吳曉月

摘 要：地理實踐是中學地理教育的重要教學方法和教學內容，而缺少科學、規(guī)范的實驗儀器設備，是目前開展地理實踐活動中普遍存在的問題。文章介紹了降雨器的基本結構、控制方法，設計了一款結構簡單、成本低、可自制、可定量模擬雨量及雨強的降雨器，并探討其在相關實踐探究活動中的應用，可以提升教學內容精細程度、增加學習思維深度。

關鍵詞：地理實驗教學;降雨器;控制方法

地理實踐力培養(yǎng)，是現(xiàn)階段高中地理課程改革的亮點之一。地理學科綜合性的特點，決定了在現(xiàn)實的自然與社會環(huán)境中存在大量的實踐素材，它們是教師教學的重要資源庫，也是培育學生地理素養(yǎng)的生動資源庫。目前的地理實踐教學，多在教師個體或校本層面開展，這些活動開發(fā)了豐富多樣的實踐內容，但橫向對比已形成完整實驗教學體系的理、化、生等科目，依然顯得零散隨意。要讓全體學生的地理實踐力素養(yǎng)得到發(fā)展，選擇部分經典的地理實驗，建立一套比較統(tǒng)一的、自上而下的地理實驗教學體系是有必要的。而要成為經典的地理實驗，其設計、操作必須是科學的、規(guī)范的，實驗過程和結果是能夠重復的，所以對實驗儀器設備提出了更精細的要求。

在2017年的《普通高中地理課程標準》的實施建議中列舉了“不同地表覆被的水源涵養(yǎng)、水土保持功能探究”這一經典模擬實驗[1]，要求實驗過程中控制降水量、降水強度等實驗條件。但過去應用于中學的模擬降雨器都比較簡單粗糙（一般用噴壺或打有孔洞的鐵筒），難以實現(xiàn)對降雨條件的準確控制。而應用于科學研究的人工模擬降雨器，如降雨大廳、野外便攜式降雨器等，由于規(guī)模大、造價高，對于中學而言，并不適用。因此，有必要研制一種低成本、可定量控制、師生能自制的降雨器。

一、降雨器的基本結構與控制方法

1.基本結構

降雨器是可以模仿自然降雨過程的實驗儀器，與自然降雨的不可重復性不同，人工降雨器可以建立相同降雨條件下的重復實驗，為揭示降雨與地表水文、土壤侵蝕、地貌發(fā)育、水源涵養(yǎng)等諸多自然過程之間的機理，提供了必要的實驗支撐[2]。降雨器的基本結構簡單地說，與平常使用的花灑噴壺是相似的，應包括具有儲水功能的壺身（儲水器）、將水流分散成若干水滴的壺嘴（噴頭）以及將水從壺身輸往壺口的壺管（輸水管）三個基本組件。與花灑不同的是，降雨器具有一套可以控制水量多少（雨量）、出水快慢（雨強）等條件的控制系統(tǒng)。

2.降雨量的控制方法

降雨量，指降水的多少，用單位面積上的降水深度（單位/mm）表示。一般而言，自制降雨器水壓較小，噴頭的水滴不會噴散張開，降水垂直滴落，可測量噴頭出水面積作為降雨覆蓋面積。在噴頭面積確定的情況下，降水深度只與儲水器中水的體積有關，如噴頭面積為100cm2，實驗需要10mm的降雨量，則只需在儲水器中量入100ml的水量，就可實現(xiàn)對目標雨量10mm的控制。

3.降雨強度的控制方法

雨強是衡量單位時間內降雨量大小的指標，表示降雨快慢，單位為mm/h，實驗中也可用mm/min來衡量。與雨量的控制方法相比，降雨強度的控制要復雜一些。要實現(xiàn)對降雨強度的控制，筆者根據(jù)基本物理常識結合相關實踐，認為可通過表1所示的4個思路對雨強進行定性到定量的控制。

二、自制降雨器的結構與功能及定量控制方法

1.自制降雨器的結構與功能

綜合以上思路，設計并制作出了一種可定量控制的降雨器（圖1a、圖1b），其由儲水器、帶泵的進/回水管、穩(wěn)壓箱、若干輸水細管、噴頭、支撐噴頭的降雨支架、可調節(jié)高度的穩(wěn)壓箱及支架等幾部分組成（圖1）。各部分功能如表2。

