一种古代水准仪展示教具的制作方法

1.本实用新型涉及科普教学用具技术领域，尤其是一种古代水准仪展示教具。


背景技术：

2.水准测量是测量学的重要组成部分，中国古人很早就懂得利用水平面进行水准测量，并发展出一套较为完整的水准测量仪器和水准测量技术。《武经总要》和《营造法式》是目前所知最早和最完整的以图示法解释古代水准仪的文献，其中对古代水准仪的结构、尺寸和使用方式进行了非常精确的描述。但古籍中的图文对照略有出入，古仪器实物也鲜有发现，导致学界对古代水准测量技术的认识有限。仪德刚、张中原等于2020年在《自然科学史研究》杂志发表的《宋代水准仪的复原及模拟实验》研究中复原出了宋代水准仪实物，并进行了相关测量试验，在中国古代测量史的研究领域取得了突破性的进展，为古代水准测量技术的科普工作提供了很多学术支持。
3.虽然现有研究成果为实现中国古代测量技术的科普工作带来了可能，但由于古代文献晦涩难懂，现代相关研究的专业性较强，普通大众难以对古代水准测量技术产生兴趣。目前复原的古水准仪体量大、设备多，需要较大的空间和较多的人力才能进行实际操作，各个设备组件的展开空间和不同设备的操作培训增加了科普工作的复杂度，不便于大众对古代技术的快速了解。且古代水准仪长期应用于建筑、水利等诸多领域，不同工程中的应用方法又略有差别，在有限的时间和空间里为大众进行不同案例的实际演示难度较大，无法为大众完整展示中国古人高超的工程技术和聪明智慧。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决上述背景技术中提到的技术问题之一，提供一种古代水准仪展示教具，能够通过模型模拟宋代水准仪的测量，增加参与感，降低科普工作的难度，提高人们对古代水准仪的理解效果。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
6.一种古代水准仪展示教具，包括底板及展示平台，所述展示平台设置在所述底板上，所述展示平台远离所述底板的一面设有地形模型，所述地形模型嵌设有铁片，所述地形模型上设有度竿微缩模型及水准仪微缩模型，所述度竿微缩模型底部设有磁块，以使所述有度竿微缩模型底部能够吸附在所述地形模型上，所述水准仪微缩模型包括微缩水槽及微缩支撑杆，所述微缩支撑杆一端与所述微缩水槽连接，另一端设有磁块，以使所述微缩支撑杆能够吸附在所述地形模型上；
7.所述展示平台的一侧固定设置有水槽模型，所述水槽模型一面的两侧及中部均凹设有槽体，所述槽体内设有液体；所述水槽模型中部的槽体两侧分别设有横槽，所述横槽两侧分别与所述水槽模型中部的槽体及所述水槽模型一侧的槽体连通，以使三个所述槽体内的液体相互连通；所述槽体内设置有浮木，所述浮木朝向所述槽体开口的一面设有立齿；
8.所述水槽模型的一侧设有模拟标尺，所述模拟标尺固定设置在所述底板上。
9.进一步地，所述展示平台四周通过调节螺栓与所述底板连接，所述调节螺栓螺纹穿设于所述展示平台，且所述调节螺栓的一端与所述底板抵接。
10.进一步地，所述展示平台的四周分别固定设置有气泡水平仪。
11.进一步地，所述模拟标尺通过调节球铰与所述底板连接，所述调节球铰包括固定壳、球体及锁定螺钉，所述固定壳一面与所述底板固定连接，另一面设有调节槽，所述球体转动设置在所述调节槽内，且所述球体通过连接杆与所述模拟标尺固定连接；所述锁定螺钉螺纹穿设于所述固定壳并与所述球体抵接，以限制所述球体的转动。
12.进一步地，所述模拟标尺远离所述调节球铰的一端设有若干垂绳，所述垂绳一端与所述模拟标尺固定连接，另一端固定设置有铅锤。
13.进一步地，所述模拟标尺设有刻度。
14.进一步地，所述水槽模型相邻的两侧及所述水槽模型相对的一侧分别设有展示板，所述展示板与所述底板固定连接。
15.进一步地，所述地形模型上还设有照板模型，所述照板模型底部设有磁块，以使所述照板模型能够吸附在所述地形模型上。
16.本实用新型的有益效果是：
