2021年新教科版五年級(jí)上冊(cè)科學(xué)教材分析第三單元 計(jì)量時(shí)間一、單元概述自具有“時(shí)間”概念以來，人們便不斷地尋求著準(zhǔn)確計(jì)量時(shí)間的方法。古人經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)和日常生活經(jīng)驗(yàn)的積累，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)等天體在天空有規(guī)律地改變著位置，并且呈現(xiàn)出周期性的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)太陽(yáng)東升西落固有的周期性，人們制定了歷法并用此描述時(shí)間，這是我們能夠追溯到的較早的劃分時(shí)間的方法。“天”成了最早的時(shí)間單位。那么，一天內(nèi)的時(shí)間進(jìn)程又如何把握呢？古人發(fā)明了日晷，還研究制作出了沙漏、水鐘等計(jì)量時(shí)間的裝置。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到精確計(jì)量時(shí)間的必要性和重要性。17世紀(jì)以后，鐘表工藝迅猛發(fā)展，在時(shí)間計(jì)量史上具有劃時(shí)代的意義。根據(jù)伽利略發(fā)現(xiàn)的單擺的等時(shí)性，惠更斯制造了歷史上第一個(gè)擺鐘，使時(shí)鐘的誤差從每天15分鐘減少到5分鐘。后來惠更斯又首次造出了第一個(gè)依靠發(fā)條驅(qū)動(dòng)的機(jī)械表，并由此推動(dòng)了18世紀(jì)高精度航海鐘的發(fā)明，從而解決了困擾人類近兩個(gè)世紀(jì)的經(jīng)度測(cè)定問題，大大推動(dòng)了航海事業(yè)的發(fā)展。不僅如此，機(jī)械鐘的出現(xiàn)還促進(jìn)了當(dāng)時(shí)整個(gè)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，使以鐘表、羅盤、槍炮、印刷術(shù)等為代表的技術(shù)革命成為近代科學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的動(dòng)力之一?；仡櫿麄€(gè)科學(xué)發(fā)展史，我們可以清楚地看到，計(jì)時(shí)工具的發(fā)展史是與整個(gè)人類文明發(fā)展史同步的。學(xué)生在本單元的學(xué)習(xí)中，要大致了解人類計(jì)時(shí)工具發(fā)展的幾個(gè)比較典型的階段：燃香鐘水鐘擺鐘。學(xué)生要學(xué)會(huì)觀察、研究這些不同計(jì)時(shí)工具的差異性，以及保障計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的科學(xué)原理。在此基礎(chǔ)上模擬設(shè)計(jì)和制作水鐘、鐘擺等計(jì)時(shí)工具。如同古人一樣，學(xué)生通過親歷科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)會(huì)發(fā)現(xiàn)一些計(jì)時(shí)方法的局限和不足，于是便會(huì)產(chǎn)生改進(jìn)計(jì)時(shí)工具的內(nèi)在需求。由于燃香鐘受外界因素影響較大，因此，計(jì)時(shí)方法直接進(jìn)階到水鐘。水鐘可以說是時(shí)鐘發(fā)展史上比較典型的機(jī)械計(jì)時(shí)工具了，但是其準(zhǔn)確性和方便性都有待提高，于是又進(jìn)階到擺鐘。另外，在研究同一種計(jì)時(shí)工具時(shí)，學(xué)生的認(rèn)知和思維也是在不斷向前推進(jìn)的，例如研究水鐘，一開始發(fā)現(xiàn)初始水位高度和孔徑不變，流出相同多的水，時(shí)間是相等的；繼而又發(fā)現(xiàn)當(dāng)水位變化后，水流速度并不是相等的；最后認(rèn)識(shí)到只有保持水位不變時(shí)，水流速度才是相等的。再比如，對(duì)于單擺的研究，學(xué)生一開始會(huì)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)單擺在擺動(dòng)起來的時(shí)候具有等時(shí)性(相同時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)相同)，但是不同單擺的擺動(dòng)速度卻不同。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，擺繩長(zhǎng)度會(huì)影響單擺擺動(dòng)的快慢。因此，本單元是學(xué)生理解“科學(xué)上的解釋、理論和模型都是在特定的時(shí)期內(nèi)與可獲得的實(shí)證最為吻合的”這一觀點(diǎn)很好的材料。當(dāng)學(xué)生回顧整理整個(gè)單元的研究時(shí)，可以清晰地認(rèn)識(shí)到：具有一定周期性運(yùn)動(dòng)的事物可用于計(jì)時(shí)。本單元學(xué)習(xí)目標(biāo)來自課程標(biāo)準(zhǔn)中5-6年級(jí)的下列相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容。16.2.1知道重大的發(fā)眀和技術(shù)會(huì)給人類社會(huì)發(fā)展帶來的深遠(yuǎn)影響和變化。