模拟酸雨装置的设计与制作

摘要

为深入探究酸雨对生物圈的影响，基于STEM教育理念设计制作了酸雨模拟装置。装置采用一体式设计，自上而下结构分明。酸雨模拟装置可以控制酸雨的化学成分、酸度和降雨量等参数，实现酸雨喷淋生物的效果，还能观察酸雨对小型动植物的影响。该装置旨在帮助学生理解酸雨的形成机制及其对生物的潜在影响，同时培养学生的科学探究能力和跨学科实践能力。

Graphical abstract

关键词

酸雨 / 模拟装置 / STEM教育理念 / 跨学科 / 模拟实验

酸雨是严重的全球性环境问题，会对生态和人类造成诸多危害。现有教材中对酸雨的实验探究存在局限性，笔者设计并制作了高效、精确且简便的模拟酸雨装置，为探究酸雨对生物的影响提供了更好的实验手段，推动了当地教研教学等相关领域的研究，为环境保护和可持续发展教育提供了参考案例。

1 实验原型及不足

（1） 教材提供的实验器材存在局限性。“模拟酸雨影响植物种子的萌发”实验是苏教版七年级下册第十三章“认识生物圈中的一员”第一节“关注生物圈——环境在恶化”中的探究实验^［1］，教材中的实验需要重复多次，以减少误差，并取平均值作为实验结果。由于培养皿个体较小，无法用来观察酸雨对其他较大生物的影响。

（2） 实验仅限于黄豆种子，无法全面探究酸雨对其他生物的影响。原实验选用黄豆种子作为实验对象。种子只是植物体的一个器官。学生就会有疑问：酸雨对植物体的其他器官有影响吗？酸雨对动物有影响吗？面对学生的疑问，若只是探究酸雨对黄豆种子的影响，则无法解答学生心中的疑惑。

（3） 使用白醋配制的模拟酸雨与真实酸雨成分差异较大。酸雨中含有多种无机酸和有机酸，其中绝大部分是硫酸和硝酸，约占总酸量的90%以上。教材实验使用白醋配制酸雨，无法较为真实地还原酸雨的成分，这在一定程度上影响学生对酸雨的认识。

（4） 缺少模拟酸雨自然降落过程的环节。按照酸雨的自然降落过程，酸雨应该是自上而下地落在生物的各个位置，酸雨会不同程度地影响生物。教材直接将黄豆种子浸泡在醋酸中，不利于学生了解酸雨的随机性。

基于以上教材实验存在的不足，笔者设计制作了模拟酸雨装置。

2 制作思路

（1） 符合课程标准要求，明确装置的使用目的。根据《义务教育生物学课程标准（2022年版）》的要求，在学习本章节时要通过资料研究、调查、实验探究等活动引导学生认识生物与环境的关系^［2］。笔者通过文献查阅，对比以往研究发现，关于模拟酸雨装置的相关资料几乎没有。为了更好地完成本装置的制作，笔者从以下几点进行考虑：装置进行实验时要考虑实验操作简单，现象明显，集多种功能于一体，且整个装置密封无污染。装置能模拟不同降雨对不同生物的影响。

（2） 装置的结构采用长方体式设计，包括载瓶层、置物层和储水层。通过讨论和尝试，笔者认为采用长方体式的结构较为合适。长方体结构方便制作和观察。为了模拟酸雨从降落到落地以后的不同状态，装置共分为3个结构：载瓶层、置物层和储水层。借助这3个结构可以使得酸雨喷淋在观察对象身上，并收集降落的酸雨。

（3） 细化设计，确定装置的尺寸、材质和颜色等细节。学生认为，为了方便观察多种生物，酸雨模拟装置中的置物层层高需要50 cm，长宽各需要20 cm，这样的尺寸可以放置一些小型动植物，以便观察酸雨对它们的影响。笔者用纸板、铁板、亚克力板等多种材料进行对比。经过尝试，笔者认为选用透明的亚克力板作为制作材料最为合适，这种材料既可以直接观察，又能防腐耐磨。

