《改進小水鐘》教學實錄與點評

李穎 張國富

摘要《改進小水鐘》一課讓學生制作一個簡單的一級泄水型和受水型水鐘，引導他們對自己制作的水鐘進行使用、測試，最終聚焦水流速度不穩定的問題。學生在不斷挑戰的過程中，探究能力得以提升，科學精神得以養成，動手經驗得以積累，這些都為他們未來關于技術與工程領域的進一步學習形成正遷移。

關鍵詞 《改進小水鐘》 教學實錄 教學目標

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.18.031

Teaching Record and Comments on“Improving the Little Water Clock”

LI Ying[1]， ZHANG Guofu[2]

（[1] Peking University Elementary School， Beijing 100080；[2] Beijing Chaoyang District Chaolai Campus of Huajiadi Experimental Primary School， Beijing 100012）

Abstract： In the lesson of "improving the little water clock"， students are asked to make a simple firstclass water clock， which can discharge water and receive water. They are guided to use and test their own wa？ ter clock， and finally focus on the problem of unstable water flow speed. In the process of continuous challeng？ es， students’ inquiry ability can be improved， scientific spirit can be cultivated， and hands-on experience can be accumulated， which form a positive transfer for their further study in the field of technology and engineering in the future.

Keywords： "improving the little water clock"； teaching records； teaching goals

教學分析

《改進小水鐘》一課是大象版小學《科學》四年級下冊第四單元“精確時間的步伐”中的第4課。本單元是一個以技術實踐活動為主的綜合探究單元，由《原子鐘尋親記》《日晷》《水鐘》《改進小水鐘》和《擺鐘的秘密》5課組成，以計時工具的發展歷史為引領，以相應的技術實踐活動為骨架，通過引領學生制作并使用日晷、水鐘、擺鐘等計時工具，使他們在實踐過程中，了解人類計時工具的發展史，認識技術對人類社會發展的作用，發展實踐能力、思維能力和運用科學知識解決問題的能力，體驗到“做”的成功與樂趣，從而達成本單元科學知識、科學探究、科學態度和STSE等方面的教學目標。

本單元中有關小水鐘的設計與制作內容安排在第3課《水鐘》和第4課《改進小水鐘》中。《水鐘》一課讓學生制作一個簡單的一級泄水型和受水型水鐘，引導他們對自己制作的水鐘進行使用、測試，發現流出相同量（每個相等的格）的水所用時間是不同的，或者相同的時間流出的水量不同，最終聚焦水流速度不穩定的問題。在對水鐘進行分析的基礎上，提出水位（水壓）對水流速度產生影響的假設，進而產生保持水位不變，使水流速度穩定的設計需求，自然過渡到第4課《改進小水鐘》的學習——設計制作一個能夠保持水流速度相對穩定的水鐘。在此目標驅動下，學生收集關于三級漏刻的相關信息，建立認知模型，自行設計與制作簡單的三級漏刻模型。對于學生來講，本課有兩個難點：

一是找到保持水位不變的有實際應用價值的方法。從原理上分析，保持水位不變就可以保持水流速度相對穩定，但如何保持水位不變呢？學生自然會想到以一定節奏持續不斷地往水瓶中加水的方法，但很快就發現這種方法不具備實用性，在操作時很難控制。在實際教學中，學生很難自行解決保持水位不變的問題，需要教師適時引導。在教師介紹三級漏刻后，學生對古人的智慧產生了敬佩之情，也打開了解決問題的思路。在此基礎上，學生能夠熱情高漲地投入對小水鐘的改進思考與實踐之中。

二是解決漏壺出水孔大小的比例協調問題。學生要對三級漏刻的天壺和平水壺的作用進行觀察和分析，在多次調試的基礎上，找到解決問題的思路和方法。

基于以上分析，我們確定了以下教學目標：

知道隨著漏壺內水位的降低，漏壺滴水會越來越慢，這是造成小水鐘水流速度不穩定的主要原因。古人為解決這一困難發明了三級漏刻。

知道用多級分水的方法可以改進自制的小水鐘。

能依據對三級漏刻資料的理解，改進自制小水鐘，發展實踐能力，在對改進后的小水鐘進行測試評價的過程中，繼續培養反思評價能力。

體會動手做的樂趣，體會人類的需求對技術發展的促進作用，感受經過努力解決問題的喜悅。

教學過程

1.聚焦問題

師：上節課，我們成功地自制了一個小水鐘，但在測試時有一個發現，是什么？

生：水流越來越慢。

師：為什么會出現這種情況？是什么原因造成的？我們再來看看滴漏的過程，請同學們仔細觀察水流和水位的變化。

（教師操作小水鐘，學生觀察滴漏過程。）

師：你們有什么發現？

生：瓶子里的水越少，水流得越慢。

師：我們可以看到，隨著水的不斷漏出，瓶中水位不斷發生變化。開始水位高時，水流速度快，同樣多的水流出用時短；隨著水位降低，水流速度變慢，同樣多的水流出來用時越來越長，甚至漸漸從水流變成水滴了，明白了嗎？