17.通过地形模型模拟所需测量高程的场景，由于地形模型内嵌设有铁片，度竿微缩模型及水准仪微缩模型均设有磁块，使得度竿微缩模型及水准仪微缩模型能够立设在地形模型上，同时可以根据古代测量方法，通过度竿微缩模型及水准仪微缩模型演示古代水准仪在工程中的应用。水槽模型为宋代水准仪中的水平槽复原实物，同时也是微缩水槽的放大模型，通过在中间槽体内注入液体，在横槽的作用下，使得各个槽体内的液体相互连通，从而使浮木浮起，观测者的视线通过各立齿齐平后提供的水平视线延伸至模拟标尺对应的尺寸既为观测点高程，以模拟标尺代替古代“度竿”的标尺功能进行操作，实现了体验古代水准测量的过程。本实用新型通过度竿微缩模型及水准仪微缩模型模拟古代高程测量的应用，以及通过水槽模型及模拟标尺模拟古代高程测量的原理，模拟宋代水准仪的测量过程，让使用者可以切身体验古代水准测量的全部过程，增加使用者的参与感，降低科普工作的难度，提高人们对古代水准仪的理解效果。
附图说明
18.图1是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的结构示意图。
19.图2是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的俯视图。
20.图3是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的侧视图。
21.图4是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的度竿微缩模型结构示意图。
22.图5是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的水准仪微缩模型结构示意图。
23.图6是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的有孔照板模型结构示意图。
24.图7是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的无孔照板模型结构示意图。
25.图8是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的水槽模型结构示意图。
26.图9是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的模拟标尺结构示意图。
27.图10是本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具的球铰结构示意图。
28.图中，1-底板，11-地形模型，12-调节螺栓，13-气泡水平仪，14-展示板，2-展示平台，21-地形模型，30-磁块，31-度竿微缩模型，32-水准仪微缩模型，321-微缩水槽，322-微缩支撑杆，33-照板模型，4-水槽模型，41-槽体，42-横槽，43-浮木，431-立齿，5-模拟标尺，51-调节球铰，511-固定壳，512-球体，513-锁定螺钉，514-调节槽，515-连接杆，52-垂绳，521-铅锤。
具体实施方式
29.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.请同时参见图1至图10，本实用新型一较佳实施方式的古代水准仪展示教具，包括底板1及展示平台2。
33.展示平台2设置在底板1上，展示平台2远离底板1的一面设有地形模型21，地形模型21嵌设有铁片，地形模型21上设有度竿微缩模型31及水准仪微缩模型32。
34.如图4所示，度竿微缩模型31底部设有磁块30，以使有度竿微缩模型31底部能够吸附在地形模型21上。
35.如图5所示，水准仪微缩模型32包括微缩水槽321及微缩支撑杆322，微缩支撑杆322一端与微缩水槽321连接，另一端设有磁块30，以使微缩支撑杆322能够吸附在地形模型21上。为了更真实地复原古代水准仪，微缩支撑杆322与微缩水槽321可以为转动连接的结构。
36.在《宋代水准仪的复原及模拟实验》中复原了有孔和无孔两种“照板”，并验证了“照板”的大尺寸具有屏蔽标尺周围背景物，增加标杆识别性的作用。研究发现有孔“照板”应置于水准仪和标尺之间，无孔“照板”应置于标尺之后，但“照板”的黑白界线对于标尺刻度的指示功能并不大，且重量很大，实用功能较低，所以《营造法式》、《梦溪笔谈》等文献对
