一、設(shè)計(jì)背景：為何要改進(jìn)家庭雨水澆花裝置？演講人CONTENTS設(shè)計(jì)背景：為何要改進(jìn)家庭雨水澆花裝置？現(xiàn)狀分析：現(xiàn)有家庭雨水澆花裝置的常見問題改進(jìn)思路：針對(duì)問題的“四大升級(jí)”制作實(shí)踐：從圖紙到實(shí)物的“四步走”測(cè)試優(yōu)化：用數(shù)據(jù)說話的“三輪迭代”總結(jié)與延伸：科學(xué)實(shí)踐的“無限可能”目錄2025小學(xué)四年級(jí)科學(xué)下冊(cè)家庭雨水澆花裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)課件各位老師、同學(xué)們：今天，我們將共同走進(jìn)一個(gè)與生活緊密相關(guān)的科學(xué)實(shí)踐課題——“家庭雨水澆花裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)”。作為一線科學(xué)教師，我在長期教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，四年級(jí)學(xué)生已具備基礎(chǔ)的觀察能力與動(dòng)手實(shí)踐能力，而“水的循環(huán)”“資源的合理利用”正是本冊(cè)教材的核心內(nèi)容之一。通過設(shè)計(jì)并改進(jìn)家庭雨水澆花裝置，既能幫助大家深入理解“水在自然界的循環(huán)”“節(jié)約水資源”等科學(xué)概念，又能培養(yǎng)“用科學(xué)解決實(shí)際問題”的實(shí)踐能力，更能在動(dòng)手操作中樹立“環(huán)保從身邊小事做起”的責(zé)任意識(shí)。接下來，我們將從設(shè)計(jì)背景、現(xiàn)狀分析、改進(jìn)思路、制作實(shí)踐、測(cè)試優(yōu)化五個(gè)維度展開，逐步揭開這個(gè)裝置的改進(jìn)奧秘。01設(shè)計(jì)背景：為何要改進(jìn)家庭雨水澆花裝置？1科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，小學(xué)中高年級(jí)學(xué)生需“能基于所學(xué)知識(shí)，綜合運(yùn)用工程思維解決簡單的實(shí)際問題”。本冊(cè)教材第四單元“水的旅程”重點(diǎn)講解了“水的三態(tài)變化”“自然界的水循環(huán)”等內(nèi)容，而家庭雨水澆花裝置正是“水循環(huán)”理論與生活實(shí)踐的最佳結(jié)合點(diǎn)——雨水從天空降落（降水），經(jīng)收集存儲(chǔ)（地表徑流），最終用于植物生長（蒸騰作用），這一過程完整呈現(xiàn)了水在“大氣-地表-生物”間的循環(huán)路徑。2家庭場(chǎng)景的現(xiàn)實(shí)需求據(jù)我在家長群的調(diào)研，超過65%的家庭有澆花習(xí)慣，但90%的家庭直接使用自來水。以一個(gè)普通家庭為例，若養(yǎng)5盆花，夏季每天需澆水約2升，一年僅澆花就需消耗約730升自來水。而我國人均水資源僅為世界平均水平的1/4，部分地區(qū)還存在季節(jié)性缺水問題。用雨水替代自來水澆花，不僅能節(jié)約水資源，雨水本身含天然礦物質(zhì)（如氮化物），更利于植物生長——這是我在實(shí)驗(yàn)室對(duì)比測(cè)量得出的結(jié)論：用雨水澆灌的綠蘿，葉片葉綠素含量比自來水澆灌的高12%。3勞動(dòng)與科學(xué)融合的教育價(jià)值改進(jìn)雨水澆花裝置需要經(jīng)歷“觀察問題-提出假設(shè)-設(shè)計(jì)方案-實(shí)踐制作-測(cè)試優(yōu)化”的完整工程流程，這正是培養(yǎng)“工程思維”的典型載體。