OBE教學設計像天文學家那樣做一個日晷

◇孫靜妮（江蘇：無錫市揚名中心小學）

【學情分析】

本課是蘇教版科學四年級下冊第2 單元“地球、月球與太陽”第四課《太陽鐘》OBE 教學設計。本課側重于技術，了解古人根據日影變化的規律制作日晷等計時工具，以及它們對人們生活的影響。學生對于太陽的東升西落有大致的了解，但是對于太陽運動造成自然界的相關變化并沒有太多認識和主動關注。比如不知道太陽和影子之間的關系，不清楚太陽與時間之間的關系。因此，學生需要先了解影子變化的客觀規律，然后進一步研究這種規律的變化成因，并學會利用這種光影變化的規律來指示時間。

【教學目標】

知道陽光下物體影子長短與方向的變化規律；

知道日晷是古代人根據日影變化規律發明的計時工具；

會制作簡易日晷，并了解日晷的種類和工作原理。

【教學重點】

知道影子方向與長短變化的規律與太陽的位置有關。

【教學難點】

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。

【教學過程】

一、第一課時：記錄影子（課外）

——把小棒插在橡皮上，固定在記錄紙的觀察點上。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線與指南針指示的南北一致，并在記錄紙上標出來。

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

記錄影子，是一個需要在課外完成的觀察活動，重點是記錄影子的方向、長短變化。這樣持續一天有計劃的觀察活動，需要學生耐心細致的態度，還需要教師的指導督促和家長的支持鼓勵。

觀察時間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、分析這些科學數據，有意識關注影子的變化，并發現其中長短和方向的規律性，從而幫助學生在這種觀測活動中實現從一般認識到規律性認識的轉變。

二、第二課時：研究陽光下影子規律性變化的成因

討論：通過連續觀察影子，你發現一天中影子有什么變化？

討論特殊的影子：最長的影子出現在什么時刻？最短的影子出現在什么時刻？影子長短的變化是均勻的嗎？

討論影子和太陽位置的關系：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？

收集完數據后，像這樣有價值的問題有助于學生聚焦影子變化的現象，思考這種變化背后的成因，發現所收集的數據中存在的規律，讓學生從相關性的角度去解讀周圍世界，從而掌握一種獨特的學科思維方式。

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生推測過程中較為細微的想法，形象直觀的畫圖有助于將學生隱性的思維顯性化。通過這樣的方式展現學生的邏輯思維過程，充分暴露學生的前概念，為教師正確把握學生學習起點和設計開展教學活動提供了有力依據。

思考：怎樣用實驗來驗證自己的想法，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？有什么樣的關系？（高度角）

手電筒怎么變化，會改變影子的方向？

學生嘗試手電筒照射高度不變，分別在物體的左側和右側照射，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？有什么樣的關系？（方位角）

模擬結論：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。太陽“高度角”，學生在《太陽》一課中已經學過，通過直射、斜射、平射三個不同角度的模擬，學生很容易發現影子的長度與太陽高度角之間的關系：日出、日落時，太陽高度角越小，影子越長；中午時，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。

在整點時刻位置稍做停留，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，使影子出現規律的長短變化：長→短→長。

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

小結：影子移動的方向，與太陽運動方向相反，呈順時針在地面上移動。

從真實情景下的實際觀測到模擬實驗的驗證求解，認識物體影子的長短和方向會隨著太陽位置的變化而變化，并且發現這種變化的規律性，從而為下一階段學生理解太陽鐘的原理打下基礎。

今天我們發現了陽光下影子的變化規律，這個發現對我們的日常生活有什么幫助？你能根據陽光下影子的長短和方向推測時間嗎？

課后活動：收集資料，了解生活中有哪些利用光影計時的工具。

【設計意圖】

作為地球自轉的反映，太陽日復一日地東升西落，由此產生了地球上物體影子的移動。早期人類通過觀察這個自然現象產生了時間觀念，并在生產生活中逐漸學會了計算時間。

三、第三課時：做一個太陽鐘

提問：沒有鐘表，古人怎樣計量時間？怎樣用光影來計時？

學生根據課前調查的資料，介紹利用光影計時的工具。

小結：聰明的人類在日常生活勞作中，發現了一天中太陽影子的變化規律，從而利用這個規律發明了計時工具。這一類計時工具在西方稱為“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中的變化，是最早的計時方法。簡單地說，即通過觀察物體影子長短或者移動過程來計算時間，這就是光影計時原理。這一原理相對簡單，計量工具也不復雜，所以最先被人類掌握。

