在大單元框架下設(shè)計實驗教學(xué)

◇吳蘭沁（福建：仙游縣城西中心小學(xué)）

大單元教學(xué)是為了體現(xiàn)科學(xué)概念的連貫性和綜合性?！坝嬃繒r間”是教科版小學(xué)科學(xué)五年級上冊第三單元的內(nèi)容，本單元對應(yīng)的學(xué)科核心概念是“技術(shù)、工程與社會”，要求學(xué)生通過探究實踐，總結(jié)出技術(shù)與工程的基本特點及其對提高生產(chǎn)效率或工作效率的作用，嘗試應(yīng)用所學(xué)科學(xué)原理設(shè)計、制作簡單的裝置，模擬演示并簡要解釋如何提高效率。在教學(xué)中，教師應(yīng)在大單元框架下設(shè)計實驗教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、設(shè)計、制作、比較、測量等科學(xué)實踐活動，了解人類計時工具發(fā)展的幾個比較典型的階段：燃香鐘—水鐘—擺鐘，促進學(xué)生將跨學(xué)科概念在各領(lǐng)域間建立起有意義的聯(lián)系。

一、聚焦單元主題，建立科學(xué)觀念

《義務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022 年版）》指出，人類在與自然界打交道的過程中，為了適應(yīng)自然、改善生存條件而產(chǎn)生了技術(shù)，人類對已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)開發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造，以滿足需求，就產(chǎn)生了工程?！稌r間在流逝》是本單元的起始課，一開始就聚焦了單元研究主題：“在鐘表發(fā)明之前，人們是怎樣安排生活和勞作的呢？”學(xué)生通過查閱資料、小組交流等形式，初步了解在遠古時代，在鐘表發(fā)明之前，人類用天上的太陽來計時。日出而作，日落而息，晝夜交替現(xiàn)象自然而然成了人類最早使用的時間單位。在沒有任何計時工具的情況下，古人又是根據(jù)哪些自然現(xiàn)象去判斷一天中的時間呢？人們最早掌握的計時方法是測量物體陰影在一天內(nèi)的變化情況。太陽日復(fù)一日地東升西落，產(chǎn)生地球上物體的陰影運動。在人類早期，時間的概念是通過觀察這一自然現(xiàn)象而產(chǎn)生的，并逐漸學(xué)會了計算時間，因此，人們通過觀察陰影的長度或運動來計算時間，這就是人類最早發(fā)現(xiàn)的光影計時的原理。在教學(xué)中，教師還要引導(dǎo)學(xué)生進一步搜集、交流古人利用太陽進行計時的方法和事例，如人類根據(jù)這一原理，經(jīng)過長期的實踐，設(shè)計出了“圭表”和“日晷”等天體計時工具。在實際的教學(xué)中，教師還要注重學(xué)生的探究實踐，可結(jié)合所學(xué)科學(xué)知識，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計具有一定功能的簡單裝置或?qū)嵨锬Ｐ?，了解其中的科學(xué)原理，探究其改進的可能性。例如，結(jié)合“物體影子的變化規(guī)律”和“地球自轉(zhuǎn)”的相關(guān)知識，自主設(shè)計制作一個日晷，探究哪些因素會影響日晷晷針影子方向和移動的快慢，晷面角度應(yīng)該如何設(shè)置才能使晷針勻速轉(zhuǎn)動，不同地區(qū)、不同季節(jié)日晷可能會存在哪些差異，需要做哪些調(diào)整？……通過不斷地探索，提高日晷計時的準確性。

在探索古人利用天體運動規(guī)律計時后，教科書安排了探索“燃香計時”的規(guī)律，通過實驗觀察研究“一炷香”的時間，探究燃香的長度變化是不是勻速的，分析計量某事物在一段時間間隔內(nèi)發(fā)生有規(guī)律的變化所需的時間是否一致，影響某一運動變化的時間相同與否的因素有哪些，并進一步聯(lián)系生活實際研討“蠟燭可以用來計時嗎？”。學(xué)生在親歷探究實踐活動后，能以事實為依據(jù)，從科學(xué)的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律進行分析，初步形成了“在一定的條件下，燃香變短的速度基本是均勻的，可以用來計時”的科學(xué)觀念。

