一种简易雨水过滤装置的设计与应用
凌丽金 苏景隆
摘 要 利用激光雕刻机及朗威DISLab浊度传感器等配套软件，设计一种简易雨水过滤装置，同时以试验报告的形式展示利用该装置进行技术试验的方法。利用该装置，学生能直观体验技术试验的过程，旨在为通用技术学科开展技术试验教学提供参考，亦可为科技教师指导学生开展科技实践探究活动提供借鉴。
关键词 雨水过滤装置;技术试验;激光雕刻机;通用技术
中图分类号：G633.98 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2021）19-0029-04
1 项目简述
1.1 项目选题
在讲授地质版通用技术《技术与设计1》第五章第二节“简单的技术测试方法”时，笔者发现仅利用教材中的内容，学生无法真切理解技术试验的定义，也无法直观体验技术试验的全过程，导致学生在撰写技术试验报告时无从下手。考虑到这一现象，笔者针对雨水过滤系统中的过滤环节设计一种简易雨水过滤装置，并结合现有软件进行数据分析、处理，作为自制教具供学生探究使用。
1.2 项目目的与基本思路
1.2.1 目的 利用激光雕刻机制作一种简易的雨水过滤装置，并结合朗威DISLab浊度传感器与配套软件进行试验数据的收集与分析。以“雨水过滤装置的技术试验”为载体，让学生体验、探究，也可供教师演示。
1.2.2 基本思路 由过滤桶、磁力搅拌器、烧杯、蠕动泵、滤料等构建试验装置主体并配合朗威DISLab浊度传感器与配套软件进行数据收集和分析。以過滤装置的过滤效果作为被测对象：其一，试验哪种滤料配置的过滤效果最好;其二，试验最佳滤料配置的厚度对过滤效果的影响[1]。
学生配置不同滤料及厚度的滤芯并利用简易雨水过滤装置过滤污水，接着将过滤后的水利用浊度传感器检测过滤效果，实时记录数据，最后分析数据并完成试验报告。在整个试验实践中，学生能够把学习到的理论知识应用到实践中，正确掌握技术试验的基本步骤以及撰写试验报告的方法，培养技术交流能力，提高图样表达和物化的技术素养。
1.3 项目的创新点
本项目主要有三个方面的创新之处。
1.3.1 自制“简易雨水过滤装置”，直观呈现“滤芯”对过滤装置的影响 教材要求的“同种木材的竖纹和横纹抗剪测试”三种试验案例在实际的课堂中难以实施，笔者设计自制了一种简易雨水过滤装置，将其作为新的试验载体让学生去体验、探究，也可供教师演示。
1.3.2 能对被测对象进行定量分析，并全程记录试验结果 技术测试是根据一定的科学道理，使用通用的或专用的量具和仪器设备，按照一定的测试工艺进行的。课本上提供的三个试验案例除了个别操作性不强外，有的还无法实时获取精准数据，如木块的抗弯测试无特定的仪器进行测量。在本节课试验中，笔者利用专业的化学器材浊度传感器对被测对象进行定量分析，实时记录数据，不仅体现了试验的科学性，也让学生认识了专业的技术测试器材，增强了学生的技术意识。
1.3.3 基于数据的比较，精准、客观地评判简易雨水过滤装置的过滤效果 学生通过试验计划、进行试验、记录数据、撰写试验报告一系列体验后，能对试验后的数据进行客观系统分析，并能提出关于提高雨水过滤效果的方案设想，不仅进一步锻炼了交流与合作能力，也有助于培养技术意识、图样表达素养和工程思维。
2 装置的制作方法
一是探寻目前过滤装置的类型和滤料种类;二是根据收集的资料制作一种易换芯、方便试验的过滤装置（这个过程可以用木板手工完成，有条件的学校也可以用激光雕刻机切割制作）;三是探寻过滤效果的检测指标和设备（可以参考化学实验室的设备，确定水质检测的标准，以此作为过滤装置的测试仪器）;四是装填滤料测试，根据测试结果修改设计，重新翻制模具制作过滤装置，直到测试满意为止。
3 装置的制作步骤
简易雨水过滤装置（见图5）的制作分为以下几个步骤。
3.1 材料的选取
硬纸板、亚克力板、胶水、搅拌器、水泵、滤芯瓶、滤料等（见图1）。
3.2 制作过滤装置靠板部分
在白板上规划过滤装置的过滤流程，利用激光雕刻机雕刻装置字样（见图2）;确定水泵和开关装配的位置，用雕刻机切割出安装洞口。
3.3 制作三级过滤器结构部分
用亚克力板制作一种方便装填滤料的滤芯装置（见图3），利用激光雕刻机切割出榫卯结构的放置架，并插入靠板进行装配，辅以胶水加固。通过这种卡扣结构，滤料瓶可以随时被拆取下来，还能直观呈现过滤效果。
3.4 装配浊度传感器
结合朗威DISLab浊度传感器与配套软件，对过滤装置过滤的水进行初步测试，记录测试结果，保证装置的可操作性和实用性（见图4）。
4 装置应用的注意事项
1）教师应把握好展示雨水过滤装置教具的时机。例如，教师可在第一个课时为学生介绍技术试验的含义及方法，并引出城市雨水过滤系统这一案例，针对其中的过滤器环节引导学生思考如何对雨水过滤效果进行试验;在第二个课时中可以展示雨水过滤装置实物，让学生体验试验过程，以此达到良好的教学效果。
2）在试验前要为学生讲解过滤装置的使用方法，并带领学生认识滤料的种类。
