紀藝璟

◎開發(fā)背景

蘇教版小學《科學》1年級下冊第2單元“水”第2課“玩轉小水輪”中，學生需要進行3組對比實驗，探究水輪轉動快慢與水位高低、水流量大小、水流沖擊水輪葉片位置等因素的關系。探究影響水輪轉動快慢因素實驗對于低年級學生存在諸多操作上的難點，根據(jù)學生學情和教學需要，針對該實驗教學中存在的難點，我自主設計開發(fā)出數(shù)顯式新型水輪實驗儀器。該實驗裝置將人為操作轉變?yōu)閷嶒炑b置控制，能同時設定1個不同條件，2個相同條件，增強實驗的可見性和操作性，突破教材重點難點。學生能更直觀地讀取并記錄數(shù)據(jù)，有效幫助學生完成自主探究。

◎設計制作

本教具的主要結構和實物圖如圖1所示。

◎科學原理與實驗操作

實驗一：探究水輪轉動快慢與水流量大小關系

保持水流沖擊水輪葉片位置不變，在同一高度，通過2個出水口大小不同的水杯（4mm和6mm），探究水輪轉動快慢。

◆水流量小保持水輪位置不變，在同一高度，將水杯1（出水大小為4mm）放人第2層高度的水杯槽內左側，打開水泵開關。此時，水泵抽取實驗用脈至杯1中，水從杯底的硬管緩緩流出，水的流量小，水流沖擊水輪葉片的內側。學生觀察水輪轉動快慢，待液面穩(wěn)定后，根據(jù)數(shù)顯轉速表記錄數(shù)值區(qū)間（見圖2）。

◆水流量大保持水輪位置不變，在同一高度，將水杯2（出水口大小為6mm）同樣放入第2層高度的水杯槽內左側，打開水泵開關。此時，水泵抽取實驗用水至杯2中，水從杯底的硬管流出，水的流量大，水流同樣沖擊水輪葉片的內側。學生觀察水輪轉動快慢，待液面穩(wěn)定后，根據(jù)數(shù)顯轉速表記錄數(shù)值區(qū)間（見圖3）

實驗二：探究水輪轉動快慢與水位高低關系

保持水流沖擊水輪葉片位置不變，使用同一水杯，通過改變水杯在實驗裝置上的高低位置，探究水輪轉動快慢。

◆第1層高度保持水輪位置不變，將水杯1（出水口大小為4mm）放入第1層高度水杯槽的內左側，打開水泵開關。水泵抽取實驗用水至杯1中，水從杯底的一小段硬管流出。此時，水流從較低位置流出，水位低，水流沖擊水輪葉片的內側。學生觀察水輪轉動快慢，待液面穩(wěn)定后，根據(jù)數(shù)顯轉速表記錄數(shù)值區(qū)間（見圖4）。

◆第2層高度保持水輪位置不變，將水杯1（出水口大小為4mm）放入第2層高度水杯槽的內左側，打開水泵開關。水泵抽取實驗用水至杯1中，水從杯底的一小段硬管流出。此時，水流從較高位置流出，水位高，水流同樣沖擊水輪葉片的內側。學生觀察水輪轉動快慢，待液面穩(wěn)定后，根據(jù)數(shù)顯轉速表記錄數(shù)值區(qū)間（見圖5）。

實驗三：探究水輪轉動快慢與水流沖擊水輪葉片位置關系

在同一高度，使用同一水杯，通過移動水杯在水杯槽中的位置，使水流沖擊水輪葉片位置不同，探究水輪轉動快慢。

◆水流沖擊水輪葉片內則在第1層高度使用同一水杯，將水杯放在水杯槽內左側，打開水泵開關。水泵抽取實驗用水至杯中，水從杯底的硬管流出。此時，水流沖擊水輪葉片的內側。學生觀察水輪轉動快慢，待液面穩(wěn)定后，根據(jù)數(shù)顯轉速表記錄數(shù)值區(qū)間（見圖6）。

◆水流沖擊水輪葉片外

側在第1層高度使用同一水杯，將水杯移至水杯槽內右側，打開水泵開關。水泵抽取實驗用水至杯中，水從杯底的硬管流出。此時，水流沖擊水輪葉片的外側。學生觀察水輪轉動快慢，待液面穩(wěn)定后，根據(jù)數(shù)顯轉速表記錄數(shù)值區(qū)間（見圖7）。

◎創(chuàng)新點

與現(xiàn)有教具相比，本教具具有如下創(chuàng)新。

實驗裝置自動控制

本裝置將原有的人為操作轉變?yōu)閷嶒炑b置控制，通過2層高度板、出水口大小不同的水杯、可移動式水杯槽，分別控制水位高低、水流量大小、水流沖擊水輪葉片位置這3個關鍵點，方便進行實驗演示及數(shù)據(jù)分析處理，避免人為因素所產生的實驗誤差。

實驗數(shù)據(jù)直觀精確

本裝置采用圓光柵編碼器連接水輪計算圈數(shù)，并采用數(shù)顯轉速表顯示在水流沖擊下的水輪轉速狀態(tài)。學生不必再憑借感官判斷水輪轉動的快慢，而是通過數(shù)顯轉速表、光柵編碼器與水輪的一體連接裝置，根據(jù)數(shù)顯轉速表的讀數(shù)直接判斷，大提高了實驗的誰確性。

實驗過程簡潔合理

通過安裝水泵循環(huán)抽取實驗用水，不僅能固定數(shù)顯轉速表的數(shù)值區(qū)間，方便觀察與記錄實驗數(shù)據(jù)，還避免了因反復取水、倒水而造成的水資源浪費和實驗過程拖沓。

實驗裝置部件精細

水杯裝置中杯壁兩端分別開孔，外接小段硬管，一為進水口，與水泵出水口通過軟管連接;二為出水口，外接軟管連通水槽，實驗時能更好地穩(wěn)定水位高度。此外，杯底出水口處增加一小段硬管，保證水向下流動的直線性。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該實驗裝置將人為操作轉變?yōu)閷嶒炑b置控制，能同時設定一個不同條件和兩個相同條件，增強實驗的可見性和操作性。項目選題新穎，具有實質性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。