太陽照射角度與影子長度模擬演示器

摘 "要 "以教科版《義務教育教科書 科學（三年級下冊）》第三單元第2課、第3課實驗為例，指導學生觀察一天中陽光下物體影子的方向和長度變化，設計制作太陽照射角度與影子長度模擬演示器，體驗科學學習的樂趣，培養科學精神。

關鍵詞 "科學；實驗；太陽照射角度；影子長度；模擬演示器

中圖分類號：G639 " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）24-0-04

1 "制作背景

《義務教育科學課程標準（2022年版）》中明確提出，要激發學習動機，加強探究實踐[1]。親歷以探究為主的學習活動是學生學習科學的主要途徑。筆者在講授教科版《義務教育教科書 科學（三年級下冊）》第三單元第2課、第3課實驗時，發現學生在探究一天之中物體在太陽光照射下影子變化的規律時存在困難。影子的變化包括長短變化和方向變化兩個方面。太陽是地球的光源，太陽位置的變化會引起地球上物體影子的變化。伴隨太陽的東升西落，陽光下物體的影子會隨著太陽位置的變化而產生變化。

第2課“陽光下物體的影子”[2]45-46，圖片中樹的影子是比較長的，那么其他時候也是這樣嗎？肯定不是的。那么在一天之中，物體的影子有什么變化規律呢？這個問題是本課程探究的核心問題。對于這個問題，學生已經有一定的生活經驗，具有“太陽東升西落，影子在太陽的反方向”“早上的影子很長”“影子有時候長，有時候短”等簡單的前認知。

第3課“影子的秘密”[2]47-48，教學目標是要求學生掌握影子的變化規律，包括方向和長短的變化。實驗過程：學生將手電筒聯想成太陽，將木圓柱聯想成小短桿，移動手電筒（模擬太陽）的位置，觀察木圓柱影子的變化。教科書在這個活動中展示了兩幅圖：第一幅圖是木圓柱不變，改變光線的照射角度使影子發生變化；第二幅圖是光源的照射角度不變，改變木圓柱的擺放方式使影子發生改變。這兩幅圖其實是在暗示，當一個實驗中有兩個影響結果的變量需要研究時，可以控制其中一個變量不變，同時改變另一個變量，以此研究改變的這個變量對實驗結果的影響。這就是科學研究中非常重要而且十分常用的控制變量法。

雖然在第2課提到用太陽的照射角度確定方向，但對太陽的照射角度沒有具體說明，學生對太陽的照射角度沒有概念，對太陽照射角度與影子長度之間存在變化關系的科學概念很模糊。因此，筆者創新設計太陽照射角度與影子長度模擬演示器，可以讓學生比較精準地認識一天中隨著太陽照射角度的變化，物體的影子會發生方向與長度的變化，從而能用科學數據得出科學結論。

2 "設計制作太陽照射角度與影子長度模擬

演示器

2.1 "制作材料

1）長240 cm、寬40 cm的纖維板一塊。

2）1.5 V電池兩個，30 cm導線22根，LED小燈泡若干，電池盒一個。

3）長30 cm、高15 cm的量角器圖案貼紙一張，長20 cm的直尺圖案貼紙一張。

4）壺蓋扣（用作開關）一個。

5）長5 cm的釘子一枚。

6）直徑30 cm的圓盤一個。

2.2 "制作步驟

2.2.1 "主體框架與底座構建

1）主體框架制作。將長240 cm、寬40 cm的纖維板裁剪成六塊38 cm×38 cm的正方形板塊，然后用木工膠或螺絲將其中五塊板塊拼接成正方體框架，預留一面制作觀察窗口。

2）底座設計。將直徑30 cm的圓盤設為底座，將長5 cm的釘子置于圓心。實物圖如圖1所示。

3）觀察窗口制作。將剩余的一塊正方形板裁切成半圓形邊緣，確保半圓直徑與正方體邊長相匹配，然后固定在頂部作為觀察窗口。使用透明塑料片覆蓋半圓開口，以便清晰觀察內部。

