《认识简易计时器》教学案例与评析

张芳 张军霞

摘要《认识简易计时器》一课是在学生学习了光和影子、观测阳光下影子的变化及水漏和沙漏的基础上，研究日晷这种古老的计时工具的结构和计时方法，引导学生创造性地设计和制作日晷，解决设计制作中的问题，培养他们的探究意识和创新能力。本课从分析认识日晷的结构出发，引导学生总结日晷的使用方法与结构之间的关系，了解日晷计时的时候如何摆放，以及日晷的晷面与地平面的角度是如何设置的，并对计时工具产生持续的探究兴趣和好奇心。

关键词 模拟实验 探究意识 发展思维

中图分类号：G424文献标识码：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

《認识简易计时器》一课是在学生学习了光和影子、观测阳光下影子的变化及水漏和沙漏的基础上，研究日晷这种古老的计时工具的结构和计时方法，引导学生创造性地设计和制作日晷，解决设计制作中的问题，培养他们的探究意识和创新能力。本课从分析认识日晷的结构出发，引导学生总结日晷的使用方法与结构之间的关系，了解日晷计时的时候如何摆放，以及日晷的晷面与地平面的角度是如何设置的，并对计时工具产生持续的探究兴趣和好奇心。

学习本课之前，教师对学生的认知能力做了调查，了解了他们的认知基础：知道影子形成的条件，以及光与影之间的相对位置关系；知道日晷是古人利用影子制作的测量仪器，对古代和现代计时器有一定的了解；对沙漏、水漏结构特点和具体计时方法也有一定的思考。但学生对日晷的了解仅限于知道它是利用了阳光下物体影子的变化，不具备设计、制作日晷以及改进日晷的能力。基于对学生认知基础的调查，我们设计了如下教学过程。

教学过程

1.引入新课

从上一单元学习的阳光下物体的影子变化，引出古人利用阳光下影子的变化发明了计量时间的工具——日晷，提出问题：日晷由哪些部分组成？它是如何计时的？

2.开展科学探究

（1）探究日晷的组成部分

教师先提出问题：日是太阳的意思，晷是什么意思？引起学生的好奇心。然后播放小视频，让学生了解日晷是利用太阳影子计时的工具。学生通过观察图片，发现日晷是由晷针、晷盘、底座三部分组成。

（2）了解日晷是如何计时的

指导学生认识一天中晷针影子在晷盘上的变化。教师提出问题：日晷是怎样计时的？引导学生观察日晷，学生总结得出：晷盘上有12时辰，每个时辰对应的是两小时，太阳按东升西落的自然规律，将晷针的影子印在12时辰上，我们可以据此认识对应的时间。

学生通过小组实验，模拟日晷一天的计时过程，认识日晷的正确摆放方法。再让学生探究晷盘和地平面的夹角对计时是否有影响。学生通过固定太阳照射的位置，改变晷盘和地平面的夹角，经过多次实验，认识到晷盘和地平面的夹角的变化对计时是有影响的。然后，教师告诉学生只有在晷针和地平面的夹角为当地纬度时，即晷盘和地平面的夹角为90°，减去当地纬度时，日晷才能准确计时。最后指导学生使用日晷计量时间。

3.总结拓展

教师引导学生观看图片，了解各种各样的日晷。最后提出以后的学习任务：利用所学的知识设计和制作日晷。

教学策略

1.联系旧知，导入新课

在上个单元“阳光下的影子”的拓展与应用环节中，学生了解到日晷是古人利用影子制作的测量工具。本课从上个单元的知识出发，利用小视频引出本课内容，既联系了新旧知识，又调动了学生的学习积极性。

2.目标导向，活动有序

教学中，设计了四个活动来完成教学目标：

第一个活动，让学生通过观察日晷，了解日晷的组成部分，对晷盘上的指针产生好奇。

第二个活动，让学生用手电筒模拟太阳，探讨日晷的计时原理，并思考：日晷要怎样摆放才能计时？

第三个活动，让学生调整晷盘和地平面的角度，意识到这个角度变化对计时有影响。最后由教师告知学生怎样设置角度才能做到准确计时。

第四个活动，让学生欣赏各种各样的日晷，进一步拓展学生对日晷的认识，为后面设计制作日晷打下基础。

这四个层层递进的有序活动，让学生的思维逐步得到发展，让探究活动真实有效。

3.合理引导，降低难度

对于四年级学生来说，认识日晷的原理有一定难度，本课的知识难点是让学生清楚12时辰对应的时间和日晷一天中晷针影子的变化应该是从辰时到申时。摆放日晷正确计时是本课活动的难点。对于比较难的活动，我逐步引导，让学生自主探究，然后分小组上台交流，克服活动中的困难。

