一種簡易雨水過濾裝置的設(shè)計與應(yīng)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(shè)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(shù)試驗的方法。利用該裝置，學(xué)生能直觀體驗技術(shù)試驗的過程，旨在為通用技術(shù)學(xué)科開展技術(shù)試驗教學(xué)提供參考，亦可為科技教師指導(dǎo)學(xué)生開展科技實踐探究活動提供借鑒。

關(guān)鍵詞 雨水過濾裝置;技術(shù)試驗;激光雕刻機;通用技術(shù)

中圖分類號：G633.98 ? ?文獻標(biāo)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(zhì)版通用技術(shù)《技術(shù)與設(shè)計1》第五章第二節(jié)“簡單的技術(shù)測試方法”時，筆者發(fā)現(xiàn)僅利用教材中的內(nèi)容，學(xué)生無法真切理解技術(shù)試驗的定義，也無法直觀體驗技術(shù)試驗的全過程，導(dǎo)致學(xué)生在撰寫技術(shù)試驗報告時無從下手?？紤]到這一現(xiàn)象，筆者針對雨水過濾系統(tǒng)中的過濾環(huán)節(jié)設(shè)計一種簡易雨水過濾裝置，并結(jié)合現(xiàn)有軟件進行數(shù)據(jù)分析、處理，作為自制教具供學(xué)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(jié)合朗威DISLab濁度傳感器與配套軟件進行試驗數(shù)據(jù)的收集與分析。以“雨水過濾裝置的技術(shù)試驗”為載體，讓學(xué)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(gòu)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(shù)據(jù)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?zāi)姆N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(xué)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(shù)據(jù)，最后分析數(shù)據(jù)并完成試驗報告。在整個試驗實踐中，學(xué)生能夠把學(xué)習(xí)到的理論知識應(yīng)用到實踐中，正確掌握技術(shù)試驗的基本步驟以及撰寫試驗報告的方法，培養(yǎng)技術(shù)交流能力，提高圖樣表達和物化的技術(shù)素養(yǎng)。

1.3 ?項目的創(chuàng)新點

本項目主要有三個方面的創(chuàng)新之處。

1.3.1 ?自制“簡易雨水過濾裝置”，直觀呈現(xiàn)“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(shè)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(xué)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(jié)果 ?技術(shù)測試是根據(jù)一定的科學(xué)道理，使用通用的或?qū)Ｓ玫牧烤吆蛢x器設(shè)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(zhǔn)數(shù)據(jù)，如木塊的抗彎測試無特定的儀器進行測量。在本節(jié)課試驗中，筆者利用專業(yè)的化學(xué)器材濁度傳感器對被測對象進行定量分析，實時記錄數(shù)據(jù)，不僅體現(xiàn)了試驗的科學(xué)性，也讓學(xué)生認(rèn)識了專業(yè)的技術(shù)測試器材，增強了學(xué)生的技術(shù)意識。

1.3.3 ?基于數(shù)據(jù)的比較，精準(zhǔn)、客觀地評判簡易雨水過濾裝置的過濾效果 ?學(xué)生通過試驗計劃、進行試驗、記錄數(shù)據(jù)、撰寫試驗報告一系列體驗后，能對試驗后的數(shù)據(jù)進行客觀系統(tǒng)分析，并能提出關(guān)于提高雨水過濾效果的方案設(shè)想，不僅進一步鍛煉了交流與合作能力，也有助于培養(yǎng)技術(shù)意識、圖樣表達素養(yǎng)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(jù)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(xué)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(biāo)和設(shè)備（可以參考化學(xué)實驗室的設(shè)備，確定水質(zhì)檢測的標(biāo)準(zhǔn)，以此作為過濾裝置的測試儀器）;四是裝填濾料測試，根據(jù)測試結(jié)果修改設(shè)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(guī)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，濾料瓶可以隨時被拆取下來，還能直觀呈現(xiàn)過濾效果。

3.4 ?裝配濁度傳感器

結(jié)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(jié)果，保證裝置的可操作性和實用性（見圖4）。

4 ?裝置應(yīng)用的注意事項

1）教師應(yīng)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(xué)生介紹技術(shù)試驗的含義及方法，并引出城市雨水過濾系統(tǒng)這一案例，針對其中的過濾器環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)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(xué)生體驗試驗過程，以此達到良好的教學(xué)效果。

2）在試驗前要為學(xué)生講解過濾裝置的使用方法，并帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識濾料的種類。

3）在試驗過程中注意濁度傳感器設(shè)備的清潔，減小試驗誤差。

4）試驗結(jié)束后提醒學(xué)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(shù)試驗報告

課程：通用技術(shù)

試驗名稱：簡易雨水過濾裝置的過濾效果試驗

5.1 ?試驗?zāi)康?/p>

一是試驗?zāi)姆N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(zhì)監(jiān)測部分，利用濁度傳感器監(jiān)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(jù)一般雨水的濁度檢測，本實驗的人工配水濁度統(tǒng)一為400 NTU。

5.3.2 ?濾料 ?根據(jù)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(jù)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(nèi)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(xù)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(shù)據(jù)及結(jié)果

根據(jù)試驗方案進行兩次試驗，得到的數(shù)據(jù)和結(jié)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(jù)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(shù)據(jù)（見圖9、圖10）。

當(dāng)濁度值到達平衡狀態(tài)時，可以從軟件的圖像上讀出濁度的大小，并做好試驗數(shù)據(jù)記錄。結(jié)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?yōu)V料配置，采用相同的方法測試并記錄下數(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)（見表2）。

通過對兩個階段試驗數(shù)據(jù)的分析，有了新的發(fā)現(xiàn)。第一階段試驗記錄的數(shù)據(jù)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(guān)？這個問題需要進一步探究。

5.5 ?實驗結(jié)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(tǒng)設(shè)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(yīng)用中的表現(xiàn)并加以改良[3]。

6 ?項目總結(jié)

一方面，使用本實驗裝置不僅使學(xué)生直觀地看到過濾現(xiàn)象，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼瀾B(tài)度和精神，學(xué)習(xí)科學(xué)試驗方法，這種培養(yǎng)對學(xué)生的成長往往更加重要，對學(xué)生的影響是長期的、深遠(yuǎn)的[4]。另一方面，該教具與學(xué)生之前接觸過的過濾裝置（化學(xué)過濾儀器）類似，易于操作，讓學(xué)生有深入探究的動力。在試驗一中，學(xué)生原本的猜想是活性炭組合過濾效果最佳，但通過試驗發(fā)現(xiàn)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(xué)生以往對過濾裝置的概念，發(fā)現(xiàn)了濾料更多的可能性，激發(fā)了學(xué)生深入探究的欲望。繼續(xù)探究試驗二，原來濾料不是裝得越厚越好，在實際應(yīng)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(xué)生不曾考慮的問題，通過這一系列的技術(shù)試驗，讓學(xué)生有了更多思考的空間[5]。以此為載體，學(xué)生對技術(shù)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(shù)課程中，還是在常規(guī)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

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