3）在试验过程中注意浊度传感器设备的清洁，减小试验误差。
4）试验结束后提醒学生做好整个过滤装置的清洁工作。
5 具体试验步骤
一种简易雨水过滤装置的技术试验报告
课程：通用技术
试验名称：简易雨水过滤装置的过滤效果试验
5.1 试验目的
一是试验哪种滤料配置的过滤效果最好;二是试验最佳滤料配置的厚度对过滤效果的影响。
5.2 试验器材搭建
试验装置分为两部分：一是雨水过滤装置，由搅拌器、集水池、水泵、三级滤芯组成;二是水质监测部分，利用浊度传感器监测过滤装置过滤出的水（见图6）。
5.3 试验方案
本试验的方案可从配水、滤料、运行三个方面阐述。
5.3.1 配水 本次试验首先使用人工配水对简易雨水过滤装置进行试验。人工配水采用蒸馏水+干燥的泥沙。根据一般雨水的浊度检测，本实验的人工配水浊度统一为400 NTU。
5.3.2 滤料 根据滤料的粒径大小，选择活性炭滤料、改性纤维球、石英砂滤料、矿石滤料作为本次试验的主要净水滤料，根据粒径的大小，由小到大依次放入简易雨水过滤装置的各容器中。
5.3.3 运行 配水放入大容器中，用搅拌器不断搅拌，放置悬浮颗粒物沉淀。用水泵将容器内人工配制的污水抽入简易雨水过滤装置中进行过滤，采用连续进水，并对出水进行检测，得出简易雨水过滤装置在不同滤料配置和厚度下的过滤效果，并分析改进建议（见图7、图8）。
5.4 试验数据及结果
根据试验方案进行两次试验，得到的数据和结果如下。
试验一：哪种滤料配置的过滤效果最好？以小组为单位，选择改性纤维球（20 mm）、活性炭（2 mm）、矿石
（2 mm）、石英砂（0.5 mm）作为净水滤料，每次根据粒径的大小由小到大依次放入简易雨水过滤装置的三级过滤器中，注意每层滤料厚度为3 cm。打开搅拌器和水泵接入过滤后的水，后将水放入浊度传感器进行测试，记录数据（见图9、图10）。
当浊度值到达平衡状态时，可以从软件的图像上读出浊度的大小，并做好试验数据记录。结合“滤料的配置”与“浊度值”这两个维度，对被测对象进行过滤效果的综合评价。
下面改变滤料配置，采用相同的方法测试并记录下数据（见表1）。
试验二：最佳滤料配置的厚度对过滤效果的影响。把过滤效果好的滤料配置，用不同厚度测试，用同样方法记录数据（见表2）。
通过对两个阶段试验数据的分析，有了新的发现。第一阶段试验记录的数据是纤维球—活性炭—石英砂组合的过滤的出水量为15 ml，过滤后的水浊度为201.9 NTU;纤维球—矿石—石英砂过滤的出水量为10 ml，过滤后的水浊度为171.6 NTU：两种组合过滤后的浊度都比初始泥水低，但两者相比，纤维球—矿石—石英砂组合的过滤效果更好。于是将纤维球—矿石—石英砂组合的滤料作为第二阶段的测试对象。
第二阶段试验重新装入滤料，每层厚度达到9 cm，过滤后的浊度为100.8 NTU，比初始厚度的过滤浊度低;但同等时间，过滤效率太低。那么过滤效果会不会与出水速度有关？这个问题需要进一步探究。
5.5 实验结论
在同等进水量的情况下，选择以矿石滤料—改性纤维球—石英砂作为雨水过滤的滤料，该滤料配置方案可达到雨水的最佳过滤效果;滤料厚度在5 cm左右过滤效果最佳。下一阶段，会将简易雨水过滤系统设置于真实河段中进行实验，以测试简易雨水净化装置在实际应用中的表现并加以改良[3]。
6 项目总结
一方面，使用本实验装置不仅使学生直观地看到过滤现象，而且有助于培养学生科学严谨的试验态度和精神，学习科学试验方法，这种培养对学生的成长往往更加重要，对学生的影响是长期的、深远的[4]。另一方面，该教具与学生之前接触过的过滤装置（化学过滤仪器）类似，易于操作，让学生有深入探究的动力。在试验一中，学生原本的猜想是活性炭组合过滤效果最佳，但通过试验发现恰恰相反，不看好的矿石滤料竟然是最佳组合，这也打破了学生以往对过滤装置的概念，发现了滤料更多的可能性，激发了学生深入探究的欲望。继续探究试验二，原来滤料不是装得越厚越好，在实际应用中还要考虑过滤装置的出水率，以保证正常的用水量。这是以往学生不曾考虑的问题，通过这一系列的技术试验，让学生有了更多思考的空间[5]。以此为载体，学生对技术试验的重要性有了更深刻的体会（见图11）。因此，本项目不管是在通用技术课程中，还是在常规科技实践探究活动中，都是一个值得借鉴和推广的项目。
参考文献
[1]车伍.现代城市的雨水利用技术[J].环境经济，2004（10）：
50-53.
[2]姚铭翔.3D打印快速制作小教具：项目研究报告[J].发明与创新（教育信息化），2017（1）：54-60.
[3]谭术梅.通用技术教学中案例使用方式研究[D].重慶：西南大学，2020.
[4]陈景乾.高中通用技术课程教学中如何开展技术试验活动[J].甘肃教育，2017（7）：62.
[5]沙木哈尔·吐尔汗拜，王红武，董敬磊.雨水自流过滤净化技术实际工程应用效果分析[J].四川环境，2018，37（3）：
72-78.
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