姜向陽(yáng)

摘要核心概念的進(jìn)階式學(xué)習(xí)，有利于促進(jìn)學(xué)生高階思維與科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展?！坝?jì)量時(shí)間”單元教學(xué)內(nèi)容通過(guò)統(tǒng)整設(shè)計(jì)，使每課的知識(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)呈螺旋上升的進(jìn)階關(guān)系，并最終指向單元的核心概念。該單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容以技術(shù)與工程實(shí)踐為主，讓學(xué)生了解并經(jīng)歷史上幾個(gè)比較典型計(jì)時(shí)工具的設(shè)計(jì)制作，體驗(yàn)工程技術(shù)的實(shí)踐過(guò)程。因此，本單元的教學(xué)要突出技術(shù)與工程實(shí)踐，指向科學(xué)概念、發(fā)展科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞工程技術(shù);科學(xué)實(shí)踐;大概念;學(xué)習(xí)進(jìn)階

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.36.017

Interpretation of "Measuring Time" Unit and Teaching Suggestions

JIANG Xiangyang

（Binjiang Education Research Institute，Hangzhou High-tech Industrial Development Zone，Hangzhou，Zhejiang 310052）

Abstract：The advanced learning of core concepts is conducive to promoting the development of students，high-level thinking and scientific literacy. Through the integrated design of the teaching content of the unit measuring time，the knowledge learning objectives of each lesson show an advanced relationship of spiral rise，and finally point to the core concept of the unit. The learning content of this unit focuses on technology and engineering practice，so that students can understand and experience the practical process of engineering technology through the design and production of several typical timing tools in history. Therefore，the teaching of this unit should highlight technology and engineering practice，point to scientific concepts and develop scientific thinking.

Keywords：engineering technology;scientific practice;big concept;advanced learning

自人類具有“時(shí)間”概念以來(lái)，人們不斷地尋求著準(zhǔn)確計(jì)量時(shí)間的方法。古人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)和生活經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)等天體在天空有規(guī)律地進(jìn)行著周期性運(yùn)動(dòng)。根據(jù)太陽(yáng)東升西落的周期性，形成了歷法并以此描述時(shí)間，“日”成了最早的時(shí)間單位。為了更精確地了解一天內(nèi)的時(shí)間進(jìn)程，古人發(fā)明了日晷、沙漏、水鐘等計(jì)時(shí)工具。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到精確計(jì)量時(shí)間的必要性和重要性。回顧科學(xué)發(fā)展史，我們可以清楚地看到，計(jì)時(shí)工具的發(fā)展史是與人類文明發(fā)展史同步的。

學(xué)生在“計(jì)量時(shí)間”單元的學(xué)習(xí)中，要大致了解并重復(fù)人類計(jì)時(shí)工具發(fā)展的幾個(gè)比較典型的階段，從燃香鐘到水鐘，再到擺鐘。學(xué)生要學(xué)會(huì)觀察、研究這些不同計(jì)時(shí)工具的差異性，了解它們保障計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的科學(xué)原理，在此基礎(chǔ)上模擬、設(shè)計(jì)、制作水鐘和鐘擺等計(jì)時(shí)工具，體驗(yàn)工程技術(shù)的實(shí)踐過(guò)程。

1單元內(nèi)容編排

1.1新版教材的內(nèi)容編排

教科書(shū)“計(jì)量時(shí)間”單元各課名稱及內(nèi)容概述見(jiàn)表1。

1.2單元課題的編排邏輯

本單元內(nèi)容的編排讓學(xué)生大致經(jīng)歷和了解人類計(jì)時(shí)工具的發(fā)展簡(jiǎn)史。

首先提出問(wèn)題，明確本單元研究的主題——在時(shí)鐘發(fā)明之前，人們是怎樣計(jì)時(shí)進(jìn)而安排生活和勞作的（第1課）。然后通過(guò)對(duì)計(jì)時(shí)發(fā)展史上不同階段燃香鐘、水鐘、擺鐘等典型的計(jì)時(shí)工具的制作、觀測(cè)、研討等活動(dòng)，探究這些計(jì)時(shí)工具的特點(diǎn)及計(jì)時(shí)原理（第1～6課），認(rèn)識(shí)人類計(jì)時(shí)工具的發(fā)展進(jìn)程，體會(huì)重大發(fā)明和技術(shù)給人類社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的深遠(yuǎn)影響和變化。

