倪仁英 范換

近年來，地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)人類的生產(chǎn)生活造成很大影響。特別是城市高樓等建筑物。例如2021年5月，新聞中播報(bào)了有關(guān)深圳華強(qiáng)北賽格大廈劇烈晃動(dòng)的報(bào)道，大廈封樓，人員全部撤離，給人們的生產(chǎn)生活帶來了嚴(yán)重影響，而通過改善樓體結(jié)構(gòu)抵抗地震、臺(tái)風(fēng)等外力影響也比較困難。

一、研究背景

（一）問題的提出

本項(xiàng)科技創(chuàng)新作品針對(duì)上述問題，進(jìn)行城市高樓阻尼器作用演示模型的制作，利用直線往復(fù)推進(jìn)器制造的振動(dòng)，使用阻尼器與城市高樓共振達(dá)到減振消能的作用，從而避免或減少高樓主體結(jié)構(gòu)的損傷。模擬地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害來臨時(shí)阻尼器對(duì)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的直觀作用。本模型能應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)地震成因內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生的探究意識(shí)和實(shí)踐能力。

以此為契機(jī)思考是否可以發(fā)明一種裝置，能夠讓災(zāi)害帶來的損失減少？在經(jīng)過商討之后，決定嘗試制作一種城市高樓阻尼器作用演示模型，這種裝置在高樓大廈晃動(dòng)時(shí)，會(huì)因?yàn)閼T性發(fā)生與大樓搖晃節(jié)奏一致，但方向正好相反的擺動(dòng)，從而減緩甚至抵消高樓大廈的晃動(dòng)，起到穩(wěn)定和保護(hù)作用。近幾個(gè)月通過無數(shù)次試驗(yàn)和裝置改進(jìn)，終于完成了這項(xiàng)創(chuàng)新成果。

（二）阻尼器及其應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究現(xiàn)狀

阻尼器可以提供運(yùn)動(dòng)的阻力，減少能耗，降低振動(dòng)幅度，在航天航空等行業(yè)應(yīng)用各種各樣的阻尼器來減震效能，但20世紀(jì)70年代以后，人們才開始逐漸把阻尼器技術(shù)運(yùn)用到建筑橋梁等工程中，而且發(fā)展十分迅速。

小學(xué)科學(xué)“地球表面的變化”這一單元中的一個(gè)關(guān)鍵問題是探究地震的成因及作用，通過模擬實(shí)驗(yàn)，了解地震發(fā)生的原因，并知道地震發(fā)生帶來的地表形態(tài)的巨大變化以及掌握抗震防災(zāi)的基本常識(shí)。因此正確地理解和把握地震成因及作用，對(duì)于地球表面的變化這部分知識(shí)起著至關(guān)重要的作用。

因受到生活中的反沖裝置、秋千等的啟發(fā)，我們利用這兩種物品有規(guī)律擺動(dòng)減振耗能的特點(diǎn)，制作城市高樓阻尼器演示模型，利用物理學(xué)中的慣性原理及擺動(dòng)方向與振動(dòng)方向相反，從而消能等原理，減緩甚至抵消高樓大廈的晃動(dòng)，從而起到穩(wěn)定和保護(hù)作用。但在準(zhǔn)備演示模型的制作材料時(shí)，需要解決諸如阻尼器小球大小、阻尼器重量、阻尼器的材質(zhì)等問題。用什么樣的裝置模擬自然界的地震、臺(tái)風(fēng)帶來的晃動(dòng)？是否需要設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)?zāi)?？大樓晃?dòng)時(shí)是否設(shè)置滾珠裝置使得晃動(dòng)更加逼真？這些問題需要在制作過程中不斷地進(jìn)行裝置探索和改進(jìn)。

二、研究過程

（一）“城市高樓阻尼器作用演示模型”項(xiàng)目的設(shè)計(jì)構(gòu)思

地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)人類生產(chǎn)生活造成很大影響。特別是城市高樓等建筑物，通過改善樓體結(jié)構(gòu)抵抗外力影響比較困難。因此本項(xiàng)科技創(chuàng)新作品針對(duì)上述問題進(jìn)行城市高樓阻尼器作用演示模型的制作，利用直線往復(fù)推進(jìn)器制造的振動(dòng)，模擬地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害來臨時(shí)阻尼器對(duì)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的直觀作用。

