古代農(nóng)具推動(dòng)演示儀

余斌

研究背景

我在長(zhǎng)期的小學(xué)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一方面湘教版科學(xué)教材中有許多古代農(nóng)具的運(yùn)轉(zhuǎn)、能量的利用、齒輪傳動(dòng)的運(yùn)用等知識(shí)點(diǎn)無(wú)法給學(xué)生講解清楚;另一方面當(dāng)小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)到石磨、石臼、石碾等古代農(nóng)具的內(nèi)容，我只能利用圖片進(jìn)行模糊的講解，無(wú)實(shí)物展示和運(yùn)轉(zhuǎn)演示，學(xué)生聽(tīng)得“云里來(lái)，霧里去”。為此，我想制作一臺(tái)古代農(nóng)具推動(dòng)演示儀，不僅能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)一些古代的農(nóng)具，了解古代勞動(dòng)人民如何利用水力驅(qū)動(dòng)農(nóng)具運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)省人力，而且通過(guò)演示電力推動(dòng)古代農(nóng)具的運(yùn)轉(zhuǎn)，其工作效率和水力推動(dòng)形成鮮明的比較，讓學(xué)生切實(shí)感受到科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步給人們生活帶來(lái)的便利。

設(shè)計(jì)制作

演示儀長(zhǎng)80cm、寬50cm、高50cm，絕大部分采用木料制作，部分采用榫卯結(jié)構(gòu)加工而成（圖1）。推動(dòng)演示儀設(shè)計(jì)水力推動(dòng)古代農(nóng)具（石臼、石碾）和電力（電機(jī)）推動(dòng)古代農(nóng)具（石臼、石碾、石磨）兩種模式。兩大推動(dòng)系統(tǒng)可獨(dú)立工作，也可同時(shí)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)集中演示和對(duì)比效果。同時(shí)，還制作了水力推動(dòng)木頭人，增加教具的趣味性。

水力推動(dòng)古代農(nóng)具部分

演示儀水力推動(dòng)農(nóng)具部分見(jiàn)圖2。采用循環(huán)水模式，用小水泵將水通過(guò)管道抽到高處，模擬高山（高處）水流下落的過(guò)程推動(dòng)水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪帶動(dòng)連桿（8mm螺絲桿代替）轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)相應(yīng)農(nóng)具的轉(zhuǎn)動(dòng)。

推動(dòng)石臼運(yùn)動(dòng)：用木料制作石臼、支架和木輪，木輪上安裝荷木小棒，運(yùn)用杠桿原理帶動(dòng)石臼運(yùn)動(dòng)。

推動(dòng)石碾運(yùn)動(dòng)：制作2個(gè)木齒輪，把連桿（螺絲桿）推力作90°的方向轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)石碾的平面運(yùn)動(dòng)。此部分是制作水力推動(dòng)部分成功與否的關(guān)鍵。

推動(dòng)小木人的運(yùn)動(dòng)：小木人在連桿帶動(dòng)下作前后運(yùn)動(dòng)。

制作此部分的關(guān)鍵點(diǎn)包括：①水流量的大小、速度決定是否能推動(dòng)石臼、石碾和小木頭人的運(yùn)轉(zhuǎn)，這是將水力（水能）轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;②抽水機(jī)將蓄水箱中的水抽到高處，需制作有機(jī)玻璃水箱，以利于搬動(dòng)和儲(chǔ)存水;③制作中要盡量減少摩擦力，可在需減少摩擦力和阻力的關(guān)鍵點(diǎn)使用軸承，使演示效果更明顯;④水輪推動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力要轉(zhuǎn)換90°方向，需經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和調(diào)試，才能轉(zhuǎn)換成平面推動(dòng)的力;⑤要統(tǒng)一考慮演示儀的尺寸及空間設(shè)計(jì)，以便為電力推動(dòng)農(nóng)具轉(zhuǎn)動(dòng)部分留下空間。

電力（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)古代農(nóng)具部分

電力（電機(jī)）帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)相應(yīng)農(nóng)具轉(zhuǎn)動(dòng)。電力（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)部分見(jiàn)圖3。

帶動(dòng)石碾轉(zhuǎn)動(dòng)：石碾的運(yùn)動(dòng)是平面轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又要帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，故使用雙輸出90°換向器，一路力的輸出經(jīng)過(guò)90°換向后帶動(dòng)石碾轉(zhuǎn)動(dòng)，一路力的輸出帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

