資源簡介

實驗課名稱：百刻悟參商，點滴連早暮—古代計時器之銅壺滴漏
學科：物理
年級：八年級
一、使用教材：人民教育出版社 義務教育教科書物理 八年級上冊 第一章第一節 長度和時間的測量
二、實驗器材
自制多級漏壺（包含階梯式底座、規格不同的開口塑料杯、膠塞、浮標）、水、毛
（1）學生實驗器材如圖1
圖1 學生器材
（2）教師演示實驗器材（復原我國古代銅壺滴漏）如圖2
圖2 教師演示器材
三、實驗教學內容
時間是物理學七個最基本的物理量之一，是理解和掌握物理現象、描述物理規律的基礎，是物理定律中的參數和物理系統中的變量，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于測量的描述，測量是人類認知的基石，是物理學的支撐，更是科學實驗的重要環節。因此，學習并體驗時間的測量對學生今后的物理學習具有深遠意義。
本節課以 “時間的測量”和 “傳統文化育人”兩條線索開展實驗教學，在溯源時間測量的科技史中，學生通過對銅壺滴漏測量時間的方法、原理及標準的探究，由表及里地了解并掌握物理學中測量的基本原理和方法（如圖3）。通過拓展實踐作業的設計將實驗教學從課堂延伸向實際生活，使學生認識到銅壺滴漏這一古代工程技術在當代社會中實際存在的意義和應用價值，培養學生解決實際問題的創新能力。
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先于其他國家，古人對于天文現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，銅壺滴漏的課程設計正是實現了這種古今對話。
圖3 實驗教學內容
四、實驗教學目標
（一）物理觀念
（1）通過時間的測量，了解物理測量的關鍵和標準。
（2）通過銅壺滴漏的發明與改進，了解測量是物理實驗的基本環節。
（二）科學思維
（1）通過制作銅壺滴漏的實驗過程，體會轉換、控制變量等多種科學思維方法在探究中的使用。
（2）學生在體驗多級漏壺計時的實驗過程中能夠內化多種學習方法和策略，能對相關問題和信息進行分析和簡單處理，初步發展科學推理能力。
（3）能利用流水計時的數據對研究的問題進行分析和解釋，能對提高計時準確性的實驗方案提出自己的見解，初步發展科學論證能力和質疑創新的意識。
（三）科學探究
通過經歷銅壺滴漏的發明與改進過程，設計并開展“輸液器如何控制流速”、“如何設計量程固定的滴漏”、“機械鐘表如何計時”等拓展性實踐活動，發展提出問題、合理猜想、分析探究、交流評估、得出結論等科學探究能力。
（四）科學態度與責任
（1）學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著精神，增強民族自豪感，提升文化自信；
（2）學生在實驗探究的過程中體會到傳統文化的內核在當代社會中發揮的巨大作用，能體會物理學對人類生活、工程實踐和社會發展的影響，從而激發思考與探究的興趣，提升探索自然的內在動力。
五、實驗創新要點
（一）傳承傳統文化，實現學科育人價值
銅壺滴漏是我國古代最重要的計時儀器之一，它的發展極大地推進了古人對于天文現象的研究，為人們生產效率的提高奠定了基石。優秀的傳統文化一直是中華民族自立自強和不斷奮進的源動力，而銅壺滴漏是我國古代輝煌科學技術成就的縮影，因此將其納入實驗教學具有重要的現實和長遠意義。學生在本節課的古今對話中能夠體會到我國古代科技對人類文明發展的作用，認識到我國深厚的文化軟實力，感悟到傳統文化的內核在當代社會中發揮的巨大作用，提升文化自信。
（二）跨學科實踐，踐行創新人才培養
銅壺滴漏的實驗教學貫穿古代科技成就與現代技術，完美地將物理學與工程實踐聯系到一起，使學生切實體會到物理學對工程技術發展的促進作用。課前學生在社團活動中完成對實驗器材的簡單設計（如圖4），并進行切割、打孔、粘接等工作（如圖5、圖6），最大限度地真實參與到實驗活動的各個環節；課堂中學生以問題“如何讓流量更加穩定”的解決過程為線索設計方案、動手實踐，積極內化多種學習方法和策略；課后學生通過拓展類實踐作業將課堂知識延伸至實際生活，切實提高動手操作的實踐能力。學生經歷階梯式的實踐操作過程，不但掌握了多種工具的使用方法，提升了解決實際問題的能力，也弘揚了精益求精的工匠精神。
圖4 學生與老師討論方案設計 圖5 學生在切割制作浮標的細管和支架
圖6 學生作品：自制圭表、日晷模型
（三）促進學科融合，尊重學生體驗
