李颖 张国富

摘要《改进小水钟》一课让学生制作一个简单的一级泄水型和受水型水钟，引导他们对自己制作的水钟进行使用、测试，最终聚焦水流速度不稳定的问题。学生在不断挑战的过程中，探究能力得以提升，科学精神得以养成，动手经验得以积累，这些都为他们未来关于技术与工程领域的进一步学习形成正迁移。

关键词 《改进小水钟》 教学实录 教学目标

中图分类号：G424文献标识码：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

教学分析

《改进小水钟》一课是大象版小学《科学》四年级下册第四单元“精确时间的步伐”中的第4课。本单元是一个以技术实践活动为主的综合探究单元，由《原子钟寻亲记》《日晷》《水钟》《改进小水钟》和《摆钟的秘密》5课组成，以计時工具的发展历史为引领，以相应的技术实践活动为骨架，通过引领学生制作并使用日晷、水钟、摆钟等计时工具，使他们在实践过程中，了解人类计时工具的发展史，认识技术对人类社会发展的作用，发展实践能力、思维能力和运用科学知识解决问题的能力，体验到“做”的成功与乐趣，从而达成本单元科学知识、科学探究、科学态度和STSE等方面的教学目标。

本单元中有关小水钟的设计与制作内容安排在第3课《水钟》和第4课《改进小水钟》中。《水钟》一课让学生制作一个简单的一级泄水型和受水型水钟，引导他们对自己制作的水钟进行使用、测试，发现流出相同量（每个相等的格）的水所用时间是不同的，或者相同的时间流出的水量不同，最终聚焦水流速度不稳定的问题。在对水钟进行分析的基础上，提出水位（水压）对水流速度产生影响的假设，进而产生保持水位不变，使水流速度稳定的设计需求，自然过渡到第4课《改进小水钟》的学习——设计制作一个能够保持水流速度相对稳定的水钟。在此目标驱动下，学生收集关于三级漏刻的相关信息，建立认知模型，自行设计与制作简单的三级漏刻模型。对于学生来讲，本课有两个难点：

一是找到保持水位不变的有实际应用价值的方法。从原理上分析，保持水位不变就可以保持水流速度相对稳定，但如何保持水位不变呢？学生自然会想到以一定节奏持续不断地往水瓶中加水的方法，但很快就发现这种方法不具备实用性，在操作时很难控制。在实际教学中，学生很难自行解决保持水位不变的问题，需要教师适时引导。在教师介绍三级漏刻后，学生对古人的智慧产生了敬佩之情，也打开了解决问题的思路。在此基础上，学生能够热情高涨地投入对小水钟的改进思考与实践之中。

二是解决漏壶出水孔大小的比例协调问题。学生要对三级漏刻的天壶和平水壶的作用进行观察和分析，在多次调试的基础上，找到解决问题的思路和方法。

基于以上分析，我们确定了以下教学目标：

知道随着漏壶内水位的降低，漏壶滴水会越来越慢，这是造成小水钟水流速度不稳定的主要原因。古人为解决这一困难发明了三级漏刻。

知道用多级分水的方法可以改进自制的小水钟。

能依据对三级漏刻资料的理解，改进自制小水钟，发展实践能力，在对改进后的小水钟进行测试评价的过程中，继续培养反思评价能力。

体会动手做的乐趣，体会人类的需求对技术发展的促进作用，感受经过努力解决问题的喜悦。

教学过程

1.聚焦问题

师：上节课，我们成功地自制了一个小水钟，但在测试时有一个发现，是什么？

生：水流越来越慢。

师：为什么会出现这种情况？是什么原因造成的？我们再来看看滴漏的过程，请同学们仔细观察水流和水位的变化。

（教师操作小水钟，学生观察滴漏过程。）

师：你们有什么发现？

生：瓶子里的水越少，水流得越慢。

师：我们可以看到，随着水的不断漏出，瓶中水位不断发生变化。开始水位高时，水流速度快，同样多的水流出用时短；随着水位降低，水流速度变慢，同样多的水流出来用时越来越长，甚至渐渐从水流变成水滴了，明白了吗？

生：原来水位的变化是水流变慢的原因。

师：其实，我国古人在很早的时候就发现了这个现象。（出示满城漏壶图片。）同学们现在看到的是在河北满城发现的西汉时期的漏壶，之所以称作“满城漏壶”，是因为它是一种泄水型水钟。西汉时，这种水钟就已经很常见了。就像我们发现的那样，因为水位的变化，使得水流速度不稳定，导致浮箭下降速度不均匀，所以计时的精确度并不高。

