百刻悟參商點(diǎn)滴連早暮-古代計時器之銅壺滴漏

實(shí)驗(yàn)課名稱：百刻悟參商，點(diǎn)滴連早暮—古代計時器之銅壺滴漏作者姓名：路海波學(xué)校名稱：北京市東直門中學(xué)參與人員：秦曉文、趙維學(xué)科：物理年級：八年級一、使用教材：人民教育出版社義務(wù)教育教科書物理八年級上冊第一章第一節(jié)長度和時間的測量二、實(shí)驗(yàn)器材自制多級漏壺（包含階梯式底座、規(guī)格不同的開口塑料杯、膠塞、浮標(biāo)）、水、毛（1）學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材如圖1圖1學(xué)生器材（2）教師演示實(shí)驗(yàn)器材（復(fù)原我國古代銅壺滴漏）如圖2圖2教師演示器材三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容時間是物理學(xué)七個最基本的物理量之一，是理解和掌握物理現(xiàn)象、描述物理規(guī)律的基礎(chǔ)，是物理定律中的參數(shù)和物理系統(tǒng)中的變量，同時也是定義其他物理量的基本參照。自有文字記載以來就有關(guān)于測量的描述，測量是人類認(rèn)知的基石，是物理學(xué)的支撐，更是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。因此，學(xué)習(xí)并體驗(yàn)時間的測量對學(xué)生今后的物理學(xué)習(xí)具有深遠(yuǎn)意義。本節(jié)課以“時間的測量”和“傳統(tǒng)文化育人”兩條線索開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在溯源時間測量的科技史中，學(xué)生通過對銅壺滴漏測量時間的方法、原理及標(biāo)準(zhǔn)的探究，由表及里地了解并掌握物理學(xué)中測量的基本原理和方法（如圖3）。通過拓展實(shí)踐作業(yè)的設(shè)計將實(shí)驗(yàn)教學(xué)從課堂延伸向?qū)嶋H生活，使學(xué)生認(rèn)識到銅壺滴漏這一古代工程技術(shù)在當(dāng)代社會中實(shí)際存在的意義和應(yīng)用價值，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力。古人將一天中浮尺高度的變化均分為一百份，極大地提高了計時精度，這就是“百刻”的含義。得益于我國銅壺滴漏計時的精確性遙遙領(lǐng)先于其他國家，古人對于天文現(xiàn)象的研究才走在世界的前列。參商是古代對星宿的命名，“百刻悟參商”是對銅壺滴漏在人類文明史中重要作用的精煉。陸游在《悲秋》中寫道“秋雨如漏壺，點(diǎn)滴連早暮”，概括了滴漏計時在人們生活中的重要地位。人們無法穿越時空回到古代，但是文物卻是穿越千年而來。從某種程度上講，銅壺滴漏的課程設(shè)計正是實(shí)現(xiàn)了這種古今對話。圖3實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（一）物理觀念（1）通過時間的測量，了解物理測量的關(guān)鍵和標(biāo)準(zhǔn)。（2）通過銅壺滴漏的發(fā)明與改進(jìn)，了解測量是物理實(shí)驗(yàn)的基本環(huán)節(jié)。（二）科學(xué)思維（1）通過制作銅壺滴漏的實(shí)驗(yàn)過程，體會轉(zhuǎn)換、控制變量等多種科學(xué)思維方法在探究中的使用。（2）學(xué)生在體驗(yàn)多級漏壺計時的實(shí)驗(yàn)過程中能夠內(nèi)化多種學(xué)習(xí)方法和策略，能對相關(guān)問題和信息進(jìn)行分析和簡單處理，初步發(fā)展科學(xué)推理能力。（3）能利用流水計時的數(shù)據(jù)對研究的問題進(jìn)行分析和解釋，能對提高計時準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)方案提出自己的見解，初步發(fā)展科學(xué)論證能力和質(zhì)疑創(chuàng)新的意識。（三）科學(xué)探究通過經(jīng)歷銅壺滴漏的發(fā)明與改進(jìn)過程，設(shè)計并開展“輸液器如何控制流速”、“如何設(shè)計量程固定的滴漏”、“機(jī)械鐘表如何計時”等拓展性實(shí)踐活動，發(fā)展提出問題、合理猜想、分析探究、交流評估、得出結(jié)論等科學(xué)探究能力。