本節實驗教學課還涉及到了語文、歷史和勞動技術學科，打破學科間壁壘，促進學生綜合素養的養成以及對知識的整合與遷移。學生通過問題鏈引導，自主探究等方式，不斷解決實驗中遇到的真問題，持續發展自身的科學思維水平，形成正確的物理觀念。實驗教學通過多樣化的學習方式與教學方式開展，通過課堂觀察、后測、作業等多種方式對學生進行持續性評價，始終關注學生學習體驗，注重學生的思維養成過程。學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，能夠體驗到“學有所成”的成就感。但學生的思維并沒有停留在“復制”“重復”的淺層次，而是通過情景供給、任務驅動、問題引導、自制創新教具，自主建構知識體系、自主思考批判質疑，獲得了能夠解決真實問題的高階思維能力。
（四）改進實驗器材，豐富學生實驗資源
義教新課標對學生的綜合實踐能力提出了更高要求，鼓勵學生了解我國古代的技術應用案例。本節實驗課是對教材內容的有效補充，學生經歷實驗探究過程掌握物理測量類實驗方法，逐步嘗試設計制作古代計時裝置——銅壺滴漏。博物館中現存的銅壺滴漏（如圖7）是金屬制成，不利于學生觀察和制作，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行設計制作（如圖8）。塑料材料易于獲得、成本較低，且容易加工與改進，更加適合學生根據自己的方案進行設計制作。實驗器材的改進為學生的實踐探究提供了更多的可能，學生可以根據自己的真實猜想去選擇器材完成探究實驗，這樣更利于培養他們大膽猜想、樂于實踐、敢于創新的精神。
圖7 首都博物館藏品為金屬材質 圖8 學生制作的漏壺模型為塑料材質
六、實驗原理/實驗設計思路
（一）實驗原理
能夠將時間的測量轉化為液面高度的變化
（二）實驗設計思路如圖8所示
圖9 實驗教學設計思路
七、實驗教學過程
環節一：游戲引入，體會測量之功
教師活動 學生活動
任務1：趣味挑戰，估測時間 鼓勵學生不利用任何工具，僅憑借自己的感覺估測時間，比一比誰的感覺更可靠。 引導學生關注估測與實際之間的差異，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？ 學生活動1：學生嘗試估測，并與實際時間對比，體會測量的必要性（如圖10）。 圖10 學生估測時間 列舉生活實例
活動意圖說明 認識到人的感覺不可靠，了解測量工具的必要性
環節二：追溯歷史，感悟古人之智
教師活動 學生活動
任務2（課前）：了解并介紹我國古代的計時工具 播放學生自制話劇《光陰的故事》，引出古代精確計時工具—銅壺滴漏（如圖11） 圖11 學生自制話劇 觀看話劇，共同追溯我國古代燦爛的科學史，了解我國古代計時工具的發展。 總結古人計時方法，了解銅壺滴漏的作用，進而感受古人智慧和傳統文化魅力。
活動意圖說明 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著追求，激發對于銅壺滴漏準確計時的探究興趣。
環節三：精益求精，領略智慧之光
教師活動 學生活動
初步體驗利用流水測量時間 問題2：利用流水測量時間時，應該觀察什么現象來判斷時間長短？ 任務2：利用流水進行時間的簡單測量——單級供水測時間 問題3：你認為是哪些因素造成了流量的不穩定？ 問題4：根據自己的猜想，你有什么辦法可以使流量穩定？ 學生質疑：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？ 改進實驗，提高計時準確性 任務3：根據自己的猜想選擇合適器材，體驗二級供水測時間 問題5：根據自己的猜想，你有什么辦法可以使流量更加穩定,讓滴漏的計時更加準確？ 教師演示實驗，繼續提高計時準確性 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 學生活動2：體驗單級供水測時間（如圖12），初步了解利用流水測量時間的原理：滴水的等量性 圖12 單級供水計時學生器材 發現問題：隨著水位的下降，流速越來越慢，流量不穩定。 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，及時向受水壺中補充水。 增大水壺的底面積 提出質疑并思考 問題解決：放入浮標 學生活動3：體驗二級供水測時間，驗證解決方案的有效性（如圖13）。 圖13 二級供水計時學生器材 發現問題：水位的變化較小，流量較為穩定，計時比單級漏壺準確，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：繼續增加供水壺，以達到及時向下級壺供水的作用；增大容器的底面積 觀察實驗現象：計時更加準確 驗證猜想
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換為物理問題，促進學生完成“時間的測量”這一課標內容的深入學習。學生在遞進的問題鏈推動下不斷思考流量不穩定的原因，交流討論有效的解決方案，這一過程的有效實施切實培養學生的創造力和質疑能力。