18.2.2將自己簡(jiǎn)單的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為模型或?qū)嵨铩?8.3.2簡(jiǎn)單評(píng)估完成一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)的可行性，預(yù)想使用效果。本單元共有7課，它們的編排邏輯如下。首先提出問題，明確本單元研究的主題，即在時(shí)鐘發(fā)明之前，人們是怎樣計(jì)時(shí)進(jìn)而安排生活和勞作的(第1課)；再通過對(duì)計(jì)時(shí)發(fā)展史上不同階段燃香鐘、水鐘、擺鐘等典型的計(jì)時(shí)工具的制作、觀測(cè)及研討等活動(dòng)，探究這些計(jì)時(shí)工具的特點(diǎn)及計(jì)時(shí)原理(第1-6課)，認(rèn)識(shí)人類計(jì)時(shí)工具發(fā)展進(jìn)程，體會(huì)重大的發(fā)明和技術(shù)會(huì)給人類社會(huì)發(fā)展帶來的深遠(yuǎn)影響和變化；在認(rèn)識(shí)并研究古代水鐘、擺鐘等計(jì)時(shí)工具的基礎(chǔ)上，學(xué)生設(shè)計(jì)、制作自己的水鐘、擺鐘等計(jì)時(shí)工具(第3、6課)，他們根據(jù)教科書提出的任務(wù)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行設(shè)計(jì)，評(píng)估完成一個(gè)產(chǎn)品的可行性，預(yù)測(cè)使用效果，然后將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為可以實(shí)際用來計(jì)時(shí)的工具，并通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)問題，提出進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)想；最后，教科書引導(dǎo)學(xué)生調(diào)查和比較人類計(jì)時(shí)工具的演變，關(guān)注計(jì)時(shí)和我們生活的關(guān)系(第7課)。第1課“時(shí)間在流逝”，作為單元起始課，一開始就提出了單元研究主題“在時(shí)鐘發(fā)明之前，人們是怎樣安排生活和勞作的呢？”，之后通過對(duì)日晷等的介紹，簡(jiǎn)要了解一些古代計(jì)時(shí)方法，然后開展“一炷香”時(shí)間的研究。這項(xiàng)研究為后續(xù)整個(gè)單元的研究提供了基本的研究方法：觀測(cè)事物在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變化(如一段香的燃燒，100毫升水的流動(dòng)，擺擺動(dòng)10次等)所需的時(shí)間是否一致。第2課“用水計(jì)量時(shí)間”，學(xué)生在認(rèn)識(shí)燃香鐘并了解燃香鐘受外界因素影響的局限性的基礎(chǔ)上，進(jìn)而開始關(guān)注、研究水鐘。通過對(duì)水流的觀察，對(duì)在不同水位高度時(shí)流出相同量的水所需的時(shí)間的預(yù)測(cè)及實(shí)測(cè)，認(rèn)識(shí)到水位高度會(huì)影響水流的速度。在此基礎(chǔ)上觀察古代水鐘，了解古人如何做到保持水位高度相同從而控制水流速度不變。第3課“我們的水鐘”，學(xué)生在對(duì)水流特點(diǎn)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，開始設(shè)計(jì)制作自己的水?？梢宰屗畯墓潭ǖ乃桓叨攘鞒鱿嗤乃縼碛?jì)時(shí)，也可以想辦法控制水位高度不變，讓水以均勻的速度流動(dòng)從而計(jì)時(shí)。制作完成后還將繼續(xù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題并加以改進(jìn)。這是學(xué)生在本單元第一次經(jīng)歷一項(xiàng)簡(jiǎn)易工程的過程，學(xué)生將自己簡(jiǎn)單的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實(shí)物，體會(huì)完成一項(xiàng)工程的基本過程，進(jìn)而收獲取得進(jìn)步的成就感。第4課“機(jī)械擺鐘”，通過硏究擺鐘，進(jìn)一步提髙計(jì)時(shí)的精確性。通過對(duì)鐘擺1分鐘內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)的重復(fù)觀測(cè)，以及對(duì)自制單擺(嚴(yán)格地說，本單元研究的是“單擺”，教科書中簡(jiǎn)稱為“擺”，本書后面也簡(jiǎn)稱為“擺”)1分鐘內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)的重復(fù)觀測(cè)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)擺在相同時(shí)間內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)相同，即擺具有等時(shí)性；擺可以用來計(jì)時(shí)。在統(tǒng)計(jì)各組自制擺的擺動(dòng)次數(shù)時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，不同擺的擺動(dòng)速度不同，由此引發(fā)出新的問題：擺的速度受什么因素影響？