城市高樓阻尼器作用演示模型能更順利地進(jìn)行模擬演示，提升觀察效果和使用實(shí)效。主要由以下幾個(gè)重要部分組成：阻尼器演示模型（底座、滾珠底盤、鋼絲高樓模型、阻尼小球）、直線往復(fù)推進(jìn)器（底座、電動(dòng)可調(diào)節(jié)往復(fù)推進(jìn)裝置）。

通過分析大樓高度、阻尼器重量、穩(wěn)定性、大樓晃動(dòng)等級(jí)等因素，進(jìn)行第一次制作嘗試。本模型綜合了模擬、對(duì)比觀察等功能于一身。采用亞克力板材和滾珠裝置制作成穩(wěn)定性較強(qiáng)的“高樓”底座，將底座與上層鋼絲“高樓”固定。如何減緩高樓振動(dòng)時(shí)的擺幅是最先要解決的問題。第一次試驗(yàn)考慮的是在高樓中用細(xì)繩扣一根小鐵錐，但是發(fā)現(xiàn)效果很不理想，在高樓因外力晃動(dòng)時(shí)，小鐵錐也會(huì)四處擺動(dòng)，甚至撞到樓體；第二次試驗(yàn)考慮用一根細(xì)鐵絲固定小球“阻尼器”，并設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，這樣不僅解決了隨處擺動(dòng)的問題，還呈現(xiàn)了直觀的觀察畫面。

（二）“城市高樓阻尼器作用演示模型”項(xiàng)目的改進(jìn)

在考慮用細(xì)鐵絲固定小球“阻尼器”，并設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)之后，小球“阻尼器”隨處擺動(dòng)的問題得以解決，還呈現(xiàn)了直觀的觀察畫面。然而在使用過程中發(fā)現(xiàn)手動(dòng)晃動(dòng)模擬地震及臺(tái)風(fēng)等的影響，由于用力不可控導(dǎo)致觀察效果不理想，那么到底怎樣解決這個(gè)問題呢？經(jīng)過改裝，采用直線往復(fù)推進(jìn)器來模擬晃動(dòng)。該推進(jìn)器設(shè)置了不同力度的晃動(dòng)等級(jí)，接通電源，模擬不同地震等級(jí)震動(dòng)，使得操作更加便捷，實(shí)驗(yàn)效果明顯，學(xué)生接受能力強(qiáng)。

這款城市高樓阻尼器作用演示模型解決了手動(dòng)模擬操作不便捷、觀察效果不明顯等問題，通過小球阻尼器、直線往復(fù)推進(jìn)器的簡(jiǎn)便使用，親歷體驗(yàn)裝置帶來的便捷。

上圖為成品裝置圖，其中包含了高樓模型3個(gè)，滾珠底座1個(gè)（含4個(gè)滾珠裝置），直線往復(fù)推進(jìn)器1個(gè)，調(diào)節(jié)旋鈕的控制電源1個(gè)，小球“阻尼器”2個(gè)，開通電源，調(diào)節(jié)控制旋鈕即可觀察。

三、“城市高樓阻尼器作用演示模型”的實(shí)驗(yàn)與教學(xué)效果

（一）模型演示器的安裝及操作方法：

1.實(shí)驗(yàn)前觀察演示器各部分的組成構(gòu)造，按步驟組裝模型。

2.接通電源，打開電源開關(guān)，直線往復(fù)推進(jìn)器開始工作，對(duì)比觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。適時(shí)調(diào)節(jié)旋鈕，設(shè)置不同等級(jí)的振幅，直觀觀察。

（二）實(shí)驗(yàn)及教學(xué)效果

利用“城市高樓阻尼器作用演示模型”可以進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：（1）初步了解地震產(chǎn)生的具體原因；（2）地震產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致地形地貌發(fā)生的變化；（3）加深對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)的理解；（4）理解科學(xué)技術(shù)可以減少自然災(zāi)害對(duì)人類生活的影響。實(shí)驗(yàn)效果直觀、明了，便于觀察。本“城市高樓阻尼器作用演示模型”并不局限于上述實(shí)驗(yàn)探究。

