一種簡易雨水過濾裝置的設計與應用

凌麗金 蘇景隆

摘 ?要 利用激光雕刻機及朗威DISLab濁度傳感器等配套軟件，設計一種簡易雨水過濾裝置，同時以試驗報告的形式展示利用該裝置進行技術試驗的方法。利用該裝置，學生能直觀體驗技術試驗的過程，旨在為通用技術學科開展技術試驗教學提供參考，亦可為科技教師指導學生開展科技實踐探究活動提供借鑒。

關鍵詞 雨水過濾裝置;技術試驗;激光雕刻機;通用技術

中圖分類號：G633.98 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）19-0029-04

1 ?項目簡述

1.1 ?項目選題

在講授地質版通用技術《技術與設計1》第五章第二節“簡單的技術測試方法”時，筆者發現僅利用教材中的內容，學生無法真切理解技術試驗的定義，也無法直觀體驗技術試驗的全過程，導致學生在撰寫技術試驗報告時無從下手。考慮到這一現象，筆者針對雨水過濾系統中的過濾環節設計一種簡易雨水過濾裝置，并結合現有軟件進行數據分析、處理，作為自制教具供學生探究使用。

1.2 ?項目目的與基本思路

1.2.1 ?目的 ?利用激光雕刻機制作一種簡易的雨水過濾裝置，并結合朗威DISLab濁度傳感器與配套軟件進行試驗數據的收集與分析。以“雨水過濾裝置的技術試驗”為載體，讓學生體驗、探究，也可供教師演示。

1.2.2 ?基本思路 ?由過濾桶、磁力攪拌器、燒杯、蠕動泵、濾料等構建試驗裝置主體并配合朗威DISLab濁度傳感器與配套軟件進行數據收集和分析。以過濾裝置的過濾效果作為被測對象：其一，試驗哪種濾料配置的過濾效果最好;其二，試驗最佳濾料配置的厚度對過濾效果的影響[1]。

學生配置不同濾料及厚度的濾芯并利用簡易雨水過濾裝置過濾污水，接著將過濾后的水利用濁度傳感器檢測過濾效果，實時記錄數據，最后分析數據并完成試驗報告。在整個試驗實踐中，學生能夠把學習到的理論知識應用到實踐中，正確掌握技術試驗的基本步驟以及撰寫試驗報告的方法，培養技術交流能力，提高圖樣表達和物化的技術素養。

1.3 ?項目的創新點

本項目主要有三個方面的創新之處。

1.3.1 ?自制“簡易雨水過濾裝置”，直觀呈現“濾芯”對過濾裝置的影響 ?教材要求的“同種木材的豎紋和橫紋抗剪測試”三種試驗案例在實際的課堂中難以實施，筆者設計自制了一種簡易雨水過濾裝置，將其作為新的試驗載體讓學生去體驗、探究，也可供教師演示。

1.3.2 ?能對被測對象進行定量分析，并全程記錄試驗結果 ?技術測試是根據一定的科學道理，使用通用的或專用的量具和儀器設備，按照一定的測試工藝進行的。課本上提供的三個試驗案例除了個別操作性不強外，有的還無法實時獲取精準數據，如木塊的抗彎測試無特定的儀器進行測量。在本節課試驗中，筆者利用專業的化學器材濁度傳感器對被測對象進行定量分析，實時記錄數據，不僅體現了試驗的科學性，也讓學生認識了專業的技術測試器材，增強了學生的技術意識。

1.3.3 ?基于數據的比較，精準、客觀地評判簡易雨水過濾裝置的過濾效果 ?學生通過試驗計劃、進行試驗、記錄數據、撰寫試驗報告一系列體驗后，能對試驗后的數據進行客觀系統分析，并能提出關于提高雨水過濾效果的方案設想，不僅進一步鍛煉了交流與合作能力，也有助于培養技術意識、圖樣表達素養和工程思維。