生：原來水位的變化是水流變慢的原因。

師：其實，我國古人在很早的時候就發現了這個現象。（出示滿城漏壺圖片。）同學們現在看到的是在河北滿城發現的西漢時期的漏壺，之所以稱作“滿城漏壺”，是因為它是一種泄水型水鐘。西漢時，這種水鐘就已經很常見了。就像我們發現的那樣，因為水位的變化，使得水流速度不穩定，導致浮箭下降速度不均勻，所以計時的精確度并不高。

2.初步改進小水鐘

師：如果想要更準確地測量時間，最需要解決的問題是什么？

生：怎么保持水位不變。

師：是的，水位變化導致水流速度發生變化，所以無法精確計時。我們需要控制泄水壺里的水位不變，這樣才能保持水流速度穩定。我們可以怎樣做？

生：可以邊滴水，邊往瓶子里添水，保持瓶子里的水位不往下降。

生：也不能往上升。

師：這種方法可以嗎？

生：可以。

師：那我們就試一試。想一想，具體怎樣操作呢？

（學生小組討論。）

師：想好怎么做了嗎？

生：先在上面的瓶子上畫一條線，記下水位。然后一個人往上邊的瓶子里添水，保證水位一直在畫線的地方。一個人計時，一個人在下面的瓶子上畫線，每10秒畫一次。

師：你們怎么知道水流速度穩定了呢？

生：看看下面瓶子上畫的線之間的間隔是不是一樣的。

師：還有別的改進方案嗎？

生：我們是先往下面瓶子里加水，每加50毫升水在瓶子上畫一條線，總共加6次，畫6條線。然后把300毫升水全部倒入上面的瓶子里，一人負責隨時往上面的瓶子里加水來保持水位不變，一人負責計時。下面瓶子里的水每增加50毫升記錄一次時間，看看這樣每流出50毫升的水所用的時間是不是一樣的。

師：這種方法可以嗎？

生：也可以。

師：我觀察到，大家改進的都是受水型的水鐘，能不能改進泄水型水鐘？

生：泄水型水鐘是靠著水位下降來計時的，沒法保證水位不變呀。

師：我們不容易改進泄水型的水鐘，試一試改進受水型水鐘，做好記錄，小組要合作好。

（小組分工合作，初步改進受水型水鐘。）

3.進一步改進小水鐘

師：怎么樣，這次的測試結果如何？

生：這次好多了。我們每次測的大多是18秒。

生：我們每10秒流出的水也是一樣多。

師：為大家的成功鼓掌。我們再想一想，如果在實際應用中，人們這樣做會遇到什么困難嗎？

生：非常麻煩！得有一個人專門負責不停地加水，會很累，而且一不留神就失敗了。

生：一個人恐怕還不夠，他也得吃飯睡覺呀。

師：這還真是一個現實的困難，怎么辦呢？

生：如果設計一個自動加水裝置就好了。

師：這個裝置具體怎么做呢？

生：想不出來。

師：我們又得向誰請教了？

生：向古人請教。

師：看來我們一時還找不到解決這個難題的好方法。聰明的古人也遇到這個困難，他們經過不懈的努力，發明了一種改進版的漏刻，叫作三級漏刻。我們先來閱讀一下關于這種計時工具的資料。

