李穎 張國(guó)富

摘要《改進(jìn)小水鐘》一課讓學(xué)生制作一個(gè)簡(jiǎn)單的一級(jí)泄水型和受水型水鐘，引導(dǎo)他們對(duì)自己制作的水鐘進(jìn)行使用、測(cè)試，最終聚焦水流速度不穩(wěn)定的問(wèn)題。學(xué)生在不斷挑戰(zhàn)的過(guò)程中，探究能力得以提升，科學(xué)精神得以養(yǎng)成，動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)得以積累，這些都為他們未來(lái)關(guān)于技術(shù)與工程領(lǐng)域的進(jìn)一步學(xué)習(xí)形成正遷移。

關(guān)鍵詞 《改進(jìn)小水鐘》 教學(xué)實(shí)錄 教學(xué)目標(biāo)

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.18.031

Teaching Record and Comments on“Improving the Little Water Clock”

LI Ying[1]， ZHANG Guofu[2]

（[1] Peking University Elementary School， Beijing 100080；[2] Beijing Chaoyang District Chaolai Campus of Huajiadi Experimental Primary School， Beijing 100012）

Abstract： In the lesson of "improving the little water clock"， students are asked to make a simple firstclass water clock， which can discharge water and receive water. They are guided to use and test their own wa？ ter clock， and finally focus on the problem of unstable water flow speed. In the process of continuous challeng？ es， students’ inquiry ability can be improved， scientific spirit can be cultivated， and hands-on experience can be accumulated， which form a positive transfer for their further study in the field of technology and engineering in the future.

Keywords： "improving the little water clock"； teaching records； teaching goals

教學(xué)分析

《改進(jìn)小水鐘》一課是大象版小學(xué)《科學(xué)》四年級(jí)下冊(cè)第四單元“精確時(shí)間的步伐”中的第4課。本單元是一個(gè)以技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)為主的綜合探究單元，由《原子鐘尋親記》《日晷》《水鐘》《改進(jìn)小水鐘》和《擺鐘的秘密》5課組成，以計(jì)時(shí)工具的發(fā)展歷史為引領(lǐng)，以相應(yīng)的技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)為骨架，通過(guò)引領(lǐng)學(xué)生制作并使用日晷、水鐘、擺鐘等計(jì)時(shí)工具，使他們?cè)趯?shí)踐過(guò)程中，了解人類計(jì)時(shí)工具的發(fā)展史，認(rèn)識(shí)技術(shù)對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的作用，發(fā)展實(shí)踐能力、思維能力和運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力，體驗(yàn)到“做”的成功與樂(lè)趣，從而達(dá)成本單元科學(xué)知識(shí)、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和STSE等方面的教學(xué)目標(biāo)。

本單元中有關(guān)小水鐘的設(shè)計(jì)與制作內(nèi)容安排在第3課《水鐘》和第4課《改進(jìn)小水鐘》中?！端姟芬徽n讓學(xué)生制作一個(gè)簡(jiǎn)單的一級(jí)泄水型和受水型水鐘，引導(dǎo)他們對(duì)自己制作的水鐘進(jìn)行使用、測(cè)試，發(fā)現(xiàn)流出相同量（每個(gè)相等的格）的水所用時(shí)間是不同的，或者相同的時(shí)間流出的水量不同，最終聚焦水流速度不穩(wěn)定的問(wèn)題。在對(duì)水鐘進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出水位（水壓）對(duì)水流速度產(chǎn)生影響的假設(shè)，進(jìn)而產(chǎn)生保持水位不變，使水流速度穩(wěn)定的設(shè)計(jì)需求，自然過(guò)渡到第4課《改進(jìn)小水鐘》的學(xué)習(xí)——設(shè)計(jì)制作一個(gè)能夠保持水流速度相對(duì)穩(wěn)定的水鐘。在此目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生收集關(guān)于三級(jí)漏刻的相關(guān)信息，建立認(rèn)知模型，自行設(shè)計(jì)與制作簡(jiǎn)單的三級(jí)漏刻模型。對(duì)于學(xué)生來(lái)講，本課有兩個(gè)難點(diǎn)：

