“計量時間”單元解讀與教學建議

姜向陽

摘要核心概念的進階式學習，有利于促進學生高階思維與科學素養(yǎng)的發(fā)展。“計量時間”單元教學內(nèi)容通過統(tǒng)整設(shè)計，使每課的知識學習目標呈螺旋上升的進階關(guān)系，并最終指向單元的核心概念。該單元的學習內(nèi)容以技術(shù)與工程實踐為主，讓學生了解并經(jīng)歷史上幾個比較典型計時工具的設(shè)計制作，體驗工程技術(shù)的實踐過程。因此，本單元的教學要突出技術(shù)與工程實踐，指向科學概念、發(fā)展科學思維。

關(guān)鍵詞工程技術(shù);科學實踐;大概念;學習進階

中圖分類號：G424文獻標識碼：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“時間”概念以來，人們不斷地尋求著準確計量時間的方法。古人經(jīng)過長期觀測和生活經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)太陽等天體在天空有規(guī)律地進行著周期性運動。根據(jù)太陽東升西落的周期性，形成了歷法并以此描述時間，“日”成了最早的時間單位。為了更精確地了解一天內(nèi)的時間進程，古人發(fā)明了日晷、沙漏、水鐘等計時工具。隨著社會的發(fā)展，人們逐漸意識到精確計量時間的必要性和重要性?；仡櫩茖W發(fā)展史，我們可以清楚地看到，計時工具的發(fā)展史是與人類文明發(fā)展史同步的。

學生在“計量時間”單元的學習中，要大致了解并重復(fù)人類計時工具發(fā)展的幾個比較典型的階段，從燃香鐘到水鐘，再到擺鐘。學生要學會觀察、研究這些不同計時工具的差異性，了解它們保障計時準確的科學原理，在此基礎(chǔ)上模擬、設(shè)計、制作水鐘和鐘擺等計時工具，體驗工程技術(shù)的實踐過程。

1單元內(nèi)容編排

1.1新版教材的內(nèi)容編排

教科書“計量時間”單元各課名稱及內(nèi)容概述見表1。

1.2單元課題的編排邏輯

本單元內(nèi)容的編排讓學生大致經(jīng)歷和了解人類計時工具的發(fā)展簡史。

首先提出問題，明確本單元研究的主題——在時鐘發(fā)明之前，人們是怎樣計時進而安排生活和勞作的（第1課）。然后通過對計時發(fā)展史上不同階段燃香鐘、水鐘、擺鐘等典型的計時工具的制作、觀測、研討等活動，探究這些計時工具的特點及計時原理（第1～6課），認識人類計時工具的發(fā)展進程，體會重大發(fā)明和技術(shù)給人類社會發(fā)展帶來的深遠影響和變化。

在研究認識古代水鐘、擺鐘等計時工具的基礎(chǔ)上，學生設(shè)計、制作自己的水鐘、擺鐘等計時工具（第3、6課）。他們根據(jù)教科書提出的任務(wù)，結(jié)合所學知識進行設(shè)計，評估完成一個產(chǎn)品的可行性，預(yù)測使用效果，然后將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為可以實際用來計時的工具，并通過測試發(fā)現(xiàn)問題，提出進一步改進的設(shè)想。最后，學生調(diào)查和比較人類計時工具的演變，關(guān)注計時和我們生活的關(guān)系（第7課）。

1.3每課主要活動內(nèi)容

第1課《時間在流逝》是單元起始課，起到了鋪墊作用，是學生研究計量時間的開始。作為單元起始課，一開始就提出了單元研究主題：在時鐘發(fā)明之前，人們是怎樣安排生活和勞作的呢？之后通過對日晷等計時工具的介紹，簡要了解一些古代計時方法，開展“一炷香”時間的研究。這項研究為后續(xù)的研究提供了基本的研究方法：觀測事物發(fā)生一定變化所需的時間是否一致。

第2課《用水計量時間》，學生要在教師指導下，觀察流水的運動，探究影響其運動速度的因素。聚焦部分引導學生提出問題——古人是怎么設(shè)計以水計時的工具的。探索部分分為三個環(huán)節(jié)：一是觀察瓶中流出的水流速度是否保持均勻;二是觀察并測量盛200毫升水的裝置中，流出50毫升水需要多少時間，并在此基礎(chǔ)上推測接水的量筒內(nèi)積聚到100毫升、150毫升水時分別需要多少時間;三是在推測的基礎(chǔ)上進行實際測量。在學生對水流流動速度的認識進一步完善后，再結(jié)合教科書提供的古代“受水型”水鐘的圖片，引導他們研討“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》，學生要運用掌握的知識設(shè)計一個水鐘，用圖畫的形式對自己設(shè)計的水鐘進行描述，并動手制作一個水鐘，在實踐中檢驗水鐘是否能準確計時，對水鐘的設(shè)計進行改進。學生經(jīng)歷了“設(shè)計方案一動手制作一測試并改進”的工程活動過程，這個過程也是一個促進學生思維發(fā)展的過程。