（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任（1）學(xué)生通過利用流水精確計時的探究，體會古人解決問題的智慧和精益求精的執(zhí)著精神，增強(qiáng)民族自豪感，提升文化自信；（2）學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究的過程中體會到傳統(tǒng)文化的內(nèi)核在當(dāng)代社會中發(fā)揮的巨大作用，能體會物理學(xué)對人類生活、工程實(shí)踐和社會發(fā)展的影響，從而激發(fā)思考與探究的興趣，提升探索自然的內(nèi)在動力。五、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)（一）傳承傳統(tǒng)文化，實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人價值銅壺滴漏是我國古代最重要的計時儀器之一，它的發(fā)展極大地推進(jìn)了古人對于天文現(xiàn)象的研究，為人們生產(chǎn)效率的提高奠定了基石。優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化一直是中華民族自立自強(qiáng)和不斷奮進(jìn)的源動力，而銅壺滴漏是我國古代輝煌科學(xué)技術(shù)成就的縮影，因此將其納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義。學(xué)生在本節(jié)課的古今對話中能夠體會到我國古代科技對人類文明發(fā)展的作用，認(rèn)識到我國深厚的文化軟實(shí)力，感悟到傳統(tǒng)文化的內(nèi)核在當(dāng)代社會中發(fā)揮的巨大作用，提升文化自信。（二）跨學(xué)科實(shí)踐，踐行創(chuàng)新人才培養(yǎng)銅壺滴漏的實(shí)驗(yàn)教學(xué)貫穿古代科技成就與現(xiàn)代技術(shù)，完美地將物理學(xué)與工程實(shí)踐聯(lián)系到一起，使學(xué)生切實(shí)體會到物理學(xué)對工程技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用。課前學(xué)生在社團(tuán)活動中完成對實(shí)驗(yàn)器材的簡單設(shè)計（如圖4），并進(jìn)行切割、打孔、粘接等工作（如圖5、圖6），最大限度地真實(shí)參與到實(shí)驗(yàn)活動的各個環(huán)節(jié)；課堂中學(xué)生以問題“如何讓流量更加穩(wěn)定”的解決過程為線索設(shè)計方案、動手實(shí)踐，積極內(nèi)化多種學(xué)習(xí)方法和策略；課后學(xué)生通過拓展類實(shí)踐作業(yè)將課堂知識延伸至實(shí)際生活，切實(shí)提高動手操作的實(shí)踐能力。學(xué)生經(jīng)歷階梯式的實(shí)踐操作過程，不但掌握了多種工具的使用方法，提升了解決實(shí)際問題的能力，也弘揚(yáng)了精益求精的工匠精神。圖4學(xué)生與老師討論方案設(shè)計圖5學(xué)生在切割制作浮標(biāo)的細(xì)管和支架圖6學(xué)生作品：自制圭表、日晷模型（三）促進(jìn)學(xué)科融合，尊重學(xué)生體驗(yàn)本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課還涉及到了語文、歷史和勞動技術(shù)學(xué)科，打破學(xué)科間壁壘，促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)的養(yǎng)成以及對知識的整合與遷移。學(xué)生通過問題鏈引導(dǎo)，自主探究等方式，不斷解決實(shí)驗(yàn)中遇到的真問題，持續(xù)發(fā)展自身的科學(xué)思維水平，形成正確的物理觀念。實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過多樣化的學(xué)習(xí)方式與教學(xué)方式開展，通過課堂觀察、后測、作業(yè)等多種方式對學(xué)生進(jìn)行持續(xù)性評價，始終關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)，注重學(xué)生的思維養(yǎng)成過程。學(xué)生遇到每一個問題以及提出的解決方案，與古人對銅壺滴漏的研究思想一致，能夠體驗(yàn)到“學(xué)有所成”的成就感。