去年帶學(xué)生設(shè)計(jì)初代裝置時(shí)，有個(gè)孩子說：“原來科學(xué)不是書本上的字，是能讓我家花盆‘喝’上雨水的工具！”這種“知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力”的成就感，正是科學(xué)教育最動(dòng)人的魅力。02現(xiàn)狀分析：現(xiàn)有家庭雨水澆花裝置的常見問題現(xiàn)狀分析：現(xiàn)有家庭雨水澆花裝置的常見問題在指導(dǎo)學(xué)生調(diào)研30個(gè)家庭后，我們總結(jié)出現(xiàn)有裝置的四大痛點(diǎn)，這些問題也正是我們改進(jìn)的方向。1收集效率低：雨水“跑”了80%的家庭用開口塑料桶直接接雨水（如圖1），但存在兩大問題：一是開口面積小（直徑約30cm），僅能收集垂直下落的雨水，斜雨或風(fēng)力較大時(shí)，雨水易濺出桶外；二是桶口無導(dǎo)流設(shè)計(jì)，屋頂或陽臺(tái)的雨水無法集中匯入，導(dǎo)致“近處水多接不到，遠(yuǎn)處水少白流失”。我曾在暴雨天實(shí)測(cè)：同樣30分鐘降雨，普通塑料桶收集量為1.2升，而帶導(dǎo)流槽的裝置能收集2.8升，效率提升133%。2過濾不徹底：雜質(zhì)“混”了雨水從天空降落到地面，會(huì)攜帶灰塵、樹葉、昆蟲等雜質(zhì)?，F(xiàn)有裝置多無過濾設(shè)計(jì)（占65%），或僅用單層紗布簡單過濾（占30%）。未過濾的雨水直接澆花，可能堵塞噴壺嘴（我觀察到有家長因此放棄使用雨水），或讓花盆表面堆積泥沙，影響美觀；過濾不徹底的雨水則可能滋生藻類（夏季尤為明顯），反而不利于植物健康。3澆灌不便：操作“累”了多數(shù)家庭將雨水存儲(chǔ)在桶中，澆花時(shí)需手動(dòng)提桶、倒水，對(duì)于四年級(jí)學(xué)生或老人來說，提5升水（約10瓶礦泉水重量）已顯吃力。更麻煩的是，不同植物需水量不同：多肉需少量多次，綠蘿需澆透，手動(dòng)控制水量易導(dǎo)致“澆多爛根”或“澆少干旱”——這是我在學(xué)生觀察記錄中看到的高頻問題。4存儲(chǔ)不可控：水量“變”了現(xiàn)有裝置多為開放式存儲(chǔ)（無蓋），夏季雨水易蒸發(fā)（3天蒸發(fā)量約30%），冬季則可能結(jié)冰脹裂容器；部分家庭用帶蓋桶，但無法直觀觀察水位，常出現(xiàn)“雨水不夠用”或“雨水溢出浪費(fèi)”的情況。去年有個(gè)學(xué)生在日記中寫：“上周暴雨，我家桶滿了沒發(fā)現(xiàn)，雨水流了一地；這周大太陽，桶里沒水，只能用自來水澆花?！边@種“靠天吃飯”的不可控性，是現(xiàn)有裝置的核心缺陷。03改進(jìn)思路：針對(duì)問題的“四大升級(jí)”改進(jìn)思路：針對(duì)問題的“四大升級(jí)”基于現(xiàn)狀分析，我們提出“高效收集-精準(zhǔn)過濾-智能澆灌-可控存儲(chǔ)”的改進(jìn)框架，每個(gè)環(huán)節(jié)都融入科學(xué)原理與生活智慧。1第一級(jí)升級(jí)：高效收集——讓雨水“不請(qǐng)自來”設(shè)計(jì)原理：增大集水面積，利用導(dǎo)流結(jié)構(gòu)引導(dǎo)雨水匯聚。具體方案：擴(kuò)展集水口：將原塑料桶的圓形開口（面積約707cm2）改為漏斗狀集水器（上口徑60cm，下口徑與桶口匹配），集水面積擴(kuò)大至2827cm2（約4倍），斜雨時(shí)雨水沿漏斗內(nèi)壁流入，減少濺出。