《認(rèn)識簡易計(jì)時器》教學(xué)案例與評析

張芳 張軍霞

摘要《認(rèn)識簡易計(jì)時器》一課是在學(xué)生學(xué)習(xí)了光和影子、觀測陽光下影子的變化及水漏和沙漏的基礎(chǔ)上，研究日晷這種古老的計(jì)時工具的結(jié)構(gòu)和計(jì)時方法，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)和制作日晷，解決設(shè)計(jì)制作中的問題，培養(yǎng)他們的探究意識和創(chuàng)新能力。本課從分析認(rèn)識日晷的結(jié)構(gòu)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)日晷的使用方法與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，了解日晷計(jì)時的時候如何擺放，以及日晷的晷面與地平面的角度是如何設(shè)置的，并對計(jì)時工具產(chǎn)生持續(xù)的探究興趣和好奇心。

關(guān)鍵詞 模擬實(shí)驗(yàn) 探究意識 發(fā)展思維

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.05.008

Teaching Case and Analysis of“Understanding Simple Timer”

ZHANG Fang[1]， ZHANG Junxia[2]

（[1] Yichang Xiling District Lvluo Road Primary School， Yichang， Hubei 443000；[2] People’s Education Press Comprehensive Science Editorial Office， Beijing 100081）

Abstract： The lesson of "understanding simple timer" is to study the structure and timing method of sundi？ al， which is an ancient timing tool， on the basis of students learning light and shadow， observing the shadow changes in the sun and water and hourglass， and guiding students to design and make sundial creatively， solve the problems in design and production， and cultivate their exploration consciousness and innovation ability. This lesson starts from analyzing and understanding the structure of sundial， and guides students to summarize the re？ lationship between sundial usage and structure， how to place sundial timing， and how to set up sundial surface and ground plane， and generate continuous interest and curiosity about timing tools.

Keywords： simulation experiment； inquiry consciousness； development thinking

《認(rèn)識簡易計(jì)時器》一課是在學(xué)生學(xué)習(xí)了光和影子、觀測陽光下影子的變化及水漏和沙漏的基礎(chǔ)上，研究日晷這種古老的計(jì)時工具的結(jié)構(gòu)和計(jì)時方法，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)和制作日晷，解決設(shè)計(jì)制作中的問題，培養(yǎng)他們的探究意識和創(chuàng)新能力。本課從分析認(rèn)識日晷的結(jié)構(gòu)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)日晷的使用方法與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，了解日晷計(jì)時的時候如何擺放，以及日晷的晷面與地平面的角度是如何設(shè)置的，并對計(jì)時工具產(chǎn)生持續(xù)的探究興趣和好奇心。

學(xué)習(xí)本課之前，教師對學(xué)生的認(rèn)知能力做了調(diào)查，了解了他們的認(rèn)知基礎(chǔ)：知道影子形成的條件，以及光與影之間的相對位置關(guān)系；知道日晷是古人利用影子制作的測量儀器，對古代和現(xiàn)代計(jì)時器有一定的了解；對沙漏、水漏結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和具體計(jì)時方法也有一定的思考。但學(xué)生對日晷的了解僅限于知道它是利用了陽光下物體影子的變化，不具備設(shè)計(jì)、制作日晷以及改進(jìn)日晷的能力?；趯W(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)的調(diào)查，我們設(shè)計(jì)了如下教學(xué)過程。

教學(xué)過程

1.引入新課

從上一單元學(xué)習(xí)的陽光下物體的影子變化，引出古人利用陽光下影子的變化發(fā)明了計(jì)量時間的工具——日晷，提出問題：日晷由哪些部分組成？它是如何計(jì)時的？

2.開展科學(xué)探究

（1）探究日晷的組成部分

教師先提出問題：日是太陽的意思，晷是什么意思？引起學(xué)生的好奇心。然后播放小視頻，讓學(xué)生了解日晷是利用太陽影子計(jì)時的工具。學(xué)生通過觀察圖片，發(fā)現(xiàn)日晷是由晷針、晷盤、底座三部分組成。

（2）了解日晷是如何計(jì)時的

指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識一天中晷針影子在晷盤上的變化。教師提出問題：日晷是怎樣計(jì)時的？引導(dǎo)學(xué)生觀察日晷，學(xué)生總結(jié)得出：晷盤上有12時辰，每個時辰對應(yīng)的是兩小時，太陽按東升西落的自然規(guī)律，將晷針的影子印在12時辰上，我們可以據(jù)此認(rèn)識對應(yīng)的時間。

學(xué)生通過小組實(shí)驗(yàn)，模擬日晷一天的計(jì)時過程，認(rèn)識日晷的正確擺放方法。再讓學(xué)生探究晷盤和地平面的夾角對計(jì)時是否有影響。學(xué)生通過固定太陽照射的位置，改變晷盤和地平面的夾角，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識到晷盤和地平面的夾角的變化對計(jì)時是有影響的。然后，教師告訴學(xué)生只有在晷針和地平面的夾角為當(dāng)?shù)鼐暥葧r，即晷盤和地平面的夾角為90°，減去當(dāng)?shù)鼐暥葧r，日晷才能準(zhǔn)確計(jì)時。最后指導(dǎo)學(xué)生使用日晷計(jì)量時間。

