一款适用于中学地理实验教学的降雨器设计与应用
吴晓月
摘 要：地理实践是中学地理教育的重要教学方法和教学内容，而缺少科学、规范的实验仪器设备，是目前开展地理实践活动中普遍存在的问题。文章介绍了降雨器的基本结构、控制方法，设计了一款结构简单、成本低、可自制、可定量模拟雨量及雨强的降雨器，并探讨其在相关实践探究活动中的应用，可以提升教学内容精细程度、增加学习思维深度。
关键词：地理实验教学;降雨器;控制方法
地理实践力培养，是现阶段高中地理课程改革的亮点之一。地理学科综合性的特点，决定了在现实的自然与社会环境中存在大量的实践素材，它们是教师教学的重要资源库，也是培育学生地理素养的生动资源库。目前的地理实践教学，多在教师个体或校本层面开展，这些活动开发了丰富多样的实践内容，但横向对比已形成完整实验教学体系的理、化、生等科目，依然显得零散随意。要让全体学生的地理实践力素养得到发展，选择部分经典的地理实验，建立一套比较统一的、自上而下的地理实验教学体系是有必要的。而要成为经典的地理实验，其设计、操作必须是科学的、规范的，实验过程和结果是能够重复的，所以对实验仪器设备提出了更精细的要求。
在2017年的《普通高中地理课程标准》的实施建议中列举了“不同地表覆被的水源涵养、水土保持功能探究”这一经典模拟实验[1]，要求实验过程中控制降水量、降水强度等实验条件。但过去应用于中学的模拟降雨器都比较简单粗糙（一般用喷壶或打有孔洞的铁筒），难以实现对降雨条件的准确控制。而应用于科学研究的人工模拟降雨器，如降雨大厅、野外便携式降雨器等，由于规模大、造价高，对于中学而言，并不适用。因此，有必要研制一种低成本、可定量控制、师生能自制的降雨器。
一、降雨器的基本结构与控制方法
1.基本结构
降雨器是可以模仿自然降雨过程的实验仪器，与自然降雨的不可重复性不同，人工降雨器可以建立相同降雨条件下的重复实验，为揭示降雨与地表水文、土壤侵蚀、地貌发育、水源涵养等诸多自然过程之间的机理，提供了必要的实验支撑[2]。降雨器的基本结构简单地说，与平常使用的花洒喷壶是相似的，应包括具有储水功能的壶身（储水器）、将水流分散成若干水滴的壶嘴（喷头）以及将水从壶身输往壶口的壶管（输水管）三个基本组件。与花洒不同的是，降雨器具有一套可以控制水量多少（雨量）、出水快慢（雨强）等条件的控制系统。
2.降雨量的控制方法
降雨量，指降水的多少，用单位面积上的降水深度（单位/mm）表示。一般而言，自制降雨器水压较小，喷头的水滴不会喷散张开，降水垂直滴落，可测量喷头出水面积作为降雨覆盖面积。在喷头面积确定的情况下，降水深度只与储水器中水的体积有关，如喷头面积为100cm2，实验需要10mm的降雨量，则只需在储水器中量入100ml的水量，就可实现对目标雨量10mm的控制。
3.降雨强度的控制方法
雨强是衡量单位时间内降雨量大小的指标，表示降雨快慢，单位为mm/h，实验中也可用mm/min来衡量。与雨量的控制方法相比，降雨强度的控制要复杂一些。要实现对降雨强度的控制，笔者根据基本物理常识结合相关实践，认为可通过表1所示的4个思路对雨强进行定性到定量的控制。
二、自制降雨器的结构与功能及定量控制方法
1.自制降雨器的结构与功能
综合以上思路，设计并制作出了一种可定量控制的降雨器（图1a、图1b），其由储水器、带泵的进/回水管、稳压箱、若干输水细管、喷头、支撑喷头的降雨支架、可调节高度的稳压箱及支架等几部分组成（图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，与上述一般降雨器的方法一致，即测量喷头面积后，根据所需的降水深度，求算需水量，使用量具量取后，注入储水箱即可。但应注意的是，在储水器中量入降雨所需水量的同时，还应将所有管道的开关关闭，再在稳压箱中加入水，使水面到达稳压面的位置，再开始实验;当储水器中的水全部抽干时，应迅速关闭所有开关，这样就保证了储水箱中的水量全部稳定地输出到喷头中，而稳压箱中依然保留着等量的水，使实验雨量不受影响。