環節四：博古通今，感悟科學之美
教師活動 學生活動
介紹銅壺滴漏的發展歷程（如圖15）及其對科學、生產和生活的重要意義。 圖15 我國古代漏壺的發展 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技術成就，感受古人的智慧和傳統文化的魅力。 發現自己在實驗中發現的問題與思考，產生的猜想與驗證與一代代科學家的探索是一致的，體驗真實的科學探究過程。 思考并討論 列舉生活實例：靜脈輸液器、調節閥、水龍頭、實驗室恒流泵
活動意圖說明： 體會古人不斷探索自然的執著精神，從而初步形成正確的世界觀及持之以恒、不斷創新的科學品質。引導學生不但關注對結果的陳述，更要重視對因果關系的探求。了解本節課內容在當代生活中的實際意義和應用價值，提升學以致用的意識。
環節五：拓展實踐，體驗科技之力
教師活動 學生活動
任務4：課后實踐拓展作業 1.請簡單介紹靜脈輸液器是如何控制流速穩定的？ 2.你能根據課上所學知識設計一個量程為1小時的滴漏么 3.隨著科技的發展，我們現在使用的計時工具多種多樣，你能簡單說一說機械鐘表計時的原理么？ 學生活動4：利用課后時間完成實踐拓展類作業，并用文字、圖畫、視頻等形式分享展示成果。 學生用圖片和文字（如圖16）解釋輸液器流速穩定的原因： 圖16 學生拓展作業 學生自制齒輪傳動，演示機械鐘表內部的機械原理（如圖17）： 圖17 學生演示鐘表內部齒輪傳動
活動意圖說明： 實驗教學從課堂延伸向實際生活，使學生認識到銅壺滴漏這一古代工程技術在當代社會中實際存在的意義和應用價值，培養學生解決實際問題的創新能力，提高學以致用的能力。
八、實驗效果評價
（一）強化學科實踐，立足實踐育人
在課程實施上突出科學思想方法和探究方式的學習，加強知行合一、學思綜合，倡導做中學、用中學、創中學。實驗活動需要學生用物理學科獨特的方式方法來學習物理，能促使學生的學習方式和學習路徑發生變化。同時，課后實踐類、拓展類作業的設計彌補了課堂教學在時間和空間上的局限性，實現了“從生活走向物理，從物理走向社會”的教育理念，推動學生像專家一樣的思考與行動，達到學科育人的根本目的。
（二）聚焦核心素養，關注學生成長
“百刻悟參商，點滴連早暮”兩句詩詞既概括了銅壺滴漏的重要作用，又極大地激發了學生的求知欲，用新穎的課程內容點燃學生的探究興趣。學生經歷了完整的探究過程，發展提出問題、合理猜想、分析探究、交流評估、得出結論等科學探究能力，形成了良好的科學思維和正確的科學態度。我們有意識、有計劃地吸收古代科學技術史上的優秀成就，并與時代科技發展前沿成果進行銜接，讓學生在利用流水測量時間的探究過程中學會觀察生活，進而熱愛生活，逐步形成適應個人終身發展和社會發展所需要的必備品格和能力。
（三）促進學科融合，強調能力生成
課程內容跳出傳統實驗教學框架，引導學生共同追溯我國古代燦爛的科學史，感受古人的智慧和傳統文化的魅力。課程實驗活動內容涉及到了歷史、語文和數學學科，讓實驗課堂變得“古色古香”、“詩意盎然”，使學生“樂于學”。課程體現了個人、社會、自然的內在聯系，強化了科技、藝術、道德等方面的內在整合，促使學生以融合學科知識的實踐方式獲得關于現實世界的體驗和認知。
（四）評價方式多樣，尊重學生體驗
對學生的實驗評價采用過程性評價與成果性評價相結合的方式，實施學習動機、過程和效果三位一體的評價。將評價的視野投向學生的整個實驗活動過程，注重對學生的思維過程，肯定一切有價值的學習成果，提高學生的學習積極性，增強學習經驗的豐富性，真正關注學生的點滴成長。
九、教學反思與改進
（一）本節實驗教學內容沒有局限于課本，而是對教材內容做了有益補充。新課標鼓勵學生了解我國古代的技術應用案例，并嘗試制作相應裝置。課標中時間的測量為學生必做測量類實驗，本節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”這一基礎目標，更在傳統文化、跨學科實踐等方面取得了良好效果。可見，適當地對教材內容進行補充與拓展在落實學生核心素養的培養上是關鍵且必要的。
（二）由于課堂時間有限，學生只體驗了用二級供水壺測時間，計時仍然不夠精確，學生的體驗不夠充分，部分學生“意猶未盡”。課后學生可以利用老師提供的器材，或者自選器材繼續增加供水壺的數量，讓滴漏的計時更加精確，使學生獲得更多的探究機會。
（三）實驗器材的準備工作是由參與社團活動的部分學生完成的，學生反饋良好，興趣濃厚，極大地提高了自身的實踐操作水平。接下來，我們會合理安排課程時間，讓更多的學生有機會參與到實驗器材的制作中去，使學生真正成為學科實踐型人才。

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