自制实验装置及其在科学教学中的应用

谢翠霞

本论文介绍了太阳能龙骨水车与舂米机的结构特点和性能特点，先描述了太阳能龙骨水车与舂米机联动装置的制作过程，同时探究了太阳能龙骨水车与舂米机联动装置的科学原理，最后通过太阳能龙骨水车与舂米机联动装置的巧妙结合，简单阐述了古代科技与现代科技的创新点与优点。

对农业生产来说，水的重要性不言而喻。中国有几千年农耕文明的历史，在农业生产中，中国古人发明了桔槔、辘轳、翻车、筒车、戽斗、刮车等提水工具，以帮助农业灌溉，其中有些工具在今天的一些乡村仍然在使用。

龙骨水车的历史演变结合古今科技上下一千八百年。世界首创太阳能龙骨水车是利用太阳能（光发电）就可以抽水的龙骨水车，传承中国古代科技，结合1800年前的先贤智慧，开创新的功能，承先启后，以第五代形式重现于世。

舂米机又叫水轮车，是以水流做动力的传统机械装置，多用以带动米碓、石磨、石碾等。它是古代劳动人民利用水力资源来服务人类的杰作，这对于提高当时的劳动效率和农业效益，起了巨大的作用。早在汉朝时，水轮车就被广泛应用于带动水碓舂米。

太阳能板（也叫太阳能电池组件）由若干个太阳能电池片，按一定方式组装在一块板上的组装件。通过晶体硅n/p型太阳电池的工作原理，当p型半导体与n型半导体紧密结合、连成一块时，在两者的交界面处就形成p-n结；当光电池被太阳光照射时，在p-n结两侧形成了正、负电荷的积累，产生了光生电压，形成了内建电场。这就是“光生伏特效应”。

一、原理分析

作品中的舂米机利用的流体力学、杠杆及重心转移；龙骨水车中的链传动；太阳能电路板、水泵涉及的电路原理及多个能量的转换。

舂米机是通过三个立式小杯筒分别与三个舂米重锤在一条杆上，杆中间有一条钢铁线作杠杆的支点，利用重心转移和杠杆的原理。杆的一端与小杯筒结合固定在一起，当龙骨水车排出的水落到三个立式的小杯筒上，小杯筒由于水的增加，重心的上移使小杯筒失去平衡，从而倒出杯里的水。由于小杯筒添加了橡皮泥，形成了一个不倒翁，始终呈立式杯筒，进行装水。杆的另一端连接圆台状的橡胶塞，小杯筒的水不停地装水与倒出，使带橡胶塞为重锤的舂米杆一起一落地进行舂米。

太阳能龙骨水车主要是由主动齿轮、从动齿轮、有机玻璃链、水、有机玻璃刮板、马达提供动力等组成，节节链似根根龙骨，它的龙骨叶板置于矩形长槽中，太阳能龙骨水车斜置水槽边，下链轮和车身一部分浸入水中，驱动链轮、叶板，沿糟刮水上升，到水槽上端将水送出，传动装置由马达拉动主动齿轮带动从动齿轮转动，利用链传动原理。

太阳能龙骨水车与舂米机联动装置的重点在于机械结构，电路则是采用最简单的电路，1.太阳能电路板直接为充电宝充电；2.充电宝直接连接一个电机和水泵形成的并联电路，中间通过一个拨动开关来控制电路的通断。

太阳能电路板将光能转换成储存在充电宝的电能，通过充电宝释放电能转换成马达的动能，马达带动龙骨水车转动，将低处的水转移到高处，转换成水的重力势能。水通过水道落到杵杆的小杯转换成舂米机的机械能，进行舂米，同时，充电宝释放的电能转换成水泵的机械能，将舂米机低处的水抽到高处的水槽中，形成重力势能，从而实现装置系统的水的循环。

二、制作过程

1.舂米机的制作过程：舂杵、杵杆的制作，底座及杵杆支撑架的固定，舂米机接水水道的制作，舂米机水槽的制作。（图3-5）

2.太阳能龙骨水车的制作过程：软件绘图零件切割，龙骨水板黏合，龙骨链的链接连接，外壳组装及齿轮安装，马达固定，水槽制作，电力水泵的连接（图6-7）。

三、创新点（图9装置全图）

1.巧妙地将古代机械龙骨水车与舂米机有机结合一起，以现代科技动力太阳能电路板提供给马达为动力系统，将古代科技与现代科技有机结合起来，形成一个具有古今科技的创新作品。

2.采用光能转换为电能，动力能源丰富，绿色节能的能源更具环保性。

3.展现了多种能（光能—电能—动能—重力势能—机械能）的转换。

4.实现了水循环。水车水槽的水，通过龙骨水车，由低处转移到高处的舂米机水道，再通过水道流入杵杆小杯，从而使小杯重心上升，倒出水，流入舂米机水槽，舂米机水槽的水由水泵再次抽到水车水槽中，实现水循环。

四、实验装置在小学科学教学中的应用

1.本装置中的竖立不倒的小杯运用了不倒翁的重心转移的原理，可以结合本装置来介绍不倒翁及教学动手制作不倒翁。

2.本裝置可以应用在小学科学四年级的《电与电路》一单元中，通过对作品的操作、展示，更加形象具体地向学生介绍一个完整的电路需要有电源、导线、用电器（马达和水泵）、开关，以及各元件在电路中的作用。例如开关是控制整个装置电流的通与断，从而决定电器是否正常运行。结合本装置进行教学，学生更能深刻体会到每个电路元件在电路中的作用，也通过对装置电路的连接，让学生直观地感受到并联电路与串联电路的异同。

3.借助本装置用于小学科学五年级中《各种各样的能量》及小学科六年级《能量及其转换》两个单元的深入学习，通过采用演示教学方法、观察法、动手操作等教学方法，让学生身临其境，亲身体会、观察到各种能量的形成，更加生动、形象、具体地体现出各种能量的产生及其存在的形式，把抽象的能量概念变成实实在在的、可以观察到、可以触摸到的各种能量。例如装置中的水的重力势能、马达水泵的机械能、龙骨水车的动能、太阳光的光能、电路板的电能等等能量及其形式。也可以通过演示法，让学生真实体会到各种能量之间转换的奥秘，激起学生对能量这一抽象单元的学习兴趣。

4.在小学科学六年级的《机械与工具》《机械的好帮手》单元中，涉及古代农业机械当中的龙骨水车及舂米机的认识，了解其工作方式和原理，整个装置采用透明有机玻璃板，能清晰明了地观察其内部结构及工作运转的机理，大大克服了因为受场地、场所或教学经费，以及古代机械采用的木质不透明材料带来的授课困难。本装置是一个古代机械的缩小版，直接进入课堂进行展示观察授课。且能很好地展示本单元涉及的《杠杆》一课中形成杠杆的三要素，快速直观地展现杠杆的秘密及作用。本装置中的龙骨水车的主、从动齿轮的链传动，也充分地向学生阐释了《传动的齿轮》一课中大小齿轮及其传动的工作方式与形式。

5.整个装置经过系统的能量转换实现了水的循环，可以应用于小学科学中的一个小型生态平衡的认识、介绍与推广。

【作者单位：中山市实验小学蓝波湾学校 广东】