在研究認(rèn)識(shí)古代水鐘、擺鐘等計(jì)時(shí)工具的基礎(chǔ)上，學(xué)生設(shè)計(jì)、制作自己的水鐘、擺鐘等計(jì)時(shí)工具（第3、6課）。他們根據(jù)教科書(shū)提出的任務(wù)，結(jié)合所學(xué)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，評(píng)估完成一個(gè)產(chǎn)品的可行性，預(yù)測(cè)使用效果，然后將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為可以實(shí)際用來(lái)計(jì)時(shí)的工具，并通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)想。最后，學(xué)生調(diào)查和比較人類計(jì)時(shí)工具的演變，關(guān)注計(jì)時(shí)和我們生活的關(guān)系（第7課）。

1.3每課主要活動(dòng)內(nèi)容

第1課《時(shí)間在流逝》是單元起始課，起到了鋪墊作用，是學(xué)生研究計(jì)量時(shí)間的開(kāi)始。作為單元起始課，一開(kāi)始就提出了單元研究主題：在時(shí)鐘發(fā)明之前，人們是怎樣安排生活和勞作的呢？之后通過(guò)對(duì)日晷等計(jì)時(shí)工具的介紹，簡(jiǎn)要了解一些古代計(jì)時(shí)方法，開(kāi)展“一炷香”時(shí)間的研究。這項(xiàng)研究為后續(xù)的研究提供了基本的研究方法：觀測(cè)事物發(fā)生一定變化所需的時(shí)間是否一致。

第2課《用水計(jì)量時(shí)間》，學(xué)生要在教師指導(dǎo)下，觀察流水的運(yùn)動(dòng)，探究影響其運(yùn)動(dòng)速度的因素。聚焦部分引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題——古人是怎么設(shè)計(jì)以水計(jì)時(shí)的工具的。探索部分分為三個(gè)環(huán)節(jié)：一是觀察瓶中流出的水流速度是否保持均勻;二是觀察并測(cè)量盛200毫升水的裝置中，流出50毫升水需要多少時(shí)間，并在此基礎(chǔ)上推測(cè)接水的量筒內(nèi)積聚到100毫升、150毫升水時(shí)分別需要多少時(shí)間;三是在推測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。在學(xué)生對(duì)水流流動(dòng)速度的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步完善后，再結(jié)合教科書(shū)提供的古代“受水型”水鐘的圖片，引導(dǎo)他們研討“古人如何保持水鐘里的水以固定速度往下滴”。

第3課《我們的水鐘》，學(xué)生要運(yùn)用掌握的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)水鐘，用圖畫(huà)的形式對(duì)自己設(shè)計(jì)的水鐘進(jìn)行描述，并動(dòng)手制作一個(gè)水鐘，在實(shí)踐中檢驗(yàn)水鐘是否能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，對(duì)水鐘的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。學(xué)生經(jīng)歷了“設(shè)計(jì)方案一動(dòng)手制作一測(cè)試并改進(jìn)”的工程活動(dòng)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程也是一個(gè)促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展的過(guò)程。