增加導(dǎo)流槽：若裝置放置在陽臺(tái)，可在護(hù)欄邊緣安裝PVC導(dǎo)流管（直徑5cm），將屋頂或雨棚的雨水引入漏斗；若在庭院，可鋪設(shè)傾斜的塑料板（角度15-20），將地面徑流導(dǎo)向集水器——這一設(shè)計(jì)靈感來自農(nóng)村“接山水”的傳統(tǒng)方法，我曾帶學(xué)生去農(nóng)戶家觀察，發(fā)現(xiàn)他們用竹槽引山泉水，原理完全相通。2第二級(jí)升級(jí)：精準(zhǔn)過濾——讓雨水“干干凈凈”設(shè)計(jì)原理：利用不同介質(zhì)的孔隙大小，分層攔截雜質(zhì)。具體方案：第一層：粗過濾（距集水口10cm處）：用孔徑5mm的不銹鋼網(wǎng)（或廢舊漏勺改造），攔截樹葉、昆蟲等大顆粒雜質(zhì)。第二層：中過濾（粗過濾層下方5cm）：鋪設(shè)2層紗布（或舊T恤布料），攔截泥沙、花粉等直徑0.1-5mm的顆粒。第三層：細(xì)過濾（存儲(chǔ)區(qū)上方）：填充5cm厚的活性炭（可用竹炭包拆解），吸附雨水中的微小有機(jī)物（如灰塵中的細(xì)菌），同時(shí)改善雨水口感（雖不需飲用，但更利于植物吸收）。測(cè)試驗(yàn)證：我們用渾濁的模擬雨水（混合泥土、樹葉碎屑）測(cè)試，經(jīng)三級(jí)過濾后，水質(zhì)透明度從2cm提升至15cm（用透明量筒測(cè)量），雜質(zhì)殘留量減少90%以上。3第三級(jí)升級(jí)：智能澆灌——讓澆花“省心省力”設(shè)計(jì)原理：利用虹吸現(xiàn)象（液體從高水位流向低水位，無需動(dòng)力）和滴灌原理（緩慢均勻出水）。具體方案：虹吸出水管：在存儲(chǔ)桶側(cè)壁距底部5cm處打孔，安裝一根“L”型塑料管（內(nèi)徑1cm），管的水平段高于桶內(nèi)最低水位（約3cm），垂直段向下延伸至花盆上方。當(dāng)桶內(nèi)水位高于水平段時(shí)，雨水自動(dòng)流出；水位低于水平段時(shí)，虹吸停止，避免空桶時(shí)空氣進(jìn)入導(dǎo)致漏水。滴灌分流器：在虹吸出水管末端連接“Y”型分流接頭，每個(gè)分支安裝可調(diào)式滴頭（可用廢舊筆帽鉆孔改造，孔徑0.5-1mm），通過旋轉(zhuǎn)滴頭調(diào)節(jié)出水量（多肉用小孔，綠蘿用大孔）。3第三級(jí)升級(jí)：智能澆灌——讓澆花“省心省力”學(xué)生反饋：之前手動(dòng)澆花需10分鐘，現(xiàn)在打開閥門后，5分鐘內(nèi)5盆花自動(dòng)澆完，水量還能根據(jù)植物需求調(diào)整，“媽媽說我成了‘澆花小專家’！”4第四級(jí)升級(jí)：可控存儲(chǔ)——讓水量“心中有數(shù)”設(shè)計(jì)原理：通過封閉結(jié)構(gòu)減少蒸發(fā)，利用透明材料或刻度線直觀顯示水位。具體方案：密封蓋設(shè)計(jì)：用帶密封圈的塑料蓋（可用舊水桶蓋改造）封閉桶口，減少夏季蒸發(fā)（測(cè)試顯示，密封后3天蒸發(fā)量從30%降至5%），冬季可在蓋內(nèi)鋪舊毛巾保溫，防止結(jié)冰。水位觀測(cè)窗：在桶身一側(cè)粘貼透明PVC板（寬5cm，高與桶身同高），外貼自制刻度線（每5cm一格，標(biāo)注“0L”“5L”“10L”），或直接使用透明塑料桶（如飲料瓶改造的小裝置），方便觀察剩余水量。溢流口設(shè)計(jì)：在桶身頂部下方5cm處開一個(gè)直徑2cm的圓孔，連接軟管將多余雨水引至地面或下水道，避免雨水溢出浪費(fèi)。04制作實(shí)踐：從圖紙到實(shí)物的“四步走”制作實(shí)踐：從圖紙到實(shí)物的“四步走”理論設(shè)計(jì)需落地為實(shí)物，我們以“3-6人小組”為單位，按照“材料準(zhǔn)備-結(jié)構(gòu)組裝-細(xì)節(jié)調(diào)試-安全檢查”的流程操作，確保每個(gè)環(huán)節(jié)可復(fù)制、可優(yōu)化。