第4課《機械擺鐘》是探索精確計時工具的第一課。本課主要有兩個教學活動：活動一是觀察鐘擺運動的特點。通過對擺鐘的觀察，發(fā)現(xiàn)擺鐘是利用擺的連續(xù)擺動帶動指針來計時的。思考擺鐘為什么能更精確地計時，發(fā)現(xiàn)這與鐘擺的運動規(guī)律有著密切的聯(lián)系。通過測量鐘擺一分鐘擺動的次數(shù)，發(fā)現(xiàn)它每分鐘擺動的次數(shù)是相同的，初步感知擺的等時性。活動二是自制一個單擺，觀察擺運動的特點。學生根據(jù)教師提供的材料，動手制作一個單擺，并觀察和記錄單擺一分鐘擺動的次數(shù)，連續(xù)測多次。學生會發(fā)現(xiàn)同一個擺在擺動過程中擺幅變小，但擺動次數(shù)不變，這便是單擺的等時性。學生在研討中，通過對比各組數(shù)據(jù)，會發(fā)現(xiàn)不同小組的擺擺動次數(shù)是不同的，引出下節(jié)課要研究的問題。

第5課《擺的快慢》中，學生將對他們發(fā)現(xiàn)的問題“擺擺動的快慢與什么因素有關(guān)”進行探究，在探究的過程中大膽猜測，并通過對比實驗，驗證自己的猜測，修正自己的想法。第一部分“聚焦”，通過復(fù)習上一課內(nèi)容，直接聚焦到“擺擺動的快慢與什么有關(guān)”這一問題。第二部分“探索”，通過實驗研究影響擺擺動快慢的因素。此環(huán)節(jié)要鼓勵學生大膽猜測，并進行“擺錘質(zhì)量和擺繩長短對擺擺動快慢的影響”的分組實驗。第三部分“研討”，學生通過分析實驗數(shù)據(jù)，認識到擺擺動的快慢與擺錘的質(zhì)量無關(guān)，與擺繩的長短有關(guān)，擺繩長擺動慢，擺繩短擺動快。

第6課《制作鐘擺》為學生的研究設(shè)置了新問題：機械擺鐘里的鐘擺一分鐘擺動60次，如果要制作一個一分鐘正好擺動60次的擺，怎樣制作呢？在本課中，學生將用調(diào)節(jié)擺繩長度的方法來調(diào)節(jié)擺的快慢。經(jīng)過本課的研究，學生能更好地理解鐘擺，學會控制鐘擺的快慢，制作一個一分鐘擺動60次的擺，也就是機械擺鐘的鐘擺。

第7課《計量時間和我們的生活》中，學生將系統(tǒng)地整理、總結(jié)人類計時工具的演變，體會計時工具的精確度對人們的生活、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。通過設(shè)計作息時間表，讓學生體會合理安排時間、珍惜時間的重要意義。

2教學建議

2.1突出技術(shù)與工程實踐

本單元的第3課、第6課是側(cè)重技術(shù)與工程實踐的課。

第3課《我們的水鐘》的實踐任務(wù)是做一個計時10分鐘的水鐘。主體活動有四項：根據(jù)任務(wù)設(shè)計方案，用圖文的方式表達;根據(jù)設(shè)計方案制作水鐘;測試水鐘計時精確度;根據(jù)測試結(jié)果改進水鐘。

在這些活動中，學生經(jīng)歷了相對完整的工程實踐過程，了解了一般的工程實踐活動經(jīng)歷的主要環(huán)節(jié)，即“明確任務(wù)—設(shè)計方案—制作—測試—評估與改進”，以此來指導他們今后開展工程實踐活動。

工程實踐不同于手工制作，它除了有動手實踐活動，更重要的是“設(shè)計方案”環(huán)節(jié)。設(shè)計是最能體現(xiàn)工程師工作的活動。工程設(shè)計具有系統(tǒng)性的預(yù)期、分析以及建模等特點，是一種解決問題的方法和路徑。因此，在方案設(shè)計環(huán)節(jié)需要加強對學生的指導。

本單元第6課《制作鐘擺》的實踐任務(wù)是制作一個一分鐘正好擺動60次的擺，主體活動有：設(shè)計并制作鐘擺，通過調(diào)試使之成為一分鐘擺動60次的擺;根據(jù)任務(wù)制訂合理而高效的實施方案，在執(zhí)行過程中根據(jù)情況靈活調(diào)整方案。