四、“城市高樓阻尼器作用演示模型”在教學(xué)中的作用

工欲善其事，必先利其器，小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的核心環(huán)節(jié)是探究性實(shí)驗(yàn)，而一套好的實(shí)驗(yàn)教具或者是有助于課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)材料，能夠在很大程度上降低課堂操作難度，提升教學(xué)效果，從而更好地將課堂知識(shí)與探究活動(dòng)緊密聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解和探究能力的提升。本項(xiàng)目的研制有助于小學(xué)科學(xué)有關(guān)地震成因和地貌變化等相關(guān)科學(xué)知識(shí)的探討，并且起到關(guān)鍵作用，通過本模型的使用，學(xué)生對(duì)于理解阻尼器在減輕地震災(zāi)害過程中所起的作用等相關(guān)原理能夠深入理解。本模型的研制在不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)揮了重要的作用。

本模型在學(xué)生探究過程中能夠真實(shí)提升實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，鍛煉學(xué)生綜合實(shí)踐能力，幫助教師達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。具體在探究教學(xué)中的作用主要有以下三個(gè)方面。

（一）提高課堂學(xué)習(xí)專注力

根據(jù)本模型自身的屬性來分析，它能夠有效激發(fā)學(xué)生對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)的參與熱情，而且還能夠提升學(xué)生聽課的專注力。學(xué)生在觀看并且使用本模型的過程中能夠自發(fā)找到學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的樂趣。為了保證學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的深入理解，學(xué)生通過反復(fù)進(jìn)行模擬和觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在這樣一個(gè)追求科學(xué)性的過程中，學(xué)生不斷找到了實(shí)驗(yàn)探究的樂趣，并將自身的注意力全部集中到課堂之中。

（二）提升課堂知識(shí)理解力

學(xué)生對(duì)于阻尼器的作用原理知之甚微。教師通過枯燥的概念講解，很難讓學(xué)生能夠直觀地理解并進(jìn)行知識(shí)聯(lián)想，那么借助本模型能夠生動(dòng)并直觀地觀看到阻尼器在地震來臨時(shí)對(duì)于減輕地震帶來的災(zāi)害所起到的效果，能夠很好地突破阻尼器作用原理這一難點(diǎn)，對(duì)于地震成因也有更好地理解。教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和演示實(shí)驗(yàn)時(shí)通過詳盡的語(yǔ)言講解，也會(huì)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提升科學(xué)探究的樂趣，讓復(fù)雜知識(shí)變得更加簡(jiǎn)單易懂。

（三）強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)意識(shí)

一套切實(shí)可行并且操作性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘邔?shí)驗(yàn)教具，在教學(xué)過程中能夠強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)意識(shí)。由于科學(xué)知識(shí)具有抽象性，我們將實(shí)際問題抽象成科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行合理的解釋，學(xué)生對(duì)知識(shí)則會(huì)有更好地理解。我們借助演示模型把抽象的科學(xué)知識(shí)具體化以及直觀化的還原到學(xué)生的生活實(shí)際。學(xué)生通過自主實(shí)驗(yàn)、小組合作，不斷觀察，以及通過模型進(jìn)行帶入想象，將自己的生活經(jīng)驗(yàn)與身邊事物聯(lián)系起來，那么學(xué)生的科學(xué)思維便逐步打開了，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)意識(shí)，并在實(shí)驗(yàn)過程中逐步強(qiáng)化這種意識(shí)，即很多科學(xué)知識(shí)的探究以及學(xué)習(xí)是需要通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，不斷地實(shí)踐和生活實(shí)際相結(jié)合，才能得到科學(xué)真理。而不是日常教學(xué)中通過抽象的科學(xué)知識(shí)講解，不借助相應(yīng)的教學(xué)模型、實(shí)驗(yàn)材料等來探究科學(xué)原理，這是一種不認(rèn)真不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。教師在課堂上應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠韨魇诳茖W(xué)知識(shí)，讓科學(xué)學(xué)習(xí)變得更有意義。

