小学科学创新成果 一种城市高楼阻尼器作用演示模型的研制与应用

倪仁英 范换

近年来，地震、台风等自然灾害频发，对人类的生产生活造成很大影响。特别是城市高楼等建筑物。例如2021年5月，新闻中播报了有关深圳华强北赛格大厦剧烈晃动的报道，大厦封楼，人员全部撤离，给人们的生产生活带来了严重影响，而通过改善楼体结构抵抗地震、台风等外力影响也比较困难。

一、研究背景

（一）问题的提出

本项科技创新作品针对上述问题，进行城市高楼阻尼器作用演示模型的制作，利用直线往复推进器制造的振动，使用阻尼器与城市高楼共振达到减振消能的作用，从而避免或减少高楼主体结构的损伤。模拟地震、台风等自然灾害来临时阻尼器对减轻结构振动响应的直观作用。本模型能应用于小学科学地震成因内容的实验教学，提升学生的探究意识和实践能力。

以此为契机思考是否可以发明一种装置，能够让灾害带来的损失减少？在经过商讨之后，决定尝试制作一种城市高楼阻尼器作用演示模型，这种装置在高楼大厦晃动时，会因为惯性发生与大楼摇晃节奏一致，但方向正好相反的摆动，从而减缓甚至抵消高楼大厦的晃动，起到稳定和保护作用。近几个月通过无数次试验和装置改进，终于完成了这项创新成果。

（二）阻尼器及其应用于小学科学实验教学的研究现状

阻尼器可以提供运动的阻力，减少能耗，降低振动幅度，在航天航空等行业应用各种各样的阻尼器来减震效能，但20世纪70年代以后，人们才开始逐渐把阻尼器技术运用到建筑桥梁等工程中，而且发展十分迅速。

小学科学“地球表面的变化”这一单元中的一个关键问题是探究地震的成因及作用，通过模拟实验，了解地震发生的原因，并知道地震发生带来的地表形态的巨大变化以及掌握抗震防灾的基本常识。因此正确地理解和把握地震成因及作用，对于地球表面的变化这部分知识起着至关重要的作用。

因受到生活中的反冲装置、秋千等的启发，我们利用这两种物品有规律摆动减振耗能的特点，制作城市高楼阻尼器演示模型，利用物理学中的惯性原理及摆动方向与振动方向相反，从而消能等原理，减缓甚至抵消高楼大厦的晃动，从而起到稳定和保护作用。但在准备演示模型的制作材料时，需要解决诸如阻尼器小球大小、阻尼器重量、阻尼器的材质等问题。用什么样的装置模拟自然界的地震、台风带来的晃动？是否需要设置对比实验呢？大楼晃动时是否设置滚珠装置使得晃动更加逼真？这些问题需要在制作过程中不断地进行装置探索和改进。

二、研究过程

（一）“城市高楼阻尼器作用演示模型”项目的设计构思

地震、台风等自然灾害频发，对人类生产生活造成很大影响。特别是城市高楼等建筑物，通过改善楼体结构抵抗外力影响比较困难。因此本项科技创新作品针对上述问题进行城市高楼阻尼器作用演示模型的制作，利用直线往复推进器制造的振动，模拟地震、台风等自然灾害来临时阻尼器对减轻结构振动响应的直观作用。

城市高楼阻尼器作用演示模型能更顺利地进行模拟演示，提升观察效果和使用实效。主要由以下几个重要部分组成：阻尼器演示模型（底座、滚珠底盘、钢丝高楼模型、阻尼小球）、直线往复推进器（底座、电动可调节往复推进装置）。