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

2.2指向科學概念

本單元教學內(nèi)容的明線是沿著計時工具發(fā)明的歷史順序，開展技術(shù)與工程實踐的體驗式學習，也隱含著讓學生獲得科學概念的學習活動。教學中，教師要有意識地引導學生在實踐的基礎(chǔ)上研討，把他們的認識引向科學概念。

學生通過對各種計時工具的探究和實踐，完成了水鐘、鐘擺的設(shè)計制作。這些制作活動是在獲得相關(guān)科學認識，利用掌握的科學原理基礎(chǔ)上完成的。所以，這些工程實踐活動能夠幫助學生形成科學概念：科學發(fā)現(xiàn)的知識可以用于開發(fā)技術(shù)和產(chǎn)品，為人類服務(wù);技術(shù)發(fā)明通常蘊含著一定的科學原理。

本單元介紹了古人曾使用過的多種計時工具，學生仿照古人用多種不同的方法來計量時間，經(jīng)歷了7個主要的探究體驗活動（見表2），通過這些活動學生認識：不僅可以通過對太陽運動周期的觀察和投射形成的影子來測量時間，一些有規(guī)律運動的裝置（燃香、沙漏、滴漏、單擺等）也曾被用來計量時間;時間雖是一種看不見、摸不著的事物，但時間運動的軌跡，可以根據(jù)其他物體的有規(guī)律運動軌跡來記錄。

本單元包含多個對“有規(guī)律運動的事物和現(xiàn)象”的認識活動，引導學生認識到：事物是運動變化的，事物的運動變化有一定規(guī)律。

2.3發(fā)展科學思維

在本單元的學習中，學生會重復(fù)人類計時工具發(fā)展的幾個比較典型的階段：從燃香鐘到水鐘，再到擺鐘。如同古人一樣，學生通過親歷探究實踐活動，會發(fā)現(xiàn)一些計時方法的局限和不足，產(chǎn)生想要改進計時工具的內(nèi)在需求。

在研究同一種計時工具時，學生的認知和思維是不斷向前推進的。例如，研究水鐘，一開始發(fā)現(xiàn)初始水位高度和孔徑不變，流出相同多的水，時間是相等的;繼而發(fā)現(xiàn)水位變化后，水流速度并不是相等的;最后認識到只有保持水位不變時，水流速度才是相等的。再如，對于單擺的研究，學生開始發(fā)現(xiàn)同一個單擺擺動起來時具有等時性（相同時間內(nèi)擺動次數(shù)相同），但是不同的單擺的擺動次數(shù)卻不同。學生進一步研究發(fā)現(xiàn)，擺繩長度會影響單擺擺動的快慢，繼而又會發(fā)現(xiàn)擺的快慢也受擺錘長度的影響……他們通過對影響鐘擺運動快慢因素的持續(xù)探究，對“擺”的認識不斷修正、完善。這個過程是學生不斷發(fā)現(xiàn)問題、不斷探究、不斷獲得新認識的過程，是他們對擺運動規(guī)律的研究逐步深入、逐步獲得新發(fā)現(xiàn)的過程，是從表象認知逐步走向本質(zhì)認識的思維過程。

3結(jié)語

本單元是學生理解“科學上的解釋、理論和模型都是在特定的時期內(nèi)與可獲得的實證最為吻合的”這一觀點很好的材料。學生經(jīng)歷了連續(xù)的“不斷修正、完善自己科學理論”的過程，能夠意識到自己對一個事物和現(xiàn)象的認識是逐步發(fā)展的，人類對世界的認識也需逐步完善，且永無止境。進而認識到所謂的“科學理論”只是某個特定時期人們的共識，即“科學上給出的解釋、理論和模型都是在特定的時期內(nèi)與可獲得的實證最為吻合的”。我們現(xiàn)在認為的科學結(jié)論，會隨著科學的深入研究和發(fā)展，不斷被更新甚至顛覆。這樣教學，有利于學生對科學本質(zhì)的理解。

本單元通過一系列模仿制作、創(chuàng)意制造諸如水鐘、擺鐘等計時工具，突出對學生技術(shù)工程實踐能力培養(yǎng)。同時，本單元引導學生通過實驗探究，理解計時工具蘊含的科學原理，體驗科學技術(shù)與社會生活的關(guān)系：人類社會生活的需求推動了科學技術(shù)的發(fā)展，科學技術(shù)的進步改善了人們的生活，促進了社會的發(fā)展。

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