二、注重探究實踐，解決實際問題

由于天體計時、燃香鐘計時等受外界因素影響較大，學(xué)生在親歷科學(xué)實踐活動后，會發(fā)現(xiàn)這些計時方法的局限和不足，便會產(chǎn)生改進計時工具的內(nèi)在需求。在科學(xué)教學(xué)中，要適當(dāng)?shù)厝谌肟萍际返南嚓P(guān)知識，讓學(xué)生了解古代社會人們也是在不斷發(fā)展變化過程中繼續(xù)找尋自然界有規(guī)律運動的物體或事件來幫助記錄時間推移的軌跡的，設(shè)計出了利用水鐘來計時，這就是漏刻計時。據(jù)梁代《漏刻經(jīng)》記載：“漏刻之作，蓋肇于軒轅之日，宣乎夏商之代?！痹缭诠叭那甑母赶凳献骞鐣r期，我們的祖先就用漏刻這種滴水的器具來計時了。漏刻的發(fā)明是古人受到容器漏水現(xiàn)象啟發(fā)的結(jié)果，在機械鐘表傳入中國之前，漏刻也是我國使用最普遍的一種計時工具。

本單元安排了兩節(jié)課研究利用水鐘計量時間。在第2 課《用水計量時間》教學(xué)中，教師可直接出示教科書中的古代水鐘圖，讓學(xué)生仔細觀察后提出：“水真的可以用來計時嗎？古代是怎樣用水鐘來計時的？”這兩個問題包含著本課的核心問題，即水鐘流出的水速度是否會均勻？如何用水來計量時間，這樣自然而然就引出了本節(jié)課的兩個探索環(huán)節(jié)，一是觀察水流的速度，二是測量水流速度的變化。在接下來的探究活動中，要讓學(xué)生重點研究用水計時的原理，如何設(shè)計才能使水流的流速達到均勻。實驗時應(yīng)充分考慮塑料瓶蓋上孔徑的大小、觀察一次所需的時間、測量的誤差等多種因素。推測從200 毫升水中流出50 毫升、100 毫升、150 毫升水分別需要多少時間并進行重復(fù)多次的實測。通過實驗觀察、數(shù)據(jù)分析，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)水流的速度是不均勻的，當(dāng)瓶中的水越來越少時，水的流速越來越慢，最后會斷斷續(xù)續(xù)呈滴狀。那么，瓶蓋孔的大小沒有變，水的流速為什么會發(fā)生變化呢？經(jīng)過細致觀察，邏輯推理能力強的學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，這是瓶內(nèi)水位高低變化所引起的，水位高時，水流較急；水位越低，水流就越緩，漸漸地從流變成滴，甚至不再往下滴水。至此，學(xué)生便會提出新問題：“水流的速度是在不斷地變化，那用水計時會準確嗎？”如果學(xué)生注意到是水位變化引起水流速度變化，他們自然會想到必須控制瓶中的水位不變才能控制水流速度不變。此時再回顧古人的水鐘，讓學(xué)生再仔細觀察教科書上的“古代水鐘示意圖”，分析各構(gòu)件的作用，理解古人的設(shè)計原理，研討人們是怎樣控制水以均勻的速度往下滴的，為第3課《我們的水鐘》的教學(xué)做好準備。

第3 課的研究任務(wù)是“讓我們制作一個計時10 分鐘的水鐘”?？梢宰屗畯墓潭ǖ乃桓叨攘鞒鱿嗤乃縼碛嫊r，這就要求學(xué)生在制作時要想辦法控制水位高度不變，讓水以均勻的速度流動從而計時。工程技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計，在教學(xué)中教師要指導(dǎo)學(xué)生通過小組合作，用畫圖的形式制訂設(shè)計方案，按照自己的設(shè)計確定流程、加工組裝、標出刻度等。制作完成后還要繼續(xù)測試水鐘計時是否準確，發(fā)現(xiàn)問題并加以改進。學(xué)生經(jīng)歷了“設(shè)計方案—動手制作—測試改進”的工程活動過程，進一步明確了技術(shù)的核心是發(fā)明，技術(shù)與工程創(chuàng)造了人造物。

三、建構(gòu)時間概念，啟迪科學(xué)思維

自有時間概念以來，人們就不斷探索著準確計量時間的方法，隨著人類社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對自然認識的提高，人類對時間的要求也更加精確了。1583 年，在一次不經(jīng)意的發(fā)現(xiàn)中，伽利略觀察到教堂中的吊燈在微風(fēng)中前后擺動，擺動的弧線時長時短，但不管擺幅是多大，吊燈往返的時間好像是一樣的。他意識到擺可以成為一種有規(guī)律的計時裝置，這引發(fā)了由擺動的鐘擺來控制的機械鐘表的發(fā)展。

