在大单元框架下设计实验教学

◇吴兰沁（福建：仙游县城西中心小学）

大单元教学是为了体现科学概念的连贯性和综合性。“计量时间”是教科版小学科学五年级上册第三单元的内容，本单元对应的学科核心概念是“技术、工程与社会”，要求学生通过探究实践，总结出技术与工程的基本特点及其对提高生产效率或工作效率的作用，尝试应用所学科学原理设计、制作简单的装置，模拟演示并简要解释如何提高效率。在教学中，教师应在大单元框架下设计实验教学，引导学生通过观察、设计、制作、比较、测量等科学实践活动，了解人类计时工具发展的几个比较典型的阶段：燃香钟—水钟—摆钟，促进学生将跨学科概念在各领域间建立起有意义的联系。

一、聚焦单元主题，建立科学观念

《义务教育科学课程标准（2022 年版）》指出，人类在与自然界打交道的过程中，为了适应自然、改善生存条件而产生了技术，人类对已有的物质材料和生活环境加以系统开发、生产、加工、建造，以满足需求，就产生了工程。《时间在流逝》是本单元的起始课，一开始就聚焦了单元研究主题：“在钟表发明之前，人们是怎样安排生活和劳作的呢？”学生通过查阅资料、小组交流等形式，初步了解在远古时代，在钟表发明之前，人类用天上的太阳来计时。日出而作，日落而息，昼夜交替现象自然而然成了人类最早使用的时间单位。在没有任何计时工具的情况下，古人又是根据哪些自然现象去判断一天中的时间呢？人们最早掌握的计时方法是测量物体阴影在一天内的变化情况。太阳日复一日地东升西落，产生地球上物体的阴影运动。在人类早期，时间的概念是通过观察这一自然现象而产生的，并逐渐学会了计算时间，因此，人们通过观察阴影的长度或运动来计算时间，这就是人类最早发现的光影计时的原理。在教学中，教师还要引导学生进一步搜集、交流古人利用太阳进行计时的方法和事例，如人类根据这一原理，经过长期的实践，设计出了“圭表”和“日晷”等天体计时工具。在实际的教学中，教师还要注重学生的探究实践，可结合所学科学知识，引导学生设计具有一定功能的简单装置或实物模型，了解其中的科学原理，探究其改进的可能性。例如，结合“物体影子的变化规律”和“地球自转”的相关知识，自主设计制作一个日晷，探究哪些因素会影响日晷晷针影子方向和移动的快慢，晷面角度应该如何设置才能使晷针匀速转动，不同地区、不同季节日晷可能会存在哪些差异，需要做哪些调整？……通过不断地探索，提高日晷计时的准确性。

在探索古人利用天体运动规律计时后，教科书安排了探索“燃香计时”的规律，通过实验观察研究“一炷香”的时间，探究燃香的长度变化是不是匀速的，分析计量某事物在一段时间间隔内发生有规律的变化所需的时间是否一致，影响某一运动变化的时间相同与否的因素有哪些，并进一步联系生活实际研讨“蜡烛可以用来计时吗？”。学生在亲历探究实践活动后，能以事实为依据，从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律进行分析，初步形成了“在一定的条件下，燃香变短的速度基本是均匀的，可以用来计时”的科学观念。

二、注重探究实践，解决实际问题

由于天体计时、燃香钟计时等受外界因素影响较大，学生在亲历科学实践活动后，会发现这些计时方法的局限和不足，便会产生改进计时工具的内在需求。在科学教学中，要适当地融入科技史的相关知识，让学生了解古代社会人们也是在不断发展变化过程中继续找寻自然界有规律运动的物体或事件来帮助记录时间推移的轨迹的，设计出了利用水钟来计时，这就是漏刻计时。据梁代《漏刻经》记载：“漏刻之作，盖肇于轩辕之日，宣乎夏商之代。”早在公元前三四千年的父系氏族公社时期，我们的祖先就用漏刻这种滴水的器具来计时了。漏刻的发明是古人受到容器漏水现象启发的结果，在机械钟表传入中国之前，漏刻也是我国使用最普遍的一种计时工具。

本单元安排了两节课研究利用水钟计量时间。在第2 课《用水计量时间》教学中，教师可直接出示教科书中的古代水钟图，让学生仔细观察后提出：“水真的可以用来计时吗？古代是怎样用水钟来计时的？”这两个问题包含着本课的核心问题，即水钟流出的水速度是否会均匀？如何用水来计量时间，这样自然而然就引出了本节课的两个探索环节，一是观察水流的速度，二是测量水流速度的变化。在接下来的探究活动中，要让学生重点研究用水计时的原理，如何设计才能使水流的流速达到均匀。实验时应充分考虑塑料瓶盖上孔径的大小、观察一次所需的时间、测量的误差等多种因素。推测从200 毫升水中流出50 毫升、100 毫升、150 毫升水分别需要多少时间并进行重复多次的实测。通过实验观察、数据分析，学生会发现水流的速度是不均匀的，当瓶中的水越来越少时，水的流速越来越慢，最后会断断续续呈滴状。那么，瓶盖孔的大小没有变，水的流速为什么会发生变化呢？经过细致观察，逻辑推理能力强的学生会发现，这是瓶内水位高低变化所引起的，水位高时，水流较急；水位越低，水流就越缓，渐渐地从流变成滴，甚至不再往下滴水。至此，学生便会提出新问题：“水流的速度是在不断地变化，那用水计时会准确吗？”如果学生注意到是水位变化引起水流速度变化，他们自然会想到必须控制瓶中的水位不变才能控制水流速度不变。此时再回顾古人的水钟，让学生再仔细观察教科书上的“古代水钟示意图”，分析各构件的作用，理解古人的设计原理，研讨人们是怎样控制水以均匀的速度往下滴的，为第3课《我们的水钟》的教学做好准备。