雨强的定量控制，需要综合前面的几条思路。该自制降雨器制作了一个可以调节储水箱高度的支架，每升高10cm为一个档位，共5个档位，来调节管道两端的水压;在稳压箱上安装了20根带开关的医用输液管，调整打开开关的输液管根数，可控制进入喷头水量（图1c）;拔掉或套上输液管前端的细管（图1d），即可得到两种不同大小的流量。最后通过多次重复实验，分别测定不同档位下单根粗管、单根细管的流量均值，得到表3。
通过上表参数，可以在一定程度上实现定量模拟降雨的方案。如需要模拟一场雨量为20mm，雨强为40mm/h的降雨，该降雨器的喷头面积为2 826cm2，则需要在储水箱内注入5 652ml（即2 826cm2×20mm）的水量;40mm/h的雨强，即需要将固定的5 652ml的水量30min降完，每分钟需输水188.4ml。可以通过多种方案接近这一要求，如在1档高度处打开2根粗管（191.6ml/min），或3档高度处打开1根粗管和1根细管（191.3ml/min），由此便实现了对雨强的近似控制。
实验者也可以通过选择其他管径的输水管，不断调整稳压箱高度，找到单根管输水量正好为1个单位雨强（1mm/h）的高度位置，即可在固定的高度处通过调整输水管根数，更加精确地模拟不同雨强的降水情况。
3.自制降雨器的稳定性评价
降雨器在进行重复实验时能够控制多次降雨条件基本保持一致的性能，即稳定性，是一项重要性能。为测试该降雨器的稳定性，進行了5种降雨条件的模拟，且每种条件进行6次重复实验。雨量的误差基本只与量取水量的操作过程相关，不做统计。雨强的测评结果（表4）显示，该降雨器模拟的降雨强度接近于模拟目标。因此，可以认为该降雨器基本能满足中学地理教学相关内容的实证与探究性学习的需求。
三、降雨器的教学实验应用例举
结合初高中地理课程标准，利用该款降雨器可设计如下实验。
1.雨量桶的基本工作原理及应用方法
初中地理中涉及降水的测量仪器、雨量桶的使用方法、降雨的等级分类等内容，常规的教学一般只是将这些知识以概念性的方式传输，学生缺少感官性的体验及深度的思考。如果将其转化为实验的方式进行教学，可进行这样的设计：教师先将降雨器安置好，在降雨器喷头正下方放置一个口径与喷头直径一致的透明圆形容器，在降雨器的储水箱中注入一定量的水，打开泵的开关，喷头开始降水，圆形容器中收集到的雨水不断上升。降水持续一段时间后，关闭开关，降水结束，教师此时可提问：这是一次模拟的降水，那么可以通过哪些量来描述这次降水的多少呢？学生望着圆形容器可能会回答，用重量、体积、深度等。教师可就学生回答继续追问，如果某地区降了一场雨，那么是否有办法将这次的全部降水收集起来，测量它的体积或重量呢？教师告诉学生最恰当的答案是“深度”并做如下解释：如果在某地区放置一个直壁容器，一场降雨后，容器内水深为20mm，那么，就可以估计在这一容器周边各地区的降水深度也大致是20mm。问答到此，教师即可用常规教学的方式介绍降水的测量仪器、基本结构、使用方法等。之后，教师可带领学生进行一个拓展小练习：一片1公顷的耕地上，放置的雨量桶在一场降雨后测得该次降水为10mm，估计该次降水，这片耕地获得多少体积的水资源？通过这一练习，可以检测学生对雨量桶的原理及应用的掌握情况，并将知识与实际生活结合，促进深度学习。
