)基本物理常識(shí)結(jié)合相關(guān)實(shí)踐，認(rèn)為可通過表1所示的4個(gè)思路對(duì)雨強(qiáng)進(jìn)行定性到定量的控制。

二、自制降雨器的結(jié)構(gòu)與功能及定量控制方法

1.自制降雨器的結(jié)構(gòu)與功能

綜合以上思路，設(shè)計(jì)并制作出了一種可定量控制的降雨器（圖1a、圖1b），其由儲(chǔ)水器、帶泵的進(jìn)/回水管、穩(wěn)壓箱、若干輸水細(xì)管、噴頭、支撐噴頭的降雨支架、可調(diào)節(jié)高度的穩(wěn)壓箱及支架等幾部分組成（圖1）。各部分功能如表2。

2.自制降雨器的定量控制方法

雨量的定量控制，與上述一般降雨器的方法一致，即測量噴頭面積后，根據(jù)所需的降水深度，求算需水量，使用量具量取后，注入儲(chǔ)水箱即可。但應(yīng)注意的是，在儲(chǔ)水器中量入降雨所需水量的同時(shí)，還應(yīng)將所有管道的開關(guān)關(guān)閉，再在穩(wěn)壓箱中加入水，使水面到達(dá)穩(wěn)壓面的位置，再開始實(shí)驗(yàn);當(dāng)儲(chǔ)水器中的水全部抽干時(shí)，應(yīng)迅速關(guān)閉所有開關(guān)，這樣就保證了儲(chǔ)水箱中的水量全部穩(wěn)定地輸出到噴頭中，而穩(wěn)壓箱中依然保留著等量的水，使實(shí)驗(yàn)雨量不受影響。

雨強(qiáng)的定量控制，需要綜合前面的幾條思路。該自制降雨器制作了一個(gè)可以調(diào)節(jié)儲(chǔ)水箱高度的支架，每升高10cm為一個(gè)檔位，共5個(gè)檔位，來調(diào)節(jié)管道兩端的水壓;在穩(wěn)壓箱上安裝了20根帶開關(guān)的醫(yī)用輸液管，調(diào)整打開開關(guān)的輸液管根數(shù)，可控制進(jìn)入噴頭水量（圖1c）;拔掉或套上輸液管前端的細(xì)管（圖1d），即可得到兩種不同大小的流量。最后通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，分別測定不同檔位下單根粗管、單根細(xì)管的流量均值，得到表3。

通過上表參數(shù)，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)定量模擬降雨的方案。如需要模擬一場雨量為20mm，雨強(qiáng)為40mm/h的降雨，該降雨器的噴頭面積為2 826cm2，則需要在儲(chǔ)水箱內(nèi)注入5 652ml（即2 826cm2×20mm）的水量;40mm/h的雨強(qiáng)，即需要將固定的5 652ml的水量30min降完，每分鐘需輸水188.4ml?？梢酝ㄟ^多種方案接近這一要求，如在1檔高度處打開2根粗管（191.6ml/min），或3檔高度處打開1根粗管和1根細(xì)管（191.3ml/min），由此便實(shí)現(xiàn)了對(duì)雨強(qiáng)的近似控制。

實(shí)驗(yàn)者也可以通過選擇其他管徑的輸水管，不斷調(diào)整穩(wěn)壓箱高度，找到單根管輸水量正好為1個(gè)單位雨強(qiáng)（1mm/h）的高度位置，即可在固定的高度處通過調(diào)整輸水管根數(shù)，更加精確地模擬不同雨強(qiáng)的降水情況。

3.自制降雨器的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

降雨器在進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠控制多次降雨條件基本保持一致的性能，即穩(wěn)定性，是一項(xiàng)重要性能。為測試該降雨器的穩(wěn)定性，進(jìn)行了5種降雨條件的模擬，且每種條件進(jìn)行6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。雨量的誤差基本只與量取水量的操作過程相關(guān)，不做統(tǒng)計(jì)。雨強(qiáng)的測評(píng)結(jié)果（表4）顯示，該降雨器模擬的降雨強(qiáng)度接近于模擬目標(biāo)。因此，可以認(rèn)為該降雨器基本能滿足中學(xué)地理教學(xué)相關(guān)內(nèi)容的實(shí)證與探究性學(xué)習(xí)的需求。