第4課《機(jī)械擺鐘》是探索精確計(jì)時(shí)工具的第一課。本課主要有兩個(gè)教學(xué)活動(dòng)：活動(dòng)一是觀察鐘擺運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)擺鐘的觀察，發(fā)現(xiàn)擺鐘是利用擺的連續(xù)擺動(dòng)帶動(dòng)指針來(lái)計(jì)時(shí)的。思考擺鐘為什么能更精確地計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這與鐘擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著密切的聯(lián)系。通過(guò)測(cè)量鐘擺一分鐘擺動(dòng)的次數(shù)，發(fā)現(xiàn)它每分鐘擺動(dòng)的次數(shù)是相同的，初步感知擺的等時(shí)性?；顒?dòng)二是自制一個(gè)單擺，觀察擺運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。學(xué)生根據(jù)教師提供的材料，動(dòng)手制作一個(gè)單擺，并觀察和記錄單擺一分鐘擺動(dòng)的次數(shù)，連續(xù)測(cè)多次。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)擺在擺動(dòng)過(guò)程中擺幅變小，但擺動(dòng)次數(shù)不變，這便是單擺的等時(shí)性。學(xué)生在研討中，通過(guò)對(duì)比各組數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)不同小組的擺擺動(dòng)次數(shù)是不同的，引出下節(jié)課要研究的問(wèn)題。

第5課《擺的快慢》中，學(xué)生將對(duì)他們發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題“擺擺動(dòng)的快慢與什么因素有關(guān)”進(jìn)行探究，在探究的過(guò)程中大膽猜測(cè)，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證自己的猜測(cè)，修正自己的想法。第一部分“聚焦”，通過(guò)復(fù)習(xí)上一課內(nèi)容，直接聚焦到“擺擺動(dòng)的快慢與什么有關(guān)”這一問(wèn)題。第二部分“探索”，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究影響擺擺動(dòng)快慢的因素。此環(huán)節(jié)要鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜測(cè)，并進(jìn)行“擺錘質(zhì)量和擺繩長(zhǎng)短對(duì)擺擺動(dòng)快慢的影響”的分組實(shí)驗(yàn)。第三部分“研討”，學(xué)生通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)識(shí)到擺擺動(dòng)的快慢與擺錘的質(zhì)量無(wú)關(guān)，與擺繩的長(zhǎng)短有關(guān)，擺繩長(zhǎng)擺動(dòng)慢，擺繩短擺動(dòng)快。

第6課《制作鐘擺》為學(xué)生的研究設(shè)置了新問(wèn)題：機(jī)械擺鐘里的鐘擺一分鐘擺動(dòng)60次，如果要制作一個(gè)一分鐘正好擺動(dòng)60次的擺，怎樣制作呢？在本課中，學(xué)生將用調(diào)節(jié)擺繩長(zhǎng)度的方法來(lái)調(diào)節(jié)擺的快慢。經(jīng)過(guò)本課的研究，學(xué)生能更好地理解鐘擺，學(xué)會(huì)控制鐘擺的快慢，制作一個(gè)一分鐘擺動(dòng)60次的擺，也就是機(jī)械擺鐘的鐘擺。

第7課《計(jì)量時(shí)間和我們的生活》中，學(xué)生將系統(tǒng)地整理、總結(jié)人類計(jì)時(shí)工具的演變，體會(huì)計(jì)時(shí)工具的精確度對(duì)人們的生活、出行等方面的影響，以及能幫助人類更好地探索未知的領(lǐng)域。通過(guò)設(shè)計(jì)作息時(shí)間表，讓學(xué)生體會(huì)合理安排時(shí)間、珍惜時(shí)間的重要意義。

2教學(xué)建議

2.1突出技術(shù)與工程實(shí)踐

本單元的第3課、第6課是側(cè)重技術(shù)與工程實(shí)踐的課。

第3課《我們的水鐘》的實(shí)踐任務(wù)是做一個(gè)計(jì)時(shí)10分鐘的水鐘。主體活動(dòng)有四項(xiàng)：根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)方案，用圖文的方式表達(dá);根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作水鐘;測(cè)試水鐘計(jì)時(shí)精確度;根據(jù)測(cè)試結(jié)果改進(jìn)水鐘。