但學(xué)生的思維并沒有停留在“復(fù)制”“重復(fù)”的淺層次，而是通過情景供給、任務(wù)驅(qū)動、問題引導(dǎo)、自制創(chuàng)新教具，自主建構(gòu)知識體系、自主思考批判質(zhì)疑，獲得了能夠解決真實(shí)問題的高階思維能力。（四）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，豐富學(xué)生實(shí)驗(yàn)資源義教新課標(biāo)對學(xué)生的綜合實(shí)踐能力提出了更高要求，鼓勵學(xué)生了解我國古代的技術(shù)應(yīng)用案例。本節(jié)實(shí)驗(yàn)課是對教材內(nèi)容的有效補(bǔ)充，學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程掌握物理測量類實(shí)驗(yàn)方法，逐步嘗試設(shè)計制作古代計時裝置——銅壺滴漏。博物館中現(xiàn)存的銅壺滴漏（如圖7）是金屬制成，不利于學(xué)生觀察和制作，且成本較高，因此我們使用易于觀察探究的透明塑料材料進(jìn)行設(shè)計制作（如圖8）。塑料材料易于獲得、成本較低，且容易加工與改進(jìn)，更加適合學(xué)生根據(jù)自己的方案進(jìn)行設(shè)計制作。實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)為學(xué)生的實(shí)踐探究提供了更多的可能，學(xué)生可以根據(jù)自己的真實(shí)猜想去選擇器材完成探究實(shí)驗(yàn)，這樣更利于培養(yǎng)他們大膽猜想、樂于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新的精神。圖7首都博物館藏品為金屬材質(zhì)圖8學(xué)生制作的漏壺模型為塑料材質(zhì)六、實(shí)驗(yàn)原理/實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路 （一）實(shí)驗(yàn)原理能夠?qū)r間的測量轉(zhuǎn)化為液面高度的變化（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路如圖8所示圖9實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計思路七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程環(huán)節(jié)一：游戲引入，體會測量之功教師活動學(xué)生活動任務(wù)1：趣味挑戰(zhàn)，估測時間鼓勵學(xué)生不利用任何工具，僅憑借自己的感覺估測時間，比一比誰的感覺更可靠。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注估測與實(shí)際之間的差異，意識到測量工具的必要性。問題1：你知道生活中有哪些測量時間的工具么？學(xué)生活動1：學(xué)生嘗試估測，并與實(shí)際時間對比，體會測量的必要性（如圖10）。圖10學(xué)生估測時間列舉生活實(shí)例活動意圖說明認(rèn)識到人的感覺不可靠，了解測量工具的必要性環(huán)節(jié)二：追溯歷史，感悟古人之智教師活動學(xué)生活動任務(wù)2（課前）：了解并介紹我國古代的計時工具播放學(xué)生自制話劇《光陰的故事》，引出古代精確計時工具—銅壺滴漏（如圖11）圖11學(xué)生自制話劇觀看話劇，共同追溯我國古代燦爛的科學(xué)史，了解我國古代計時工具的發(fā)展?？偨Y(jié)古人計時方法，了解銅壺滴漏的作用，進(jìn)而感受古人智慧和傳統(tǒng)文化魅力?；顒右鈭D說明了解我國古代輝煌的科技成就，提升民族自豪感。體會古人對于精確計時的執(zhí)著追求，激發(fā)對于銅壺滴漏準(zhǔn)確計時的探究興趣。環(huán)節(jié)三：精益求精，領(lǐng)略智慧之光教師活動學(xué)生活動初步體驗(yàn)利用流水測量時間問題2：利用流水測量時間時，應(yīng)該觀察什么現(xiàn)象來判斷時間長短？任務(wù)2：利用流水進(jìn)行時間的簡單測量——單級供水測時間問題3：你認(rèn)為是哪些因素造成了流量的不穩(wěn)定？問題4：根據(jù)自己的猜想，你有什么辦法可以使流量穩(wěn)定？學(xué)生質(zhì)疑：古代容器是不透明的無法直接觀察水位的變化，古人是通過什么方法判斷壺中水位的變化？