通过分析大楼高度、阻尼器重量、稳定性、大楼晃动等级等因素，进行第一次制作尝试。本模型综合了模拟、对比观察等功能于一身。采用亚克力板材和滚珠装置制作成稳定性较强的“高楼”底座，将底座与上层钢丝“高楼”固定。如何减缓高楼振动时的摆幅是最先要解决的问题。第一次试验考虑的是在高楼中用细绳扣一根小铁锥，但是发现效果很不理想，在高楼因外力晃动时，小铁锥也会四处摆动，甚至撞到楼体；第二次试验考虑用一根细铁丝固定小球“阻尼器”，并设置对比实验，这样不仅解决了随处摆动的问题，还呈现了直观的观察画面。

（二）“城市高楼阻尼器作用演示模型”项目的改进

在考虑用细铁丝固定小球“阻尼器”，并设置对比实验之后，小球“阻尼器”随处摆动的问题得以解决，还呈现了直观的观察画面。然而在使用过程中发现手动晃动模拟地震及台风等的影响，由于用力不可控导致观察效果不理想，那么到底怎样解决这个问题呢？经过改装，采用直线往复推进器来模拟晃动。该推进器设置了不同力度的晃动等级，接通电源，模拟不同地震等级震动，使得操作更加便捷，实验效果明显，学生接受能力强。

这款城市高楼阻尼器作用演示模型解决了手动模拟操作不便捷、观察效果不明显等问题，通过小球阻尼器、直线往复推进器的简便使用，亲历体验装置带来的便捷。

上图为成品装置图，其中包含了高楼模型3个，滚珠底座1个（含4个滚珠装置），直线往复推进器1个，调节旋钮的控制电源1个，小球“阻尼器”2个，开通电源，调节控制旋钮即可观察。

三、“城市高楼阻尼器作用演示模型”的实验与教学效果

（一）模型演示器的安装及操作方法：

1.实验前观察演示器各部分的组成构造，按步骤组装模型。

2.接通电源，打开电源开关，直线往复推进器开始工作，对比观察实验现象。适时调节旋钮，设置不同等级的振幅，直观观察。

（二）实验及教学效果

利用“城市高楼阻尼器作用演示模型”可以进行以下实验：（1）初步了解地震产生的具体原因；（2）地震产生会导致地形地貌发生的变化；（3）加深对地壳运动的理解；（4）理解科学技术可以减少自然灾害对人类生活的影响。实验效果直观、明了，便于观察。本“城市高楼阻尼器作用演示模型”并不局限于上述实验探究。

四、“城市高楼阻尼器作用演示模型”在教学中的作用

工欲善其事，必先利其器，小学科学教学中的核心环节是探究性实验，而一套好的实验教具或者是有助于课堂教学的实验材料，能够在很大程度上降低课堂操作难度，提升教学效果，从而更好地将课堂知识与探究活动紧密联系，促进学生对科学概念的理解和探究能力的提升。本项目的研制有助于小学科学有关地震成因和地貌变化等相关科学知识的探讨，并且起到关键作用，通过本模型的使用，学生对于理解阻尼器在减轻地震灾害过程中所起的作用等相关原理能够深入理解。本模型的研制在不断优化设计之后，在教学实践中发挥了重要的作用。

本模型在学生探究过程中能够真实提升实验的教学效果，锻炼学生综合实践能力，帮助教师达到预期的教学目标。具体在探究教学中的作用主要有以下三个方面。

（一）提高课堂学习专注力

根据本模型自身的属性来分析，它能够有效激发学生对课堂实验的参与热情，而且还能够提升学生听课的专注力。学生在观看并且使用本模型的过程中能够自发找到学习科学知识的乐趣。为了保证学生对科学知识的深入理解，学生通过反复进行模拟和观察实验现象，在这样一个追求科学性的过程中，学生不断找到了实验探究的乐趣，并将自身的注意力全部集中到课堂之中。

（二）提升课堂知识理解力

学生对于阻尼器的作用原理知之甚微。教师通过枯燥的概念讲解，很难让学生能够直观地理解并进行知识联想，那么借助本模型能够生动并直观地观看到阻尼器在地震来临时对于减轻地震带来的灾害所起到的效果，能够很好地突破阻尼器作用原理这一难点，对于地震成因也有更好地理解。教师在进行实验操作和演示实验时通过详尽的语言讲解，也会加深学生对知识的理解，提升科学探究的乐趣，让复杂知识变得更加简单易懂。