在這些活動(dòng)中，學(xué)生經(jīng)歷了相對(duì)完整的工程實(shí)踐過(guò)程，了解了一般的工程實(shí)踐活動(dòng)經(jīng)歷的主要環(huán)節(jié)，即“明確任務(wù)—設(shè)計(jì)方案—制作—測(cè)試—評(píng)估與改進(jìn)”，以此來(lái)指導(dǎo)他們今后開(kāi)展工程實(shí)踐活動(dòng)。

工程實(shí)踐不同于手工制作，它除了有動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)，更重要的是“設(shè)計(jì)方案”環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)是最能體現(xiàn)工程師工作的活動(dòng)。工程設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性的預(yù)期、分析以及建模等特點(diǎn)，是一種解決問(wèn)題的方法和路徑。因此，在方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)。

本單元第6課《制作鐘擺》的實(shí)踐任務(wù)是制作一個(gè)一分鐘正好擺動(dòng)60次的擺，主體活動(dòng)有：設(shè)計(jì)并制作鐘擺，通過(guò)調(diào)試使之成為一分鐘擺動(dòng)60次的擺;根據(jù)任務(wù)制訂合理而高效的實(shí)施方案，在執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)情況靈活調(diào)整方案。

在制作過(guò)程中，需要解決的問(wèn)題是：一分鐘擺動(dòng)60次的擺，擺繩長(zhǎng)度應(yīng)該大致調(diào)整在哪個(gè)范圍？要解決這個(gè)問(wèn)題是盲目試誤，還是有序思考？教科書(shū)通過(guò)圖文出示了兩種研究計(jì)劃（減半法或增倍法;每次增減5厘米法），提示為了節(jié)省時(shí)間，可以每次測(cè)15秒鐘，引導(dǎo)學(xué)生從如何用較短的時(shí)間、較少的次數(shù)調(diào)試成功的角度進(jìn)行思考和討論。教材中呈現(xiàn)的兩種方法只是供學(xué)生解決問(wèn)題時(shí)參考，相當(dāng)于是有序思考解決問(wèn)題的舉例。

2.2指向科學(xué)概念

本單元教學(xué)內(nèi)容的明線是沿著計(jì)時(shí)工具發(fā)明的歷史順序，開(kāi)展技術(shù)與工程實(shí)踐的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，也隱含著讓學(xué)生獲得科學(xué)概念的學(xué)習(xí)活動(dòng)。教學(xué)中，教師要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐的基礎(chǔ)上研討，把他們的認(rèn)識(shí)引向科學(xué)概念。

學(xué)生通過(guò)對(duì)各種計(jì)時(shí)工具的探究和實(shí)踐，完成了水鐘、鐘擺的設(shè)計(jì)制作。這些制作活動(dòng)是在獲得相關(guān)科學(xué)認(rèn)識(shí)，利用掌握的科學(xué)原理基礎(chǔ)上完成的。所以，這些工程實(shí)踐活動(dòng)能夠幫助學(xué)生形成科學(xué)概念：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的知識(shí)可以用于開(kāi)發(fā)技術(shù)和產(chǎn)品，為人類服務(wù);技術(shù)發(fā)明通常蘊(yùn)含著一定的科學(xué)原理。

本單元介紹了古人曾使用過(guò)的多種計(jì)時(shí)工具，學(xué)生仿照古人用多種不同的方法來(lái)計(jì)量時(shí)間，經(jīng)歷了7個(gè)主要的探究體驗(yàn)活動(dòng)（見(jiàn)表2），通過(guò)這些活動(dòng)學(xué)生認(rèn)識(shí)：不僅可以通過(guò)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)周期的觀察和投射形成的影子來(lái)測(cè)量時(shí)間，一些有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置（燃香、沙漏、滴漏、單擺等）也曾被用來(lái)計(jì)量時(shí)間;時(shí)間雖是一種看不見(jiàn)、摸不著的事物，但時(shí)間運(yùn)動(dòng)的軌跡，可以根據(jù)其他物體的有規(guī)律運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)記錄。

