◇孫靜妮（江蘇：無錫市揚(yáng)名中心小學(xué)）

【學(xué)情分析】

本課是蘇教版科學(xué)四年級下冊第2 單元“地球、月球與太陽”第四課《太陽鐘》OBE 教學(xué)設(shè)計(jì)。本課側(cè)重于技術(shù)，了解古人根據(jù)日影變化的規(guī)律制作日晷等計(jì)時(shí)工具，以及它們對人們生活的影響。學(xué)生對于太陽的東升西落有大致的了解，但是對于太陽運(yùn)動造成自然界的相關(guān)變化并沒有太多認(rèn)識和主動關(guān)注。比如不知道太陽和影子之間的關(guān)系，不清楚太陽與時(shí)間之間的關(guān)系。因此，學(xué)生需要先了解影子變化的客觀規(guī)律，然后進(jìn)一步研究這種規(guī)律的變化成因，并學(xué)會利用這種光影變化的規(guī)律來指示時(shí)間。

【教學(xué)目標(biāo)】

知道陽光下物體影子長短與方向的變化規(guī)律；

知道日晷是古代人根據(jù)日影變化規(guī)律發(fā)明的計(jì)時(shí)工具；

會制作簡易日晷，并了解日晷的種類和工作原理。

【教學(xué)重點(diǎn)】

知道影子方向與長短變化的規(guī)律與太陽的位置有關(guān)。

【教學(xué)難點(diǎn)】

制作太陽鐘，并了解日晷的種類和工作原理。

【主要材料清單】

指南針、影子觀察記錄紙、小棒、橡皮、直尺、筆、手電筒、竹篾、硬卡紙、剪刀、雙面膠。

【教學(xué)過程】

一、第一課時(shí)：記錄影子（課外）

——把小棒插在橡皮上，固定在記錄紙的觀察點(diǎn)上。選擇陽光明媚的日子，在空曠處平鋪放置。

——利用指南針確定方位，使記錄紙上的南北基準(zhǔn)線與指南針指示的南北一致，并在記錄紙上標(biāo)出來。

——確保記錄紙不移動，每隔1 小時(shí)，在記錄紙上標(biāo)出小棒的影子，并在影子的頂端記下時(shí)間。

記錄影子，是一個(gè)需要在課外完成的觀察活動，重點(diǎn)是記錄影子的方向、長短變化。這樣持續(xù)一天有計(jì)劃的觀察活動，需要學(xué)生耐心細(xì)致的態(tài)度，還需要教師的指導(dǎo)督促和家長的支持鼓勵(lì)。

觀察時(shí)間8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00影長(厘米)影子方向

通過收集、分析這些科學(xué)數(shù)據(jù)，有意識關(guān)注影子的變化，并發(fā)現(xiàn)其中長短和方向的規(guī)律性，從而幫助學(xué)生在這種觀測活動中實(shí)現(xiàn)從一般認(rèn)識到規(guī)律性認(rèn)識的轉(zhuǎn)變。

二、第二課時(shí)：研究陽光下影子規(guī)律性變化的成因

討論：通過連續(xù)觀察影子，你發(fā)現(xiàn)一天中影子有什么變化？

討論特殊的影子：最長的影子出現(xiàn)在什么時(shí)刻？最短的影子出現(xiàn)在什么時(shí)刻？影子長短的變化是均勻的嗎？

討論影子和太陽位置的關(guān)系：早晨和上午的影子為什么都在西邊？而下午和傍晚的影子都在東邊？

收集完數(shù)據(jù)后，像這樣有價(jià)值的問題有助于學(xué)生聚焦影子變化的現(xiàn)象，思考這種變化背后的成因，發(fā)現(xiàn)所收集的數(shù)據(jù)中存在的規(guī)律，讓學(xué)生從相關(guān)性的角度去解讀周圍世界，從而掌握一種獨(dú)特的學(xué)科思維方式。