五、“城市高樓阻尼器作用演示模型”項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

（一）項(xiàng)目創(chuàng)新的基本思路

本模型設(shè)置對(duì)照觀察，包含以下創(chuàng)新點(diǎn)：

一是高樓設(shè)置使用鋼絲，柔韌性更強(qiáng)；在使用鋼絲作為高樓樓體主體結(jié)構(gòu)之前，我們還采用了細(xì)木棒等實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行研制，當(dāng)模擬地震來臨時(shí)的震動(dòng)時(shí)，木棒的實(shí)驗(yàn)效果基本可以忽略不計(jì)，預(yù)期結(jié)果不理想。通過不斷地改進(jìn)，想到了使用細(xì)鋼絲作為城市高樓主體結(jié)構(gòu)。在地震來臨時(shí)細(xì)鋼絲能夠更加直觀呈現(xiàn)出樓體振動(dòng)的幅度以及隨著地震等級(jí)的不同，它震動(dòng)幅度的強(qiáng)弱也有梯度變化，讓觀察者能夠更加真實(shí)地看到實(shí)驗(yàn)效果。

二是底盤采用滾珠模型。滾珠模型是受到滾珠軸承的啟發(fā)，能夠降低摩擦力，使得振動(dòng)效果更加明顯。

三是小球“阻尼器”用細(xì)鐵絲固定，防止振蕩。小球阻尼器在未使用細(xì)鐵絲固定之前，我們還嘗試使用了細(xì)棉線來固定，在實(shí)驗(yàn)操作過程中，細(xì)棉線固定小球會(huì)造成小球反復(fù)無規(guī)律震蕩，反而會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果，因此我們嘗試用細(xì)鐵絲固定“阻尼器”，阻止小球無端震蕩給實(shí)驗(yàn)帶來的負(fù)面效果。

四是使用“直線往復(fù)推進(jìn)器”，模擬在不同地震等級(jí)作用下的模型反應(yīng)機(jī)制，學(xué)生在使用該演示模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)于振動(dòng)的力度把控得不是特別準(zhǔn)確，那么在操作的過程中可能很難避免高樓模型晃動(dòng)帶來的干擾。因此為了解決教學(xué)實(shí)驗(yàn)的弊端，我們?cè)O(shè)計(jì)了不同等級(jí)程度的調(diào)節(jié)旋鈕，學(xué)生通過使用該旋鈕，能夠清晰直觀地感受到不同地震震動(dòng)強(qiáng)度下樓體晃動(dòng)的程度。操作更加簡(jiǎn)便，更具科學(xué)性。

該模型讓學(xué)生能夠在感受創(chuàng)新小發(fā)明帶給人們生活便利的同時(shí)，也能促進(jìn)科學(xué)知識(shí)的內(nèi)化和運(yùn)用，有利于其在動(dòng)手操作的過程中提升科學(xué)探究意識(shí)，增強(qiáng)分析、應(yīng)用能力。

（二）社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

本裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，方便實(shí)用，操作便捷，解決了學(xué)生在學(xué)習(xí)中對(duì)阻尼器工作原理及其使用價(jià)值、地震成因的理解，易于規(guī)?；a(chǎn)。另外在課堂上、科普展覽或科普講座中使用本模型更加直觀、形象性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)及使用效果更好，教學(xué)需求量大，在小學(xué)科學(xué)有關(guān)地震成因教學(xué)中的應(yīng)用效果良好，適用于學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，受廣大同學(xué)的歡迎，市場(chǎng)前景很好。

六、小結(jié)

本模型高樓采用鋼絲制作成平面樓體，操作過程中由于直線往復(fù)推進(jìn)器的模擬震動(dòng)，導(dǎo)致其柔韌性較強(qiáng)，搖擺幅度較大，因此我考慮是否可以利用鋼絲制作成立體結(jié)構(gòu)的高樓模型，則會(huì)更接近于生活實(shí)際，提升裝置的實(shí)用性。本模型應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)地震成因內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科普教育場(chǎng)合，能較好地提升學(xué)生的探究意識(shí)和實(shí)踐能力。