2.自制降雨器的定量控制方法

雨量的定量控制，與上述一般降雨器的方法一致，即測量噴頭面積后，根據(jù)所需的降水深度，求算需水量，使用量具量取后，注入儲水箱即可。但應注意的是，在儲水器中量入降雨所需水量的同時，還應將所有管道的開關關閉，再在穩(wěn)壓箱中加入水，使水面到達穩(wěn)壓面的位置，再開始實驗;當儲水器中的水全部抽干時，應迅速關閉所有開關，這樣就保證了儲水箱中的水量全部穩(wěn)定地輸出到噴頭中，而穩(wěn)壓箱中依然保留著等量的水，使實驗雨量不受影響。

雨強的定量控制，需要綜合前面的幾條思路。該自制降雨器制作了一個可以調節(jié)儲水箱高度的支架，每升高10cm為一個檔位，共5個檔位，來調節(jié)管道兩端的水壓;在穩(wěn)壓箱上安裝了20根帶開關的醫(yī)用輸液管，調整打開開關的輸液管根數(shù)，可控制進入噴頭水量（圖1c）;拔掉或套上輸液管前端的細管（圖1d），即可得到兩種不同大小的流量。最后通過多次重復實驗，分別測定不同檔位下單根粗管、單根細管的流量均值，得到表3。

通過上表參數(shù)，可以在一定程度上實現(xiàn)定量模擬降雨的方案。如需要模擬一場雨量為20mm，雨強為40mm/h的降雨，該降雨器的噴頭面積為2 826cm2，則需要在儲水箱內注入5 652ml（即2 826cm2×20mm）的水量;40mm/h的雨強，即需要將固定的5 652ml的水量30min降完，每分鐘需輸水188.4ml?？梢酝ㄟ^多種方案接近這一要求，如在1檔高度處打開2根粗管（191.6ml/min），或3檔高度處打開1根粗管和1根細管（191.3ml/min），由此便實現(xiàn)了對雨強的近似控制。

實驗者也可以通過選擇其他管徑的輸水管，不斷調整穩(wěn)壓箱高度，找到單根管輸水量正好為1個單位雨強（1mm/h）的高度位置，即可在固定的高度處通過調整輸水管根數(shù)，更加精確地模擬不同雨強的降水情況。

3.自制降雨器的穩(wěn)定性評價

降雨器在進行重復實驗時能夠控制多次降雨條件基本保持一致的性能，即穩(wěn)定性，是一項重要性能。為測試該降雨器的穩(wěn)定性，進行了5種降雨條件的模擬，且每種條件進行6次重復實驗。雨量的誤差基本只與量取水量的操作過程相關，不做統(tǒng)計。雨強的測評結果（表4）顯示，該降雨器模擬的降雨強度接近于模擬目標。因此，可以認為該降雨器基本能滿足中學地理教學相關內容的實證與探究性學習的需求。

三、降雨器的教學實驗應用例舉

結合初高中地理課程標準，利用該款降雨器可設計如下實驗。

1.雨量桶的基本工作原理及應用方法

初中地理中涉及降水的測量儀器、雨量桶的使用方法、降雨的等級分類等內容，常規(guī)的教學一般只是將這些知識以概念性的方式傳輸，學生缺少感官性的體驗及深度的思考。如果將其轉化為實驗的方式進行教學，可進行這樣的設計：教師先將降雨器安置好，在降雨器噴頭正下方放置一個口徑與噴頭直徑一致的透明圓形容器，在降雨器的儲水箱中注入一定量的水，打開泵的開關，噴頭開始降水，圓形容器中收集到的雨水不斷上升。降水持續(xù)一段時間后，關閉開關，降水結束，教師此時可提問：這是一次模擬的降水，那么可以通過哪些量來描述這次降水的多少呢？學生望著圓形容器可能會回答，用重量、體積、深度等。教師可就學生回答繼續(xù)追問，如果某地區(qū)降了一場雨，那么是否有辦法將這次的全部降水收集起來，測量它的體積或重量呢？教師告訴學生最恰當?shù)拇鸢甘恰吧疃取辈⒆鋈缦陆忉專喝绻谀车貐^(qū)放置一個直壁容器，一場降雨后，容器內水深為20mm，那么，就可以估計在這一容器周邊各地區(qū)的降水深度也大致是20mm。問答到此，教師即可用常規(guī)教學的方式介紹降水的測量儀器、基本結構、使用方法等。之后，教師可帶領學生進行一個拓展小練習：一片1公頃的耕地上，放置的雨量桶在一場降雨后測得該次降水為10mm，估計該次降水，這片耕地獲得多少體積的水資源？通過這一練習，可以檢測學生對雨量桶的原理及應用的掌握情況，并將知識與實際生活結合，促進深度學習。