思考：是什么引起了影子的長短和方位的變化？說說自己的推測及理由。

試著畫一畫，太陽的變化是怎樣引起物體影子的變化的。

直白的交流能反映學(xué)生推測過程中較為細(xì)微的想法，形象直觀的畫圖有助于將學(xué)生隱性的思維顯性化。通過這樣的方式展現(xiàn)學(xué)生的邏輯思維過程，充分暴露學(xué)生的前概念，為教師正確把握學(xué)生學(xué)習(xí)起點(diǎn)和設(shè)計(jì)開展教學(xué)活動提供了有力依據(jù)。

思考：怎樣用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的想法，需要什么材料？

（出示裝置）用手電筒照射一根豎立的小棒，會形成影子。如果移動手電筒，你覺得影子會發(fā)生什么變化？

模擬探究——

手電筒怎么變化，會改變影子的長短？

學(xué)生嘗試直射、斜射、平射物體，觀察和記錄影子的長短變化。

思考：影子長短的變化與光源的什么變化有關(guān)？有什么樣的關(guān)系？（高度角）

手電筒怎么變化，會改變影子的方向？

學(xué)生嘗試手電筒照射高度不變，分別在物體的左側(cè)和右側(cè)照射，觀察并記錄影子的方向變化。

思考：影子長短的變化與光源的什么變化有關(guān)？有什么樣的關(guān)系？（方位角）

模擬結(jié)論：光源的高度角會影響影子的長短，光源的方位角會影響影子的方向。

一天中，影子有長短和方向兩方面的變化，這與太陽“高度角”和“方位角”的變化有關(guān)。太陽“高度角”，學(xué)生在《太陽》一課中已經(jīng)學(xué)過，通過直射、斜射、平射三個(gè)不同角度的模擬，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)影子的長度與太陽高度角之間的關(guān)系：日出、日落時(shí)，太陽高度角越小，影子越長；中午時(shí)，太陽高度角越大，影子越短。而陽光下物體影子的方向隨著太陽“方位角”的改變而改變，影子的方向總是和太陽的方向相反。

用手電筒模擬太陽，演示一天中物體影子的長短與方向是怎樣隨太陽的位置變化而改變的。

想想：太陽在天空中運(yùn)動軌跡是什么樣的？

模擬步驟：如圖所示，安裝好模擬裝置，讓手電筒從弧形條的一端沿著桿慢慢移動，照向小棍。

在整點(diǎn)時(shí)刻位置稍做停留，觀察并記錄影子的方向和長度。

交流：太陽位置的變化對物體影子有何影響？

一天中太陽高度角的變化是低→高→低，使影子出現(xiàn)規(guī)律的長短變化：長→短→長。

一天中太陽方位角的變化是東→南→西，使影子出現(xiàn)規(guī)律的方向變化：西→北→東(北半球)。

小結(jié)：影子移動的方向，與太陽運(yùn)動方向相反，呈順時(shí)針在地面上移動。

從真實(shí)情景下的實(shí)際觀測到模擬實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證求解，認(rèn)識物體影子的長短和方向會隨著太陽位置的變化而變化，并且發(fā)現(xiàn)這種變化的規(guī)律性，從而為下一階段學(xué)生理解太陽鐘的原理打下基礎(chǔ)。

今天我們發(fā)現(xiàn)了陽光下影子的變化規(guī)律，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對我們的日常生活有什么幫助？你能根據(jù)陽光下影子的長短和方向推測時(shí)間嗎？

課后活動：收集資料，了解生活中有哪些利用光影計(jì)時(shí)的工具。

【設(shè)計(jì)意圖】

作為地球自轉(zhuǎn)的反映，太陽日復(fù)一日地東升西落，由此產(chǎn)生了地球上物體影子的移動。早期人類通過觀察這個(gè)自然現(xiàn)象產(chǎn)生了時(shí)間觀念，并在生產(chǎn)生活中逐漸學(xué)會了計(jì)算時(shí)間。

