小学大象版 (2017)4 改进小水钟优秀教学设计及反思

4.改进小水钟

【教学分析】

本课属于技术与工程领域，主要活动包括：基于上节课对自制小水钟的使用经历，提出保持漏壶中水位不变的新的改进目标。在此目标驱动下，收集关于三级漏刻的相关信息，建立模型认知，最终在此基础上，自行设计与制作简单的三级漏刻模型。对于学生来讲，本课有两个难点，一是找到保持水位不变的更方便的办法，二是解决漏壶出水孔大小的比例协调难题。

【教学目标】

（1）知道随着漏壶内水位的降低，漏壶滴水会越来越慢，这是造成小水钟变慢的主要原因。古人为解决这一困难发明了三级漏刻。用多级分水的方法可以改进自制的小水钟。

（2）能依据对三级漏刻资料的阅读理解，改进自制小水钟，发展实践能力和解决实际困难的能力，在对改进后的小水钟的测试评价中，继续培养反思评价能力。

（3）体会动手做的乐趣，感受经过努力解决困难的喜悦，继续引发对中国古人智慧的钦佩之情。

（4）体会需求对技术发展的促进作用。

【教学准备】

材料准备：

教学课件：三级漏刻的资料和图片、视频或模型。

学生制作材料：塑料瓶（形状规则的圆筒形最好）、直尺、锥子、美工刀、记号笔等。

活动场地：教室或实验室。

【教学过程】

1.导入活动，发现问题

师：上节课，我们成功地自制了一个小水钟，但在测试时有一个发现，是什么？

生：水流越来越慢。

师：为什么会出现这种情况？是什么原因造成的呢？我们再来看看滴漏的过程，请同学们仔细观察水流和水位的变化，你有什么发现？

生：瓶子里的水越少，水流得越慢。

师：是这样，我们可以看到随着水的不断漏出，瓶中水位发生变化。开始水位高时，水流速度快，同样多的水用时短；慢慢水位降低，水流速度变慢，同样多的水用时就越来越长，甚至渐渐的就从水流变成水滴了。明白了吗？

生：原来原因是水位的变化。

    师：其实古人在很早的时候，就发现了这个现象。

    （师出示满城漏壶图片）

师：同学们现在看到的是满城漏壶，一种泄水型水钟。西汉时，这种水钟就已经很常见了，但就像我们所发现的那样，因为水位的变化，使得水流速度不稳定，导致浮箭下降速度不均匀，可以计时却精确度不高。

2.设计制作——初步改进小水钟

师：如果想要更准确地测量时间，最需要解决的问题是什么？

生：应该是水位的问题。

师：是的，水位变化导致水流速度发生变化，所以无法精确计时。我们需要控制泄水壶里的水位不变，保持水流速度稳定。那么可以怎样做呢？

生：可以边滴水，边往瓶子里添水，保持瓶子里的水位不往下降。

生：也不能往上升。

师：这种方法可以吗？

生：可以。

    师：那我们就试一试。想一想，具体怎样操作呢？

    （生小组讨论）

    师：想好怎么做了吗？

    生：先在上面的瓶子里画一条线，记下水位，然后一个人往上边的瓶子里添水，保证水位一直在画线的地方，一个人用表计时间，一个人在下面的瓶子上画线，每10秒画一次。

    师：你们怎么知道水流速度稳定了呢？

    生：看看下面瓶子上画的线之间的间隔是不是一样的。

    师：还有别的改进方案吗？

    生：我们是先往下面瓶子里加水，每加50毫升水在瓶子上画上线，总共加6次、画6条线。然后把全部300毫升水倒进上面的瓶子里，然后再一人负责随时往上面瓶子里加水来保持水位不变，一个人负责计时。下面瓶子里的水每增加50毫升时记录一次时间，看看这样每流出50毫升水时间是不是一样的。