三、降雨器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用例舉

結(jié)合初高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)，利用該款降雨器可設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

1.雨量桶的基本工作原理及應(yīng)用方法

初中地理中涉及降水的測量儀器、雨量桶的使用方法、降雨的等級(jí)分類等內(nèi)容，常規(guī)的教學(xué)一般只是將這些知識(shí)以概念性的方式傳輸，學(xué)生缺少感官性的體驗(yàn)及深度的思考。如果將其轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行教學(xué)，可進(jìn)行這樣的設(shè)計(jì)：教師先將降雨器安置好，在降雨器噴頭正下方放置一個(gè)口徑與噴頭直徑一致的透明圓形容器，在降雨器的儲(chǔ)水箱中注入一定量的水，打開泵的開關(guān)，噴頭開始降水，圓形容器中收集到的雨水不斷上升。降水持續(xù)一段時(shí)間后，關(guān)閉開關(guān)，降水結(jié)束，教師此時(shí)可提問：這是一次模擬的降水，那么可以通過哪些量來描述這次降水的多少呢？學(xué)生望著圓形容器可能會(huì)回答，用重量、體積、深度等。教師可就學(xué)生回答繼續(xù)追問，如果某地區(qū)降了一場雨，那么是否有辦法將這次的全部降水收集起來，測量它的體積或重量呢？教師告訴學(xué)生最恰當(dāng)?shù)拇鸢甘恰吧疃取辈⒆鋈缦陆忉專喝绻谀车貐^(qū)放置一個(gè)直壁容器，一場降雨后，容器內(nèi)水深為20mm，那么，就可以估計(jì)在這一容器周邊各地區(qū)的降水深度也大致是20mm。問答到此，教師即可用常規(guī)教學(xué)的方式介紹降水的測量儀器、基本結(jié)構(gòu)、使用方法等。之后，教師可帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行一個(gè)拓展小練習(xí)：一片1公頃的耕地上，放置的雨量桶在一場降雨后測得該次降水為10mm，估計(jì)該次降水，這片耕地獲得多少體積的水資源？通過這一練習(xí)，可以檢測學(xué)生對(duì)雨量桶的原理及應(yīng)用的掌握情況，并將知識(shí)與實(shí)際生活結(jié)合，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。

對(duì)于降雨等級(jí)的教學(xué)，教師可在儲(chǔ)水箱中量入等量的水，分別以氣象標(biāo)準(zhǔn)中的小、中、大、暴雨的雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，將相同的水量以不同的雨強(qiáng)降下，學(xué)生通過觀察，便可區(qū)別雨量、雨強(qiáng)的概念。在掌握了降水等級(jí)之后，學(xué)生還可能學(xué)會(huì)如何通過制作簡易雨量桶、計(jì)時(shí)來測量降雨的強(qiáng)度，并為其定級(jí)的方法。這樣做花費(fèi)的時(shí)間較多，但對(duì)于以講“地”為主的初中地理而言，適合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的內(nèi)容并不多，適當(dāng)花費(fèi)一些時(shí)間在可以活動(dòng)的內(nèi)容上，既有意思，又有意義。

