一種簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

凌麗金 蘇景隆

摘 ?要 利用激光雕刻機(jī)及朗威DISLab濁度傳感器等配套軟件，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置，同時(shí)以試驗(yàn)報(bào)告的形式展示利用該裝置進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)的方法。利用該裝置，學(xué)生能直觀體驗(yàn)技術(shù)試驗(yàn)的過(guò)程，旨在為通用技術(shù)學(xué)科開(kāi)展技術(shù)試驗(yàn)教學(xué)提供參考，亦可為科技教師指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展科技實(shí)踐探究活動(dòng)提供借鑒。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.98 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）19-0029-04

1 ?項(xiàng)目簡(jiǎn)述

1.1 ?項(xiàng)目選題

在講授地質(zhì)版通用技術(shù)《技術(shù)與設(shè)計(jì)1》第五章第二節(jié)“簡(jiǎn)單的技術(shù)測(cè)試方法”時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)僅利用教材中的內(nèi)容，學(xué)生無(wú)法真切理解技術(shù)試驗(yàn)的定義，也無(wú)法直觀體驗(yàn)技術(shù)試驗(yàn)的全過(guò)程，導(dǎo)致學(xué)生在撰寫(xiě)技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告時(shí)無(wú)從下手。考慮到這一現(xiàn)象，筆者針對(duì)雨水過(guò)濾系統(tǒng)中的過(guò)濾環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置，并結(jié)合現(xiàn)有軟件進(jìn)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(xiàng)目目的與基本思路

1.2.1 ?目的 ?利用激光雕刻機(jī)制作一種簡(jiǎn)易的雨水過(guò)濾裝置，并結(jié)合朗威DISLab濁度傳感器與配套軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與分析。以“雨水過(guò)濾裝置的技術(shù)試驗(yàn)”為載體，讓學(xué)生體驗(yàn)、探究，也可供教師演示。

1.2.2 ?基本思路 ?由過(guò)濾桶、磁力攪拌器、燒杯、蠕動(dòng)泵、濾料等構(gòu)建試驗(yàn)裝置主體并配合朗威DISLab濁度傳感器與配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析。以過(guò)濾裝置的過(guò)濾效果作為被測(cè)對(duì)象：其一，試驗(yàn)?zāi)姆N濾料配置的過(guò)濾效果最好;其二，試驗(yàn)最佳濾料配置的厚度對(duì)過(guò)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(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置過(guò)濾污水，接著將過(guò)濾后的水利用濁度傳感器檢測(cè)過(guò)濾效果，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，最后分析數(shù)據(jù)并完成試驗(yàn)報(bào)告。在整個(gè)試驗(yàn)實(shí)踐中，學(xué)生能夠把學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，正確掌握技術(shù)試驗(yàn)的基本步驟以及撰寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告的方法，培養(yǎng)技術(shù)交流能力，提高圖樣表達(dá)和物化的技術(shù)素養(yǎng)。

1.3 ?項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目主要有三個(gè)方面的創(chuàng)新之處。

1.3.1 ?自制“簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置”，直觀呈現(xiàn)“濾芯”對(duì)過(guò)濾裝置的影響 ?教材要求的“同種木材的豎紋和橫紋抗剪測(cè)試”三種試驗(yàn)案例在實(shí)際的課堂中難以實(shí)施，筆者設(shè)計(jì)自制了一種簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置，將其作為新的試驗(yàn)載體讓學(xué)生去體驗(yàn)、探究，也可供教師演示。

1.3.2 ?能對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行定量分析，并全程記錄試驗(yàn)結(jié)果 ?技術(shù)測(cè)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(cè)試工藝進(jìn)行的。課本上提供的三個(gè)試驗(yàn)案例除了個(gè)別操作性不強(qiáng)外，有的還無(wú)法實(shí)時(shí)獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如木塊的抗彎測(cè)試無(wú)特定的儀器進(jìn)行測(cè)量。在本節(jié)課試驗(yàn)中，筆者利用專(zhuān)業(yè)的化學(xué)器材濁度傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行定量分析，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，不僅體現(xiàn)了試驗(yàn)的科學(xué)性，也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)了專(zhuān)業(yè)的技術(shù)測(cè)試器材，增強(qiáng)了學(xué)生的技術(shù)意識(shí)。