三、第三課時(shí)：做一個(gè)太陽鐘

提問：沒有鐘表，古人怎樣計(jì)量時(shí)間？怎樣用光影來計(jì)時(shí)？

學(xué)生根據(jù)課前調(diào)查的資料，介紹利用光影計(jì)時(shí)的工具。

小結(jié)：聰明的人類在日常生活勞作中，發(fā)現(xiàn)了一天中太陽影子的變化規(guī)律，從而利用這個(gè)規(guī)律發(fā)明了計(jì)時(shí)工具。這一類計(jì)時(shí)工具在西方稱為“太陽鐘”，在中國被稱為“日晷”?！叭铡敝浮疤枴?，“晷”表示“影子”，“日晷”的意思為“太陽的影子”。

測量物體日影在一天當(dāng)中的變化，是最早的計(jì)時(shí)方法。簡單地說，即通過觀察物體影子長短或者移動過程來計(jì)算時(shí)間，這就是光影計(jì)時(shí)原理。這一原理相對簡單，計(jì)量工具也不復(fù)雜，所以最先被人類掌握。

觀看《故宮100：光影時(shí)間》，說說日晷是怎么利用光影原理計(jì)時(shí)的。

（出示牛頓鐘、立式日晷、地平日晷）這些日晷有什么相同的地方？又有什么不同？

結(jié)構(gòu)共同點(diǎn)：由晷盤和晷針兩部分組成；盤面有刻度標(biāo)示時(shí)間。

構(gòu)造不同點(diǎn)：牛頓鐘屬于地平日晷，根據(jù)豎立在平坦地面的桿子在不同時(shí)刻的影子和線條的相對位置，直接讀取時(shí)刻，是最原始的地平日晷。后來的地平日晷的晷針始終指向北極星，也就是晷針與晷盤的夾角是當(dāng)?shù)氐木暥?。立式日晷的晷盤垂直于地平面，晷針的反向延長線指向北極星。赤道日晷的晷盤平行于赤道面，晷針指向北極星。

在幾千年前，日晷可以說是當(dāng)時(shí)很先進(jìn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具了。除此以外，在漫長歷史進(jìn)程的不同時(shí)期，我們的祖先發(fā)明和制造了各種計(jì)時(shí)器，比如圭表、漏刻、沙漏、水運(yùn)渾天儀、機(jī)械計(jì)時(shí)器等。這些計(jì)時(shí)工具都是適應(yīng)當(dāng)時(shí)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活需求的產(chǎn)物。學(xué)生在感受中國古代燦爛的科技文明的同時(shí)，真切地體會到科學(xué)、技術(shù)與工程的相互促進(jìn)，對生產(chǎn)力發(fā)展、經(jīng)濟(jì)繁榮和社會進(jìn)步的推動作用。

思考：移動著的晷針影子好比現(xiàn)代鐘表的指針，晷盤則好比鐘表的表面，用來顯示時(shí)刻。那日晷計(jì)時(shí)和現(xiàn)代的鐘表計(jì)時(shí)相比，在使用過程中有什么特點(diǎn)嗎？