3.總結(jié)拓展

教師引導(dǎo)學(xué)生觀看圖片，了解各種各樣的日晷。最后提出以后的學(xué)習(xí)任務(wù)：利用所學(xué)的知識設(shè)計(jì)和制作日晷。

教學(xué)策略

1.聯(lián)系舊知，導(dǎo)入新課

在上個單元“陽光下的影子”的拓展與應(yīng)用環(huán)節(jié)中，學(xué)生了解到日晷是古人利用影子制作的測量工具。本課從上個單元的知識出發(fā)，利用小視頻引出本課內(nèi)容，既聯(lián)系了新舊知識，又調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.目標(biāo)導(dǎo)向，活動有序

教學(xué)中，設(shè)計(jì)了四個活動來完成教學(xué)目標(biāo)：

第一個活動，讓學(xué)生通過觀察日晷，了解日晷的組成部分，對晷盤上的指針產(chǎn)生好奇。

第二個活動，讓學(xué)生用手電筒模擬太陽，探討日晷的計(jì)時原理，并思考：日晷要怎樣擺放才能計(jì)時？

第三個活動，讓學(xué)生調(diào)整晷盤和地平面的角度，意識到這個角度變化對計(jì)時有影響。最后由教師告知學(xué)生怎樣設(shè)置角度才能做到準(zhǔn)確計(jì)時。

第四個活動，讓學(xué)生欣賞各種各樣的日晷，進(jìn)一步拓展學(xué)生對日晷的認(rèn)識，為后面設(shè)計(jì)制作日晷打下基礎(chǔ)。

這四個層層遞進(jìn)的有序活動，讓學(xué)生的思維逐步得到發(fā)展，讓探究活動真實(shí)有效。

3.合理引導(dǎo)，降低難度

對于四年級學(xué)生來說，認(rèn)識日晷的原理有一定難度，本課的知識難點(diǎn)是讓學(xué)生清楚12時辰對應(yīng)的時間和日晷一天中晷針影子的變化應(yīng)該是從辰時到申時。擺放日晷正確計(jì)時是本課活動的難點(diǎn)。對于比較難的活動，我逐步引導(dǎo)，讓學(xué)生自主探究，然后分小組上臺交流，克服活動中的困難。

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)晷盤和地平面的夾角是可以改變的，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，讓他們思考：夾角的改變對準(zhǔn)確計(jì)時是否有影響？緊接著讓學(xué)生通過控制變量的方法進(jìn)行研究：控制太陽照射的位置和晷盤的擺放方向不變，改變盤面和地面間的夾角度數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，給學(xué)生充足的時間，讓他們分小組上臺表述自己小組的發(fā)現(xiàn)，最后教師利用一些圖片告知學(xué)生晷針和地平面的夾角是當(dāng)?shù)氐木暥葧r才能準(zhǔn)確計(jì)時。對于這個活動的難點(diǎn)，我沒有一開始就引導(dǎo)學(xué)生研究晷針和地平面的夾角，因?yàn)樗麄儾惶菀桌斫膺@個問題。我從學(xué)生容易看到的晷盤和地平面的夾角引導(dǎo)學(xué)生探究，然后過渡到這個夾角的度數(shù)，這樣學(xué)生理解起來比較容易。

4.重視探究，發(fā)展思維

教學(xué)中，我非常關(guān)注學(xué)生思維能力和動手能力的發(fā)展。所有活動都是先讓學(xué)生思考該怎么做，然后小組分工，合作完成。每一個活動不管是開始前的思考還是結(jié)束后的分享，都盡可能給予充足的時間，學(xué)生自主探究，充分分享自己和小組的觀點(diǎn)，然后小組之間再補(bǔ)充。整節(jié)課能夠尊重學(xué)生的主體性，讓他們在思考中探究，帶著收獲進(jìn)行分享。

教學(xué)評析

這節(jié)課屬于技術(shù)與工程領(lǐng)域，本課的教學(xué)目標(biāo)為：

1.認(rèn)識日晷主要由晷盤和晷針組成，知道日晷是根據(jù)陽光下晷針在晷盤上的影子所對應(yīng)的刻度來計(jì)時。

2.初步了解用日晷計(jì)時時，日晷的擺放位置和角度，以及日晷晷面與地平面的角度是如何設(shè)置的。

3.對計(jì)時工具表現(xiàn)出一定的興趣和好奇心。

4.認(rèn)識到使用計(jì)時工具可以使測量的結(jié)果更加精確。

其中第一和第二個教學(xué)目標(biāo)是本課的教學(xué)重點(diǎn)，第二個教學(xué)目標(biāo)是本課的教學(xué)難點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，突破教學(xué)難點(diǎn)，教師設(shè)計(jì)了四個教學(xué)環(huán)節(jié)：