帶動(dòng)石臼運(yùn)動(dòng)：通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)電機(jī)扭力大小、演示儀的空間大小，使用3個(gè)石臼及支架;同時(shí)制作3個(gè)木輪并安裝上小荷木棍，運(yùn)用杠桿原理推動(dòng)石臼運(yùn)動(dòng)。

帶動(dòng)石磨轉(zhuǎn)動(dòng)：石磨運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)，同樣涉及90°方向力的換向后的推動(dòng)問(wèn)題。采用2個(gè)木齒輪作90°力的換向，然后再推動(dòng)石磨轉(zhuǎn)動(dòng)。石磨用形象逼真的樹(shù)脂材料制作。

制作此部分的關(guān)鍵點(diǎn)包括：①考慮到演示儀用電安全性，要選擇合適的小電機(jī)且電機(jī)扭力要大，電機(jī)和水泵均采用12V直流電壓，并選用方便、安全、大功率的開(kāi)關(guān)電源②小電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要帶動(dòng)連桿（仍然使用8mm螺絲桿作連桿）的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)和螺絲桿使用軟軸連接器;③考慮到空間問(wèn)題，3個(gè)石臼和木齒輪（作為石磨的換向器）的尺寸要合適;④本部分電力驅(qū)動(dòng)涉及材料多、空間小、有2次換向等問(wèn)題，要充分考慮作品空間的安排。

附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)思考

考慮到密封問(wèn)題和美觀性，制作水箱時(shí)采用專(zhuān)用四氯化碳黏結(jié)劑，同時(shí)在水箱內(nèi)安裝12V自變光發(fā)光二極管，連接在開(kāi)關(guān)電源上;考慮作品的安全宣傳和教育性，在作品空間較高處用銅線和焊錫制作安全設(shè)施——樓梯和銅線欄桿;對(duì)工件上漆和上色，以便作品的長(zhǎng)期保存及美觀。

教學(xué)用途與方法

水力推動(dòng)古代農(nóng)具工作部分

使用方法：打開(kāi)左側(cè)水泵開(kāi)關(guān)，將有機(jī)玻璃水箱中的水通過(guò)管道抽到高處，模擬自然界的高山（高處）流水，水流往下流推動(dòng)水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪轉(zhuǎn)動(dòng)再推動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)。一是帶動(dòng)水箱外的木輪工作，使石臼杠桿做上下運(yùn)動(dòng);二是通過(guò)2個(gè)木齒輪作90°力的運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)變，帶動(dòng)下方石碾工作;三是可帶動(dòng)小木人做前后運(yùn)動(dòng)，增加了科技作品的趣味性。此部分可以很好地向?qū)W生展示水能機(jī)械能轉(zhuǎn)換、杠桿原理、傳動(dòng)中力是如何改變運(yùn)動(dòng)方向的。

電力（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)農(nóng)具工作部分

使用方法：打開(kāi)左側(cè)電機(jī)開(kāi)關(guān)，帶動(dòng)連桿工作。一方面，連桿通過(guò)換向器將一部分力傳送到上部，推動(dòng)石碾工作;另一方面，通過(guò)換向器將另外一部分力通過(guò)連桿傳送，連桿上安裝的3個(gè)木齒輪相應(yīng)地帶動(dòng)3個(gè)石臼杠桿運(yùn)動(dòng)，3個(gè)石臼作延時(shí)上下運(yùn)動(dòng);與此同時(shí)，通過(guò)木齒輪作90°力的換向，帶動(dòng)上方的石磨做平面運(yùn)動(dòng)。關(guān)閉電機(jī)開(kāi)關(guān)，此部分停止工作。

本演示儀的2部分同時(shí)工作時(shí)，一部分是水力推動(dòng)（古代人們解放人力的方法之一）古代農(nóng)具工作，效率不高;另一部分是電力（現(xiàn)代人們解放人力的方法之一）推動(dòng)古代農(nóng)具工作，效率高，2部分有比較明顯的對(duì)比效果。

創(chuàng)新點(diǎn)

作品在制作中運(yùn)用了比較多的科學(xué)原理，如杠桿的工作原理、齒輪傳動(dòng)的工作原理、水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的原理、電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的原理、力轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)方向的原理等，在講授相關(guān)知識(shí)時(shí)均可作為演示教具。

作品沒(méi)有采用自來(lái)水，而是使用循環(huán)水，節(jié)約了水資源。

作品制作有安全欄桿和樓梯，是潛移默化的安全教育作品。