OBE教学设计像天文学家那样做一个日晷

◇孙静妮（江苏：无锡市扬名中心小学）

【学情分析】

本课是苏教版科学四年级下册第2 单元“地球、月球与太阳”第四课《太阳钟》OBE 教学设计。本课侧重于技术，了解古人根据日影变化的规律制作日晷等计时工具，以及它们对人们生活的影响。学生对于太阳的东升西落有大致的了解，但是对于太阳运动造成自然界的相关变化并没有太多认识和主动关注。比如不知道太阳和影子之间的关系，不清楚太阳与时间之间的关系。因此，学生需要先了解影子变化的客观规律，然后进一步研究这种规律的变化成因，并学会利用这种光影变化的规律来指示时间。

【教学目标】

知道阳光下物体影子长短与方向的变化规律；

知道日晷是古代人根据日影变化规律发明的计时工具；

会制作简易日晷，并了解日晷的种类和工作原理。

【教学重点】

知道影子方向与长短变化的规律与太阳的位置有关。

【教学难点】

制作太阳钟，并了解日晷的种类和工作原理。

【主要材料清单】

指南针、影子观察记录纸、小棒、橡皮、直尺、笔、手电筒、竹篾、硬卡纸、剪刀、双面胶。

【教学过程】

一、第一课时：记录影子（课外）

——把小棒插在橡皮上，固定在记录纸的观察点上。选择阳光明媚的日子，在空旷处平铺放置。

——利用指南针确定方位，使记录纸上的南北基准线与指南针指示的南北一致，并在记录纸上标出来。

——确保记录纸不移动，每隔1 小时，在记录纸上标出小棒的影子，并在影子的顶端记下时间。

记录影子，是一个需要在课外完成的观察活动，重点是记录影子的方向、长短变化。这样持续一天有计划的观察活动，需要学生耐心细致的态度，还需要教师的指导督促和家长的支持鼓励。

观察时间8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00影长(厘米)影子方向

通过收集、分析这些科学数据，有意识关注影子的变化，并发现其中长短和方向的规律性，从而帮助学生在这种观测活动中实现从一般认识到规律性认识的转变。

二、第二课时：研究阳光下影子规律性变化的成因

讨论：通过连续观察影子，你发现一天中影子有什么变化？

讨论特殊的影子：最长的影子出现在什么时刻？最短的影子出现在什么时刻？影子长短的变化是均匀的吗？

讨论影子和太阳位置的关系：早晨和上午的影子为什么都在西边？而下午和傍晚的影子都在东边？

收集完数据后，像这样有价值的问题有助于学生聚焦影子变化的现象，思考这种变化背后的成因，发现所收集的数据中存在的规律，让学生从相关性的角度去解读周围世界，从而掌握一种独特的学科思维方式。

思考：是什么引起了影子的长短和方位的变化？说说自己的推测及理由。

试着画一画，太阳的变化是怎样引起物体影子的变化的。

直白的交流能反映学生推测过程中较为细微的想法，形象直观的画图有助于将学生隐性的思维显性化。通过这样的方式展现学生的逻辑思维过程，充分暴露学生的前概念，为教师正确把握学生学习起点和设计开展教学活动提供了有力依据。

思考：怎样用实验来验证自己的想法，需要什么材料？

（出示装置）用手电筒照射一根竖立的小棒，会形成影子。如果移动手电筒，你觉得影子会发生什么变化？

模拟探究——

手电筒怎么变化，会改变影子的长短？

学生尝试直射、斜射、平射物体，观察和记录影子的长短变化。

思考：影子长短的变化与光源的什么变化有关？有什么样的关系？（高度角）

手电筒怎么变化，会改变影子的方向？

学生尝试手电筒照射高度不变，分别在物体的左侧和右侧照射，观察并记录影子的方向变化。

思考：影子长短的变化与光源的什么变化有关？有什么样的关系？（方位角）

模拟结论：光源的高度角会影响影子的长短，光源的方位角会影响影子的方向。

一天中，影子有长短和方向两方面的变化，这与太阳“高度角”和“方位角”的变化有关。太阳“高度角”，学生在《太阳》一课中已经学过，通过直射、斜射、平射三个不同角度的模拟，学生很容易发现影子的长度与太阳高度角之间的关系：日出、日落时，太阳高度角越小，影子越长；中午时，太阳高度角越大，影子越短。而阳光下物体影子的方向随着太阳“方位角”的改变而改变，影子的方向总是和太阳的方向相反。

用手电筒模拟太阳，演示一天中物体影子的长短与方向是怎样随太阳的位置变化而改变的。

想想：太阳在天空中运动轨迹是什么样的？

模拟步骤：如图所示，安装好模拟装置，让手电筒从弧形条的一端沿着杆慢慢移动，照向小棍。

在整点时刻位置稍做停留，观察并记录影子的方向和长度。

交流：太阳位置的变化对物体影子有何影响？

一天中太阳高度角的变化是低→高→低，使影子出现规律的长短变化：长→短→长。

一天中太阳方位角的变化是东→南→西，使影子出现规律的方向变化：西→北→东(北半球)。

小结：影子移动的方向，与太阳运动方向相反，呈顺时针在地面上移动。

从真实情景下的实际观测到模拟实验的验证求解，认识物体影子的长短和方向会随着太阳位置的变化而变化，并且发现这种变化的规律性，从而为下一阶段学生理解太阳钟的原理打下基础。