（小組閱讀資料，收集三級漏刻的信息。）

師：三級漏刻一共有幾個壺？分別有什么作用？

生：三級漏刻一共有3個壺，最上面的是天壺，中間的是平水壺，下面的是受水壺。

生：不對，應該是4個壺，還有一個分水壺。

師：各種壺分別有什么作用呢？

生：天壺是往平水壺里加水的，平水壺是往受水壺里加水的。

生：受水壺就是我們做的水鐘下面的瓶子，平水壺就像上面的瓶子，天壺就像剛才我們用來往上面瓶子里加水的瓶子。

師：分水壺的作用是什么呢？

生：平水壺里的水要是加多了就會流到分水壺里。

師：這樣做是為了保證什么？

生：保證平水壺里的水位不變。

師：這個設計怎么樣？

生：古人真是太聰明了！他們給平水壺開了個孔，往平水壺里多加的水就會流到分水壺里，這樣就可以保持平水壺里的水位不變了。

師：我們一起給聰明的古人一點掌聲吧！大家有沒有信心，模仿古人也做一個多級漏刻，讓它準確計時呢？

生：有！

師：制作和測試的時候我們還會遇到新的困難，老師希望你們能像古人那樣，多觀察、多動腦、不氣餒。老師先預祝你們成功！

（學生小組分工合作，進一步改進小水鐘。）

師：你們遇到了什么新問題？

生：我們剛才發現平水壺里的水還是往下降。

師：這是怎么回事？你們解決了嗎？

生：我們發現平水壺下邊的眼兒太大了，天壺補水供不上。我們把天壺的眼兒也弄大，就行了。

師：真棒！自己動腦筋解決了新問題，祝賀你們！

生：我們發現平水壺里的水還是漸漸往上升，我們把分水的那個孔捅大了就行了。

師：你們做得也很好。只是分水壺里的水會很快滿了呀，還得想一想有沒有別的辦法。

生：我們可以換個更大的分水壺。

4.反思評價

師：由于時間關系，我們對小水鐘的改進只能到這里了。最后老師想請大家說一說，這次改進小水鐘的活動，你們有什么收獲？

生：我們知道了保持水位不變，就可以讓小水鐘的水流速度不變。

生：我們了解了古人發明的三級漏刻。

師：在經驗上有什么收獲嗎？

生：遇到困難可以查一查資料，看看以前的人是怎么解決的。

生：要想成功，小組幾個人要合作好。

生：遇到困難要多動腦筋，仔細觀察，認真分析。

師：說得真好！漏刻也叫刻漏、漏壺、滴漏。我國古人在不斷研究中，逐步改進漏刻，制作出多級式滴漏，在長達1500多年的時間里，我國的多級式滴漏都是世界上最精準的計時工具。最后，老師請大家看一張圖片，這是我國現存最早、最大、最完整的銅壺滴漏，為元代鑄造。整件滴漏由4個銅壺組成，分別是日壺、月壺、星壺、受水壺。壺上均有壺蓋，壺蓋上有孔，水可以滴入。受水壺的壺蓋上鑄有帶刻度的銅尺，前端有方孔，便于木箭上下浮動。這樣龐大的水鐘，它是怎樣工作的呢？我們一起來看一段視頻。

（學生觀看銅壺滴漏視頻。）

師：我們所看到的銅壺滴漏，計時一晝夜的誤差不超過40秒，直到1656年，歐洲人發明了擺鐘才被超越。如果你想感受它的魅力，在我國國家博物館、故宮博物院、北京鼓樓都可以看到不同的多級滴漏。其中鼓樓的銅壺滴漏還可以自動報時呢，感興趣的同學可以去看看。水鐘完美地避免了日晷必須利用陽光的限制，晝夜都可以使用，一直是我國古代的主要計時儀器。從單級漏刻到多級漏刻，水鐘計時越來越精確，下節課我們將繼續了解計時工具的發展。

點評

本單元的教學目標是要達成課程標準中的主要概念18中的一些學習目標，包括“舉例說出，一項工程運用到的科學技術和原理，如汽車剎車系統的設計中運用到的科學與技術”“知道工程設計的基本步驟包括明確問題、確定方案、設計制作、改進完善等”“針對一個具體的任務，按照設計的基本步驟來設計一個產品或完成指定的任務”“對自己或他人設計的想法、草圖、模型等提出改進建議，并說明理由”“在制作過程中及完成后進行相應的測試和調整”。

本課的主要活動是改進小水鐘，如何改進無疑是這個任務的核心。改進的過程說明技術工具的發明和發展不是一蹴而就的，而是不斷完善與進化的，是基于人類對技術工具的功能、便捷、精度等不斷提高的需求的。當我們將研究的重點聚焦于想辦法保持水位不變的難題時，學生首先想到的是人工加水的方法，教師沒有武斷地指出不足，予以否定，而是組織他們先按照自己的想法進行嘗試，在具體操作過程中體會這種方法的不便，從而產生使計時工具更加便捷、可靠的新需求。

自動補水保持水位不變的方法學生一時難以想到，他們了解了多級漏刻的原型后，設計就簡單了許多，學生對挑戰充滿了期待。實際上，他們在具體的改進過程中還將遇到新的困難，比如由于各壺出水孔的大小不同，形成不同的組合，會造成無法保持水位不變的情況。對于這些新問題，教師鼓勵學生自己想辦法解決，而不是直接告訴他們應該怎么做。這樣，解決難題后的興奮與滿足感能使學生產生繼續探究的動力。

學生明確了“保持水位不變”的任務之后，經歷了初步設計與嘗試、收集原型信息、再次設計與嘗試、發現新的問題、繼續改進設計與嘗試等過程，最終完成任務，這是一個不斷發展、不斷進階的有序過程。學生在不斷挑戰的過程中，探究能力得以提升，科學精神得以養成，動手經驗得以積累，這些都為他們未來關于技術與工程領域的進一步學習形成正遷移。

如果有機會，教師還可以組織學生以生活中輸液時的經驗為基礎，設計一種能夠通過控制水的流速，以一定量的水測量更長時間的滴漏，繼續增強水鐘的實用價值，使學生體會到工具的設計、改進是不斷發展的。