2 ?裝置的制作方法

一是探尋目前過濾裝置的類型和濾料種類;二是根據收集的資料制作一種易換芯、方便試驗的過濾裝置（這個過程可以用木板手工完成，有條件的學校也可以用激光雕刻機切割制作）;三是探尋過濾效果的檢測指標和設備（可以參考化學實驗室的設備，確定水質檢測的標準，以此作為過濾裝置的測試儀器）;四是裝填濾料測試，根據測試結果修改設計，重新翻制模具制作過濾裝置，直到測試滿意為止。

3 ?裝置的制作步驟

簡易雨水過濾裝置（見圖5）的制作分為以下幾個步驟。

3.1 ?材料的選取

硬紙板、亞克力板、膠水、攪拌器、水泵、濾芯瓶、濾料等（見圖1）。

3.2 ?制作過濾裝置靠板部分

在白板上規劃過濾裝置的過濾流程，利用激光雕刻機雕刻裝置字樣（見圖2）;確定水泵和開關裝配的位置，用雕刻機切割出安裝洞口。

3.3 ?制作三級過濾器結構部分

用亞克力板制作一種方便裝填濾料的濾芯裝置（見圖3），利用激光雕刻機切割出榫卯結構的放置架，并插入靠板進行裝配，輔以膠水加固。通過這種卡扣結構，濾料瓶可以隨時被拆取下來，還能直觀呈現過濾效果。

3.4 ?裝配濁度傳感器

結合朗威DISLab濁度傳感器與配套軟件，對過濾裝置過濾的水進行初步測試，記錄測試結果，保證裝置的可操作性和實用性（見圖4）。

4 ?裝置應用的注意事項

1）教師應把握好展示雨水過濾裝置教具的時機。例如，教師可在第一個課時為學生介紹技術試驗的含義及方法，并引出城市雨水過濾系統這一案例，針對其中的過濾器環節引導學生思考如何對雨水過濾效果進行試驗;在第二個課時中可以展示雨水過濾裝置實物，讓學生體驗試驗過程，以此達到良好的教學效果。

2）在試驗前要為學生講解過濾裝置的使用方法，并帶領學生認識濾料的種類。

3）在試驗過程中注意濁度傳感器設備的清潔，減小試驗誤差。

4）試驗結束后提醒學生做好整個過濾裝置的清潔工作。

5 ?具體試驗步驟

一種簡易雨水過濾裝置的技術試驗報告

課程：通用技術

試驗名稱：簡易雨水過濾裝置的過濾效果試驗

5.1 ?試驗目的

一是試驗哪種濾料配置的過濾效果最好;二是試驗最佳濾料配置的厚度對過濾效果的影響。

5.2 ?試驗器材搭建

試驗裝置分為兩部分：一是雨水過濾裝置，由攪拌器、集水池、水泵、三級濾芯組成;二是水質監測部分，利用濁度傳感器監測過濾裝置過濾出的水（見圖6）。

5.3 ?試驗方案

本試驗的方案可從配水、濾料、運行三個方面闡述。

5.3.1 ?配水 ?本次試驗首先使用人工配水對簡易雨水過濾裝置進行試驗。人工配水采用蒸餾水+干燥的泥沙。根據一般雨水的濁度檢測，本實驗的人工配水濁度統一為400 NTU。

5.3.2 ?濾料 ?根據濾料的粒徑大小，選擇活性炭濾料、改性纖維球、石英砂濾料、礦石濾料作為本次試驗的主要凈水濾料，根據粒徑的大小，由小到大依次放入簡易雨水過濾裝置的各容器中。

5.3.3 ?運行 ?配水放入大容器中，用攪拌器不斷攪拌，放置懸浮顆粒物沉淀。用水泵將容器內人工配制的污水抽入簡易雨水過濾裝置中進行過濾，采用連續進水，并對出水進行檢測，得出簡易雨水過濾裝置在不同濾料配置和厚度下的過濾效果，并分析改進建議（見圖7、圖8）。