1材料準(zhǔn)備（工具與物料清單）工具：剪刀、美工刀（需教師協(xié)助使用）、熱熔膠槍（低溫款，適合學(xué)生）、電鉆（教師操作）、尺子、記號(hào)筆。物料：主體容器：20L塑料桶（或大飲料瓶，適合小面積收集）；集水漏斗：廢舊塑料盆（直徑60cm）或購買PVC漏斗；過濾材料：不銹鋼網(wǎng)（或漏勺）、紗布、活性炭（竹炭包）；導(dǎo)流部件：PVC管（直徑5cm）、塑料板（或舊廣告板）；澆灌部件：塑料管（內(nèi)徑1cm）、“Y”型接頭、滴頭（筆帽改造）；輔助材料：密封圈（舊輪胎片）、透明PVC板、軟管（溢流用）。2結(jié)構(gòu)組裝（分步驟操作）改造集水器用剪刀將塑料盆底部中心剪出直徑與桶口匹配的圓孔（如桶口直徑20cm，圓孔直徑22cm，確保緊密套接）；在塑料盆邊緣均勻鉆4個(gè)小孔，用尼龍繩將盆固定在桶口（防止大風(fēng)掀翻）；若安裝導(dǎo)流槽，將PVC管或塑料板用熱熔膠粘貼在陽臺(tái)護(hù)欄或庭院地面，末端對(duì)準(zhǔn)集水漏斗中心。步驟2：安裝過濾系統(tǒng)在桶內(nèi)距桶口15cm處，用熱熔膠粘貼不銹鋼網(wǎng)（粗過濾層）；粗過濾層下方5cm處，用橡皮筋固定紗布（中過濾層，需預(yù)留更換口，可用活動(dòng)擋板）；桶內(nèi)底部上方10cm處，鋪設(shè)活性炭（細(xì)過濾層，用透氣網(wǎng)袋包裹，方便取出清洗）。2結(jié)構(gòu)組裝（分步驟操作）改造集水器步驟3：組裝澆灌系統(tǒng)在桶側(cè)壁距底部5cm處，用電鉆打一個(gè)直徑1cm的孔（教師操作），插入“L”型塑料管（水平段長5cm，垂直段長30cm）；垂直段末端連接“Y”型接頭，每個(gè)分支安裝滴頭（可用針在筆帽頂部扎孔，孔徑0.5mm）；測(cè)試虹吸效果：向桶內(nèi)加水至高于水平段，觀察是否自動(dòng)出水；若不出水，檢查管道是否漏氣（用凡士林密封接口）。步驟4：完善存儲(chǔ)系統(tǒng)用密封圈改造桶蓋（將舊輪胎剪成1cm寬的條，粘貼在桶蓋內(nèi)側(cè)）；在桶身一側(cè)粘貼透明PVC板，用記號(hào)筆標(biāo)注刻度（從底部開始，每5cm一格）；在桶口下方5cm處鉆孔，插入溢流軟管（長度需引至地面，避免濺濕墻面）。3細(xì)節(jié)調(diào)試（關(guān)鍵問題解決）010203虹吸失效：可能是管道有氣泡，可先將管道注滿水再插入桶內(nèi)；或水平段高度過低（低于最低水位），需調(diào)整至高于水位3-5cm。滴頭堵塞：檢查過濾是否徹底（尤其是細(xì)過濾層的活性炭是否破碎），或滴頭孔徑太?。蓴U(kuò)大至1mm）。水位觀測(cè)不清：透明PVC板內(nèi)側(cè)易起水霧，可涂抹少量洗潔精防霧；或改用帶刻度的透明塑料桶（如10L純凈水桶）更直觀。4安全檢查（必須強(qiáng)調(diào)的事項(xiàng)）電鉆、美工刀等工具由教師操作，學(xué)生使用剪刀、熱熔膠槍時(shí)需戴手套；導(dǎo)流槽和集水器需固定牢固（尤其在高層陽臺(tái)），避免掉落砸傷；溢流軟管末端需低于桶身，防止雨水倒灌；冬季使用時(shí)，若裝置露天放置，需排空余水（或添加防凍液，如少量食鹽）防止結(jié)冰脹裂。05測(cè)試優(yōu)化：用數(shù)據(jù)說話的“三輪迭代”測(cè)試優(yōu)化：用數(shù)據(jù)說話的“三輪迭代”裝置制作完成后，我們通過“模擬測(cè)試-實(shí)際使用-長期優(yōu)化”三輪驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性與實(shí)用性。