对于降雨等级的教学，教师可在储水箱中量入等量的水，分别以气象标准中的小、中、大、暴雨的雨强标准，将相同的水量以不同的雨强降下，学生通过观察，便可区别雨量、雨强的概念。在掌握了降水等级之后，学生还可能学会如何通过制作简易雨量桶、计时来测量降雨的强度，并为其定级的方法。这样做花费的时间较多，但对于以讲“地”为主的初中地理而言，适合进行实验、实践的内容并不多，适当花费一些时间在可以活动的内容上，既有意思，又有意义。
2.地表产流与水源涵养、水土保持
关于地表覆被与水土流失的关系实验，是一个常见且经典的地理实验。教师利用这一实验来说明植被具有保持水土的作用，进而延伸地表植被的重要性或治理水土流失的措施。这一实验验证的是一些浅显的道理，在小学、初中是可行的，但对于高中而言就显得浪费时间和精力[3]。使用该降雨器，可以对这一实验进行适当的拓展，以适应高中生的学习需要。如在学习水循环过程、各类陆地水体之间的关系、洪涝灾害、水土保持等相关内容时，可以选择两个口径与降水喷头等大的容器，在容器内装入土壤，一个为裸土，另一个栽种灌木和草本，将两个装置放置一两年的时间，并保证植物成活，使装置内土壤紧实度与自然土壤类似。实验时，将两装置分别放置在喷头下，并设计一个收集地表径流的装置，将地表径流引入一个量具中，以实现对地表径流的实时动态观测。在这个实验中，两个实验对象接受的雨量、雨强是一致的，所以单位时间内进入实验对象的水量是已知的，通过观察记录单位时间内径流量的变化，可求算出下渗量的大小，实现对下渗量动态变化的间接观察。教师可以指导学生记录两个实验对象地表径流量、下渗流量、雨量的动态变化，并引导学生对两个对象的几条曲线进行对比分析。在这个实验和分析的过程中，学生能够在活动中生动、自主地认识到超渗产流、蓄满产流等概念，并发现植被通过拦蓄、截留、增加土壤孔隙等方式，增加入渗量，减少地表径流量，减少水土流失等水源涵养、水土保持的一般机理。
3. 城市硬质地面产流阈值范围测量
城市道路设施积水，是大城市雨季经常遇到的问题，这与城市建设中大量采用不透水的硬质地面有很大关系。教师可以通过研究性学习、综合实践活动等途径，指导学生应用降雨器开展相关的研究活动。在活动中，可将降雨器搬至户外，选择不同的硬质地面，如细颗粒、粗颗粒的柏油路面、石砖路面、水泥路面、透水砖路作为实验对象，在不同的雨强、雨量条件下，观察这些地面的产流状况，并寻找不同地面产生线状或面状径流的雨量、雨强阈值，为城市道路积水预警，提供一些数据依据。如果在山区，则可选择某一小流域，通过土地利用结构的调查，不同土地类型的产流阈值测量，以此来估计山洪是否可能发生。
四、不足与展望
本文介绍了一款可實现定量控制的模拟降雨器，但因为是手工制作，没有统一的制作工艺与规格，以上测定的数据，只适合于本台降雨器，按照本方法制作的降雨器，都需要通过烦琐的重复实验来测定新的参数。虽然该装置实现了对雨量、雨强的定量控制，但操作比较麻烦，且较笨重，为课堂应用带来了不便。因此，实践者们可在这一思路的基础上，或简化、或细化这一设计，制作满足个人教学或研究需要的模拟降雨设备。
目前，中学地学实验教学还处于起步阶段，科学的实验设备还很缺乏，广大师生应以新一轮的高中课改为契机，不断实践创新，丰富适用于中学地理教学的科学实验设备，推动中学地理实验课程向科学化、标准化方向发展。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[2] 王洁，胡少伟，周跃.人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用[J].水土保持研究，2005（04）：188-190+194.
[3] 项爱明，周仁富.关于地理实践活动“五对关系”的思考[J].地理教育，2019 （11）：41-43.