2.初步改进小水钟

师：如果想要更准确地测量时间，最需要解决的问题是什么？

生：怎么保持水位不变。

师：是的，水位变化导致水流速度发生变化，所以无法精确计时。我们需要控制泄水壶里的水位不变，这样才能保持水流速度稳定。我们可以怎样做？

生：可以边滴水，边往瓶子里添水，保持瓶子里的水位不往下降。

生：也不能往上升。

师：这种方法可以吗？

生：可以。

师：那我们就试一试。想一想，具体怎样操作呢？

（学生小组讨论。）

师：想好怎么做了吗？

生：先在上面的瓶子上画一条线，记下水位。然后一个人往上边的瓶子里添水，保证水位一直在画线的地方。一个人计时，一个人在下面的瓶子上画线，每10秒画一次。

师：你们怎么知道水流速度稳定了呢？

生：看看下面瓶子上画的线之间的间隔是不是一样的。

师：还有别的改进方案吗？

生：我们是先往下面瓶子里加水，每加50毫升水在瓶子上画一条线，总共加6次，画6条线。然后把300毫升水全部倒入上面的瓶子里，一人负责随时往上面的瓶子里加水来保持水位不变，一人负责计时。下面瓶子里的水每增加50毫升记录一次时间，看看这样每流出50毫升的水所用的时间是不是一样的。

师：这种方法可以吗？

生：也可以。

师：我观察到，大家改进的都是受水型的水钟，能不能改进泄水型水钟？

生：泄水型水钟是靠着水位下降来计时的，没法保证水位不变呀。

师：我们不容易改进泄水型的水钟，试一试改进受水型水钟，做好记录，小组要合作好。

（小组分工合作，初步改进受水型水钟。）

3.进一步改进小水钟

师：怎么样，这次的测试结果如何？

生：这次好多了。我们每次测的大多是18秒。

生：我们每10秒流出的水也是一样多。

师：为大家的成功鼓掌。我们再想一想，如果在实际应用中，人们这样做会遇到什么困难吗？

生：非常麻烦！得有一个人专门负责不停地加水，會很累，而且一不留神就失败了。

生：一个人恐怕还不够，他也得吃饭睡觉呀。

师：这还真是一个现实的困难，怎么办呢？

生：如果设计一个自动加水装置就好了。

师：这个装置具体怎么做呢？

生：想不出来。

师：我们又得向谁请教了？

生：向古人请教。

师：看来我们一时还找不到解决这个难题的好方法。聪明的古人也遇到这个困难，他们经过不懈的努力，发明了一种改进版的漏刻，叫作三级漏刻。我们先来阅读一下关于这种计时工具的资料。