其并未提及。但本实施例为了尽可能展示古代水准测量的全貌将两种照板的微缩模型加入其中，为使用者还原出了古代水准测量的真实场景。因此地形模型21上还设有照板模型33，照板模型33底部设有磁块30，以使照板模型33能够吸附在地形模型21上。照板模型33分为有孔照板模型及无孔照板模型，其中有孔照板模型如图6所示，无孔照板模型如图7所示。
37.通过地形模型21模拟所需测量高程的场景，由于地形模型21内嵌设有铁片，度竿微缩模型31及水准仪微缩模型32均设有磁块30，使得度竿微缩模型31及水准仪微缩模型32能够立设在地形模型21上，通过水准仪微缩模型32对度竿微缩模型31的观测，模拟高程的测量，实现了演示古代水准仪在工程的应用。同时度竿微缩模型31及水准仪微缩模型32的磁吸结构，使得讲解员或教师在讲解的过程中，可随时调整度竿微缩模型31及水准仪微缩模型32的位置，以便于科普或教学的进行，而且使用者也可以手动调整度竿微缩模型31及水准仪微缩模型32，以增加使用者的参与感，降低科普工作的难度，提高人们对古代水准仪的理解效果。
38.如图1和图2所示，本实施例的地形模型21为《梦溪笔谈》中的地形模型，地形模型21模拟“汴渠”、“故沟”和宋代汴渠周围地势高低关系，且本实施例中设有第一测量区域及第二测量区域，第一测量区域与第二测量区域分别位于“汴渠”的两侧，其中第一测量区域不使用照板模型33测量，第二测量区域使用照板模型33测量。
39.本实施例中，第一测量区域用于古代水准仪在建筑施工中的应用演示，第一测量区域中设有一个水准仪微缩模型32和四个度竿微缩模型31。通过《营造法式》的记录可知古代建筑工程进行水准测量前应先确定基地范围和方正，之后将基地各角定为测量点并树立标尺，将基地中心定为测站点安放水准仪。鉴于古代建筑形式的多样化，建筑基地并非都为完全方正，根据环境和使用要求也可能存在异形建筑，且建筑的尺度大小也有区别，所以将第一测量区域设计为梯形，即可演示不同距离和不同建筑形式的水准测量又可满足教具集成化的需求。演示时，古水准仪微缩模型32架设位置为演示区域内建筑基地的中心点，在观测周围不同测量点时为保证水准测量的精确性，水准仪准备完成后不应进行移动和调整。对《营造法式》、《武经总要》各版本配图研究后发现古代水准仪本身也具备旋转功能，所以在古代建筑工程的实际测量中水准仪是于架设点上进行原地旋转来完成不同点位测量的。教具使用者可以根据教学现场的环境确定四个度竿微缩模型任意1点为绝对0点观测并推算其他测量点的高程，演示古代建筑工程中的水准测量过程。
40.第二测量区域用于古代水准仪在水利工程中的应用演示，第二测量区域设有一个水准仪微缩模型32、三个度竿微缩模型31、一个孔照板模型及一个无孔照板模型。据《梦溪笔谈》记载古代水准仪在长距测量时会产生较大误差，沈括为避免误差过大，采用分段测量的方式，利用汴渠引水至河堤外的“故沟”，将“故沟”分段截断，每段注满水，且截断位置刚好位于下一地势高起的点，待此段水面升至与下一段高起点齐平时停止注水并测量这段水面与地势间的高差，依次类推进行测量直至到达目标测量点便可将所有数据汇总推算目标点的高程。本演示以此为原理，在沙盘上模拟“汴渠”、“故沟”和宋代汴渠周围地势高低关系，于演示区域内的各高程地块分别树立度竿微缩模型31，通过测站点上的水准仪微缩模型32对其依次测量来演示沈括治理汴渠时所采用的水准测量方法。同时，第二测量区域内还采用了2个照板模型33，《武经总要》各版本配图中对“照板”也均有描绘，但配图“照板”带有方孔，而文字记录则未间方孔和方孔尺寸。《宋代水准仪的复原及模拟实验》复原了有孔
和无孔两种“照板”，并验证了“照板”的大尺寸具有屏蔽标尺周围背景物，增加标杆识别性的作用。研究发现有孔“照板”应置于水准仪和标尺之间，无孔“照板”应置于标尺之后，但“照板”的黑白界线对于标尺刻度的指示功能并不大，且重量很大，实用功能较低，所以《营造法式》、《梦溪笔谈》等文献对其并未提及。但本教具为了尽可能展示古代水准测量的全貌将两种照板的微缩模型加入其中，为使用者还原出了古代水准测量的真实场景。