一是找到保持水位不變的有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的方法。從原理上分析，保持水位不變就可以保持水流速度相對(duì)穩(wěn)定，但如何保持水位不變呢？學(xué)生自然會(huì)想到以一定節(jié)奏持續(xù)不斷地往水瓶中加水的方法，但很快就發(fā)現(xiàn)這種方法不具備實(shí)用性，在操作時(shí)很難控制。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生很難自行解決保持水位不變的問(wèn)題，需要教師適時(shí)引導(dǎo)。在教師介紹三級(jí)漏刻后，學(xué)生對(duì)古人的智慧產(chǎn)生了敬佩之情，也打開(kāi)了解決問(wèn)題的思路。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠熱情高漲地投入對(duì)小水鐘的改進(jìn)思考與實(shí)踐之中。

二是解決漏壺出水孔大小的比例協(xié)調(diào)問(wèn)題。學(xué)生要對(duì)三級(jí)漏刻的天壺和平水壺的作用進(jìn)行觀察和分析，在多次調(diào)試的基礎(chǔ)上，找到解決問(wèn)題的思路和方法。

基于以上分析，我們確定了以下教學(xué)目標(biāo)：

知道隨著漏壺內(nèi)水位的降低，漏壺滴水會(huì)越來(lái)越慢，這是造成小水鐘水流速度不穩(wěn)定的主要原因。古人為解決這一困難發(fā)明了三級(jí)漏刻。

知道用多級(jí)分水的方法可以改進(jìn)自制的小水鐘。

能依據(jù)對(duì)三級(jí)漏刻資料的理解，改進(jìn)自制小水鐘，發(fā)展實(shí)踐能力，在對(duì)改進(jìn)后的小水鐘進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)的過(guò)程中，繼續(xù)培養(yǎng)反思評(píng)價(jià)能力。

體會(huì)動(dòng)手做的樂(lè)趣，體會(huì)人類的需求對(duì)技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用，感受經(jīng)過(guò)努力解決問(wèn)題的喜悅。

教學(xué)過(guò)程

1.聚焦問(wèn)題

師：上節(jié)課，我們成功地自制了一個(gè)小水鐘，但在測(cè)試時(shí)有一個(gè)發(fā)現(xiàn)，是什么？

生：水流越來(lái)越慢。

師：為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？是什么原因造成的？我們?cè)賮?lái)看看滴漏的過(guò)程，請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察水流和水位的變化。

（教師操作小水鐘，學(xué)生觀察滴漏過(guò)程。）

師：你們有什么發(fā)現(xiàn)？

生：瓶子里的水越少，水流得越慢。

師：我們可以看到，隨著水的不斷漏出，瓶中水位不斷發(fā)生變化。開(kāi)始水位高時(shí)，水流速度快，同樣多的水流出用時(shí)短；隨著水位降低，水流速度變慢，同樣多的水流出來(lái)用時(shí)越來(lái)越長(zhǎng)，甚至漸漸從水流變成水滴了，明白了嗎？

生：原來(lái)水位的變化是水流變慢的原因。

師：其實(shí)，我國(guó)古人在很早的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象。（出示滿城漏壺圖片。）同學(xué)們現(xiàn)在看到的是在河北滿城發(fā)現(xiàn)的西漢時(shí)期的漏壺，之所以稱作“滿城漏壺”，是因?yàn)樗且环N泄水型水鐘。西漢時(shí)，這種水鐘就已經(jīng)很常見(jiàn)了。就像我們發(fā)現(xiàn)的那樣，因?yàn)樗坏淖兓?，使得水流速度不穩(wěn)定，導(dǎo)致浮箭下降速度不均勻，所以計(jì)時(shí)的精確度并不高。

2.初步改進(jìn)小水鐘

師：如果想要更準(zhǔn)確地測(cè)量時(shí)間，最需要解決的問(wèn)題是什么？

生：怎么保持水位不變。

師：是的，水位變化導(dǎo)致水流速度發(fā)生變化，所以無(wú)法精確計(jì)時(shí)。我們需要控制泄水壺里的水位不變，這樣才能保持水流速度穩(wěn)定。我們可以怎樣做？