第5課“擺的快慢”，承接上一課，學(xué)生討論并預(yù)測(cè)哪些因素影響擺的擺動(dòng)速度，并通過兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)分別研究擺錘質(zhì)量、擺繩長(zhǎng)度與擺動(dòng)速度的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生認(rèn)識(shí)到，擺速快慢與擺錘質(zhì)量無關(guān)，與擺繩長(zhǎng)度有關(guān)；擺繩越短，擺速越快，反之，擺速越慢。第6課“制作鐘擺”，在前兩課的研究基礎(chǔ)上，學(xué)生將設(shè)計(jì)制作一個(gè)1分鐘擺60次的單擺。這是一項(xiàng)需不斷調(diào)試、改進(jìn)以達(dá)成預(yù)期目標(biāo)的簡(jiǎn)易工程。同樣，需要經(jīng)過設(shè)計(jì)(尤其是制訂如何根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果更有效、更快捷地改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的策略)、制作、測(cè)試、研討等環(huán)節(jié)。學(xué)生將簡(jiǎn)單評(píng)估完成這個(gè)產(chǎn)品的可行性，預(yù)測(cè)使用效果，并將自己簡(jiǎn)單的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實(shí)物。在此基礎(chǔ)上，也可以讓學(xué)生在課后繼續(xù)研究，設(shè)計(jì)一個(gè)1分鐘擺動(dòng)30次或120次的擺，讓學(xué)生簡(jiǎn)單體會(huì)擺的次數(shù)跟擺繩長(zhǎng)度之間的比例關(guān)系。引導(dǎo)學(xué)生通過自己動(dòng)手摸索出規(guī)律：為了讓擺的次數(shù)變?yōu)樵瓉淼?倍(或1/2)，繩子的長(zhǎng)度需要增長(zhǎng)到約4倍(或縮短到約1/4)。這有利于啟迪學(xué)生的抽象思維、邏輯思維，以及利用數(shù)學(xué)理解物理現(xiàn)象的意識(shí)。第7課“計(jì)量時(shí)間和我們的生活”，學(xué)生將回顧本單元探究過的幾種計(jì)時(shí)工具，調(diào)查比較人類計(jì)時(shí)工具的演變，歸納并初步發(fā)現(xiàn)自然界一些周期性運(yùn)動(dòng)的事物可用于計(jì)時(shí)。本課引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注計(jì)時(shí)和我們生活的關(guān)系，舉例說明精確計(jì)時(shí)對(duì)我們生活的重要性，以及計(jì)時(shí)不精確可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。最后，期望學(xué)生將所學(xué)用于現(xiàn)實(shí)，在實(shí)際生活中關(guān)注計(jì)時(shí)，珍惜時(shí)間，準(zhǔn)確用時(shí)。二、單元教學(xué)目標(biāo)科學(xué)概念目標(biāo)燃香、水流在一定情況下勻速變化，單擺具有等時(shí)性。這些具有周期性運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的事物可以用來計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)工具準(zhǔn)確性的提高主要依靠設(shè)計(jì)、材料等的改進(jìn)。科學(xué)探究目標(biāo)能觀察和記錄燃香長(zhǎng)度變化的信息。能辨別和控制實(shí)驗(yàn)中的可變因素。能預(yù)測(cè)和測(cè)試怎樣改變一個(gè)可變因素從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。能解釋結(jié)果并能總結(jié)可變因素是如何改變、影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。會(huì)用圖表等記錄、整理、交流信息。會(huì)設(shè)計(jì)、制作和改進(jìn)“水鐘”“擺鐘”等簡(jiǎn)易計(jì)時(shí)器。能通過閱讀和研究科學(xué)資料來獲取更多的信息。科學(xué)態(tài)度目標(biāo)發(fā)展探究時(shí)間以及計(jì)時(shí)工具的興趣。意識(shí)到重復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)結(jié)果的重要性。欣賞前人在測(cè)量時(shí)間和解釋自然現(xiàn)象方面所做的貢獻(xiàn)。初步體驗(yàn)到科學(xué)技術(shù)與人們生活的密切關(guān)系。科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)體會(huì)社會(huì)的需求是計(jì)時(shí)工具發(fā)展的動(dòng)力。體會(huì)計(jì)時(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用影響著社會(huì)發(fā)展。意識(shí)到人們一直在尋求精確的計(jì)時(shí)方法。隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人們制作的計(jì)時(shí)工具越來越精確。單元詞匯日晷：又稱“日規(guī)”，是中國(guó)古代利用日影變化測(cè)定時(shí)刻的天文儀器，通常由晷針和晷盤(帶刻度的表座)組成。