    师：这种方法可以吗？

    生：也可以。

    师：我观察到，大家改进的都是受水型的水钟，能不能改进泄水型水钟？

    生：老师，泄水型水钟是靠着水位下降来计时的，没法保证水位不变呀？

    师：对，泄水型的水钟我们不容易改进它。那么你们就试一试改进受水型水钟，做好记录，小组要合作好。

    （小组分工合作，初步改进受水型水钟）

3.设计制作——进一步改进小水钟

    师：怎么样，这次的测试结果如何？

    生：这次比上节课要好多了。我们每次测的大多是18秒。

    生：我们每10秒流出的水也是一样多。

    生：……。

    师：为大家的成功鼓掌。但是，我们再想一想，如果在实际的应用中，人们这样做会遇到什么困难吗？

    生：非常麻烦，得有一个人专门负责不停地加水，会很累。

    生：一个人恐怕还不够，他也得吃饭睡觉呀！

    师：这还真实一个现实的困难，那怎么办呢？

    生：如果设计一个自动加水装置就好了。

    师：这个装置具体怎么做呢？

    生：想不出来。

    师：那我们又得向谁请教了？

    生：向古人请教。

    师：看来我们一时还找不到解决这个难题的好方法。聪明的中国古人也遇到了这个困难，他们经过不懈的努力，发明了一种改进版的漏刻，叫三级漏刻。我们先来阅读一下关于这种计时工具的资料。