5.4 ?試驗數據及結果

根據試驗方案進行兩次試驗，得到的數據和結果如下。

試驗一：哪種濾料配置的過濾效果最好？以小組為單位，選擇改性纖維球（20 mm）、活性炭（2 mm）、礦石

（2 mm）、石英砂（0.5 mm）作為凈水濾料，每次根據粒徑的大小由小到大依次放入簡易雨水過濾裝置的三級過濾器中，注意每層濾料厚度為3 cm。打開攪拌器和水泵接入過濾后的水，后將水放入濁度傳感器進行測試，記錄數據（見圖9、圖10）。

當濁度值到達平衡狀態時，可以從軟件的圖像上讀出濁度的大小，并做好試驗數據記錄。結合“濾料的配置”與“濁度值”這兩個維度，對被測對象進行過濾效果的綜合評價。

下面改變濾料配置，采用相同的方法測試并記錄下數據（見表1）。

試驗二：最佳濾料配置的厚度對過濾效果的影響。把過濾效果好的濾料配置，用不同厚度測試，用同樣方法記錄數據（見表2）。

通過對兩個階段試驗數據的分析，有了新的發現。第一階段試驗記錄的數據是纖維球—活性炭—石英砂組合的過濾的出水量為15 ml，過濾后的水濁度為201.9 NTU;纖維球—礦石—石英砂過濾的出水量為10 ml，過濾后的水濁度為171.6 NTU：兩種組合過濾后的濁度都比初始泥水低，但兩者相比，纖維球—礦石—石英砂組合的過濾效果更好。于是將纖維球—礦石—石英砂組合的濾料作為第二階段的測試對象。

第二階段試驗重新裝入濾料，每層厚度達到9 cm，過濾后的濁度為100.8 NTU，比初始厚度的過濾濁度低;但同等時間，過濾效率太低。那么過濾效果會不會與出水速度有關？這個問題需要進一步探究。

5.5 ?實驗結論

在同等進水量的情況下，選擇以礦石濾料—改性纖維球—石英砂作為雨水過濾的濾料，該濾料配置方案可達到雨水的最佳過濾效果;濾料厚度在5 cm左右過濾效果最佳。下一階段，會將簡易雨水過濾系統設置于真實河段中進行實驗，以測試簡易雨水凈化裝置在實際應用中的表現并加以改良[3]。

6 ?項目總結

一方面，使用本實驗裝置不僅使學生直觀地看到過濾現象，而且有助于培養學生科學嚴謹的試驗態度和精神，學習科學試驗方法，這種培養對學生的成長往往更加重要，對學生的影響是長期的、深遠的[4]。另一方面，該教具與學生之前接觸過的過濾裝置（化學過濾儀器）類似，易于操作，讓學生有深入探究的動力。在試驗一中，學生原本的猜想是活性炭組合過濾效果最佳，但通過試驗發現恰恰相反，不看好的礦石濾料竟然是最佳組合，這也打破了學生以往對過濾裝置的概念，發現了濾料更多的可能性，激發了學生深入探究的欲望。繼續探究試驗二，原來濾料不是裝得越厚越好，在實際應用中還要考慮過濾裝置的出水率，以保證正常的用水量。這是以往學生不曾考慮的問題，通過這一系列的技術試驗，讓學生有了更多思考的空間[5]。以此為載體，學生對技術試驗的重要性有了更深刻的體會（見圖11）。因此，本項目不管是在通用技術課程中，還是在常規科技實踐探究活動中，都是一個值得借鑒和推廣的項目。

參考文獻

[1]車伍.現代城市的雨水利用技術[J].環境經濟，2004（10）：

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[2]姚銘翔.3D打印快速制作小教具：項目研究報告[J].發明與創新（教育信息化），2017（1）：54-60.

[3]譚術梅.通用技術教學中案例使用方式研究[D].重慶：西南大學，2020.

[4]陳景乾.高中通用技術課程教學中如何開展技術試驗活動[J].甘肅教育，2017（7）：62.

[5]沙木哈爾·吐爾汗拜，王紅武，董敬磊.雨水自流過濾凈化技術實際工程應用效果分析[J].四川環境，2018，37（3）：

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