2.2.2 "電路與量角器安裝

1）電路布局。在正方體內部底部安裝電池盒，確保電池能夠輕松更換。根據設計電路圖，使用長30 cm的導線將電池盒與壺蓋扣開關連接，再從開關引出導線至量角器所在面。

2）量角器與燈泡安裝。將長30 cm、高15 cm的量角器圖案貼紙垂直貼于正方體一側的中央，確保其準確無誤。根據量角器上的角度標識（實際操作中可考慮簡化為0°～90°），預先在量角器上標記好的位置鉆小孔（每10°或更小角度間隔），安放LED小燈泡，如圖2所示。使用熱熔膠固定燈泡，確保安全且穩固。

3）電路連接。利用導線將每個小燈泡與主電路相連，確保開關控制每盞燈的通斷。測試電路，確認每個角度對應的燈泡可以獨立點亮。在正方體背面或側面安裝一并聯轉盤式開關，如圖3所示。在正方體內部，靠近量角器位置安裝電池盒，如圖4所示。當轉動連接指針的開關，指針與連有導線的觸點接觸時，接觸點與量角器角位上哪個小燈泡連接，哪個小燈泡就會亮，如圖5所示。

2.2.3 "直尺安裝

在正方體底部的圓盤中心，用長5 cm的釘子固定直尺，直尺應設計為可以輕松旋轉并鎖定在特定位置，以便測量不同角度下影子的長度。如當開關分別點亮量角器0°、10°、20°、30°、40°、

50°、60°、70°、80°、90°處的小燈泡時，處在圓心的釘子就會隨著小燈泡角度的不同，在圓盤上留下不同方向、不同長短的影子，如圖6所示。要確保影子在哪個方向，直尺就轉向哪個方向，并準確測出影子的長度，如圖7所示。

2.2.4 "最終檢查與調試

1）安全檢查。檢查所有連接是否穩固，電路是否有裸露部分，確保使用的燈泡功率適宜，避免過熱。

2）功能測試。通過開關依次點亮不同角度的小燈泡，觀察并記錄底座上物體影子的變化，確保模擬器運作正常。

2.2.5 "注意事項

1）在制作過程中，始終注意安全，尤其是處理電路和尖銳工具時。

2）電路連接應確保正確無誤，避免短路，可事先繪制電路圖作為參考。

3）確保所有材料固定牢固，防止在使用中松動或脫落。

3 "使用方法

3.1 "簡要使用方法

1）在正方體中的圓盤上先確定東、南、西、北方位，小燈泡模擬太陽，圓盤上的釘子模擬物體。

2）依次將開關點亮量角器上處在10°、20°、

30°、40°的小燈泡，觀察影子的方向，并量出影子的長度，做好實驗記錄。

3）以此類推，分別點亮量角器上50°、60°、70°、80°、90°處的小燈泡，并量出影子的長度。注意：沿量角器圓弧軌跡自東向西點亮小燈泡。

3.2 "詳細使用方法

3.2.1 "準備階段

在開始實驗前，確保所有連接正確無誤，小燈泡亮度均勻，開關轉動順暢，電池電量充足。

3.2.2 "理論結合

在進行實驗之前，簡要復習或講解光的直線傳播原理、太陽高度角的概念，以及它們與影子形成的關系，幫助學生建立理論基礎。

3.2.3 "記錄與分析

建議學生準備實驗記錄表，包括時間（模擬時間，如早晨、中午、傍晚）、太陽高度角（即點亮小燈泡的角度）、影子方向、影子長度等指標。鼓勵學生用圖表形式記錄數據，便于后續分析和討論。