生：可以邊滴水，邊往瓶子里添水，保持瓶子里的水位不往下降。

生：也不能往上升。

師：這種方法可以嗎？

生：可以。

師：那我們就試一試。想一想，具體怎樣操作呢？

（學(xué)生小組討論。）

師：想好怎么做了嗎？

生：先在上面的瓶子上畫(huà)一條線，記下水位。然后一個(gè)人往上邊的瓶子里添水，保證水位一直在畫(huà)線的地方。一個(gè)人計(jì)時(shí)，一個(gè)人在下面的瓶子上畫(huà)線，每10秒畫(huà)一次。

師：你們?cè)趺粗浪魉俣确€(wěn)定了呢？

生：看看下面瓶子上畫(huà)的線之間的間隔是不是一樣的。

師：還有別的改進(jìn)方案嗎？

生：我們是先往下面瓶子里加水，每加50毫升水在瓶子上畫(huà)一條線，總共加6次，畫(huà)6條線。然后把300毫升水全部倒入上面的瓶子里，一人負(fù)責(zé)隨時(shí)往上面的瓶子里加水來(lái)保持水位不變，一人負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)。下面瓶子里的水每增加50毫升記錄一次時(shí)間，看看這樣每流出50毫升的水所用的時(shí)間是不是一樣的。

師：這種方法可以嗎？

生：也可以。

師：我觀察到，大家改進(jìn)的都是受水型的水鐘，能不能改進(jìn)泄水型水鐘？

生：泄水型水鐘是靠著水位下降來(lái)計(jì)時(shí)的，沒(méi)法保證水位不變呀。

師：我們不容易改進(jìn)泄水型的水鐘，試一試改進(jìn)受水型水鐘，做好記錄，小組要合作好。

（小組分工合作，初步改進(jìn)受水型水鐘。）

3.進(jìn)一步改進(jìn)小水鐘

師：怎么樣，這次的測(cè)試結(jié)果如何？

生：這次好多了。我們每次測(cè)的大多是18秒。

生：我們每10秒流出的水也是一樣多。

師：為大家的成功鼓掌。我們?cè)傧胍幌?，如果在?shí)際應(yīng)用中，人們這樣做會(huì)遇到什么困難嗎？

生：非常麻煩！得有一個(gè)人專門負(fù)責(zé)不停地加水，會(huì)很累，而且一不留神就失敗了。

生：一個(gè)人恐怕還不夠，他也得吃飯睡覺(jué)呀。

師：這還真是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的困難，怎么辦呢？

生：如果設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)加水裝置就好了。

師：這個(gè)裝置具體怎么做呢？

生：想不出來(lái)。

師：我們又得向誰(shuí)請(qǐng)教了？

生：向古人請(qǐng)教。

師：看來(lái)我們一時(shí)還找不到解決這個(gè)難題的好方法。聰明的古人也遇到這個(gè)困難，他們經(jīng)過(guò)不懈的努力，發(fā)明了一種改進(jìn)版的漏刻，叫作三級(jí)漏刻。我們先來(lái)閱讀一下關(guān)于這種計(jì)時(shí)工具的資料。