1.3.3 ?基于數(shù)據(jù)的比較，精準(zhǔn)、客觀地評(píng)判簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置的過(guò)濾效果 ?學(xué)生通過(guò)試驗(yàn)計(jì)劃、進(jìn)行試驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)、撰寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告一系列體驗(yàn)后，能對(duì)試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀系統(tǒng)分析，并能提出關(guān)于提高雨水過(guò)濾效果的方案設(shè)想，不僅進(jìn)一步鍛煉了交流與合作能力，也有助于培養(yǎng)技術(shù)意識(shí)、圖樣表達(dá)素養(yǎng)和工程思維。

2 ?裝置的制作方法

一是探尋目前過(guò)濾裝置的類(lèi)型和濾料種類(lèi);二是根據(jù)收集的資料制作一種易換芯、方便試驗(yàn)的過(guò)濾裝置（這個(gè)過(guò)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(jī)切割制作）;三是探尋過(guò)濾效果的檢測(cè)指標(biāo)和設(shè)備（可以參考化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，確定水質(zhì)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，以此作為過(guò)濾裝置的測(cè)試儀器）;四是裝填濾料測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果修改設(shè)計(jì)，重新翻制模具制作過(guò)濾裝置，直到測(cè)試滿意為止。

3 ?裝置的制作步驟

簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置（見(jiàn)圖5）的制作分為以下幾個(gè)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(jiàn)圖1）。

3.2 ?制作過(guò)濾裝置靠板部分

在白板上規(guī)劃過(guò)濾裝置的過(guò)濾流程，利用激光雕刻機(jī)雕刻裝置字樣（見(jiàn)圖2）;確定水泵和開(kāi)關(guān)裝配的位置，用雕刻機(jī)切割出安裝洞口。

3.3 ?制作三級(jí)過(guò)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(jiàn)圖3），利用激光雕刻機(jī)切割出榫卯結(jié)構(gòu)的放置架，并插入靠板進(jìn)行裝配，輔以膠水加固。通過(guò)這種卡扣結(jié)構(gòu)，濾料瓶可以隨時(shí)被拆取下來(lái)，還能直觀呈現(xiàn)過(guò)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(duì)過(guò)濾裝置過(guò)濾的水進(jìn)行初步測(cè)試，記錄測(cè)試結(jié)果，保證裝置的可操作性和實(shí)用性（見(jiàn)圖4）。

4 ?裝置應(yīng)用的注意事項(xiàng)

1）教師應(yīng)把握好展示雨水過(guò)濾裝置教具的時(shí)機(jī)。例如，教師可在第一個(gè)課時(shí)為學(xué)生介紹技術(shù)試驗(yàn)的含義及方法，并引出城市雨水過(guò)濾系統(tǒng)這一案例，針對(duì)其中的過(guò)濾器環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生思考如何對(duì)雨水過(guò)濾效果進(jìn)行試驗(yàn);在第二個(gè)課時(shí)中可以展示雨水過(guò)濾裝置實(shí)物，讓學(xué)生體驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程，以此達(dá)到良好的教學(xué)效果。

2）在試驗(yàn)前要為學(xué)生講解過(guò)濾裝置的使用方法，并帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)濾料的種類(lèi)。

3）在試驗(yàn)過(guò)程中注意濁度傳感器設(shè)備的清潔，減小試驗(yàn)誤差。

4）試驗(yàn)結(jié)束后提醒學(xué)生做好整個(gè)過(guò)濾裝置的清潔工作。

5 ?具體試驗(yàn)步驟

一種簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置的技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告

課程：通用技術(shù)

試驗(yàn)名稱：簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置的過(guò)濾效果試驗(yàn)

5.1 ?試驗(yàn)?zāi)康?/p>

一是試驗(yàn)?zāi)姆N濾料配置的過(guò)濾效果最好;二是試驗(yàn)最佳濾料配置的厚度對(duì)過(guò)濾效果的影響。

5.2 ?試驗(yàn)器材搭建

試驗(yàn)裝置分為兩部分：一是雨水過(guò)濾裝置，由攪拌器、集水池、水泵、三級(jí)濾芯組成;二是水質(zhì)監(jiān)測(cè)部分，利用濁度傳感器監(jiān)測(cè)過(guò)濾裝置過(guò)濾出的水（見(jiàn)圖6）。