今天我们发现了阳光下影子的变化规律，这个发现对我们的日常生活有什么帮助？你能根据阳光下影子的长短和方向推测时间吗？

课后活动：收集资料，了解生活中有哪些利用光影计时的工具。

【设计意图】

作为地球自转的反映，太阳日复一日地东升西落，由此产生了地球上物体影子的移动。早期人类通过观察这个自然现象产生了时间观念，并在生产生活中逐渐学会了计算时间。

三、第三课时：做一个太阳钟

提问：没有钟表，古人怎样计量时间？怎样用光影来计时？

学生根据课前调查的资料，介绍利用光影计时的工具。

小结：聪明的人类在日常生活劳作中，发现了一天中太阳影子的变化规律，从而利用这个规律发明了计时工具。这一类计时工具在西方称为“太阳钟”，在中国被称为“日晷”。“日”指“太阳”，“晷”表示“影子”，“日晷”的意思为“太阳的影子”。

测量物体日影在一天当中的变化，是最早的计时方法。简单地说，即通过观察物体影子长短或者移动过程来计算时间，这就是光影计时原理。这一原理相对简单，计量工具也不复杂，所以最先被人类掌握。

观看《故宫100：光影时间》，说说日晷是怎么利用光影原理计时的。

（出示牛顿钟、立式日晷、地平日晷）这些日晷有什么相同的地方？又有什么不同？

结构共同点：由晷盘和晷针两部分组成；盘面有刻度标示时间。

构造不同点：牛顿钟属于地平日晷，根据竖立在平坦地面的杆子在不同时刻的影子和线条的相对位置，直接读取时刻，是最原始的地平日晷。后来的地平日晷的晷针始终指向北极星，也就是晷针与晷盘的夹角是当地的纬度。立式日晷的晷盘垂直于地平面，晷针的反向延长线指向北极星。赤道日晷的晷盘平行于赤道面，晷针指向北极星。

在几千年前，日晷可以说是当时很先进准确的计时工具了。除此以外，在漫长历史进程的不同时期，我们的祖先发明和制造了各种计时器，比如圭表、漏刻、沙漏、水运浑天仪、机械计时器等。这些计时工具都是适应当时社会经济发展和人们生活需求的产物。学生在感受中国古代灿烂的科技文明的同时，真切地体会到科学、技术与工程的相互促进，对生产力发展、经济繁荣和社会进步的推动作用。

思考：移动着的晷针影子好比现代钟表的指针，晷盘则好比钟表的表面，用来显示时刻。那日晷计时和现代的钟表计时相比，在使用过程中有什么特点吗？

优点：不需要太复杂的工艺；没有误差，显示所在地真正的时间；天然节能环保。

缺点：对天气具有依赖性，必须依赖日照，不能用于阴天和黑夜；

日晷是固定的，笨重，难以移动，得不到普及。

提问：根据太阳和影子的关系制作一个日晷，你需要什么材料，准备怎么做？

（根据日晷的组成，我们需要有能形成影子的物体，即晷针，还要有能投出影子的投影面，也就是晷面。另外，晷面上还要有刻度。）

下面让我们来做两种不同形式的日晷：地平式日晷和赤道式日晷。

赤道式日晷的制作：

将卡纸上的晷盘和纬度标度剪下来；

再将两晷盘正反面的时间标度对齐粘起来；

将竹签插进圆盘的中心，使竹签（晷针）与晷盘面垂直；

竹签下端定位在当地纬度的刻度上(无锡市市纬度北纬31 度)，另一端指向正北方向（用指南针定位）；

根据竹签在晷面上的影子，读出时间。

地平式日晷的制作：

沿卡纸的虚线将晷针剪下来；

再沿实线对折，用双面胶粘住，根据当地的纬度，剪出晷面与晷针的夹角（晷面和晷针之间的夹角就是当地的地理纬度。无锡市纬度31度）；

将晷针粘在晷面中线上，测量时晷针要指向正北方向；

根据晷针在晷面上的影子，读出时间。

日晷的使用方法（以赤道式日晷为例）：

首先要选择一个有阳光照射并且地面较宽广的地方，用指南针确定好正北方向。确定好方向后，把赤道式日晷上竹签的一端对准已经确定好的正北方向，此时你就会看到阳光下晷盘上出现的竹签影子，它所在的位置就表示此时的时间。

利用科学原理设计制作简易的日晷，是本节课的难点。这里学生通过观察了解日晷的构造，了解日晷的种类和工作原理，并通过动手制作，实际体验日晷的作用和特点，理解科学和技术对人们生产和生活的影响。

四、总结延伸：更多的计时工具

思考：在日晷不能显示时间的情况下，古人还有什么方法得知时间？

课后活动：收集资料，认识更多的计时工具，了解它们的计时原理，制作一张计时工具的海报。

【专家点评】

本课属于技术设计课，学生通过记录影子的实作活动，收集基础信息；通过综合分析影子变化的记录，发现内在联系与变化成因；通过杆影模型和计时产品的制作，体会古人创造计时工具的科学智慧，充分认识和理解科学、技术、社会的关系。学生在本课的学习中，经历了“关注自然现象→发现科学规律→形成科学方法→改善生活方式”这样一个科学认知过程。这与历史上科学家曾经经历的困难、建立的概念、认识的深度是那般相似。其实，我们的科学教学，就是要让学生像科学家一样思维和行动，从而将核心素养外化为现实的实践力量。杭师大张华教授提出，“知识本质上是人类理解并创造世界的过程与结果”。学生的经验是教育的来源，而教育的目的就是追求经验的不断生长。

从这节课的学习过程可以看出，教学中，我们不仅要关注学科知识的生活意义，更要关注日常生活的学科价值。两者结合，学生才能不断发展生活创造力和学科理解力。