41.如图8所示，展示平台2的一侧固定设置有水槽模型4，水槽模型4一面的两侧及中部均凹设有槽体41，槽体41内设有液体；水槽模型4中部的槽体41两侧分别设有横槽42，横槽42两侧分别与水槽模型4中部的槽体41及水槽模型4一侧的槽体41连通，以使三个槽体41内的液体相互连通；槽体41内设置有浮木43，浮木43朝向槽体41开口的一面设有立齿431。本实施例的液体为水，利用水的浮力，当水槽模型4处于水平状态时，三个槽体41中立齿431的三个侧边能够相互对齐。本实施例中，槽体41的横截面略大于浮木43的横截面，以使浮木43能够在槽体41内利用浮力自由升降，展示平台2四周通过调节螺栓12参照展示平台2的四边设置的气泡水平仪13调节，从而判断水槽模型4是否水平。
42.本实施例中，水槽模型4为宋代水准仪中的水平槽复原实物，同时也是微缩水槽321的放大模型，本实施例中，微缩水槽321与水槽模型4的比例为1：20。
43.水槽模型4的一侧设有模拟标尺5，模拟标尺5固定设置在底板1上。
44.据唐《神机制敌太白阴经》的记载和宋《武经总要》各版本附图可知“水平槽”架设完毕后，在使用前应先向其“槽”内注水，因“通水渠”较“池”更浅，且仪器制作和架设时已做垂直和找平处理，实测后发现注水位置应在“水平槽”中心，可避免两侧注水导致仪器失去平衡。待三个“池”中的“浮木”被水浮起，“浮木立齿”完全暴露在观测者视线中时，观测者的视线通过各“浮木立齿”齐平后提供的水平视线延伸穿过“照板”孔洞直至标杆对应的尺寸既为观测点高程，无“照板”时可通过水准仪立齿直接将视线延伸至标杆并记录高程。本实用新型采用1：1尺寸水槽模型4复原实物，以古代文献中所记录的使用方式进行观测，以模拟标尺5代替古代“度竿”的标尺功能进行操作，通过在水槽模型4中部的槽体41内注入液体，在横槽42的作用下，使得各个槽体41内的液体相互连通，从而使浮木43浮起，由于“照板”原型体积较大，为了便于演示，本实施例没有设置“照板”原型，因此观测者的视线通过各立齿431齐平后提供的水平视线延伸至模拟标尺5对应的尺寸既为观测点高程，以模拟标尺5代替古代“度竿”的标尺功能进行操作，使用者可以切身体验古代水准测量的全部过程。增加使用者的参与感，提高人们对古代水准仪的理解效果。
45.如图9及图10所示，模拟标尺5通过调节球铰51与底板1连接，调节球铰51包括固定壳511、球体512及锁定螺钉513，固定壳511一面与底板1固定连接，另一面设有调节槽514，球体512转动设置在调节槽514内，且球体512通过连接杆515与模拟标尺5固定连接；锁定螺钉513螺纹穿设于固定壳511并与球体512抵接，以限制球体512的转动。
46.模拟标尺5远离调节球铰51的一端设有若干垂绳52，垂绳52一端与模拟标尺5固定连接，另一端固定设置有铅锤521。本实施例中垂绳52均匀布设有8根。
47.根据《营造法式》和《十三经注疏》记载可知，古代水准测量开始之前要在测量点树立标尺(古称度竿、表等)，树立标尺时要通过在标尺不同方向悬挂铅锤确保标尺与地面的绝对垂直以降低水准测量的误差。根据研究得知，古代水准仪在架设时其底座支架也应通过铅锤确定与地面的垂直，在确保其完全垂直于地面后安装“水平槽”，且“水平槽”本身也
可悬挂铅锤，通过其与支架形成的旋转结构实现不同方向再次校验支架垂直的功能。模拟标尺5的万向结构与顶部铅锤521可以帮助使用者体验古代水准仪架设和树立标尺的过程，其平面旋转结构也可为使用者提供不同历史时期的长度单位，且为接下来进行的水槽模型4复原实物的操作提供标尺功能。本实施例中通过设置垂绳52及铅锤521能够观察模拟标尺5的水平状态，通过拧松锁定螺钉513，能够调整模拟标尺5的角度，从而实现了模拟了古代标尺的调整，当垂绳52均平行于模拟标尺5时，证明模拟标尺5与地面垂直，通过拧紧锁定螺钉513，完成了模拟标尺5的角度固定。
48.模拟标尺5设有刻度。模拟标尺5具有四个面，每一面分别印有以公制、宋代、明代和清代4种不同时期长度单位为标准的刻度标尺。
49.如图1所示，水槽模型4相邻的两侧及水槽模型4相对的一侧分别设有展示板14，展示板14与底板1固定连接。古代相关技术文献及现代研究成果的科普展示以教具上的三块展示板14为主要载体，以宋代《武经总要》、《营造法式》、《梦溪笔谈》、清《河工器具图说》、《十三经注疏》5本古文献的记载及《宋代水准仪的复原及模拟实验》的相关研究成果为主，在展示时配合讲解以加深使用者对古代水准仪的认识，以便进一步学习和操作教具。