（4） 制作实物，组装装置并进行测试。笔者带领学生利用切割好的亚克力板进行组装，并采用亚克力黏合剂进行黏合。笔者在测试该装置时发现，储水层由于储水较多，有部分液体溢出。考虑到溢出液体可能会对学生安全造成一定隐患，笔者利用结构胶对装置进行封边，解决了溢水问题。

3 模拟酸雨装置成品

3.1 装置成品结构

装置主体（图1）由透明亚克力板构成，与用塑料瓶制作的喷淋系统（图2）配合使用。

3.2 装置使用方法

（1） 利用大气压原理制作喷淋系统，控制喷淋的开始和结束。融合跨学科知识，通过大气压强的原理制作喷淋瓶。在瓶子的一端钻孔，在孔洞周围贴上胶布，当需要喷淋时打开胶布，喷淋瓶开始喷淋。当喷淋到一定时间时，可以通过粘贴孔洞达到“停雨”的目的。

（2） 载瓶层设有4个孔洞，可同时安装4个喷淋瓶，满足不同酸雨强度的实验需求。当教师需要观察小型酸雨对生物的影响时，可以放置一个喷淋瓶进行喷淋。当需要观察中大型酸雨对生物的影响时可以安装2~4个喷淋瓶进行喷淋。

（3） 置物层设计为可移动式，便于更换观察对象，层高50 cm，适合放置小型动植物。置物层外侧有把手，可以抽拉把手，将置物层中的内槽取出。将内槽放在装置一侧，把所需观察的对象放入内槽中后，缓缓推入置物层进行实验。小型动植物的高度建议在25 cm以下，这样有利于均匀喷淋观察对象。

（4） 储水层上方设有沥水孔，模拟土壤吸收雨水的过程，水位过高时可抽出倒掉多余水分。雨水在降落后一般会被土壤吸收，此层模拟土壤吸收水分的过程。当喷淋结束后，储水层内有一定量的液体，液体较多时水位会超过储水层。为了不影响下次喷淋，须提前倒掉多余液体。储水层外侧有把手，可以利用抽拉把手将储水层中的内槽取出并倒掉多余液体。

3.3 装置优点

（1） 操作简便，提高课堂效率。笔者设计的实验装置只需要将实验对象放入观察层，再撕开喷淋瓶的胶布就可以模拟酸雨降落的过程。在喷淋的过程中学生能直接看到喷淋过程中的酸雨对生物的影响。当喷淋结束后，学生也可以定时观察并记录。学生不需要进行烦琐的学习，就能轻松掌握本装置的使用方法，进一步提高课堂效率。

（2） 现象直观，便于学生观察。装置利用透明的亚克力材料制成，学生可以直接观察到装置内生物的变化。装置可耐受用稀硫酸配制的酸雨溶液，该溶液高度还原了现实酸雨的成分。当使用稀硫酸配制的酸雨溶液喷淋到不同生物身上时，可以大大缩短观察时间，看到生物的变化。如在使用本装置观察酸雨对青蛙的影响时，在4个小时后多只青蛙的身上就出现了溃烂现象。

（3） 安全可靠，可重复使用。装置主体用亚克力材料制成，亚克力材料坚固耐腐。即使学生利用稀硫酸配制酸雨溶液观察酸雨对生物的影响，也不会对装置本身造成损坏。酸雨溶液一般具有腐蚀性，考虑到学生的安全问题，本装置四周密闭，能最大程度地减少酸雨飞溅、动物伤人等安全隐患。本装置在清洗后可以反复使用。

4 结语

自制酸雨模拟装置是实验教学的有效工具，有助于激发学生对生物学的兴趣和探究欲望。教师应引导学生在制作过程中提出问题并寻找解决方案，促进学生创新思维的发展。

参考文献

[1] 汪忠.义务教育教科书生物学七年级下册［M］.南京：江苏凤凰教育出版社，2012.

[2] 中华人民共和国教育部. 义务教育生物学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.