4.改進小水鐘【教學分析】本課屬于技術與工程領域，主要活動包括：基于上節課對自制小水鐘的使用經歷，提出保持漏壺中水位不變的新的改進目標。在此目標驅動下，收集關于三級漏刻的相關信息，建立模型認知，最終在此基礎上，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更方便的辦法，二是解決漏壺出水孔大小的比例協調難題。【教學目標】（1）知道隨著漏壺內水位的降低，漏壺滴水會越來越慢，這是造成小水鐘變慢的主要原因。古人為解決這一困難發明了三級漏刻。用多級分水的方法可以改進自制的小水鐘。（2）能依據對三級漏刻資料的閱讀理解，改進自制小水鐘，發展實踐能力和解決實際困難的能力，在對改進后的小水鐘的測試評價中，繼續培養反思評價能力。（3）體會動手做的樂趣，感受經過努力解決困難的喜悅，繼續引發對中國古人智慧的欽佩之情。（4）體會需求對技術發展的促進作用。教學重點：用多級分水的方法可以改進自制的小水鐘。教學難點：改進自制小水鐘。【教學準備】材料準備：教學課件：三級漏刻的資料和圖片、視頻或模型。學生制作材料：塑料瓶（形狀規則的圓筒形最好）、直尺、錐子、美工刀、記號筆等。活動場地：教室或實驗室。【教學過程】1.導入活動，發現問題師：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？是什么原因造成的呢？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，你有什么發現？生：瓶子里的水越少，水流得越慢。 師：是這樣，我們可以看到隨著水的不斷漏出，瓶中水位發生變化。開始水位高時，水流速度快，同樣多的水用時短；慢慢水位降低，水流速度變慢，同樣多的水用時就越來越長，甚至漸漸的就從水流變成水滴了。明白了嗎？生：原來原因是水位的變化。師：其實古人在很早的時候，就發現了這個現象。（師出示滿城漏壺圖片）師：同學們現在看到的是滿城漏壺，一種泄水型水鐘。西漢時，這種水鐘就已經很常見了，但就像我們所發現的那樣，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，可以計時卻精確度不高。2.設計制作初步改進小水鐘師：如果想要更準確地測量時間，最需要解決的問題是什么？生：應該是水位的問題。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，保持水流速度穩定。那么可以怎樣做呢？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？（生小組討論）師：想好怎么做了嗎？生：先在上面的瓶子里畫一條線，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，一個人用表計時間，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毫升水在瓶子上畫上線，總共加6次、畫6條線。然后把全部300毫升水倒進上面的瓶子里，然后再一人負責隨時往上面瓶子里加水來保持水位不變，一個人負責計時。下面瓶子里的水每增加50毫升時記錄一次時間，看看這樣每流出50毫升水時間是不是一樣的。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：老師，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：對，泄水型的水鐘我們不容易改進它。那么你們就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.設計制作進一步改進小水鐘師：怎么樣，這次的測試結果如何？生：這次比上節課要好多了。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。生：。師：為大家的成功鼓掌。但是，我們再想一想，如果在實際的應用中，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。生：一個人恐怕還不夠，他也得吃飯睡覺呀！師：這還真實一個現實的困難，那怎么辦呢？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：那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。聰明的中國古人也遇到了這個困難，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，收集三級漏刻信息）師：看看我們知道了什么。三級漏刻一共有幾個壺？分別有什么作用？生：三級漏刻一共有三個壺，最上面的叫天壺，中間的叫平水壺，下面的叫受水壺。生：不對，應該是四個壺，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，平水壺就像是上面的瓶子，天壺就像剛才我們用來往上面瓶子里加水的瓶子。師：分水壺的作用呢？生：平水壺里的水要是加多了就從壺里流到分水壺里。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，他們給平水壺開個孔，這樣往平水壺里多加的水可以流到分水壺里，這樣就可以保持平水壺里的水位不變了。師：我們一起給智慧的中國古人一點掌聲吧！師：大家有沒有信心，模仿古人也做一個多級漏刻，讓它自己準確計時呢？生（齊）：有！師：好。不過制作和測試的時候遇到新的困難時，老師希望你們能像古人們學習，動腦筋、多觀察、想辦法、不氣餒，先預祝你們成功！（小組分工合作，進一步改進小水鐘）師：遇到了什么新問題嗎？生：我們剛才發現平水壺里的水還是往下降。師：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了，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，提升認識師：時間關系，我們的改進小水鐘只能先到這里了。最后老師想請大家說一說，這次的改進小水鐘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：我們知道了古人發明了三級漏刻。師：在經驗上有什么收獲嗎？生：遇到困難可以查一查資料，看看以前的人們是怎么解決的。生：要想成功，小組幾個人要合作好。生：遇到困難要動腦筋，仔細觀察，認真分析。生：。師：說得真好！最后老師請大家看一張圖片。古人在不斷研究中，逐步改進漏刻，制作出多級式銅壺滴漏，同學們現在看到的，是我國現存最早、最大、最完整的銅壺滴漏，為元代鑄造。整件滴漏由四個銅壺組成，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。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歐洲人發明了擺鐘才被超越。在長達1500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。如果你想感受它的魅力，在中國國家博物館、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。現在，鼓樓的旁邊還建有北京時間博物館，藏有圭表、刻漏、渾天儀等各類計時儀器。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，一直是我國古代計時的主要儀器。從單壺到復式漏壺，水鐘計時越來越精確。同學們，追求精準計時，一直是人類的目標和動力，那么，比多級滴漏還要精準的擺鐘是怎樣計時的呢？下節課我們將繼續了解計時工具的發展。【教學反思】本課的主要活動是改進小水鐘，核心無疑是在“改進”這個任務的完成。它體現了技術工具的發明和發展不是一蹴而就的，而是不斷地改進與進化的，這種變化是基于人類不斷追求的基礎上的。當我們將研究的重點聚焦于想辦法保持水面不變的難題時，學生首先想到的是人工加水的方法，教師沒有武斷地提出不足予以否定，而是組織學生先按照自己的想法進行嘗試，在具體的操作過程中體會這種方法的不便之處，從而產生更加方便的新需求。自動補水保持水位不變的方法是學生一時難以想到的，在了解了多級漏刻的原型之后，這種設計就簡單了許多，學生也就表現出挑戰困難的期待。但實際上他們還將遇到新的困難，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境況，這樣就又產生了新的問題。而對于這些新問題，教師安排學生自己去想辦法解決，而不是直接告訴學生應該怎么做。這樣，解決難題后的興奮與滿足感就會給學生一種心靈上的滌蕩。【總結點評】本單元有一個重要的教學目標，就是達成主要概念18中的一些學習目標，包括：18.1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。18.2-1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。18.2-2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。18.3-1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。18.3-2在制作過程中及完成后進行相應的測試和調整。本課中對這些目標的達成集中體現在“改進與建議、測試與調整”層面，這是本課教學的主要任務。而這個任務的高效完成必然依托于學生的科學思維和動手實踐經歷。所以，給學生提供他們力所能及的挑戰就成為必須。本課學生在明確了“保持水位不變”的任務之后，經過了初步設計與嘗試，收集原型信息，再次設計與嘗試，又發現新的困難，繼續改進設計與嘗試，最終完成任務。這是一個不斷發展、不斷進階、難度越來越大的有序過程。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，這些都為學生未來關于技術與工程領域的學習形成正遷移。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，實現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，并使學生體會到工具的發展性特點