本單元包含多個(gè)對(duì)“有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的事物和現(xiàn)象”的認(rèn)識(shí)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到：事物是運(yùn)動(dòng)變化的，事物的運(yùn)動(dòng)變化有一定規(guī)律。

2.3發(fā)展科學(xué)思維

在本單元的學(xué)習(xí)中，學(xué)生會(huì)重復(fù)人類計(jì)時(shí)工具發(fā)展的幾個(gè)比較典型的階段：從燃香鐘到水鐘，再到擺鐘。如同古人一樣，學(xué)生通過(guò)親歷探究實(shí)踐活動(dòng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些計(jì)時(shí)方法的局限和不足，產(chǎn)生想要改進(jìn)計(jì)時(shí)工具的內(nèi)在需求。

在研究同一種計(jì)時(shí)工具時(shí)，學(xué)生的認(rèn)知和思維是不斷向前推進(jìn)的。例如，研究水鐘，一開(kāi)始發(fā)現(xiàn)初始水位高度和孔徑不變，流出相同多的水，時(shí)間是相等的;繼而發(fā)現(xiàn)水位變化后，水流速度并不是相等的;最后認(rèn)識(shí)到只有保持水位不變時(shí)，水流速度才是相等的。再如，對(duì)于單擺的研究，學(xué)生開(kāi)始發(fā)現(xiàn)同一個(gè)單擺擺動(dòng)起來(lái)時(shí)具有等時(shí)性（相同時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)相同），但是不同的單擺的擺動(dòng)次數(shù)卻不同。學(xué)生進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，擺繩長(zhǎng)度會(huì)影響單擺擺動(dòng)的快慢，繼而又會(huì)發(fā)現(xiàn)擺的快慢也受擺錘長(zhǎng)度的影響……他們通過(guò)對(duì)影響鐘擺運(yùn)動(dòng)快慢因素的持續(xù)探究，對(duì)“擺”的認(rèn)識(shí)不斷修正、完善。這個(gè)過(guò)程是學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、不斷探究、不斷獲得新認(rèn)識(shí)的過(guò)程，是他們對(duì)擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究逐步深入、逐步獲得新發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，是從表象認(rèn)知逐步走向本質(zhì)認(rèn)識(shí)的思維過(guò)程。

3結(jié)語(yǔ)

本單元是學(xué)生理解“科學(xué)上的解釋、理論和模型都是在特定的時(shí)期內(nèi)與可獲得的實(shí)證最為吻合的”這一觀點(diǎn)很好的材料。學(xué)生經(jīng)歷了連續(xù)的“不斷修正、完善自己科學(xué)理論”的過(guò)程，能夠意識(shí)到自己對(duì)一個(gè)事物和現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)是逐步發(fā)展的，人類對(duì)世界的認(rèn)識(shí)也需逐步完善，且永無(wú)止境。進(jìn)而認(rèn)識(shí)到所謂的“科學(xué)理論”只是某個(gè)特定時(shí)期人們的共識(shí)，即“科學(xué)上給出的解釋、理論和模型都是在特定的時(shí)期內(nèi)與可獲得的實(shí)證最為吻合的”。我們現(xiàn)在認(rèn)為的科學(xué)結(jié)論，會(huì)隨著科學(xué)的深入研究和發(fā)展，不斷被更新甚至顛覆。這樣教學(xué)，有利于學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

本單元通過(guò)一系列模仿制作、創(chuàng)意制造諸如水鐘、擺鐘等計(jì)時(shí)工具，突出對(duì)學(xué)生技術(shù)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)。同時(shí)，本單元引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，理解計(jì)時(shí)工具蘊(yùn)含的科學(xué)原理，體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)與社會(huì)生活的關(guān)系：人類社會(huì)生活的需求推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步改善了人們的生活，促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展。

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