3.2.4 "小組合作

可以將學生分成小組，每組負責不同角度的實驗，之后進行組間分享，討論不同角度下影子變化的規律和原因。

3.2.5 "探究拓展

引導學生思考和討論：為什么模擬器要設計180°？借此引出地球自轉與公轉、季節變化對太陽高度角影響的討論。

3.2.6 "安全與維護

操作過程中提醒學生注意用電安全，避免直視強光；實驗后及時關閉電源，清理實驗設備，保持教具的完好。

4 "實驗結論

當太陽高度角從0°逐漸增大至90°時（即從日出到正午的過程中），太陽照射角度越大，物體的影子越短；反之，太陽高度角越小（接近日出或日落時），物體的影子越長。

5 "教學意義和價值

太陽照射角度與影子長度模擬演示器的制作，旨在引導學生用更準確的方法探究太陽照射角度與影子長度之間的關系。模擬器上安裝科學儀器量角器和直尺，有利于引導學生以更嚴謹的態度對待科學研究，改變以往教師做實驗時用手電筒照射物體，學生只看到物體影子有變化，但沒有準確數據支撐的狀況。

5.1 "實用意義

太陽照射角度與影子長度模擬演示器可以模擬太陽從升起到落下的全天運動軌跡，展示太陽高度角隨時間的變化，讓學生能夠觀察到任意時刻太陽的位置及對應的地面上的影子，實時展示不同太陽高度角下物體影子的長度和方向變化。

5.2 "教學意義

太陽照射角度與影子長度模擬演示器的開發和應用，在科學教育中具有深遠的教學意義和重要的教學價值，具體體現在以下幾個方面。

5.2.1 "直觀教學，增強理解

通過太陽照射角度與影子長度模擬演示器，學生可以直接觀察到隨著太陽照射角度的變化，物體影子長度和方向的即時變化，這種直觀的視覺體驗遠遠超過傳統口述或靜態圖片展示的效果，極大地增強學生對這一自然現象的理解和記憶。

5.2.2 "量化分析，培養嚴謹的科學態度

通過量角器和直尺的精確測量，學生能夠收集具體的太陽高度角和影子長度的數據，從而進行定量分析。這一過程不僅讓學生體驗到科學探究的嚴謹性，還可以培養他們用數據說話、科學論證的思維習慣。

5.2.3 "培養創新與實踐能力

將太陽照射角度與影子長度模擬演示器融入科學課程的教學計劃中，設計一系列探究活動，如“一天中的影子追蹤”“不同季節影子變化比較”等。在動手制作和使用模擬演示器的過程中，學生不僅學會科學儀器的使用，還能引發對設備進行改良或創新的想法。

5.2.4 "科學精神的熏陶

通過太陽照射角度與影子長度模擬演示器實驗，學生在操作中體會到科學研究的規范性、實證性和探索性，逐步培養尊重事實、勇于探索、嚴謹求實的科學精神。

6 "改進措施

在數字化時代大背景下，本研究對太陽照射角度與影子長度模擬演示器提出以下改進措施。

6.1 "核心組件

光源模擬裝置，使用可調節高度與方位的LED燈或小型投影儀作為太陽光源，模擬從升起到落下的太陽位置變化。

6.2 "時間控制系統

集成電子定時器或編程模塊，可以設定并自動調整光源的高度和方向，模擬一天中不同時刻的太陽位置。

6.3 "觀察平臺

固定一塊可旋轉的平面（如帶有角度標記的圓形轉盤），用于放置模型物體，模擬地球表面，同時便于觀察和測量影子。

6.4 "模型物體

提供一根可調節高度的標桿或模型樹，用于生成影子，模擬不同高度的物體。

6.5 "數據記錄與分析

配備數據記錄裝置，如集成的屏幕或連接到電腦的軟件，實時顯示太陽高度角、影子長度與方向，并記錄變化數據。

6.6 "控制面板

設計一個簡單易用的控制面板，允許學生手動或自動調整時間、地理位置參數，以探索不同條件下的影子變化。

7 "結束語

總之，太陽照射角度與影子長度模擬演示器不僅是一種教學工具，更是科學教育理念和方法創新的體現，它以學生為中心，通過動手實踐和探究學習，有效提升學生的科學素養，為培養未來社會所需的創新人才奠定堅實的基礎。

8 "參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：3.

[2] 郁波.義務教育教科書 科學（三年級下冊）[M].北京：教育科學出版社，2019.