第一個環(huán)節(jié)，回顧上個單元了解的日晷，認(rèn)識日晷主要由晷盤和晷針組成，認(rèn)讀晷盤上的時辰，特別是將白天的關(guān)鍵時辰，如辰、午、申等，與學(xué)生平時熟悉的小時對應(yīng)起來，從而理解晷盤和晷針的作用。第一個環(huán)節(jié)能夠達(dá)成第一個教學(xué)目標(biāo)。

第二個環(huán)節(jié)，用日晷模型模擬計(jì)時，在操作過程中認(rèn)識日晷的正確擺放方向。

第三個環(huán)節(jié)，通過改變晷面的傾斜角度，認(rèn)識到晷針與地平面需要一個合適的夾角，再通過教師的介紹，了解到這個夾角與當(dāng)?shù)鼐暥扔嘘P(guān)。第二和第三個環(huán)節(jié)，巧妙而有效地達(dá)成了第二個教學(xué)目標(biāo)，突破了教學(xué)難點(diǎn)。

第四個環(huán)節(jié)介紹了各種各樣的日晷，包括赤道日晷、平面日晷、垂直日等。這里特別介紹了冬季我國傳統(tǒng)的赤道日晷的晷針影子形成在晷盤的背面這一現(xiàn)象。第四個環(huán)節(jié)為本單元后續(xù)設(shè)計(jì)日晷提供了多樣的原型，有利于打開學(xué)生的設(shè)計(jì)思路。

其中，第二、第三個環(huán)節(jié)既落實(shí)了教學(xué)重點(diǎn)，又突破了教學(xué)難點(diǎn)。第二個環(huán)節(jié)首先利用學(xué)生對太陽視運(yùn)動和陽光下影子變化規(guī)律的已有認(rèn)知，指導(dǎo)他們將日晷放在太陽視運(yùn)動軌道的北邊進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。本環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)記錄單能引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)方法。學(xué)生將晷盤分別朝向南、北、西、東等方向擺放，用手電筒模擬太陽自東向西運(yùn)動，他們會發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)晷盤朝北時，晷盤上的時辰數(shù)據(jù)才能與實(shí)際時間對應(yīng)。

需要特別指出的是，由于地軸與地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道面有個夾角，太陽在天空中經(jīng)過的視運(yùn)動軌跡并不是本課使用的模型那樣的垂直于地面的半圓面，而是略向南傾斜的半圓面。本課的垂直于地面的太陽軌道模型僅是近似模擬，但不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

第三個環(huán)節(jié)，讓學(xué)生固定太陽入射的角度，改變晷盤的傾斜角度，發(fā)現(xiàn)晷盤的傾斜角度發(fā)生變化時，投在晷盤上的影子位置會發(fā)生變化。太陽入射位置不變，表示時間應(yīng)該是固定的。如果晷盤傾斜角度改變而晷針的影子位置不變時，說明晷盤的傾斜角度不影響計(jì)時的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，除正午外，晷盤傾斜角度的改變會影響計(jì)時的準(zhǔn)確性，這引發(fā)了學(xué)生對合適的角度應(yīng)該是多少的疑惑。此時正好可以告訴學(xué)生與緯度有關(guān)，這樣教學(xué)，體現(xiàn)了教師的合理引導(dǎo)。

古人對于日晷的使用經(jīng)歷了漫長的摸索過程，晷盤朝向北面時，能夠?qū)崿F(xiàn)夏天影子落在晷盤的正面，冬天影子落在晷盤的反面，這樣四季都能比較準(zhǔn)確地計(jì)時。小學(xué)生對緯度的認(rèn)識比較困難，教師做了一定的補(bǔ)充和說明，并不要求學(xué)生理解背后的科學(xué)道理，為他們后續(xù)設(shè)計(jì)和制作日晷奠定了知識基礎(chǔ)。本課將自主探究和教師引導(dǎo)相結(jié)合，取得了較好的教學(xué)效果，完滿地達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)。

根據(jù)以上分析，可以看出本課具有以下幾個方面的示范性：一是巧妙設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，利用近似的太陽視運(yùn)動軌道模型和日晷模型，直觀地再現(xiàn)日晷計(jì)時的情景。二是利用學(xué)生活動手冊中的記錄表，引導(dǎo)他們選擇合適的數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)晷盤擺放的正確方向。三是通過一步一步地設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析與交流，不斷實(shí)現(xiàn)思維的推進(jìn)和認(rèn)識的深入。四是利用小組合作探究，引導(dǎo)學(xué)生相互演示交流，調(diào)動生生互動，體現(xiàn)學(xué)生的教學(xué)主體地位。五是呈現(xiàn)了多種日晷，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)做了很好的知識鋪墊。