古代農具推動演示儀

余斌

研究背景

我在長期的小學教學過程中發現，一方面湘教版科學教材中有許多古代農具的運轉、能量的利用、齒輪傳動的運用等知識點無法給學生講解清楚;另一方面當小學語文教學到石磨、石臼、石碾等古代農具的內容，我只能利用圖片進行模糊的講解，無實物展示和運轉演示，學生聽得“云里來，霧里去”。為此，我想制作一臺古代農具推動演示儀，不僅能讓學生認識一些古代的農具，了解古代勞動人民如何利用水力驅動農具運轉節省人力，而且通過演示電力推動古代農具的運轉，其工作效率和水力推動形成鮮明的比較，讓學生切實感受到科學技術的進步給人們生活帶來的便利。

設計制作

演示儀長80cm、寬50cm、高50cm，絕大部分采用木料制作，部分采用榫卯結構加工而成（圖1）。推動演示儀設計水力推動古代農具（石臼、石碾）和電力（電機）推動古代農具（石臼、石碾、石磨）兩種模式。兩大推動系統可獨立工作，也可同時運行，實現集中演示和對比效果。同時，還制作了水力推動木頭人，增加教具的趣味性。

水力推動古代農具部分

演示儀水力推動農具部分見圖2。采用循環水模式，用小水泵將水通過管道抽到高處，模擬高山（高處）水流下落的過程推動水輪轉動，水輪帶動連桿（8mm螺絲桿代替）轉動，連桿轉動帶動相應農具的轉動。

推動石臼運動：用木料制作石臼、支架和木輪，木輪上安裝荷木小棒，運用杠桿原理帶動石臼運動。

推動石碾運動：制作2個木齒輪，把連桿（螺絲桿）推力作90°的方向轉換，實現石碾的平面運動。此部分是制作水力推動部分成功與否的關鍵。

推動小木人的運動：小木人在連桿帶動下作前后運動。

制作此部分的關鍵點包括：①水流量的大小、速度決定是否能推動石臼、石碾和小木頭人的運轉，這是將水力（水能）轉化為機械能;②抽水機將蓄水箱中的水抽到高處，需制作有機玻璃水箱，以利于搬動和儲存水;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鍵點使用軸承，使演示效果更明顯;④水輪推動連桿轉動的力要轉換90°方向，需經過反復計算和調試，才能轉換成平面推動的力;⑤要統一考慮演示儀的尺寸及空間設計，以便為電力推動農具轉動部分留下空間。

電力（電機）驅動古代農具部分

電力（電機）帶動連桿轉動，連桿帶動相應農具轉動。電力（電機）驅動部分見圖3。

帶動石碾轉動：石碾的運動是平面轉動，同時又要帶動連桿轉動，故使用雙輸出90°換向器，一路力的輸出經過90°換向后帶動石碾轉動，一路力的輸出帶動連桿轉動。

帶動石臼運動：通過反復實驗電機扭力大小、演示儀的空間大小，使用3個石臼及支架;同時制作3個木輪并安裝上小荷木棍，運用杠桿原理推動石臼運動。

帶動石磨轉動：石磨運動是平面運動，同樣涉及90°方向力的換向后的推動問題。采用2個木齒輪作90°力的換向，然后再推動石磨轉動。石磨用形象逼真的樹脂材料制作。

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

附屬設施的設計思考

考慮到密封問題和美觀性，制作水箱時采用專用四氯化碳黏結劑，同時在水箱內安裝12V自變光發光二極管，連接在開關電源上;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施——樓梯和銅線欄桿;對工件上漆和上色，以便作品的長期保存及美觀。

教學用途與方法

水力推動古代農具工作部分

使用方法：打開左側水泵開關，將有機玻璃水箱中的水通過管道抽到高處，模擬自然界的高山（高處）流水，水流往下流推動水輪轉動，水輪轉動再推動連桿轉動。一是帶動水箱外的木輪工作，使石臼杠桿做上下運動;二是通過2個木齒輪作90°力的運動方向轉變，帶動下方石碾工作;三是可帶動小木人做前后運動，增加了科技作品的趣味性。此部分可以很好地向學生展示水能機械能轉換、杠桿原理、傳動中力是如何改變運動方向的。

電力（電機）驅動農具工作部分

使用方法：打開左側電機開關，帶動連桿工作。一方面，連桿通過換向器將一部分力傳送到上部，推動石碾工作;另一方面，通過換向器將另外一部分力通過連桿傳送，連桿上安裝的3個木齒輪相應地帶動3個石臼杠桿運動，3個石臼作延時上下運動;與此同時，通過木齒輪作90°力的換向，帶動上方的石磨做平面運動。關閉電機開關，此部分停止工作。

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

創新點

作品在制作中運用了比較多的科學原理，如杠桿的工作原理、齒輪傳動的工作原理、水能轉化為機械能的原理、電能轉化為機械能的原理、力轉換運動方向的原理等，在講授相關知識時均可作為演示教具。

作品沒有采用自來水，而是使用循環水，節約了水資源。

作品制作有安全欄桿和樓梯，是潛移默化的安全教育作品。