利用日晷計(jì)時(shí)的方法是人類在計(jì)時(shí)領(lǐng)域的重大發(fā)明。這項(xiàng)發(fā)明被人類沿用達(dá)幾千年之久。水鐘：水鐘在中國(guó)又稱“刻漏”“漏壺”。根據(jù)等時(shí)性原理，滴水計(jì)時(shí)有兩種方法：一種是利用特殊容器記錄水漏完的時(shí)間(泄水型)；另一種是底部不開口的容器，記錄它用多少時(shí)間把水裝滿(受水型)。中國(guó)的水鐘，最早是泄水型，后來泄水型與受水型同時(shí)并用或兩者合一。自公元85年左右，浮子上裝有漏箭的受水型漏壺逐漸流行，并被廣泛使用。宋代蘇頌研制的水運(yùn)儀象臺(tái)，是當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的計(jì)時(shí)儀器。擺鐘：擺鐘是一種時(shí)鐘，發(fā)明于17世紀(jì)中葉，是根據(jù)單擺定律制造的。擺鐘用擺錘控制其他機(jī)件，使鐘走得快慢均勻，一般能報(bào)點(diǎn)，并由發(fā)條提供能量使其擺動(dòng)。鐘擺：時(shí)鐘機(jī)件的一部分，是根據(jù)單擺原理制成的，常用于調(diào)節(jié)時(shí)鐘或其他機(jī)械的運(yùn)動(dòng)件。材料清單(視學(xué)生人數(shù)和分組情況確定數(shù)量)：古人用天體運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)的圖文(或視頻)資料、秒表、香、火柴或打火機(jī)、各種水鐘的資料與圖片、能容納300毫升水的塑料瓶子、100毫升量筒、記號(hào)筆、工字釘、透明水杯、剪刀、美工刀、塑料瓶、尺子、鐵架臺(tái)、透明膠帶、水鐘模型、大擺鐘、擺錘(螺帽)、擺繩(棉線)、鉤碼、“計(jì)時(shí)工具發(fā)展史”資料、每課相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)記錄表。三、分課時(shí)教材分析第1課 時(shí)間在流逝(一)背景和教學(xué)目標(biāo)對(duì)于學(xué)生來說，“時(shí)間”是一個(gè)非常熟悉的概念事物。幾點(diǎn)上課？幾點(diǎn)下課？幾點(diǎn)放學(xué)？學(xué)生每天都在和時(shí)間打交道。但是要問“時(shí)間”是一種怎樣的“東西”，就不那么好回答了。時(shí)間是什么？沒有人問我，我很清楚；但若有人問我，我便茫然不知了。我們這里談的是科學(xué)意義上的時(shí)間?！叭祟愂窃鯓又鸩桨l(fā)展起各種計(jì)時(shí)方法和工具的？”“現(xiàn)代鐘表發(fā)明之前，古人如何計(jì)時(shí)？”這些問題學(xué)生可能有所思考，并有一定的探究興趣。作為單元起始課，本課旨在引導(dǎo)學(xué)生來關(guān)注、研究這些問題，并通過對(duì)燃香鐘這一實(shí)例的探究、研討活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生慢慢進(jìn)入探索計(jì)時(shí)工具的狀態(tài)：產(chǎn)生研究計(jì)時(shí)方法的探索渴望，初步掌握研究計(jì)時(shí)問題的方法，為后面整個(gè)單元的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。科學(xué)概念目標(biāo)古人利用天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)時(shí)。在一定的條件下，燃香變短的速度基本是均勻的，可以用來計(jì)時(shí)。科學(xué)探究目標(biāo)能搜集古人計(jì)時(shí)方法的資料并進(jìn)行交流。能觀測(cè)并記錄燃香時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)。能就“蠟燭可以計(jì)時(shí)嗎”這一問題結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行討論，表達(dá)自己的觀點(diǎn)?？茖W(xué)態(tài)度目標(biāo)有關(guān)注計(jì)時(shí)方法的意識(shí)和興趣?？茖W(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)了解不同的時(shí)代有不同的計(jì)時(shí)工具。(二)教學(xué)準(zhǔn)備為學(xué)生準(zhǔn)備：秒表、香、火柴、記號(hào)筆、實(shí)驗(yàn)記錄表。(可按組準(zhǔn)備)。教師準(zhǔn)備：有關(guān)古人用天體(如太陽(yáng)、月亮)運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)的圖文或視頻資料、教學(xué)課件。第2課 用水計(jì)量時(shí)間(一)背景和教學(xué)目標(biāo)水鐘在人類計(jì)時(shí)發(fā)展史上大約經(jīng)歷了3000年的歷程。它的出現(xiàn)與發(fā)展是為了一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的需要，即怎樣能夠在多云的日子、陰雨天和夜晚計(jì)量時(shí)間。學(xué)生在了解用太陽(yáng)計(jì)時(shí)和研究燃香鐘后，也會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的一些不足和局限。這讓學(xué)生自然地想到，需要找尋更好的方法來計(jì)時(shí)。