50.唐《神机制敌太白阴经》第一次对中国古代水准仪进行了精确到尺寸数据的具体描述，宋《武经总要》基本完整抄录了其全部内容，且出现了中国最早的“水平”图像。本实施例第一展示板左侧选取《武经总要》现存相对较早的明正德据南宋绍定本重刻本的水平相关记载作为展示。其载：“水平者，木槽长二尺四寸，两头中间凿为三池。
……
槽下转为关脚，高下与眼等。以水注之，三池浮木齐起，眇目视之
……
尺寸相乗，山岗沟涧水之高下浅深，皆可以分寸度之。”文中详细记载了宋代水准仪的尺寸、材料、构造、工艺、设备附件和使用方式。
51.宋《营造法式》是中国古代建筑技术领域的经典著作，其中对古代水准仪的记录和配图相较其它古文献更为精确。本实施例第一展示板右侧选用清文渊阁四库全书本作为展示。其载：“定平之制：既正四方，据其位置，于四角各立一表，当心安水平。
……
其槽底与墨线两边，用曲尺较令方正。”文中描述了两种古代水准仪、两种水准测量方法、建筑工程中水准观测的流程、墨线与古代水准仪无水使用等新内容，且省略了部分冗余附件。
52.宋《梦溪笔谈》中记载了沈括使用古代水准仪对汴渠进行测量，详细记录了水准测量在古代水利工程中的应用。本实施例第二展示板左侧选用元东山书院刻本的相关记载作为展示。其载：“国朝汴渠，发京畿辅郡三十余县夫，歳一浚。
……
乃量堰之上下水面，相高下之数会之，乃得地势高下之实。”文中记载了沈括采用分段测量的方式对汴渠堤外的地势进行水准测量，且指出了古代水准仪在长距测量中的误差问题和采用分段测量以降低误差的解决办法。
53.清《河工器具图说》是一部水利工程技术著作。该书以图说方式较全面地介绍了当时治理黄河和运河所使用的各种水利器具，是对清以前河工工程物化技术的一次总结。本实施例第二展示板右侧上半部分选用清道光南河节署刻本作为展示。其载：“但用在五六丈之内尤准，若多贪丈尺，转属无益。”描述了古代水准仪的最佳使用距离在5～6丈以内，通过实测研究也验证了古代水准仪的测量误差在20米测量范围内会保持一个相对较小的稳定区间，超过20米误差会大幅增加。
54.《十三经注疏》是文史研究重要的原始文献之一，本实施例第二展示板右侧下半部
分选用了阮刻本进行展示。其中的《周礼注疏》冬官考工记第六匠人建国中贾公彦疏：“置摰者，摰亦柱也。以悬者，欲取柱之景，先须柱正。欲须柱正，当以绳悬而垂之于柱之四角四中，以八绳悬之，其绳皆附柱，则其柱正矣，然后视柱之景。”介绍了用垂绳确定立柱垂直的办法，研究后发现此立柱原理同样适用于古代水准仪的架设和各测量点标杆的树立。
55.第三展示板以图文形式展示了《宋代水准仪的复原及模拟实验》的研究成果，以图像形式展示了古代水准仪在野外作业和建筑作业两种环境下的应用和古代水准仪的观测原理，详述了古代水准仪的架设、注水等准备过程，解释了有、无“照板”和多点测量时的不同观察方法。
56.本实施例中，展示平台2四周通过调节螺栓12与底板1连接，调节螺栓12螺纹穿设于展示平台2，且调节螺栓12的一端与底板1抵接。本实施例中，展示平台2朝向底板1的一面设有调节环121，调节螺栓12滑动穿设于展示平台2并螺纹穿设于调节环121，底板1固定设有固定座122，固定座122凹设有固定孔，以使调节螺栓12能够嵌入固定孔内并与固定座122抵接，实现展示平台2通过调节螺栓12支撑在底板1上，并能够避免展示平台2与底板1产生水平滑动。
57.展示平台2的四周分别固定设置有气泡水平仪13。
58.通过转动调节螺栓12能够调整展示平台2与底板1之间的调节螺栓12长度，同时根据气泡水平仪13，能够将展示平台2调整至水平状态，从而确保水槽模型4处于水平状态，以模拟水槽模型4的水平调整。
59.使用本实施例的古代水准仪展示教具进行科普教学时，可先通过水槽模型4及模拟标尺5讲解演示古代水准仪的测量原理，然后通过度竿微缩模型31及水准仪微缩模型32讲解演示古代水准仪的水准测量过程。在讲解演示同时可通过展示板14上记载的内容，科普古人测量的方法。