優(yōu)點(diǎn)：不需要太復(fù)雜的工藝；沒有誤差，顯示所在地真正的時(shí)間；天然節(jié)能環(huán)保。

缺點(diǎn)：對天氣具有依賴性，必須依賴日照，不能用于陰天和黑夜；

日晷是固定的，笨重，難以移動，得不到普及。

提問：根據(jù)太陽和影子的關(guān)系制作一個(gè)日晷，你需要什么材料，準(zhǔn)備怎么做？

（根據(jù)日晷的組成，我們需要有能形成影子的物體，即晷針，還要有能投出影子的投影面，也就是晷面。另外，晷面上還要有刻度。）

下面讓我們來做兩種不同形式的日晷：地平式日晷和赤道式日晷。

赤道式日晷的制作：

將卡紙上的晷盤和緯度標(biāo)度剪下來；

再將兩晷盤正反面的時(shí)間標(biāo)度對齊粘起來；

將竹簽插進(jìn)圓盤的中心，使竹簽（晷針）與晷盤面垂直；

竹簽下端定位在當(dāng)?shù)鼐暥鹊目潭壬?無錫市市緯度北緯31 度)，另一端指向正北方向（用指南針定位）；

根據(jù)竹簽在晷面上的影子，讀出時(shí)間。

地平式日晷的制作：

沿卡紙的虛線將晷針剪下來；

再沿實(shí)線對折，用雙面膠粘住，根據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥?，剪出晷面與晷針的夾角（晷面和晷針之間的夾角就是當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?。無錫市緯度31度）；

將晷針粘在晷面中線上，測量時(shí)晷針要指向正北方向；

根據(jù)晷針在晷面上的影子，讀出時(shí)間。

日晷的使用方法（以赤道式日晷為例）：

首先要選擇一個(gè)有陽光照射并且地面較寬廣的地方，用指南針確定好正北方向。確定好方向后，把赤道式日晷上竹簽的一端對準(zhǔn)已經(jīng)確定好的正北方向，此時(shí)你就會看到陽光下晷盤上出現(xiàn)的竹簽影子，它所在的位置就表示此時(shí)的時(shí)間。

利用科學(xué)原理設(shè)計(jì)制作簡易的日晷，是本節(jié)課的難點(diǎn)。這里學(xué)生通過觀察了解日晷的構(gòu)造，了解日晷的種類和工作原理，并通過動手制作，實(shí)際體驗(yàn)日晷的作用和特點(diǎn)，理解科學(xué)和技術(shù)對人們生產(chǎn)和生活的影響。

四、總結(jié)延伸：更多的計(jì)時(shí)工具

思考：在日晷不能顯示時(shí)間的情況下，古人還有什么方法得知時(shí)間？

課后活動：收集資料，認(rèn)識更多的計(jì)時(shí)工具，了解它們的計(jì)時(shí)原理，制作一張計(jì)時(shí)工具的海報(bào)。

【專家點(diǎn)評】

本課屬于技術(shù)設(shè)計(jì)課，學(xué)生通過記錄影子的實(shí)作活動，收集基礎(chǔ)信息；通過綜合分析影子變化的記錄，發(fā)現(xiàn)內(nèi)在聯(lián)系與變化成因；通過桿影模型和計(jì)時(shí)產(chǎn)品的制作，體會古人創(chuàng)造計(jì)時(shí)工具的科學(xué)智慧，充分認(rèn)識和理解科學(xué)、技術(shù)、社會的關(guān)系。學(xué)生在本課的學(xué)習(xí)中，經(jīng)歷了“關(guān)注自然現(xiàn)象→發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律→形成科學(xué)方法→改善生活方式”這樣一個(gè)科學(xué)認(rèn)知過程。這與歷史上科學(xué)家曾經(jīng)經(jīng)歷的困難、建立的概念、認(rèn)識的深度是那般相似。其實(shí)，我們的科學(xué)教學(xué)，就是要讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思維和行動，從而將核心素養(yǎng)外化為現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐力量。杭師大張華教授提出，“知識本質(zhì)上是人類理解并創(chuàng)造世界的過程與結(jié)果”。學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)是教育的來源，而教育的目的就是追求經(jīng)驗(yàn)的不斷生長。

從這節(jié)課的學(xué)習(xí)過程可以看出，教學(xué)中，我們不僅要關(guān)注學(xué)科知識的生活意義，更要關(guān)注日常生活的學(xué)科價(jià)值。兩者結(jié)合，學(xué)生才能不斷發(fā)展生活創(chuàng)造力和學(xué)科理解力。