在大單元框架下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

◇吳蘭沁（福建：仙游縣城西中心小學(xué)）

大單元教學(xué)是為了體現(xiàn)科學(xué)概念的連貫性和綜合性。“計(jì)量時(shí)間”是教科版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)第三單元的內(nèi)容，本單元對(duì)應(yīng)的學(xué)科核心概念是“技術(shù)、工程與社會(huì)”，要求學(xué)生通過(guò)探究實(shí)踐，總結(jié)出技術(shù)與工程的基本特點(diǎn)及其對(duì)提高生產(chǎn)效率或工作效率的作用，嘗試應(yīng)用所學(xué)科學(xué)原理設(shè)計(jì)、制作簡(jiǎn)單的裝置，模擬演示并簡(jiǎn)要解釋如何提高效率。在教學(xué)中，教師應(yīng)在大單元框架下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察、設(shè)計(jì)、制作、比較、測(cè)量等科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，了解人類計(jì)時(shí)工具發(fā)展的幾個(gè)比較典型的階段：燃香鐘—水鐘—擺鐘，促進(jìn)學(xué)生將跨學(xué)科概念在各領(lǐng)域間建立起有意義的聯(lián)系。

一、聚焦單元主題，建立科學(xué)觀念

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》指出，人類在與自然界打交道的過(guò)程中，為了適應(yīng)自然、改善生存條件而產(chǎn)生了技術(shù)，人類對(duì)已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造，以滿足需求，就產(chǎn)生了工程。《時(shí)間在流逝》是本單元的起始課，一開(kāi)始就聚焦了單元研究主題：“在鐘表發(fā)明之前，人們是怎樣安排生活和勞作的呢？”學(xué)生通過(guò)查閱資料、小組交流等形式，初步了解在遠(yuǎn)古時(shí)代，在鐘表發(fā)明之前，人類用天上的太陽(yáng)來(lái)計(jì)時(shí)。日出而作，日落而息，晝夜交替現(xiàn)象自然而然成了人類最早使用的時(shí)間單位。在沒(méi)有任何計(jì)時(shí)工具的情況下，古人又是根據(jù)哪些自然現(xiàn)象去判斷一天中的時(shí)間呢？人們最早掌握的計(jì)時(shí)方法是測(cè)量物體陰影在一天內(nèi)的變化情況。太陽(yáng)日復(fù)一日地東升西落，產(chǎn)生地球上物體的陰影運(yùn)動(dòng)。在人類早期，時(shí)間的概念是通過(guò)觀察這一自然現(xiàn)象而產(chǎn)生的，并逐漸學(xué)會(huì)了計(jì)算時(shí)間，因此，人們通過(guò)觀察陰影的長(zhǎng)度或運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算時(shí)間，這就是人類最早發(fā)現(xiàn)的光影計(jì)時(shí)的原理。在教學(xué)中，教師還要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步搜集、交流古人利用太陽(yáng)進(jìn)行計(jì)時(shí)的方法和事例，如人類根據(jù)這一原理，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐，設(shè)計(jì)出了“圭表”和“日晷”等天體計(jì)時(shí)工具。在實(shí)際的教學(xué)中，教師還要注重學(xué)生的探究實(shí)踐，可結(jié)合所學(xué)科學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)具有一定功能的簡(jiǎn)單裝置或?qū)嵨锬Ｐ停私馄渲械目茖W(xué)原理，探究其改進(jìn)的可能性。例如，結(jié)合“物體影子的變化規(guī)律”和“地球自轉(zhuǎn)”的相關(guān)知識(shí)，自主設(shè)計(jì)制作一個(gè)日晷，探究哪些因素會(huì)影響日晷晷針影子方向和移動(dòng)的快慢，晷面角度應(yīng)該如何設(shè)置才能使晷針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，不同地區(qū)、不同季節(jié)日晷可能會(huì)存在哪些差異，需要做哪些調(diào)整？……通過(guò)不斷地探索，提高日晷計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。