（小組閱讀資料，收集三級(jí)漏刻的信息。）

師：三級(jí)漏刻一共有幾個(gè)壺？分別有什么作用？

生：三級(jí)漏刻一共有3個(gè)壺，最上面的是天壺，中間的是平水壺，下面的是受水壺。

生：不對(duì)，應(yīng)該是4個(gè)壺，還有一個(gè)分水壺。

師：各種壺分別有什么作用呢？

生：天壺是往平水壺里加水的，平水壺是往受水壺里加水的。

生：受水壺就是我們做的水鐘下面的瓶子，平水壺就像上面的瓶子，天壺就像剛才我們用來(lái)往上面瓶子里加水的瓶子。

師：分水壺的作用是什么呢？

生：平水壺里的水要是加多了就會(huì)流到分水壺里。

師：這樣做是為了保證什么？

生：保證平水壺里的水位不變。

師：這個(gè)設(shè)計(jì)怎么樣？

生：古人真是太聰明了！他們給平水壺開(kāi)了個(gè)孔，往平水壺里多加的水就會(huì)流到分水壺里，這樣就可以保持平水壺里的水位不變了。

師：我們一起給聰明的古人一點(diǎn)掌聲吧！大家有沒(méi)有信心，模仿古人也做一個(gè)多級(jí)漏刻，讓它準(zhǔn)確計(jì)時(shí)呢？

生：有！

師：制作和測(cè)試的時(shí)候我們還會(huì)遇到新的困難，老師希望你們能像古人那樣，多觀察、多動(dòng)腦、不氣餒。老師先預(yù)祝你們成功！

（學(xué)生小組分工合作，進(jìn)一步改進(jìn)小水鐘。）

師：你們遇到了什么新問(wèn)題？

生：我們剛才發(fā)現(xiàn)平水壺里的水還是往下降。

師：這是怎么回事？你們解決了嗎？

生：我們發(fā)現(xiàn)平水壺下邊的眼兒太大了，天壺補(bǔ)水供不上。我們把天壺的眼兒也弄大，就行了。

師：真棒！自己動(dòng)腦筋解決了新問(wèn)題，祝賀你們！

生：我們發(fā)現(xiàn)平水壺里的水還是漸漸往上升，我們把分水的那個(gè)孔捅大了就行了。

師：你們做得也很好。只是分水壺里的水會(huì)很快滿了呀，還得想一想有沒(méi)有別的辦法。

生：我們可以換個(gè)更大的分水壺。

4.反思評(píng)價(jià)

師：由于時(shí)間關(guān)系，我們對(duì)小水鐘的改進(jìn)只能到這里了。最后老師想請(qǐng)大家說(shuō)一說(shuō)，這次改進(jìn)小水鐘的活動(dòng)，你們有什么收獲？

生：我們知道了保持水位不變，就可以讓小水鐘的水流速度不變。

生：我們了解了古人發(fā)明的三級(jí)漏刻。

師：在經(jīng)驗(yàn)上有什么收獲嗎？

生：遇到困難可以查一查資料，看看以前的人是怎么解決的。

生：要想成功，小組幾個(gè)人要合作好。

生：遇到困難要多動(dòng)腦筋，仔細(xì)觀察，認(rèn)真分析。

師：說(shuō)得真好！漏刻也叫刻漏、漏壺、滴漏。我國(guó)古人在不斷研究中，逐步改進(jìn)漏刻，制作出多級(jí)式滴漏，在長(zhǎng)達(dá)1500多年的時(shí)間里，我國(guó)的多級(jí)式滴漏都是世界上最精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)工具。最后，老師請(qǐng)大家看一張圖片，這是我國(guó)現(xiàn)存最早、最大、最完整的銅壺滴漏，為元代鑄造。整件滴漏由4個(gè)銅壺組成，分別是日壺、月壺、星壺、受水壺。壺上均有壺蓋，壺蓋上有孔，水可以滴入。受水壺的壺蓋上鑄有帶刻度的銅尺，前端有方孔，便于木箭上下浮動(dòng)。這樣龐大的水鐘，它是怎樣工作的呢？我們一起來(lái)看一段視頻。

（學(xué)生觀看銅壺滴漏視頻。）

師：我們所看到的銅壺滴漏，計(jì)時(shí)一晝夜的誤差不超過(guò)40秒，直到1656年，歐洲人發(fā)明了擺鐘才被超越。如果你想感受它的魅力，在我國(guó)國(guó)家博物館、故宮博物院、北京鼓樓都可以看到不同的多級(jí)滴漏。其中鼓樓的銅壺滴漏還可以自動(dòng)報(bào)時(shí)呢，感興趣的同學(xué)可以去看看。水鐘完美地避免了日晷必須利用陽(yáng)光的限制，晝夜都可以使用，一直是我國(guó)古代的主要計(jì)時(shí)儀器。從單級(jí)漏刻到多級(jí)漏刻，水鐘計(jì)時(shí)越來(lái)越精確，下節(jié)課我們將繼續(xù)了解計(jì)時(shí)工具的發(fā)展。