1第一輪：模擬測(cè)試（實(shí)驗(yàn)室環(huán)境）收集效率測(cè)試：用噴壺模擬降雨（流量500ml/分鐘），對(duì)比改進(jìn)裝置與普通桶的收集量。結(jié)果顯示：改進(jìn)裝置5分鐘收集2500ml（100%收集），普通桶僅收集600ml（24%收集），效率提升顯著。01澆灌均勻度測(cè)試：用5個(gè)相同花盆（裝等量土壤），連接5個(gè)滴頭，同時(shí)澆灌30分鐘，測(cè)量每個(gè)花盆的增重量。結(jié)果顯示：重量差小于5%（手動(dòng)澆灌誤差約20%），均勻度大幅提升。03過濾效果測(cè)試：用混合泥沙（5g/L）、樹葉碎屑（2片/升）的模擬雨水注入裝置，收集過濾后的水樣，用濁度儀測(cè)量（或肉眼觀察）。結(jié)果顯示：過濾后濁度從100NTU降至5NTU（自來水濁度約1-3NTU），完全滿足澆花需求。022第二輪：實(shí)際使用（家庭場(chǎng)景）我們選取10個(gè)家庭進(jìn)行為期1個(gè)月的實(shí)測(cè)，收集用戶反饋：優(yōu)點(diǎn)：90%的家庭認(rèn)為“澆灌更省力”“雨水雜質(zhì)少”；80%的學(xué)生能獨(dú)立完成“觀察水位-調(diào)整滴頭-記錄用水量”的全流程。問題：2個(gè)家庭反映“導(dǎo)流槽在小雨時(shí)積水，未流入漏斗”（因?qū)Я鞑劢嵌冗^小，調(diào)整至20后解決）；1個(gè)家庭的活性炭層因未包裹，顆粒進(jìn)入滴頭導(dǎo)致堵塞（增加一層紗布包裹后改善）。3第三輪：長期優(yōu)化（結(jié)合季節(jié)變化）1夏季（多雨高溫）：增加遮陽罩（用舊雨傘改造）覆蓋集水器，減少雨水蒸發(fā)；定期更換活性炭（每2周一次），防止微生物滋生。2冬季（少雨低溫）：拆除導(dǎo)流槽（避免積雪壓垮），改用小型集水器（如塑料盆）；在存儲(chǔ)桶外包裹舊棉絮保溫，防止結(jié)冰。3植物生長周期：春季植物需水量大，調(diào)大滴頭孔徑；秋季植物需水量減少，調(diào)小滴頭孔徑——這一調(diào)整需學(xué)生定期觀察植物狀態(tài)（如葉片是否萎蔫），真正實(shí)現(xiàn)“按需澆灌”。06總結(jié)與延伸：科學(xué)實(shí)踐的“無限可能”總結(jié)與延伸：科學(xué)實(shí)踐的“無限可能”回顧整個(gè)改進(jìn)過程，我們從“發(fā)現(xiàn)問題”到“解決問題”，從“理論設(shè)計(jì)”到“實(shí)物驗(yàn)證”，不僅掌握了“水循環(huán)”“虹吸現(xiàn)象”“過濾原理”等科學(xué)知識(shí)，更體會(huì)到“工程設(shè)計(jì)”是“科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)”（STEM）的綜合應(yīng)用。正如學(xué)生在總結(jié)中寫的：“原來一個(gè)澆花裝置里藏著這么多科學(xué)道理，現(xiàn)在我看家里的每樣?xùn)|西，都會(huì)想‘能不能用科學(xué)改進(jìn)它’。”1核心價(jià)值重現(xiàn)家庭雨水澆花裝置的改進(jìn)，本質(zhì)是“用科學(xué)方法解決生活問題”的實(shí)踐。它讓我們明白：科學(xué)不是書本上的符號(hào)，是能讓生活更美好的工具；環(huán)保不是口號(hào)，是“收集每一滴雨水”的堅(jiān)持；創(chuàng)新不需要復(fù)雜的材料，舊塑料瓶、紗布、竹炭包都能成為“黑科技”。2延伸探索建議跨學(xué)科融合：結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，記錄每月雨水收集量與自來水節(jié)省量，計(jì)