在探索古人利用天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)時(shí)后，教科書安排了探索“燃香計(jì)時(shí)”的規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察研究“一炷香”的時(shí)間，探究燃香的長(zhǎng)度變化是不是勻速的，分析計(jì)量某事物在一段時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生有規(guī)律的變化所需的時(shí)間是否一致，影響某一運(yùn)動(dòng)變化的時(shí)間相同與否的因素有哪些，并進(jìn)一步聯(lián)系生活實(shí)際研討“蠟燭可以用來(lái)計(jì)時(shí)嗎？”。學(xué)生在親歷探究實(shí)踐活動(dòng)后，能以事實(shí)為依據(jù)，從科學(xué)的視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行分析，初步形成了“在一定的條件下，燃香變短的速度基本是均勻的，可以用來(lái)計(jì)時(shí)”的科學(xué)觀念。

二、注重探究實(shí)踐，解決實(shí)際問(wèn)題

由于天體計(jì)時(shí)、燃香鐘計(jì)時(shí)等受外界因素影響較大，學(xué)生在親歷科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)后，會(huì)發(fā)現(xiàn)這些計(jì)時(shí)方法的局限和不足，便會(huì)產(chǎn)生改進(jìn)計(jì)時(shí)工具的內(nèi)在需求。在科學(xué)教學(xué)中，要適當(dāng)?shù)厝谌肟萍际返南嚓P(guān)知識(shí)，讓學(xué)生了解古代社會(huì)人們也是在不斷發(fā)展變化過(guò)程中繼續(xù)找尋自然界有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的物體或事件來(lái)幫助記錄時(shí)間推移的軌跡的，設(shè)計(jì)出了利用水鐘來(lái)計(jì)時(shí)，這就是漏刻計(jì)時(shí)。據(jù)梁代《漏刻經(jīng)》記載：“漏刻之作，蓋肇于軒轅之日，宣乎夏商之代。”早在公元前三四千年的父系氏族公社時(shí)期，我們的祖先就用漏刻這種滴水的器具來(lái)計(jì)時(shí)了。漏刻的發(fā)明是古人受到容器漏水現(xiàn)象啟發(fā)的結(jié)果，在機(jī)械鐘表傳入中國(guó)之前，漏刻也是我國(guó)使用最普遍的一種計(jì)時(shí)工具。

本單元安排了兩節(jié)課研究利用水鐘計(jì)量時(shí)間。在第2 課《用水計(jì)量時(shí)間》教學(xué)中，教師可直接出示教科書中的古代水鐘圖，讓學(xué)生仔細(xì)觀察后提出：“水真的可以用來(lái)計(jì)時(shí)嗎？古代是怎樣用水鐘來(lái)計(jì)時(shí)的？”這兩個(gè)問(wèn)題包含著本課的核心問(wèn)題，即水鐘流出的水速度是否會(huì)均勻？如何用水來(lái)計(jì)量時(shí)間，這樣自然而然就引出了本節(jié)課的兩個(gè)探索環(huán)節(jié)，一是觀察水流的速度，二是測(cè)量水流速度的變化。在接下來(lái)的探究活動(dòng)中，要讓學(xué)生重點(diǎn)研究用水計(jì)時(shí)的原理，如何設(shè)計(jì)才能使水流的流速達(dá)到均勻。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)充分考慮塑料瓶蓋上孔徑的大小、觀察一次所需的時(shí)間、測(cè)量的誤差等多種因素。推測(cè)從200 毫升水中流出50 毫升、100 毫升、150 毫升水分別需要多少時(shí)間并進(jìn)行重復(fù)多次的實(shí)測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)據(jù)分析，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)水流的速度是不均勻的，當(dāng)瓶中的水越來(lái)越少時(shí)，水的流速越來(lái)越慢，最后會(huì)斷斷續(xù)續(xù)呈滴狀。那么，瓶蓋孔的大小沒(méi)有變，水的流速為什么會(huì)發(fā)生變化呢？經(jīng)過(guò)細(xì)致觀察，邏輯推理能力強(qiáng)的學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，這是瓶?jī)?nèi)水位高低變化所引起的，水位高時(shí)，水流較急；水位越低，水流就越緩，漸漸地從流變成滴，甚至不再往下滴水。至此，學(xué)生便會(huì)提出新問(wèn)題：“水流的速度是在不斷地變化，那用水計(jì)時(shí)會(huì)準(zhǔn)確嗎？”如果學(xué)生注意到是水位變化引起水流速度變化，他們自然會(huì)想到必須控制瓶中的水位不變才能控制水流速度不變。此時(shí)再回顧古人的水鐘，讓學(xué)生再仔細(xì)觀察教科書上的“古代水鐘示意圖”，分析各構(gòu)件的作用，理解古人的設(shè)計(jì)原理，研討人們是怎樣控制水以均勻的速度往下滴的，為第3課《我們的水鐘》的教學(xué)做好準(zhǔn)備。