（三）强化学生的实验意识

一套切实可行并且操作性强的实验模型或者实验教具，在教学过程中能够强化学生的实验意识。由于科学知识具有抽象性，我们将实际问题抽象成科学实验模型，并进行合理的解释，学生对知识则会有更好地理解。我们借助演示模型把抽象的科学知识具体化以及直观化的还原到学生的生活实际。学生通过自主实验、小组合作，不断观察，以及通过模型进行带入想象，将自己的生活经验与身边事物联系起来，那么学生的科学思维便逐步打开了，激发了学生的实验意识，并在实验过程中逐步强化这种意识，即很多科学知识的探究以及学习是需要通过严谨的实验，不断地实践和生活实际相结合，才能得到科学真理。而不是日常教学中通过抽象的科学知识讲解，不借助相应的教学模型、实验材料等来探究科学原理，这是一种不认真不严谨的学习态度。教师在课堂上应用本实验模型来传授科学知识，让科学学习变得更有意义。

五、“城市高楼阻尼器作用演示模型”项目创新点与社会经济效益

（一）项目创新的基本思路

本模型设置对照观察，包含以下创新点：

一是高楼设置使用钢丝，柔韧性更强；在使用钢丝作为高楼楼体主体结构之前，我们还采用了细木棒等实验材料进行研制，当模拟地震来临时的震动时，木棒的实验效果基本可以忽略不计，预期结果不理想。通过不断地改进，想到了使用细钢丝作为城市高楼主体结构。在地震来临时细钢丝能够更加直观呈现出楼体振动的幅度以及随着地震等级的不同，它震动幅度的强弱也有梯度变化，让观察者能够更加真实地看到实验效果。

二是底盘采用滚珠模型。滚珠模型是受到滚珠轴承的启发，能够降低摩擦力，使得振动效果更加明显。

三是小球“阻尼器”用细铁丝固定，防止振荡。小球阻尼器在未使用细铁丝固定之前，我们还尝试使用了细棉线来固定，在实验操作过程中，细棉线固定小球会造成小球反复无规律震荡，反而会影响实验效果，因此我们尝试用细铁丝固定“阻尼器”，阻止小球无端震荡给实验带来的负面效果。

四是使用“直线往复推进器”，模拟在不同地震等级作用下的模型反应机制，学生在使用该演示模型进行实验时，对于振动的力度把控得不是特别准确，那么在操作的过程中可能很难避免高楼模型晃动带来的干扰。因此为了解决教学实验的弊端，我们设计了不同等级程度的调节旋钮，学生通过使用该旋钮，能够清晰直观地感受到不同地震震动强度下楼体晃动的程度。操作更加简便，更具科学性。

该模型让学生能够在感受创新小发明带给人们生活便利的同时，也能促进科学知识的内化和运用，有利于其在动手操作的过程中提升科学探究意识，增强分析、应用能力。

（二）社会经济效益

本装置设计结构简单合理，方便实用，操作便捷，解决了学生在学习中对阻尼器工作原理及其使用价值、地震成因的理解，易于规模化生产。另外在课堂上、科普展览或科普讲座中使用本模型更加直观、形象性，激发学习兴趣，教学及使用效果更好，教学需求量大，在小学科学有关地震成因教学中的应用效果良好，适用于学生进行科学实验探究，受广大同学的欢迎，市场前景很好。

六、小结

本模型高楼采用钢丝制作成平面楼体，操作过程中由于直线往复推进器的模拟震动，导致其柔韧性较强，摇摆幅度较大，因此我考虑是否可以利用钢丝制作成立体结构的高楼模型，则会更接近于生活实际，提升装置的实用性。本模型应用于小学科学地震成因内容的实验教学和科普教育场合，能较好地提升学生的探究意识和实践能力。