    （小组阅读资料，收集三级漏刻信息）

    师：看看我们知道了什么。三级漏刻一共有几个壶？分别有什么作用？

    生：三级漏刻一共有三个壶，最上面的叫天壶，中间的叫平水壶，下面的叫受水壶。

    生：不对，应该是四个壶，还有一个分水壶。

    师：各种壶分别有什么作用呢？

生：天壶是往平水壶里加水的，平水壶是往受水壶里加水的。

生：受水壶就是我们做的水钟下面的瓶子，平水壶就像是上面的瓶子，天壶就像刚才我们用来往上面瓶子里加水的瓶子。

    师：分水壶的作用呢？

    生：平水壶里的水要是加多了就从壶里流到分水壶里。

    师：这样做是为了保证什么？

    生：保证平水壶里的水位不变。

    师：这个设计怎么样？

    生：古人真是太聪明了，他们给平水壶开个孔，这样往平水壶里多加的水可以流到分水壶里，这样就可以保持平水壶里的水位不变了。

    师：我们一起给智慧的中国古人一点掌声吧！

    师：大家有没有信心，模仿古人也做一个多级漏刻，让它自己准确计时呢？

    生（齐）：有！

    师：好。不过制作和测试的时候遇到新的困难时，老师希望你们能像古人们学习，动脑筋、多观察、想办法、不气馁，先预祝你们成功！

    （小组分工合作，进一步改进小水钟）

    师：遇到了什么新问题吗？

    生：我们刚才发现平水壶里的水还是往下降。

    师：是怎么回事？你们解决了吗？

    生：我们发现平水壶下边的眼儿太大了，天壶补水供不上。我们把天壶的眼儿也弄大了，就行了。

    师：真棒！自己动脑筋解决了新问题，祝贺你们！

    生：我们发现平水壶里的水还是渐渐往上升，我们把分水的那个孔捅大了就行了。

    师：你们做得也很好。只是分水壶里的水会很快满了呀，还得想一想有没有别的办法。

    生：我们可以换个更大的分水壶。

4.反思评价，提升认识

    师：时间关系，我们的改进小水钟只能先到这里了。最后老师想请大家说一说，这次的改进小水钟活动你们有什么收获？

    生：我们知道了保持水位不变，就可以让小水钟的水流速度不变。

    生：我们知道了古人发明了三级漏刻。

    师：在经验上有什么收获吗？

    生：遇到困难可以查一查资料，看看以前的人们是怎么解决的。

    生：要想成功，小组几个人要合作好。

    生：遇到困难要动脑筋，仔细观察，认真分析。

    生：……。

    师：说得真好！最后老师请大家看一张图片。古人在不断研究中，逐步改进漏刻，制作出多级式铜壶滴漏，同学们现在看到的，是我国现存最早、最大、最完整的铜壶滴漏，为元代铸造。整件滴漏由四个铜壶组成，分别是日壶、月壶、星壶、受水壶。壶上均有壶盖，壶盖上有孔，水可以滴入。受水壶的壶盖上铸有带刻度的铜尺，前端有方孔，便于木箭上下浮动。这样庞大的水钟，它是怎样工作的呢？我们一起来看一段视频。我们所看到的铜壶滴漏，计时一昼夜的误差不超过40秒，直到1656欧洲人发明了摆钟才被超越。在长达1500年的时间里，我国的多级式滴漏都是世界上最精准的计时工具。如果你想感受它的魅力，在中国国家博物馆、故宫博物院、北京鼓楼都可以看到不同的多级滴漏。其中鼓楼的铜壶滴漏还可以自动报时呢，感兴趣的同学可以去看看。现在，鼓楼的旁边还建有北京时间博物馆，藏有圭表、刻漏、浑天仪等各类计时仪器。

    水钟完美地避免了日晷必须利用阳光的限制，昼夜都可以使用，一直是我国古代计时的主要仪器。从单壶到复式漏壶，水钟计时越来越精确。同学们，追求精准计时，一直是人类的目标和动力，那么，比多级滴漏还要精准的摆钟是怎样计时的呢？下节课我们将继续了解计时工具的发展。

【教学反思】

本课的主要活动是改进小水钟，核心无疑是在“改进”这个任务的完成。它体现了技术工具的发明和发展不是一蹴而就的，而是不断地改进与进化的，这种变化是基于人类不断追求的基础上的。当我们将研究的重点聚焦于想办法保持水面不变的难题时，学生首先想到的是人工加水的方法，教师没有武断地提出不足予以否定，而是组织学生先按照自己的想法进行尝试，在具体的操作过程中体会这种方法的不便之处，从而产生更加方便的新需求。自动补水保持水位不变的方法是学生一时难以想到的，在了解了多级漏刻的原型之后，这种设计就简单了许多，学生也就表现出挑战困难的期待。但实际上他们还将遇到新的困难，比如由于各壶出水孔的大小不同，形成不同的组合，会造成无法保持水位不变的境况，这样就又产生了新的问题。而对于这些新问题，教师安排学生自己去想办法解决，而不是直接告诉学生应该怎么做。这样，解决难题后的兴奋与满足感就会给学生一种心灵上的涤荡。

【总结点评】

本单元有一个重要的教学目标，就是达成主要概念18中的一些学习目标，包括：

18.1举例说出，一项工程运用到的科学技术和原理，如汽车刹车系统的设计中运用到的科学与技术。

18.2-1知道工程设计的基本步骤包括明确问题、确定方案、设计制作、改进完善等。

18.2-2针对一个具体的任务，按照设计的基本步骤来设计一个产品或完成指定的任务。

18.3-1对自己或他人设计的想法、草图、模型等提出改进建议，并说明理由。

18.3-2在制作过程中及完成后进行相应的测试和调整。

本课中对这些目标的达成集中体现在“改进与建议、测试与调整”层面，这是本课教学的主要任务。而这个任务的高效完成必然依托于学生的科学思维和动手实践经历。所以，给学生提供他们力所能及的挑战就成为必须。本课学生在明确了“保持水位不变”的任务之后，经过了初步设计与尝试，收集原型信息，再次设计与尝试，又发现新的困难，继续改进设计与尝试，最终完成任务。这是一个不断发展、不断进阶、难度越来越大的有序过程。学生在不断挑战的过程中，探究能力得以提升，科学精神得以养成，动手经验得以积累，这些都为学生未来关于技术与工程领域的学习形成正迁移。

如果有机会，教师还可以组织学生以生活中输液时的经验为基础，设计一种能够通过控制水的流速，实现以一定量的水测量更长时间的滴漏，继续增强水钟的实用价值，并使学生体会到工具的发展性特点。