點(diǎn)評(píng)

本單元的教學(xué)目標(biāo)是要達(dá)成課程標(biāo)準(zhǔn)中的主要概念18中的一些學(xué)習(xí)目標(biāo)，包括“舉例說(shuō)出，一項(xiàng)工程運(yùn)用到的科學(xué)技術(shù)和原理，如汽車剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的科學(xué)與技術(shù)”“知道工程設(shè)計(jì)的基本步驟包括明確問(wèn)題、確定方案、設(shè)計(jì)制作、改進(jìn)完善等”“針對(duì)一個(gè)具體的任務(wù)，按照設(shè)計(jì)的基本步驟來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品或完成指定的任務(wù)”“對(duì)自己或他人設(shè)計(jì)的想法、草圖、模型等提出改進(jìn)建議，并說(shuō)明理由”“在制作過(guò)程中及完成后進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試和調(diào)整”。

本課的主要活動(dòng)是改進(jìn)小水鐘，如何改進(jìn)無(wú)疑是這個(gè)任務(wù)的核心。改進(jìn)的過(guò)程說(shuō)明技術(shù)工具的發(fā)明和發(fā)展不是一蹴而就的，而是不斷完善與進(jìn)化的，是基于人類對(duì)技術(shù)工具的功能、便捷、精度等不斷提高的需求的。當(dāng)我們將研究的重點(diǎn)聚焦于想辦法保持水位不變的難題時(shí)，學(xué)生首先想到的是人工加水的方法，教師沒(méi)有武斷地指出不足，予以否定，而是組織他們先按照自己的想法進(jìn)行嘗試，在具體操作過(guò)程中體會(huì)這種方法的不便，從而產(chǎn)生使計(jì)時(shí)工具更加便捷、可靠的新需求。

自動(dòng)補(bǔ)水保持水位不變的方法學(xué)生一時(shí)難以想到，他們了解了多級(jí)漏刻的原型后，設(shè)計(jì)就簡(jiǎn)單了許多，學(xué)生對(duì)挑戰(zhàn)充滿了期待。實(shí)際上，他們?cè)诰唧w的改進(jìn)過(guò)程中還將遇到新的困難，比如由于各壺出水孔的大小不同，形成不同的組合，會(huì)造成無(wú)法保持水位不變的情況。對(duì)于這些新問(wèn)題，教師鼓勵(lì)學(xué)生自己想辦法解決，而不是直接告訴他們應(yīng)該怎么做。這樣，解決難題后的興奮與滿足感能使學(xué)生產(chǎn)生繼續(xù)探究的動(dòng)力。

學(xué)生明確了“保持水位不變”的任務(wù)之后，經(jīng)歷了初步設(shè)計(jì)與嘗試、收集原型信息、再次設(shè)計(jì)與嘗試、發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題、繼續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)與嘗試等過(guò)程，最終完成任務(wù)，這是一個(gè)不斷發(fā)展、不斷進(jìn)階的有序過(guò)程。學(xué)生在不斷挑戰(zhàn)的過(guò)程中，探究能力得以提升，科學(xué)精神得以養(yǎng)成，動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)得以積累，這些都為他們未來(lái)關(guān)于技術(shù)與工程領(lǐng)域的進(jìn)一步學(xué)習(xí)形成正遷移。

如果有機(jī)會(huì)，教師還可以組織學(xué)生以生活中輸液時(shí)的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種能夠通過(guò)控制水的流速，以一定量的水測(cè)量更長(zhǎng)時(shí)間的滴漏，繼續(xù)增強(qiáng)水鐘的實(shí)用價(jià)值，使學(xué)生體會(huì)到工具的設(shè)計(jì)、改進(jìn)是不斷發(fā)展的。