本單元安排3 個課時的內(nèi)容讓學(xué)生觀察了解機械擺鐘、研究擺的快慢、制作鐘擺。學(xué)生在通過對擺鐘的觀察研究后會發(fā)現(xiàn)，不同小組1 分鐘擺的擺動次數(shù)不同，由此引發(fā)新的問題：擺的快慢受什么因素影響？在研究《擺的快慢》一課時，教師組織學(xué)生充分討論、預(yù)測哪些因素影響擺的擺動速度。重點通過兩組對比實驗分別研究擺錘質(zhì)量、擺繩長度與擺動速度的關(guān)系。通過重復(fù)實驗、數(shù)據(jù)分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)擺動速度與擺錘質(zhì)量無關(guān)，與擺繩長度有關(guān)，擺繩越短，擺速越快，擺繩越長，擺速越慢。本單元的第6 課《制作鐘擺》給學(xué)生提出了一個新的研究任務(wù)：讓我們制作一個1 分鐘正好擺動60 次的擺。這是一項運用科學(xué)和技術(shù)進行設(shè)計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動，需不斷調(diào)試、改進以實現(xiàn)預(yù)期目標的簡易工程。同樣需要經(jīng)過設(shè)計、制作、測試、研討等環(huán)節(jié)，尤其是要制定如何根據(jù)試驗結(jié)果更有效、更快捷地改進設(shè)計方案的策略。課后再讓學(xué)生繼續(xù)研究設(shè)計一個1 分鐘擺動30 次或120 次的擺，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移與應(yīng)用能力，啟迪學(xué)生的抽象思維、邏輯思維，以及利用數(shù)學(xué)理解物理現(xiàn)象的意識。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進一步了解機械鐘表在我國的發(fā)展歷史，明白機械鐘表的發(fā)明和應(yīng)用是一個相對漫長的過程。

四、梳理系統(tǒng)概念，形成科學(xué)態(tài)度

當(dāng)今社會，計時工具的功能和作用日益增強，更新?lián)Q代日益頻繁，計時器的種類也經(jīng)歷了單一型到多樣化的蛻變。計時器除了要更加符合科學(xué)發(fā)展的要求而進一步提高精準度外，更要與人類的生活方式相契合。本單元的最后一課安排了《計量時間和我們的生活》，學(xué)生將回顧本單元探究過的幾種計時工具，體會古人制作計時工具的智慧，調(diào)查比較人類計時工具的演變，認識到科學(xué)技術(shù)通過促進人們的生活方式、思維方式的變革來推動社會的發(fā)展。本課要著重引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注計時工具的發(fā)展和人類生活的密切關(guān)系，通過航天器發(fā)射、乘坐飛機、百米賽跑、交通出行等具體事例說明精確計時對我們現(xiàn)代生活的重要性，以及計時不精確可能導(dǎo)致的嚴重后果。要求學(xué)生系統(tǒng)地梳理、總結(jié)人類計時工具的演變過程，體會計時工具的精確度對人們的生活、出行等方面的影響，以及幫助人類更好地探索未知的領(lǐng)域，這也是科技發(fā)展的必然結(jié)果。經(jīng)過本單元的學(xué)習(xí)，要讓學(xué)生歸納概括出“計時工具利用了物體運動的周期性變化規(guī)律”這一認識，這是基于整個單元的研究概括提煉出的大概念，期望學(xué)生在探究人類計時工具發(fā)展的幾個比較典型階段的過程中，逐漸形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，將教學(xué)小課堂帶入人生大課堂，并在今后的學(xué)習(xí)生活中關(guān)注計時，準確用時，珍惜時間。

計時工具的演變是人類社會科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個縮影。這種“大單元”的教學(xué)組織形式能夠在一個較長的學(xué)習(xí)時間內(nèi)，以富有包容力的學(xué)習(xí)情境將散落在不同主題下的具體知識圍繞一個更為核心的概念重新編織，有利于促進學(xué)生對科學(xué)概念的理解。學(xué)生只有經(jīng)歷這樣大單元、長時間和系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)，才能以一種綜合的、聯(lián)系的思維來解決一些技術(shù)、工程與社會的問題，提高他們的科學(xué)實踐能力和創(chuàng)新能力。