古代农具推动演示仪

余斌

研究背景

我在长期的小学教学过程中发现，一方面湘教版科学教材中有许多古代农具的运转、能量的利用、齿轮传动的运用等知识点无法给学生讲解清楚;另一方面当小学语文教学到石磨、石臼、石碾等古代农具的内容，我只能利用图片进行模糊的讲解，无实物展示和运转演示，学生听得“云里来，雾里去”。为此，我想制作一台古代农具推动演示仪，不仅能让学生认识一些古代的农具，了解古代劳动人民如何利用水力驱动农具运转节省人力，而且通过演示电力推动古代农具的运转，其工作效率和水力推动形成鲜明的比较，让学生切实感受到科学技术的进步给人们生活带来的便利。

设计制作

演示仪长80cm、宽50cm、高50cm，绝大部分采用木料制作，部分采用榫卯结构加工而成（图1）。推动演示仪设计水力推动古代农具（石臼、石碾）和电力（电机）推动古代农具（石臼、石碾、石磨）两种模式。两大推动系统可独立工作，也可同时运行，实现集中演示和对比效果。同时，还制作了水力推动木头人，增加教具的趣味性。

水力推动古代农具部分

演示仪水力推动农具部分见图2。采用循环水模式，用小水泵将水通过管道抽到高处，模拟高山（高处）水流下落的过程推动水轮转动，水轮带动连杆（8mm螺丝杆代替）转动，连杆转动带动相应农具的转动。

推动石臼运动：用木料制作石臼、支架和木轮，木轮上安装荷木小棒，运用杠杆原理带动石臼运动。

推动石碾运动：制作2个木齿轮，把连杆（螺丝杆）推力作90°的方向转换，实现石碾的平面运动。此部分是制作水力推动部分成功與否的关键。

推动小木人的运动：小木人在连杆带动下作前后运动。

制作此部分的关键点包括：①水流量的大小、速度决定是否能推动石臼、石碾和小木头人的运转，这是将水力（水能）转化为机械能;②抽水机将蓄水箱中的水抽到高处，需制作有机玻璃水箱，以利于搬动和储存水;③制作中要尽量减少摩擦力，可在需减少摩擦力和阻力的关键点使用轴承，使演示效果更明显;④水轮推动连杆转动的力要转换90°方向，需经过反复计算和调试，才能转换成平面推动的力;⑤要统一考虑演示仪的尺寸及空间设计，以便为电力推动农具转动部分留下空间。

电力（电机）驱动古代农具部分

电力（电机）带动连杆转动，连杆带动相应农具转动。电力（电机）驱动部分见图3。

带动石碾转动：石碾的运动是平面转动，同时又要带动连杆转动，故使用双输出90°换向器，一路力的输出经过90°换向后带动石碾转动，一路力的输出带动连杆转动。

带动石臼运动：通过反复实验电机扭力大小、演示仪的空间大小，使用3个石臼及支架;同时制作3个木轮并安装上小荷木棍，运用杠杆原理推动石臼运动。

带动石磨转动：石磨运动是平面运动，同样涉及90°方向力的换向后的推动问题。采用2个木齿轮作90°力的换向，然后再推动石磨转动。石磨用形象逼真的树脂材料制作。

制作此部分的关键点包括：①考虑到演示仪用电安全性，要选择合适的小电机且电机扭力要大，电机和水泵均采用12V直流电压，并选用方便、安全、大功率的开关电源②小电机的转动需要带动连杆（仍然使用8mm螺丝杆作连杆）的转动，电机和螺丝杆使用软轴连接器;③考虑到空间问题，3个石臼和木齿轮（作为石磨的换向器）的尺寸要合适;④本部分电力驱动涉及材料多、空间小、有2次换向等问题，要充分考虑作品空间的安排。

附属设施的设计思考

考虑到密封问题和美观性，制作水箱时采用专用四氯化碳黏结剂，同时在水箱内安装12V自变光发光二极管，连接在开关电源上;考虑作品的安全宣传和教育性，在作品空间较高处用铜线和焊锡制作安全设施——楼梯和铜线栏杆;对工件上漆和上色，以便作品的长期保存及美观。

教学用途与方法

水力推动古代农具工作部分

使用方法：打开左侧水泵开关，将有机玻璃水箱中的水通过管道抽到高处，模拟自然界的高山（高处）流水，水流往下流推动水轮转动，水轮转动再推动连杆转动。一是带动水箱外的木轮工作，使石臼杠杆做上下运动;二是通过2个木齿轮作90°力的运动方向转变，带动下方石碾工作;三是可带动小木人做前后运动，增加了科技作品的趣味性。此部分可以很好地向学生展示水能机械能转换、杠杆原理、传动中力是如何改变运动方向的。

电力（电机）驱动农具工作部分

使用方法：打开左侧电机开关，带动连杆工作。一方面，连杆通过换向器将一部分力传送到上部，推动石碾工作;另一方面，通过换向器将另外一部分力通过连杆传送，连杆上安装的3个木齿轮相应地带动3个石臼杠杆运动，3个石臼作延时上下运动;与此同时，通过木齿轮作90°力的换向，带动上方的石磨做平面运动。关闭电机开关，此部分停止工作。

本演示仪的2部分同时工作时，一部分是水力推动（古代人们解放人力的方法之一）古代农具工作，效率不高;另一部分是电力（现代人们解放人力的方法之一）推动古代农具工作，效率高，2部分有比较明显的对比效果。

创新点

作品在制作中运用了比较多的科学原理，如杠杆的工作原理、齿轮传动的工作原理、水能转化为机械能的原理、电能转化为机械能的原理、力转换运动方向的原理等，在讲授相关知识时均可作为演示教具。

作品没有采用自来水，而是使用循环水，节约了水资源。

作品制作有安全栏杆和楼梯，是潜移默化的安全教育作品。