同時(shí)，通過前一課“燃香鐘”的探究，學(xué)生也已初步認(rèn)識(shí)到，燃香能夠被用作計(jì)時(shí)工具，是因?yàn)樵谝欢ǖ那闆r下(如燃香粗細(xì)均勻，周圍沒有風(fēng)吹等干擾因素等)燃香的長(zhǎng)度變化是比較均勻的。他們或許能從中得到啟發(fā)，可以通過找尋自然界有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的物體或事件來幫助記錄時(shí)間推移的軌跡。所以，從這課開始，學(xué)生要在教師指導(dǎo)下，觀察流水、單擺等的運(yùn)動(dòng)，探究影響其運(yùn)動(dòng)速度的因素。通過控制和改變影響這些事件運(yùn)動(dòng)變化速度的因素，設(shè)計(jì)并制作成可用于計(jì)時(shí)的裝置。科學(xué)概念目標(biāo)初始水位高度和孔徑不變，流出相同水量所需的時(shí)間；保持水位高度不變，水流的速度不變。水流的這一特點(diǎn)可用于計(jì)時(shí)?？茖W(xué)探究目標(biāo)能通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)影響水流速度變化的主要因素。能通過觀察古人利用流水計(jì)時(shí)的裝置，結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)探究，理解這些裝置計(jì)時(shí)的方法。科學(xué)態(tài)度目標(biāo)理解古人的聰明才智，對(duì)古人的智慧創(chuàng)作產(chǎn)生敬佩之情。在觀察和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)能始終保持嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的態(tài)度?？茖W(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)了解社會(huì)的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)計(jì)時(shí)工具的進(jìn)步。(二)教學(xué)準(zhǔn)備為學(xué)生準(zhǔn)備：能容納200毫升水的塑料瓶子、200毫升量筒(量杯)、記號(hào)筆、工字釘、透明水杯。(可按組準(zhǔn)備)教師準(zhǔn)備：課前搜集各種水鐘的資料與圖片、教學(xué)課件。第3課 我們的水鐘(一)背景和教學(xué)目標(biāo)通過前一課的教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識(shí)了兩種水鐘的構(gòu)造，在經(jīng)歷了觀察水流的速度的實(shí)驗(yàn)和測(cè)量水流速度的變化的實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對(duì)水鐘作為計(jì)時(shí)工具的原理有了新的理解，有了制作水鐘的欲望和理論基礎(chǔ)。本課，學(xué)生要運(yùn)用已掌握的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)水鐘，用圖畫的形式對(duì)自己設(shè)計(jì)的水鐘進(jìn)行描述，并要親自動(dòng)手制作一個(gè)水鐘，還要在實(shí)踐中檢驗(yàn)自己的水鐘是否能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以及對(duì)水鐘的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。本課，學(xué)生將要經(jīng)歷設(shè)計(jì)方案一動(dòng)手制作一測(cè)試并改進(jìn)的工程活動(dòng)過程，這個(gè)過程也是一個(gè)促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展的過程?？茖W(xué)概念目標(biāo)水鐘通過一定的裝置，能夠保持水在一定的時(shí)間內(nèi)以穩(wěn)定的速度往下流，從而能用來計(jì)時(shí)。我們可以控制水流的速度，從而使水鐘計(jì)時(shí)更加準(zhǔn)確?？茖W(xué)探究目標(biāo)能運(yùn)用畫圖和文字描述的方法設(shè)計(jì)制作水鐘的方案。能利用剪刀、塑料瓶等簡(jiǎn)單工具和材料制作一個(gè)簡(jiǎn)易的水鐘。能在實(shí)際運(yùn)用過程中對(duì)自己的方案進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)歷思考方案一制訂計(jì)劃一實(shí)施方案一檢驗(yàn)成果一尋找原因一改進(jìn)完善的探究過程?？茖W(xué)態(tài)度目標(biāo)在制作水鐘的過程中感受到科學(xué)制作帶來的樂趣。體會(huì)到在科學(xué)研究中分工合作與和諧地開展探究都是很重要的。體驗(yàn)到完成一個(gè)科學(xué)制作需要不斷重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中逐步完善。科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)經(jīng)歷一項(xiàng)工程的幾個(gè)主要過程。(二)教學(xué)準(zhǔn)備為學(xué)生準(zhǔn)備：剪刀、美工刀、塑料瓶、秒表(或者手表)、記號(hào)筆、直尺、工字釘、鐵架臺(tái)和透明膠帶。(可按組準(zhǔn)備)教師準(zhǔn)備：自制的水鐘模型、教學(xué)課件。