2.地表產(chǎn)流與水源涵養(yǎng)、水土保持

關(guān)于地表覆被與水土流失的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)常見且經(jīng)典的地理實(shí)驗(yàn)。教師利用這一實(shí)驗(yàn)來說明植被具有保持水土的作用，進(jìn)而延伸地表植被的重要性或治理水土流失的措施。這一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的是一些淺顯的道理，在小學(xué)、初中是可行的，但對(duì)于高中而言就顯得浪費(fèi)時(shí)間和精力[3]。使用該降雨器，可以對(duì)這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣?，以適應(yīng)高中生的學(xué)習(xí)需要。如在學(xué)習(xí)水循環(huán)過程、各類陸地水體之間的關(guān)系、洪澇災(zāi)害、水土保持等相關(guān)內(nèi)容時(shí)，可以選擇兩個(gè)口徑與降水噴頭等大的容器，在容器內(nèi)裝入土壤，一個(gè)為裸土，另一個(gè)栽種灌木和草本，將兩個(gè)裝置放置一兩年的時(shí)間，并保證植物成活，使裝置內(nèi)土壤緊實(shí)度與自然土壤類似。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將兩裝置分別放置在噴頭下，并設(shè)計(jì)一個(gè)收集地表徑流的裝置，將地表徑流引入一個(gè)量具中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地表徑流的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象接受的雨量、雨強(qiáng)是一致的，所以單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)對(duì)象的水量是已知的，通過觀察記錄單位時(shí)間內(nèi)徑流量的變化，可求算出下滲量的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)下滲量動(dòng)態(tài)變化的間接觀察。教師可以指導(dǎo)學(xué)生記錄兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象地表徑流量、下滲流量、雨量的動(dòng)態(tài)變化，并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)兩個(gè)對(duì)象的幾條曲線進(jìn)行對(duì)比分析。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)和分析的過程中，學(xué)生能夠在活動(dòng)中生動(dòng)、自主地認(rèn)識(shí)到超滲產(chǎn)流、蓄滿產(chǎn)流等概念，并發(fā)現(xiàn)植被通過攔蓄、截留、增加土壤孔隙等方式，增加入滲量，減少地表徑流量，減少水土流失等水源涵養(yǎng)、水土保持的一般機(jī)理。

3. 城市硬質(zhì)地面產(chǎn)流閾值范圍測量

城市道路設(shè)施積水，是大城市雨季經(jīng)常遇到的問題，這與城市建設(shè)中大量采用不透水的硬質(zhì)地面有很大關(guān)系。教師可以通過研究性學(xué)習(xí)、綜合實(shí)踐活動(dòng)等途徑，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用降雨器開展相關(guān)的研究活動(dòng)。在活動(dòng)中，可將降雨器搬至戶外，選擇不同的硬質(zhì)地面，如細(xì)顆粒、粗顆粒的柏油路面、石磚路面、水泥路面、透水磚路作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在不同的雨強(qiáng)、雨量條件下，觀察這些地面的產(chǎn)流狀況，并尋找不同地面產(chǎn)生線狀或面狀徑流的雨量、雨強(qiáng)閾值，為城市道路積水預(yù)警，提供一些數(shù)據(jù)依據(jù)。如果在山區(qū)，則可選擇某一小流域，通過土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)查，不同土地類型的產(chǎn)流閾值測量，以此來估計(jì)山洪是否可能發(fā)生。

四、不足與展望

本文介紹了一款可實(shí)現(xiàn)定量控制的模擬降雨器，但因?yàn)槭鞘止ぶ谱?，沒有統(tǒng)一的制作工藝與規(guī)格，以上測定的數(shù)據(jù)，只適合于本臺(tái)降雨器，按照本方法制作的降雨器，都需要通過煩瑣的重復(fù)實(shí)驗(yàn)來測定新的參數(shù)。雖然該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)雨量、雨強(qiáng)的定量控制，但操作比較麻煩，且較笨重，為課堂應(yīng)用帶來了不便。因此，實(shí)踐者們可在這一思路的基礎(chǔ)上，或簡化、或細(xì)化這一設(shè)計(jì)，制作滿足個(gè)人教學(xué)或研究需要的模擬降雨設(shè)備。

目前，中學(xué)地學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還處于起步階段，科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備還很缺乏，廣大師生應(yīng)以新一輪的高中課改為契機(jī)，不斷實(shí)踐創(chuàng)新，豐富適用于中學(xué)地理教學(xué)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，推動(dòng)中學(xué)地理實(shí)驗(yàn)課程向科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

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