對于降雨等級的教學，教師可在儲水箱中量入等量的水，分別以氣象標準中的小、中、大、暴雨的雨強標準，將相同的水量以不同的雨強降下，學生通過觀察，便可區(qū)別雨量、雨強的概念。在掌握了降水等級之后，學生還可能學會如何通過制作簡易雨量桶、計時來測量降雨的強度，并為其定級的方法。這樣做花費的時間較多，但對于以講“地”為主的初中地理而言，適合進行實驗、實踐的內容并不多，適當花費一些時間在可以活動的內容上，既有意思，又有意義。

2.地表產流與水源涵養(yǎng)、水土保持

關于地表覆被與水土流失的關系實驗，是一個常見且經典的地理實驗。教師利用這一實驗來說明植被具有保持水土的作用，進而延伸地表植被的重要性或治理水土流失的措施。這一實驗驗證的是一些淺顯的道理，在小學、初中是可行的，但對于高中而言就顯得浪費時間和精力[3]。使用該降雨器，可以對這一實驗進行適當?shù)耐卣?，以適應高中生的學習需要。如在學習水循環(huán)過程、各類陸地水體之間的關系、洪澇災害、水土保持等相關內容時，可以選擇兩個口徑與降水噴頭等大的容器，在容器內裝入土壤，一個為裸土，另一個栽種灌木和草本，將兩個裝置放置一兩年的時間，并保證植物成活，使裝置內土壤緊實度與自然土壤類似。實驗時，將兩裝置分別放置在噴頭下，并設計一個收集地表徑流的裝置，將地表徑流引入一個量具中，以實現(xiàn)對地表徑流的實時動態(tài)觀測。在這個實驗中，兩個實驗對象接受的雨量、雨強是一致的，所以單位時間內進入實驗對象的水量是已知的，通過觀察記錄單位時間內徑流量的變化，可求算出下滲量的大小，實現(xiàn)對下滲量動態(tài)變化的間接觀察。教師可以指導學生記錄兩個實驗對象地表徑流量、下滲流量、雨量的動態(tài)變化，并引導學生對兩個對象的幾條曲線進行對比分析。在這個實驗和分析的過程中，學生能夠在活動中生動、自主地認識到超滲產流、蓄滿產流等概念，并發(fā)現(xiàn)植被通過攔蓄、截留、增加土壤孔隙等方式，增加入滲量，減少地表徑流量，減少水土流失等水源涵養(yǎng)、水土保持的一般機理。

3. 城市硬質地面產流閾值范圍測量

城市道路設施積水，是大城市雨季經常遇到的問題，這與城市建設中大量采用不透水的硬質地面有很大關系。教師可以通過研究性學習、綜合實踐活動等途徑，指導學生應用降雨器開展相關的研究活動。在活動中，可將降雨器搬至戶外，選擇不同的硬質地面，如細顆粒、粗顆粒的柏油路面、石磚路面、水泥路面、透水磚路作為實驗對象，在不同的雨強、雨量條件下，觀察這些地面的產流狀況，并尋找不同地面產生線狀或面狀徑流的雨量、雨強閾值，為城市道路積水預警，提供一些數(shù)據(jù)依據(jù)。如果在山區(qū)，則可選擇某一小流域，通過土地利用結構的調查，不同土地類型的產流閾值測量，以此來估計山洪是否可能發(fā)生。

四、不足與展望

本文介紹了一款可實現(xiàn)定量控制的模擬降雨器，但因為是手工制作，沒有統(tǒng)一的制作工藝與規(guī)格，以上測定的數(shù)據(jù)，只適合于本臺降雨器，按照本方法制作的降雨器，都需要通過煩瑣的重復實驗來測定新的參數(shù)。雖然該裝置實現(xiàn)了對雨量、雨強的定量控制，但操作比較麻煩，且較笨重，為課堂應用帶來了不便。因此，實踐者們可在這一思路的基礎上，或簡化、或細化這一設計，制作滿足個人教學或研究需要的模擬降雨設備。

目前，中學地學實驗教學還處于起步階段，科學的實驗設備還很缺乏，廣大師生應以新一輪的高中課改為契機，不斷實踐創(chuàng)新，豐富適用于中學地理教學的科學實驗設備，推動中學地理實驗課程向科學化、標準化方向發(fā)展。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 王潔，胡少偉，周躍.人工模擬降雨裝置在水土保持方面的應用[J].水土保持研究，2005（04）：188-190+194.

[3] 項愛明，周仁富.關于地理實踐活動“五對關系”的思考[J].地理教育，2019 （11）：41-43.