第3 課的研究任務(wù)是“讓我們制作一個(gè)計(jì)時(shí)10 分鐘的水鐘”。可以讓水從固定的水位高度流出相同的水量來(lái)計(jì)時(shí)，這就要求學(xué)生在制作時(shí)要想辦法控制水位高度不變，讓水以均勻的速度流動(dòng)從而計(jì)時(shí)。工程技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，在教學(xué)中教師要指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組合作，用畫圖的形式制訂設(shè)計(jì)方案，按照自己的設(shè)計(jì)確定流程、加工組裝、標(biāo)出刻度等。制作完成后還要繼續(xù)測(cè)試水鐘計(jì)時(shí)是否準(zhǔn)確，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并加以改進(jìn)。學(xué)生經(jīng)歷了“設(shè)計(jì)方案—?jiǎng)邮种谱鳌獪y(cè)試改進(jìn)”的工程活動(dòng)過(guò)程，進(jìn)一步明確了技術(shù)的核心是發(fā)明，技術(shù)與工程創(chuàng)造了人造物。

三、建構(gòu)時(shí)間概念，啟迪科學(xué)思維

自有時(shí)間概念以來(lái)，人們就不斷探索著準(zhǔn)確計(jì)量時(shí)間的方法，隨著人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)自然認(rèn)識(shí)的提高，人類對(duì)時(shí)間的要求也更加精確了。1583 年，在一次不經(jīng)意的發(fā)現(xiàn)中，伽利略觀察到教堂中的吊燈在微風(fēng)中前后擺動(dòng)，擺動(dòng)的弧線時(shí)長(zhǎng)時(shí)短，但不管擺幅是多大，吊燈往返的時(shí)間好像是一樣的。他意識(shí)到擺可以成為一種有規(guī)律的計(jì)時(shí)裝置，這引發(fā)了由擺動(dòng)的鐘擺來(lái)控制的機(jī)械鐘表的發(fā)展。