5.3 ?試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的方案可從配水、濾料、運(yùn)行三個(gè)方面闡述。

5.3.1 ?配水 ?本次試驗(yàn)首先使用人工配水對(duì)簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置進(jìn)行試驗(yàn)。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(cè)，本實(shí)驗(yàn)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(yàn)的主要凈水濾料，根據(jù)粒徑的大小，由小到大依次放入簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置的各容器中。

5.3.3 ?運(yùn)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(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置中進(jìn)行過(guò)濾，采用連續(xù)進(jìn)水，并對(duì)出水進(jìn)行檢測(cè)，得出簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置在不同濾料配置和厚度下的過(guò)濾效果，并分析改進(jìn)建議（見(jiàn)圖7、圖8）。

5.4 ?試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行兩次試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)和結(jié)果如下。

試驗(yàn)一：哪種濾料配置的過(guò)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(jiǎn)易雨水過(guò)濾裝置的三級(jí)過(guò)濾器中，注意每層濾料厚度為3 cm。打開(kāi)攪拌器和水泵接入過(guò)濾后的水，后將水放入濁度傳感器進(jìn)行測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖9、圖10）。

當(dāng)濁度值到達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)，可以從軟件的圖像上讀出濁度的大小，并做好試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。結(jié)合“濾料的配置”與“濁度值”這兩個(gè)維度，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行過(guò)濾效果的綜合評(píng)價(jià)。

下面改變?yōu)V料配置，采用相同的方法測(cè)試并記錄下數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

試驗(yàn)二：最佳濾料配置的厚度對(duì)過(guò)濾效果的影響。把過(guò)濾效果好的濾料配置，用不同厚度測(cè)試，用同樣方法記錄數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。

通過(guò)對(duì)兩個(gè)階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，有了新的發(fā)現(xiàn)。第一階段試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)是纖維球—活性炭—石英砂組合的過(guò)濾的出水量為15 ml，過(guò)濾后的水濁度為201.9 NTU;纖維球—礦石—石英砂過(guò)濾的出水量為10 ml，過(guò)濾后的水濁度為171.6 NTU：兩種組合過(guò)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(guò)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(cè)試對(duì)象。

第二階段試驗(yàn)重新裝入濾料，每層厚度達(dá)到9 cm，過(guò)濾后的濁度為100.8 NTU，比初始厚度的過(guò)濾濁度低;但同等時(shí)間，過(guò)濾效率太低。那么過(guò)濾效果會(huì)不會(huì)與出水速度有關(guān)？這個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步探究。

5.5 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在同等進(jìn)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(guò)濾的濾料，該濾料配置方案可達(dá)到雨水的最佳過(guò)濾效果;濾料厚度在5 cm左右過(guò)濾效果最佳。下一階段，會(huì)將簡(jiǎn)易雨水過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)置于真實(shí)河段中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試簡(jiǎn)易雨水凈化裝置在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)并加以改良[3]。

6 ?項(xiàng)目總結(jié)

一方面，使用本實(shí)驗(yàn)裝置不僅使學(xué)生直觀地看到過(guò)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?yàn)態(tài)度和精神，學(xué)習(xí)科學(xué)試驗(yàn)方法，這種培養(yǎng)對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)往往更加重要，對(duì)學(xué)生的影響是長(zhǎng)期的、深遠(yuǎn)的[4]。另一方面，該教具與學(xué)生之前接觸過(guò)的過(guò)濾裝置（化學(xué)過(guò)濾儀器）類(lèi)似，易于操作，讓學(xué)生有深入探究的動(dòng)力。在試驗(yàn)一中，學(xué)生原本的猜想是活性炭組合過(guò)濾效果最佳，但通過(guò)試驗(yàn)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(duì)過(guò)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(yàn)二，原來(lái)濾料不是裝得越厚越好，在實(shí)際應(yīng)用中還要考慮過(guò)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(wèn)題，通過(guò)這一系列的技術(shù)試驗(yàn)，讓學(xué)生有了更多思考的空間[5]。以此為載體，學(xué)生對(duì)技術(shù)試驗(yàn)的重要性有了更深刻的體會(huì)（見(jiàn)圖11）。因此，本項(xiàng)目不管是在通用技術(shù)課程中，還是在常規(guī)科技實(shí)踐探究活動(dòng)中，都是一個(gè)值得借鑒和推廣的項(xiàng)目。

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