第4課 機(jī)械擺鐘(一)背景和教學(xué)目標(biāo)隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)時(shí)間的要求也更加精確了，在相當(dāng)多的時(shí)候需要以秒來計(jì)算時(shí)間。計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷史確實(shí)是向著尋找更輕便、更準(zhǔn)確的設(shè)備邁進(jìn)的。像日晷、水鐘以及后來的沙漏，雖然都經(jīng)過了不斷的改進(jìn)和提高，但是它們?nèi)匀粺o法滿足人們對(duì)精確計(jì)時(shí)的需求。1583年，伽利略有了一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，這引出了一個(gè)新的計(jì)時(shí)方法。伽利略觀察教堂中的吊燈在微風(fēng)中前后擺動(dòng)，擺動(dòng)的弧線時(shí)長(zhǎng)時(shí)短，但不管擺幅是多大，吊燈往返的時(shí)間好像是一樣的。他意識(shí)到擺可以成為一種有規(guī)律的計(jì)時(shí)裝置，這引發(fā)了由擺動(dòng)的鐘擺來控制的機(jī)械鐘表的發(fā)展。在本課，學(xué)生從鐘擺的擺動(dòng)開始觀察研究，然后自己制作一個(gè)簡(jiǎn)易的擺(制作簡(jiǎn)單擺的三樣?xùn)|西是一根繩、一個(gè)綁在繩子一端的重物和一個(gè)能把繩子掛起來并讓它自由擺動(dòng)的支架)，測(cè)量它在1分鐘內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)。學(xué)生在測(cè)試自己制作的擺后交流研究結(jié)果，得到初步共識(shí)，并為下一課提出了待研究的問題?？茖W(xué)概念目標(biāo)同一個(gè)單擺在相同時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)相同，這就是擺的等時(shí)性。根據(jù)這種性質(zhì)，人們制成了擺鐘，使時(shí)間的計(jì)量誤差更小。科學(xué)探究目標(biāo)能較準(zhǔn)確地重復(fù)觀測(cè)鐘擺及自制擺每分鐘的擺動(dòng)次數(shù)。能根據(jù)鐘擺的特點(diǎn)動(dòng)手制作一個(gè)單擺。科學(xué)態(tài)度目標(biāo)準(zhǔn)確地測(cè)量擺的擺動(dòng)次數(shù)，理解重復(fù)實(shí)驗(yàn)的意義。發(fā)展研究計(jì)時(shí)工具的興趣?？茖W(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)了解社會(huì)的需求是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。(二)教學(xué)準(zhǔn)備為學(xué)生準(zhǔn)備：手表(秒表)、擺錘(螺帽或其他重物)、擺繩(棉線)、支架(鐵架臺(tái)或其他支架)、記錄表。(可按組準(zhǔn)備)教師準(zhǔn)備：一個(gè)大擺鐘、教學(xué)課件。第5課 擺的快慢(一)背景和教學(xué)目標(biāo)上一課，學(xué)生在測(cè)量擺的擺動(dòng)次數(shù)的時(shí)候已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不同的擺在1分鐘內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)是不一樣的。有的擺擺動(dòng)快，而有的擺擺動(dòng)慢。此時(shí)，學(xué)生的頭腦中已經(jīng)形成了一個(gè)問題：在相同時(shí)間內(nèi)，不同的擺擺動(dòng)的次數(shù)怎么不一樣呢？擺動(dòng)快慢與什么因素有關(guān)？本課就在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜測(cè)并進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)來研究。本課中，學(xué)生將就擺的快慢與什么因素有關(guān)展開討論與思考，并且去驗(yàn)證他們自己的一些猜測(cè)。在探究的過程中逐步排除一些猜測(cè)，修正自己的想法。學(xué)生將分別測(cè)量不同質(zhì)量擺錘的擺，以及不同擺繩長(zhǎng)度的擺在30秒鐘內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)。他們?cè)诜治鰷y(cè)量數(shù)據(jù)的過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，擺錘質(zhì)量不影響擺的快慢，而擺繩長(zhǎng)度則會(huì)影響擺的快慢，擺繩越長(zhǎng)，擺得越慢?？茖W(xué)概念目標(biāo)改變擺錘質(zhì)量不能改變擺的快慢，擺繩長(zhǎng)度影響擺的快慢：擺繩越短擺動(dòng)速度越快，反之則越慢科學(xué)探究目標(biāo)能根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測(cè)擺的擺動(dòng)快慢與什么因素有關(guān)。能有效開展改變擺錘質(zhì)量、擺繩長(zhǎng)度對(duì)擺的快慢是否產(chǎn)生影響的實(shí)驗(yàn)研究。能對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，并能根據(jù)分析進(jìn)行預(yù)測(cè)。