本單元安排3 個(gè)課時(shí)的內(nèi)容讓學(xué)生觀察了解機(jī)械擺鐘、研究擺的快慢、制作鐘擺。學(xué)生在通過(guò)對(duì)擺鐘的觀察研究后會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同小組1 分鐘擺的擺動(dòng)次數(shù)不同，由此引發(fā)新的問(wèn)題：擺的快慢受什么因素影響？在研究《擺的快慢》一課時(shí)，教師組織學(xué)生充分討論、預(yù)測(cè)哪些因素影響擺的擺動(dòng)速度。重點(diǎn)通過(guò)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)分別研究擺錘質(zhì)量、擺繩長(zhǎng)度與擺動(dòng)速度的關(guān)系。通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)擺動(dòng)速度與擺錘質(zhì)量無(wú)關(guān)，與擺繩長(zhǎng)度有關(guān)，擺繩越短，擺速越快，擺繩越長(zhǎng)，擺速越慢。本單元的第6 課《制作鐘擺》給學(xué)生提出了一個(gè)新的研究任務(wù)：讓我們制作一個(gè)1 分鐘正好擺動(dòng)60 次的擺。這是一項(xiàng)運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問(wèn)題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)，需不斷調(diào)試、改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的簡(jiǎn)易工程。同樣需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、研討等環(huán)節(jié)，尤其是要制定如何根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果更有效、更快捷地改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的策略。課后再讓學(xué)生繼續(xù)研究設(shè)計(jì)一個(gè)1 分鐘擺動(dòng)30 次或120 次的擺，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移與應(yīng)用能力，啟迪學(xué)生的抽象思維、邏輯思維，以及利用數(shù)學(xué)理解物理現(xiàn)象的意識(shí)。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步了解機(jī)械鐘表在我國(guó)的發(fā)展歷史，明白機(jī)械鐘表的發(fā)明和應(yīng)用是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程。

四、梳理系統(tǒng)概念，形成科學(xué)態(tài)度

當(dāng)今社會(huì)，計(jì)時(shí)工具的功能和作用日益增強(qiáng)，更新?lián)Q代日益頻繁，計(jì)時(shí)器的種類也經(jīng)歷了單一型到多樣化的蛻變。計(jì)時(shí)器除了要更加符合科學(xué)發(fā)展的要求而進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度外，更要與人類的生活方式相契合。本單元的最后一課安排了《計(jì)量時(shí)間和我們的生活》，學(xué)生將回顧本單元探究過(guò)的幾種計(jì)時(shí)工具，體會(huì)古人制作計(jì)時(shí)工具的智慧，調(diào)查比較人類計(jì)時(shí)工具的演變，認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)通過(guò)促進(jìn)人們的生活方式、思維方式的變革來(lái)推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展。本課要著重引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注計(jì)時(shí)工具的發(fā)展和人類生活的密切關(guān)系，通過(guò)航天器發(fā)射、乘坐飛機(jī)、百米賽跑、交通出行等具體事例說(shuō)明精確計(jì)時(shí)對(duì)我們現(xiàn)代生活的重要性，以及計(jì)時(shí)不精確可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。要求學(xué)生系統(tǒng)地梳理、總結(jié)人類計(jì)時(shí)工具的演變過(guò)程，體會(huì)計(jì)時(shí)工具的精確度對(duì)人們的生活、出行等方面的影響，以及幫助人類更好地探索未知的領(lǐng)域，這也是科技發(fā)展的必然結(jié)果。經(jīng)過(guò)本單元的學(xué)習(xí)，要讓學(xué)生歸納概括出“計(jì)時(shí)工具利用了物體運(yùn)動(dòng)的周期性變化規(guī)律”這一認(rèn)識(shí)，這是基于整個(gè)單元的研究概括提煉出的大概念，期望學(xué)生在探究人類計(jì)時(shí)工具發(fā)展的幾個(gè)比較典型階段的過(guò)程中，逐漸形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，將教學(xué)小課堂帶入人生大課堂，并在今后的學(xué)習(xí)生活中關(guān)注計(jì)時(shí)，準(zhǔn)確用時(shí)，珍惜時(shí)間。

計(jì)時(shí)工具的演變是人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)縮影。這種“大單元”的教學(xué)組織形式能夠在一個(gè)較長(zhǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)，以富有包容力的學(xué)習(xí)情境將散落在不同主題下的具體知識(shí)圍繞一個(gè)更為核心的概念重新編織，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解。學(xué)生只有經(jīng)歷這樣大單元、長(zhǎng)時(shí)間和系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)，才能以一種綜合的、聯(lián)系的思維來(lái)解決一些技術(shù)、工程與社會(huì)的問(wèn)題，提高他們的科學(xué)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。