（小组阅读资料，收集三级漏刻的信息。）

师：三级漏刻一共有几个壶？分别有什么作用？

生：三级漏刻一共有3个壶，最上面的是天壶，中间的是平水壶，下面的是受水壶。

生：不对，应该是4个壶，还有一个分水壶。

师：各种壶分别有什么作用呢？

生：天壶是往平水壶里加水的，平水壶是往受水壶里加水的。

生：受水壶就是我们做的水钟下面的瓶子，平水壶就像上面的瓶子，天壶就像刚才我们用来往上面瓶子里加水的瓶子。

师：分水壶的作用是什么呢？

生：平水壶里的水要是加多了就会流到分水壶里。

师：这样做是为了保证什么？

生：保证平水壶里的水位不变。

师：这个设计怎么样？

生：古人真是太聪明了！他们给平水壶开了个孔，往平水壶里多加的水就会流到分水壶里，这样就可以保持平水壶里的水位不变了。

师：我们一起给聪明的古人一点掌声吧！大家有没有信心，模仿古人也做一个多级漏刻，让它准确计时呢？

生：有！

师：制作和测试的时候我们还会遇到新的困难，老师希望你们能像古人那样，多观察、多动脑、不气馁。老师先预祝你们成功！

（学生小组分工合作，进一步改进小水钟。）

师：你们遇到了什么新问题？

生：我们刚才发现平水壶里的水还是往下降。

师：这是怎么回事？你们解决了吗？

生：我们发现平水壶下边的眼儿太大了，天壶补水供不上。我们把天壶的眼儿也弄大，就行了。

师：真棒！自己动脑筋解决了新问题，祝贺你们！

生：我们发现平水壶里的水还是渐渐往上升，我们把分水的那个孔捅大了就行了。

师：你们做得也很好。只是分水壶里的水会很快满了呀，还得想一想有没有别的办法。

生：我们可以换个更大的分水壶。

4.反思评价

师：由于时间关系，我们对小水钟的改进只能到这里了。最后老师想请大家说一说，这次改进小水钟的活动，你们有什么收获？

生：我们知道了保持水位不变，就可以让小水钟的水流速度不变。

生：我们了解了古人发明的三级漏刻。

师：在经验上有什么收获吗？

生：遇到困难可以查一查资料，看看以前的人是怎么解决的。

生：要想成功，小组几个人要合作好。

生：遇到困难要多动脑筋，仔细观察，认真分析。

师：说得真好！漏刻也叫刻漏、漏壶、滴漏。我国古人在不断研究中，逐步改进漏刻，制作出多级式滴漏，在长达1500多年的时间里，我国的多级式滴漏都是世界上最精准的计时工具。最后，老师请大家看一张图片，这是我国现存最早、最大、最完整的铜壶滴漏，为元代铸造。整件滴漏由4个铜壶组成，分别是日壶、月壶、星壶、受水壶。壶上均有壶盖，壶盖上有孔，水可以滴入。受水壶的壶盖上铸有带刻度的铜尺，前端有方孔，便于木箭上下浮动。这样庞大的水钟，它是怎样工作的呢？我们一起来看一段视频。

（学生观看铜壶滴漏视频。）

师：我们所看到的铜壶滴漏，计时一昼夜的误差不超过40秒，直到1656年，欧洲人发明了摆钟才被超越。如果你想感受它的魅力，在我国国家博物馆、故宫博物院、北京鼓楼都可以看到不同的多级滴漏。其中鼓楼的铜壶滴漏还可以自动报时呢，感兴趣的同学可以去看看。水钟完美地避免了日晷必须利用阳光的限制，昼夜都可以使用，一直是我国古代的主要计时仪器。从单级漏刻到多级漏刻，水钟计时越来越精确，下节课我们将继续了解计时工具的发展。

点评

本单元的教学目标是要达成课程标准中的主要概念18中的一些学习目标，包括“举例说出，一项工程运用到的科学技术和原理，如汽车刹车系统的设计中运用到的科学与技术”“知道工程设计的基本步骤包括明确问题、确定方案、设计制作、改进完善等”“针对一个具体的任务，按照设计的基本步骤来设计一个产品或完成指定的任务”“对自己或他人设计的想法、草图、模型等提出改进建议，并说明理由”“在制作过程中及完成后进行相应的测试和调整”。

本课的主要活动是改进小水钟，如何改进无疑是这个任务的核心。改进的过程说明技术工具的发明和发展不是一蹴而就的，而是不断完善与进化的，是基于人类对技术工具的功能、便捷、精度等不断提高的需求的。当我们将研究的重点聚焦于想办法保持水位不变的难题时，学生首先想到的是人工加水的方法，教师没有武断地指出不足，予以否定，而是组织他们先按照自己的想法进行尝试，在具体操作过程中体会这种方法的不便，从而产生使计时工具更加便捷、可靠的新需求。

自动补水保持水位不变的方法学生一时难以想到，他们了解了多级漏刻的原型后，设计就简单了许多，学生对挑战充满了期待。实际上，他们在具体的改进过程中还将遇到新的困难，比如由于各壶出水孔的大小不同，形成不同的组合，会造成无法保持水位不变的情况。对于这些新问题，教师鼓励学生自己想办法解决，而不是直接告诉他们应该怎么做。这样，解决难题后的兴奋与满足感能使学生产生继续探究的动力。

学生明确了“保持水位不变”的任务之后，经历了初步设计与尝试、收集原型信息、再次设计与尝试、发现新的问题、继续改进设计与尝试等过程，最终完成任务，這是一个不断发展、不断进阶的有序过程。学生在不断挑战的过程中，探究能力得以提升，科学精神得以养成，动手经验得以积累，这些都为他们未来关于技术与工程领域的进一步学习形成正迁移。

如果有机会，教师还可以组织学生以生活中输液时的经验为基础，设计一种能够通过控制水的流速，以一定量的水测量更长时间的滴漏，继续增强水钟的实用价值，使学生体会到工具的设计、改进是不断发展的。