科學(xué)態(tài)度目標(biāo)初步意識(shí)到獲得精確的測(cè)量結(jié)果是需要反復(fù)測(cè)量的。意識(shí)到在實(shí)驗(yàn)中細(xì)心觀察并發(fā)現(xiàn)新的問題是很重要的。科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)了解人類的好奇心是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。(二)教學(xué)準(zhǔn)備為學(xué)生準(zhǔn)備：擺繩(棉繩等)、幾個(gè)大小相同的螺母(或鉤碼)、鐵架臺(tái)、秒表(或手表)、研究不同擺錘質(zhì)量的擺和不同繩長(zhǎng)的擺30秒內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)的記錄表各一份。(可按組準(zhǔn)備)教師準(zhǔn)備：學(xué)生用材料一套、教學(xué)課件。第6課 制作鐘擺(一)背景和教學(xué)目標(biāo)在上一課，學(xué)生通過研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，擺的擺動(dòng)快慢與擺繩長(zhǎng)度有關(guān)。擺繩越長(zhǎng)，擺動(dòng)就越慢，擺繩越短擺動(dòng)就越快。但是教科書又為學(xué)生的研究設(shè)置了新問題，機(jī)械擺鐘里的鐘擺每分鐘擺動(dòng)60次，如果要制作一個(gè)1分鐘正好擺動(dòng)60次的擺，該怎樣來制作呢？在本課中，學(xué)生將用調(diào)節(jié)擺繩長(zhǎng)度的方法來調(diào)節(jié)擺的快慢。經(jīng)過本課的研究，學(xué)生將能夠更好地理解鐘擺，并學(xué)會(huì)控制鐘擺的快慢。根據(jù)前面的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，學(xué)生也將制作一個(gè)1分鐘擺動(dòng)60次的擺，也就是機(jī)械擺鐘的鐘擺?？茖W(xué)概念目標(biāo)擺的擺動(dòng)快慢與擺繩長(zhǎng)度有關(guān)。同一個(gè)擺，擺繩長(zhǎng)度越長(zhǎng)，擺動(dòng)越慢；擺繩長(zhǎng)度越短，擺動(dòng)越快?？茖W(xué)探究目標(biāo)能在真實(shí)的情境中研究擺繩長(zhǎng)度如何影響擺動(dòng)快慢，不斷地調(diào)整擺，直至每分鐘正好擺動(dòng)60次。能運(yùn)用測(cè)量與比較的方法來研究擺的擺動(dòng)快慢。科學(xué)態(tài)度目標(biāo)認(rèn)識(shí)到細(xì)心觀察與準(zhǔn)確測(cè)量的重要性。對(duì)新問題的研究保持積極的探究欲望?？茖W(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)意識(shí)到人類對(duì)產(chǎn)品需要不斷地改進(jìn)以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的需求。(二)教學(xué)準(zhǔn)備為學(xué)生準(zhǔn)備：細(xì)長(zhǎng)繩、鐵架臺(tái)計(jì)時(shí)器(秒表或者手表)、擺錘(金屬球等)。(可按組準(zhǔn)備)教師準(zhǔn)備：教學(xué)課件。第7課 計(jì)量時(shí)間和我們的生活(一)背景和教學(xué)目標(biāo)學(xué)生通過前面6課的學(xué)習(xí)，已經(jīng)對(duì)人類的計(jì)時(shí)工具發(fā)展過程有了基本的了解，經(jīng)歷了古人制作計(jì)時(shí)工具的智慧與創(chuàng)造過程，從而認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)通過促進(jìn)人們的生活方式、思維方式的變革來推動(dòng)社會(huì)發(fā)展。在本課中，學(xué)生將更系統(tǒng)地整理、總結(jié)人類計(jì)時(shí)工具的演變，體會(huì)計(jì)時(shí)工具的精確度對(duì)人們的生活、出行等方面的影響，以及幫助人類更好地探索未知的領(lǐng)域，并通過設(shè)計(jì)作息時(shí)間表來體會(huì)合理安排時(shí)間、珍惜時(shí)間的重要意義。科學(xué)概念目標(biāo)計(jì)時(shí)工具的設(shè)計(jì)運(yùn)用了物體運(yùn)動(dòng)周期性變化的規(guī)律?？茖W(xué)探究目標(biāo)能通過表格的方式調(diào)查和比較人類計(jì)時(shí)工具的演變。能調(diào)查因時(shí)間的不精準(zhǔn)給人類生活造成麻煩的一些事件。科學(xué)態(tài)度目標(biāo)認(rèn)識(shí)到人類設(shè)計(jì)不同的計(jì)時(shí)工具來滿足不同的用途和需求。認(rèn)識(shí)到科技的進(jìn)步能更好地造福人類?？茖W(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境目標(biāo)意識(shí)到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用影響著社會(huì)的發(fā)展。(二)教學(xué)準(zhǔn)備為學(xué)生準(zhǔn)備：“計(jì)時(shí)工具發(fā)展史”資料、“計(jì)時(shí)工具的比較”記錄表、“精確計(jì)時(shí)的重要性”班級(jí)記錄表。