觀看《故宮100：光影時間》，說說日晷是怎么利用光影原理計時的。

（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？

結構共同點：由晷盤和晷針兩部分組成；盤面有刻度標示時間。

構造不同點：牛頓鐘屬于地平日晷，根據豎立在平坦地面的桿子在不同時刻的影子和線條的相對位置，直接讀取時刻，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地的緯度。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，日晷可以說是當時很先進準確的計時工具了。除此以外，在漫長歷史進程的不同時期，我們的祖先發明和制造了各種計時器，比如圭表、漏刻、沙漏、水運渾天儀、機械計時器等。這些計時工具都是適應當時社會經濟發展和人們生活需求的產物。學生在感受中國古代燦爛的科技文明的同時，真切地體會到科學、技術與工程的相互促進，對生產力發展、經濟繁榮和社會進步的推動作用。

思考：移動著的晷針影子好比現代鐘表的指針，晷盤則好比鐘表的表面，用來顯示時刻。那日晷計時和現代的鐘表計時相比，在使用過程中有什么特點嗎？

優點：不需要太復雜的工藝；沒有誤差，顯示所在地真正的時間；天然節能環保。

缺點：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：根據太陽和影子的關系制作一個日晷，你需要什么材料，準備怎么做？

（根據日晷的組成，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度剪下來；

再將兩晷盤正反面的時間標度對齊粘起來；

將竹簽插進圓盤的中心，使竹簽（晷針）與晷盤面垂直；

竹簽下端定位在當地緯度的刻度上(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）；

根據竹簽在晷面上的影子，讀出時間。

地平式日晷的制作：

沿卡紙的虛線將晷針剪下來；

再沿實線對折，用雙面膠粘住，根據當地的緯度，剪出晷面與晷針的夾角（晷面和晷針之間的夾角就是當地的地理緯度。無錫市緯度31度）；

將晷針粘在晷面中線上，測量時晷針要指向正北方向；

根據晷針在晷面上的影子，讀出時間。

日晷的使用方法（以赤道式日晷為例）：

首先要選擇一個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已經確定好的正北方向，此時你就會看到陽光下晷盤上出現的竹簽影子，它所在的位置就表示此時的時間。

利用科學原理設計制作簡易的日晷，是本節課的難點。這里學生通過觀察了解日晷的構造，了解日晷的種類和工作原理，并通過動手制作，實際體驗日晷的作用和特點，理解科學和技術對人們生產和生活的影響。

四、總結延伸：更多的計時工具

思考：在日晷不能顯示時間的情況下，古人還有什么方法得知時間？

課后活動：收集資料，認識更多的計時工具，了解它們的計時原理，制作一張計時工具的海報。

【專家點評】

本課屬于技術設計課，學生通過記錄影子的實作活動，收集基礎信息；通過綜合分析影子變化的記錄，發現內在聯系與變化成因；通過桿影模型和計時產品的制作，體會古人創造計時工具的科學智慧，充分認識和理解科學、技術、社會的關系。學生在本課的學習中，經歷了“關注自然現象→發現科學規律→形成科學方法→改善生活方式”這樣一個科學認知過程。這與歷史上科學家曾經經歷的困難、建立的概念、認識的深度是那般相似。其實，我們的科學教學，就是要讓學生像科學家一樣思維和行動，從而將核心素養外化為現實的實踐力量。杭師大張華教授提出，“知識本質上是人類理解并創造世界的過程與結果”。學生的經驗是教育的來源，而教育的目的就是追求經驗的不斷生長。

從這節課的學習過程可以看出，教學中，我們不僅要關注學科知識的生活意義，更要關注日常生活的學科價值。兩者結合，學生才能不斷發展生活創造力和學科理解力。