自制實驗裝置及其在科學教學中的應用

謝翠霞

本論文介紹了太陽能龍骨水車與舂米機的結構特點和性能特點，先描述了太陽能龍骨水車與舂米機聯動裝置的制作過程，同時探究了太陽能龍骨水車與舂米機聯動裝置的科學原理，最后通過太陽能龍骨水車與舂米機聯動裝置的巧妙結合，簡單闡述了古代科技與現代科技的創新點與優點。

對農業生產來說，水的重要性不言而喻。中國有幾千年農耕文明的歷史，在農業生產中，中國古人發明了桔槔、轆轤、翻車、筒車、戽斗、刮車等提水工具，以幫助農業灌溉，其中有些工具在今天的一些鄉村仍然在使用。

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

舂米機又叫水輪車，是以水流做動力的傳統機械裝置，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人類的杰作，這對于提高當時的勞動效率和農業效益，起了巨大的作用。早在漢朝時，水輪車就被廣泛應用于帶動水碓舂米。

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p型半導體與n型半導體緊密結合、連成一塊時，在兩者的交界面處就形成p-n結；當光電池被太陽光照射時，在p-n結兩側形成了正、負電荷的積累，產生了光生電壓，形成了內建電場。這就是“光生伏特效應”。

一、原理分析

作品中的舂米機利用的流體力學、杠桿及重心轉移；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能量的轉換。

舂米機是通過三個立式小杯筒分別與三個舂米重錘在一條桿上，桿中間有一條鋼鐵線作杠桿的支點，利用重心轉移和杠桿的原理。桿的一端與小杯筒結合固定在一起，當龍骨水車排出的水落到三個立式的小杯筒上，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，形成了一個不倒翁，始終呈立式杯筒，進行裝水。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行舂米。

太陽能龍骨水車主要是由主動齒輪、從動齒輪、有機玻璃鏈、水、有機玻璃刮板、馬達提供動力等組成，節節鏈似根根龍骨，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，傳動裝置由馬達拉動主動齒輪帶動從動齒輪轉動，利用鏈傳動原理。

太陽能龍骨水車與舂米機聯動裝置的重點在于機械結構，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電機和水泵形成的并聯電路，中間通過一個撥動開關來控制電路的通斷。

太陽能電路板將光能轉換成儲存在充電寶的電能，通過充電寶釋放電能轉換成馬達的動能，馬達帶動龍骨水車轉動，將低處的水轉移到高處，轉換成水的重力勢能。水通過水道落到杵桿的小杯轉換成舂米機的機械能，進行舂米，同時，充電寶釋放的電能轉換成水泵的機械能，將舂米機低處的水抽到高處的水槽中，形成重力勢能，從而實現裝置系統的水的循環。

二、制作過程

1.舂米機的制作過程：舂杵、杵桿的制作，底座及杵桿支撐架的固定，舂米機接水水道的制作，舂米機水槽的制作。（圖3-5）

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，馬達固定，水槽制作，電力水泵的連接（圖6-7）。

三、創新點（圖9裝置全圖）

1.巧妙地將古代機械龍骨水車與舂米機有機結合一起，以現代科技動力太陽能電路板提供給馬達為動力系統，將古代科技與現代科技有機結合起來，形成一個具有古今科技的創新作品。

2.采用光能轉換為電能，動力能源豐富，綠色節能的能源更具環保性。

3.展現了多種能（光能—電能—動能—重力勢能—機械能）的轉換。

4.實現了水循環。水車水槽的水，通過龍骨水車，由低處轉移到高處的舂米機水道，再通過水道流入杵桿小杯，從而使小杯重心上升，倒出水，流入舂米機水槽，舂米機水槽的水由水泵再次抽到水車水槽中，實現水循環。

四、實驗裝置在小學科學教學中的應用

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

2.本裝置可以應用在小學科學四年級的《電與電路》一單元中，通過對作品的操作、展示，更加形象具體地向學生介紹一個完整的電路需要有電源、導線、用電器（馬達和水泵）、開關，以及各元件在電路中的作用。例如開關是控制整個裝置電流的通與斷，從而決定電器是否正常運行。結合本裝置進行教學，學生更能深刻體會到每個電路元件在電路中的作用，也通過對裝置電路的連接，讓學生直觀地感受到并聯電路與串聯電路的異同。

3.借助本裝置用于小學科學五年級中《各種各樣的能量》及小學科六年級《能量及其轉換》兩個單元的深入學習，通過采用演示教學方法、觀察法、動手操作等教學方法，讓學生身臨其境，親身體會、觀察到各種能量的形成，更加生動、形象、具體地體現出各種能量的產生及其存在的形式，把抽象的能量概念變成實實在在的、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、馬達水泵的機械能、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，讓學生真實體會到各種能量之間轉換的奧秘，激起學生對能量這一抽象單元的學習興趣。

4.在小學科學六年級的《機械與工具》《機械的好幫手》單元中，涉及古代農業機械當中的龍骨水車及舂米機的認識，了解其工作方式和原理，整個裝置采用透明有機玻璃板，能清晰明了地觀察其內部結構及工作運轉的機理，大大克服了因為受場地、場所或教學經費，以及古代機械采用的木質不透明材料帶來的授課困難。本裝置是一個古代機械的縮小版，直接進入課堂進行展示觀察授課。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，也充分地向學生闡釋了《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.整個裝置經過系統的能量轉換實現了水的循環，可以應用于小學科學中的一個小型生態平衡的認識、介紹與推廣。

【作者單位：中山市實驗小學藍波灣學校 廣東】