改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，提高計時準(zhǔn)確性任務(wù)3：根據(jù)自己的猜想選擇合適器材，體驗(yàn)二級供水測時間問題5：根據(jù)自己的猜想，你有什么辦法可以使流量更加穩(wěn)定,讓滴漏的計時更加準(zhǔn)確？教師演示實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)提高計時準(zhǔn)確性利用國家博物館陳列的廣州彥佑漏模型測量時間（如圖14）圖14廣州彥佑漏模型學(xué)生活動2：體驗(yàn)單級供水測時間（如圖12），初步了解利用流水測量時間的原理：滴水的等量性110圖12單級供水計時學(xué)生器材發(fā)現(xiàn)問題：隨著水位的下降，流速越來越慢，流量不穩(wěn)定。提出猜想：隨著水位的降低，水的流速減慢水壺的底面積太小問題解決：增加水壺，及時向受水壺中補(bǔ)充水。增大水壺的底面積提出質(zhì)疑并思考問題解決：放入浮標(biāo)學(xué)生活動3：體驗(yàn)二級供水測時間，驗(yàn)證解決方案的有效性（如圖13）。0012圖13二級供水計時學(xué)生器材發(fā)現(xiàn)問題：水位的變化較小，流量較為穩(wěn)定，計時比單級漏壺準(zhǔn)確，但仍然不夠精確。提出猜想：隨著供水壺中的水位下降，流速依然在變化；水壺的底面積太小問題解決：繼續(xù)增加供水壺，以達(dá)到及時向下級壺供水的作用；增大容器的底面積觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：計時更加準(zhǔn)確驗(yàn)證猜想活動意圖說明通過“銅壺滴漏如何利用流水精確測量時間？”這一情境大問題的解決過程，教師不斷將情境問題轉(zhuǎn)換為物理問題，促進(jìn)學(xué)生完成“時間的測量”這一課標(biāo)內(nèi)容的深入學(xué)習(xí)。學(xué)生在遞進(jìn)的問題鏈推動下不斷思考流量不穩(wěn)定的原因，交流討論有效的解決方案，這一過程的有效實(shí)施切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和質(zhì)疑能力。環(huán)節(jié)四：博古通今，感悟科學(xué)之美教師活動學(xué)生活動介紹銅壺滴漏的發(fā)展歷程（如圖15）及其對科學(xué)、生產(chǎn)和生活的重要意義。圖15我國古代漏壺的發(fā)展問題6：你知道生活中有哪些需要控制流速的例子么？共同追溯我國古代燦爛的科學(xué)技術(shù)成就，感受古人的智慧和傳統(tǒng)文化的魅力。發(fā)現(xiàn)自己在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題與思考，產(chǎn)生的猜想與驗(yàn)證與一代代科學(xué)家的探索是一致的，體驗(yàn)真實(shí)的科學(xué)探究過程。思考并討論列舉生活實(shí)例：靜脈輸液器、調(diào)節(jié)閥、水龍頭、實(shí)驗(yàn)室恒流泵活動意圖說明：體會古人不斷探索自然的執(zhí)著精神，從而初步形成正確的世界觀及持之以恒、不斷創(chuàng)新的科學(xué)品質(zhì)。引導(dǎo)學(xué)生不但關(guān)注對結(jié)果的陳述，更要重視對因果關(guān)系的探求。了解本節(jié)課內(nèi)容在當(dāng)代生活中的實(shí)際意義和應(yīng)用價值，提升學(xué)以致用的意識。環(huán)節(jié)五：拓展實(shí)踐，體驗(yàn)科技之力教師活動學(xué)生活動任務(wù)4：課后實(shí)踐拓展作業(yè)1.請簡單介紹靜脈輸液器是如何控制流速穩(wěn)定的？2.你能根據(jù)課上所學(xué)知識設(shè)計一個量程為1小時的滴漏么?3.隨著科技的發(fā)展，我們現(xiàn)在使用的計時工具多種多樣，你能簡單說一說機(jī)械鐘表計時的原理么？學(xué)生活動4：利用課后時間完成實(shí)踐拓展類作業(yè)，并用文字、圖畫、視頻等形式分享展示成果。學(xué)生用圖片和文字（如圖16）解釋輸液器流速穩(wěn)定的原因：圖16學(xué)生拓展作業(yè)學(xué)生自制齒輪傳動，演示機(jī)械鐘表內(nèi)部的機(jī)械原理（如圖17）：圖17學(xué)生演示鐘表內(nèi)部齒輪傳動活動意圖說明：實(shí)驗(yàn)教學(xué)從課堂延伸向?qū)嶋H生活，使學(xué)生認(rèn)識到銅壺滴漏這一古代工程技術(shù)在當(dāng)代社會中實(shí)際存在的意義和應(yīng)用價值，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力，提高學(xué)以致用的能力。