第3 课的研究任务是“让我们制作一个计时10 分钟的水钟”。可以让水从固定的水位高度流出相同的水量来计时，这就要求学生在制作时要想办法控制水位高度不变，让水以均匀的速度流动从而计时。工程技术的关键是设计，在教学中教师要指导学生通过小组合作，用画图的形式制订设计方案，按照自己的设计确定流程、加工组装、标出刻度等。制作完成后还要继续测试水钟计时是否准确，发现问题并加以改进。学生经历了“设计方案—动手制作—测试改进”的工程活动过程，进一步明确了技术的核心是发明，技术与工程创造了人造物。

三、建构时间概念，启迪科学思维

自有时间概念以来，人们就不断探索着准确计量时间的方法，随着人类社会科学技术的发展和人们对自然认识的提高，人类对时间的要求也更加精确了。1583 年，在一次不经意的发现中，伽利略观察到教堂中的吊灯在微风中前后摆动，摆动的弧线时长时短，但不管摆幅是多大，吊灯往返的时间好像是一样的。他意识到摆可以成为一种有规律的计时装置，这引发了由摆动的钟摆来控制的机械钟表的发展。

本单元安排3 个课时的内容让学生观察了解机械摆钟、研究摆的快慢、制作钟摆。学生在通过对摆钟的观察研究后会发现，不同小组1 分钟摆的摆动次数不同，由此引发新的问题：摆的快慢受什么因素影响？在研究《摆的快慢》一课时，教师组织学生充分讨论、预测哪些因素影响摆的摆动速度。重点通过两组对比实验分别研究摆锤质量、摆绳长度与摆动速度的关系。通过重复实验、数据分析，学生发现摆动速度与摆锤质量无关，与摆绳长度有关，摆绳越短，摆速越快，摆绳越长，摆速越慢。本单元的第6 课《制作钟摆》给学生提出了一个新的研究任务：让我们制作一个1 分钟正好摆动60 次的摆。这是一项运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动，需不断调试、改进以实现预期目标的简易工程。同样需要经过设计、制作、测试、研讨等环节，尤其是要制定如何根据试验结果更有效、更快捷地改进设计方案的策略。课后再让学生继续研究设计一个1 分钟摆动30 次或120 次的摆，这有利于培养学生的知识迁移与应用能力，启迪学生的抽象思维、逻辑思维，以及利用数学理解物理现象的意识。在此基础上，引导学生进一步了解机械钟表在我国的发展历史，明白机械钟表的发明和应用是一个相对漫长的过程。

四、梳理系统概念，形成科学态度

当今社会，计时工具的功能和作用日益增强，更新换代日益频繁，计时器的种类也经历了单一型到多样化的蜕变。计时器除了要更加符合科学发展的要求而进一步提高精准度外，更要与人类的生活方式相契合。本单元的最后一课安排了《计量时间和我们的生活》，学生将回顾本单元探究过的几种计时工具，体会古人制作计时工具的智慧，调查比较人类计时工具的演变，认识到科学技术通过促进人们的生活方式、思维方式的变革来推动社会的发展。本课要着重引导学生关注计时工具的发展和人类生活的密切关系，通过航天器发射、乘坐飞机、百米赛跑、交通出行等具体事例说明精确计时对我们现代生活的重要性，以及计时不精确可能导致的严重后果。要求学生系统地梳理、总结人类计时工具的演变过程，体会计时工具的精确度对人们的生活、出行等方面的影响，以及帮助人类更好地探索未知的领域，这也是科技发展的必然结果。经过本单元的学习，要让学生归纳概括出“计时工具利用了物体运动的周期性变化规律”这一认识，这是基于整个单元的研究概括提炼出的大概念，期望学生在探究人类计时工具发展的几个比较典型阶段的过程中，逐渐形成科学态度与责任，将教学小课堂带入人生大课堂，并在今后的学习生活中关注计时，准确用时，珍惜时间。

计时工具的演变是人类社会科学技术发展的一个缩影。这种“大单元”的教学组织形式能够在一个较长的学习时间内，以富有包容力的学习情境将散落在不同主题下的具体知识围绕一个更为核心的概念重新编织，有利于促进学生对科学概念的理解。学生只有经历这样大单元、长时间和系统化的学习，才能以一种综合的、联系的思维来解决一些技术、工程与社会的问题，提高他们的科学实践能力和创新能力。