首先，教师引导学生发现晷盘和地平面的夹角是可以改变的，激发学生的探究兴趣，让他们思考：夹角的改变对准确计时是否有影响？紧接着让学生通过控制变量的方法进行研究：控制太阳照射的位置和晷盘的摆放方向不变，改变盘面和地面间的夹角度数。实验结束后，给学生充足的时间，让他们分小组上台表述自己小组的发现，最后教师利用一些图片告知学生晷针和地平面的夹角是当地的纬度时才能准确计时。对于这个活动的难点，我没有一开始就引导学生研究晷针和地平面的夹角，因为他们不太容易理解这个问题。我从学生容易看到的晷盘和地平面的夹角引导学生探究，然后过渡到这个夹角的度数，这样学生理解起来比较容易。

4.重视探究，发展思维

教学中，我非常关注学生思维能力和动手能力的发展。所有活动都是先让学生思考该怎么做，然后小组分工，合作完成。每一个活动不管是开始前的思考还是结束后的分享，都尽可能给予充足的时间，学生自主探究，充分分享自己和小组的观点，然后小组之间再补充。整节课能够尊重学生的主体性，让他们在思考中探究，带着收获进行分享。

教学评析

这节课属于技术与工程领域，本课的教学目标为：

1.认识日晷主要由晷盘和晷针组成，知道日晷是根据阳光下晷针在晷盘上的影子所对应的刻度来计时。

2.初步了解用日晷计时时，日晷的摆放位置和角度，以及日晷晷面与地平面的角度是如何设置的。

3.对计时工具表现出一定的兴趣和好奇心。

4.认识到使用计时工具可以使测量的结果更加精确。

其中第一和第二个教学目标是本课的教学重点，第二个教学目标是本课的教学难点。

为了实现教学目标，突破教学难点，教师设计了四个教学环节：

第一个环节，回顾上个单元了解的日晷，认识日晷主要由晷盘和晷针组成，认读晷盘上的时辰，特别是将白天的关键时辰，如辰、午、申等，与学生平时熟悉的小时对应起来，从而理解晷盘和晷针的作用。第一个环节能够达成第一个教学目标。

第二个环节，用日晷模型模拟计时，在操作过程中认识日晷的正确摆放方向。

第三个环节，通过改变晷面的倾斜角度，认识到晷针与地平面需要一个合适的夹角，再通过教师的介绍，了解到这个夹角与当地纬度有关。第二和第三个環节，巧妙而有效地达成了第二个教学目标，突破了教学难点。

第四个环节介绍了各种各样的日晷，包括赤道日晷、平面日晷、垂直日等。这里特别介绍了冬季我国传统的赤道日晷的晷针影子形成在晷盘的背面这一现象。第四个环节为本单元后续设计日晷提供了多样的原型，有利于打开学生的设计思路。

其中，第二、第三个环节既落实了教学重点，又突破了教学难点。第二个环节首先利用学生对太阳视运动和阳光下影子变化规律的已有认知，指导他们将日晷放在太阳视运动轨道的北边进行模拟实验。本环节的实验记录单能引导学生思考实验方法。学生将晷盘分别朝向南、北、西、东等方向摆放，用手电筒模拟太阳自东向西运动，他们会发现，只有当晷盘朝北时，晷盘上的时辰数据才能与实际时间对应。

需要特别指出的是，由于地轴与地球围绕太阳公转的轨道面有个夹角，太阳在天空中经过的视运动轨迹并不是本课使用的模型那样的垂直于地面的半圆面，而是略向南倾斜的半圆面。本课的垂直于地面的太阳轨道模型仅是近似模拟，但不影响实验结果。

第三个环节，让学生固定太阳入射的角度，改变晷盘的倾斜角度，发现晷盘的倾斜角度发生变化时，投在晷盘上的影子位置会发生变化。太阳入射位置不变，表示时间应该是固定的。如果晷盘倾斜角度改变而晷针的影子位置不变时，说明晷盘的倾斜角度不影响计时的准确性。实验结果显示，除正午外，晷盘倾斜角度的改变会影响计时的准确性，这引发了学生对合适的角度应该是多少的疑惑。此时正好可以告诉学生与纬度有关，这样教学，体现了教师的合理引导。

古人对于日晷的使用经历了漫长的摸索过程，晷盘朝向北面时，能够实现夏天影子落在晷盘的正面，冬天影子落在晷盘的反面，这样四季都能比较准确地计时。小学生对纬度的认识比较困难，教师做了一定的补充和说明，并不要求学生理解背后的科学道理，为他们后续设计和制作日晷奠定了知识基础。本课将自主探究和教师引导相结合，取得了较好的教学效果，完满地达成了教学目标。

根据以上分析，可以看出本课具有以下几个方面的示范性：一是巧妙设计模拟实验，利用近似的太阳视运动轨道模型和日晷模型，直观地再现日晷计时的情景。二是利用学生活动手册中的记录表，引导他们选择合适的数据记录，发现晷盘摆放的正确方向。三是通过一步一步地设问，引导学生观察、分析与交流，不断实现思维的推进和认识的深入。四是利用小组合作探究，引导学生相互演示交流，调动生生互动，体现学生的教学主体地位。五是呈现了多种日晷，为后续工程设计做了很好的知识铺垫。