八、實(shí)驗(yàn)效果評價（一）強(qiáng)化學(xué)科實(shí)踐，立足實(shí)踐育人在課程實(shí)施上突出科學(xué)思想方法和探究方式的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)知行合一、學(xué)思綜合，倡導(dǎo)做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)。實(shí)驗(yàn)活動需要學(xué)生用物理學(xué)科獨(dú)特的方式方法來學(xué)習(xí)物理，能促使學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)路徑發(fā)生變化。同時，課后實(shí)踐類、拓展類作業(yè)的設(shè)計彌補(bǔ)了課堂教學(xué)在時間和空間上的局限性，實(shí)現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的教育理念，推動學(xué)生像專家一樣的思考與行動，達(dá)到學(xué)科育人的根本目的。（二）聚焦核心素養(yǎng)，關(guān)注學(xué)生成長“百刻悟參商，點(diǎn)滴連早暮”兩句詩詞既概括了銅壺滴漏的重要作用，又極大地激發(fā)了學(xué)生的求知欲，用新穎的課程內(nèi)容點(diǎn)燃學(xué)生的探究興趣。學(xué)生經(jīng)歷了完整的探究過程，發(fā)展提出問題、合理猜想、分析探究、交流評估、得出結(jié)論等科學(xué)探究能力，形成了良好的科學(xué)思維和正確的科學(xué)態(tài)度。我們有意識、有計劃地吸收古代科學(xué)技術(shù)史上的優(yōu)秀成就，并與時代科技發(fā)展前沿成果進(jìn)行銜接，讓學(xué)生在利用流水測量時間的探究過程中學(xué)會觀察生活，進(jìn)而熱愛生活，逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展所需要的必備品格和能力。（三）促進(jìn)學(xué)科融合，強(qiáng)調(diào)能力生成課程內(nèi)容跳出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)框架，引導(dǎo)學(xué)生共同追溯我國古代燦爛的科學(xué)史，感受古人的智慧和傳統(tǒng)文化的魅力。課程實(shí)驗(yàn)活動內(nèi)容涉及到了歷史、語文和數(shù)學(xué)學(xué)科，讓實(shí)驗(yàn)課堂變得“古色古香”、“詩意盎然”，使學(xué)生“樂于學(xué)”。課程體現(xiàn)了個人、社會、自然的內(nèi)在聯(lián)系，強(qiáng)化了科技、藝術(shù)、道德等方面的內(nèi)在整合，促使學(xué)生以融合學(xué)科知識的實(shí)踐方式獲得關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界的體驗(yàn)和認(rèn)知。（四）評價方式多樣，尊重學(xué)生體驗(yàn)對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)評價采用過程性評價與成果性評價相結(jié)合的方式，實(shí)施學(xué)習(xí)動機(jī)、過程和效果三位一體的評價。將評價的視野投向?qū)W生的整個實(shí)驗(yàn)活動過程，注重對學(xué)生的思維過程，肯定一切有價值的學(xué)習(xí)成果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的豐富性，真正關(guān)注學(xué)生的點(diǎn)滴成長。九、教學(xué)反思與改進(jìn)（一）本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容沒有局限于課本，而是對教材內(nèi)容做了有益補(bǔ)充。新課標(biāo)鼓勵學(xué)生了解我國古代的技術(shù)應(yīng)用案例，并嘗試制作相應(yīng)裝置。課標(biāo)中時間的測量為學(xué)生必做測量類實(shí)驗(yàn)，本節(jié)課首次將銅壺滴漏這一古代精確計時裝置引入課堂，不但完成“時間的測量”這一基