(可按組準(zhǔn)備)教師準(zhǔn)備：“精確計(jì)時(shí)的重要性”班級(jí)記錄表(大表)、教學(xué)課件。四、參考資料人類計(jì)時(shí)儀器的發(fā)展史人類的日常生活、科研、導(dǎo)航及測(cè)繪等都離不開時(shí)間。時(shí)間的計(jì)量涉及兩個(gè)量歷元和時(shí)間間隔。任何具有周期性變化的自然現(xiàn)象都可以用來計(jì)量時(shí)間。人類從以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)來計(jì)量時(shí)間發(fā)展到機(jī)械鐘、石英鐘乃至原子鐘，經(jīng)歷了約3500年的發(fā)展變化進(jìn)程。在公元前1500年出現(xiàn)的日晷是人類最古老的計(jì)時(shí)工具，埃及人首先開始使用這項(xiàng)技術(shù)，然后在整個(gè)地中海地區(qū)普及開來。日晷是以太陽(yáng)投向刻度盤的陰影為基礎(chǔ)的，通常由銅制的指針(晷針)和石制的圓盤(晷面)組成。當(dāng)太陽(yáng)光照在日晷上時(shí)，晷針的影子就會(huì)投向晷面，太陽(yáng)自東向西移動(dòng)時(shí)，投向晷面的晷針影子也會(huì)慢慢地由西向東移動(dòng)。于是，移動(dòng)著的晷針影子好像是現(xiàn)代鐘表的指針，晷面則是鐘表的表面以此來顯示時(shí)刻。公元前1400年，出現(xiàn)的漏壺(沙漏或者滴漏)是第一個(gè)擺脫天文現(xiàn)象的計(jì)時(shí)儀器。它是根據(jù)流沙從一個(gè)容器滴漏到另一個(gè)容器的數(shù)量來計(jì)量時(shí)間的。古代人設(shè)計(jì)的“五輪沙漏”，是通過流沙從漏斗形的沙池流到初輪邊上的沙斗里，以此來驅(qū)動(dòng)初輪，從而帶動(dòng)各級(jí)機(jī)械齒輪依次旋轉(zhuǎn)；最后一級(jí)齒輪帶動(dòng)在水平面上旋轉(zhuǎn)的中輪，中輪的軸心上有一根指針，指針在一個(gè)有刻線的儀器圓盤上轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來顯示時(shí)刻，這種古老的顯示方法幾乎與現(xiàn)代時(shí)鐘的表面結(jié)構(gòu)完全相同。在公元1088年，中國(guó)宋朝的機(jī)械師蘇頌發(fā)明的“水運(yùn)儀象臺(tái)”(水鐘)被認(rèn)為是第一架真正的機(jī)械鐘，它是集觀測(cè)天象的渾儀、演示天象的渾象、計(jì)量時(shí)間的漏刻和報(bào)告時(shí)刻的機(jī)械裝置于一體的綜合性觀測(cè)儀器，它實(shí)際上就是一座小型的天文臺(tái)。這臺(tái)儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現(xiàn)了我國(guó)古代人民的聰明才智和富于創(chuàng)造的精神。1400年，第一批機(jī)械鐘開始在歐洲流行，其始祖由意大利人喬瓦尼唐迪于1364年制成，他首次在機(jī)械鐘里引入了輪式鐘擺。1511年，荷蘭人彼得亨萊茵制成了第一塊懷表，但它只有時(shí)針而沒有分針和秒針。懷表和鐘的結(jié)構(gòu)其實(shí)是完全一樣的，不同的是它利用螺旋彈簧制成的發(fā)條驅(qū)動(dòng)從而擺脫了傳統(tǒng)的鐘擺，它依靠小巧的“體形”，輕松地進(jìn)入人們的口袋。1656年，有擺的掛鐘(或座鐘)產(chǎn)生于荷蘭天文學(xué)家、物理學(xué)家克里斯蒂安惠更斯的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。它是以伽利略發(fā)現(xiàn)的擺的擺動(dòng)具有規(guī)則性這個(gè)原理為基礎(chǔ)而發(fā)明的。自此以后，人類掌握了比較精確的測(cè)量時(shí)間的方法。1969年，由瑞士人創(chuàng)意、日本精工企業(yè)制作的第一塊石英手表誕生，其價(jià)格在當(dāng)時(shí)相當(dāng)于一部汽車。石英手表的發(fā)明是基于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)處于電路之中的石英晶體能產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的振動(dòng)以及可以通過特殊的切割方式來控制石英晶體振動(dòng)的頻率。時(shí)間基準(zhǔn)所謂時(shí)間基準(zhǔn)，就是在當(dāng)代被人們確認(rèn)為是最精確的時(shí)間尺度。長(zhǎng)期以來，人們直在尋求著這樣的時(shí)間尺度。在遠(yuǎn)古時(shí)期，人類以太陽(yáng)的東升西落作為時(shí)間尺度；公元前2世紀(jì)，人們發(fā)明了地平日晷，一天的誤差為15分鐘；一千多年前的希臘和我國(guó)的北宋時(shí)期，能工巧匠們?cè)O(shè)計(jì)出水鐘，精確到每日10分鐘誤差；六百多年前，機(jī)械鐘問世，并將晝夜分為24小時(shí)；到了17世紀(jì)，單擺用于機(jī)械鐘，使計(jì)時(shí)精度提高近一百倍；到了20世紀(jì)30年代，石英晶體振蕩器出現(xiàn)，對(duì)于精密的石英鐘，三百年只差一秒。自17世紀(jì)以來，天文學(xué)家們以地球自轉(zhuǎn)和世界時(shí)作為時(shí)間尺度，即當(dāng)?shù)厍蚶@軸自轉(zhuǎn)一周，地球上任何地點(diǎn)的人連續(xù)兩次看見太陽(yáng)在天空中同一位置的時(shí)間間隔為一個(gè)平太陽(yáng)日。1820年，法國(guó)科學(xué)院正式提出，一個(gè)平太陽(yáng)日的1/86400為一個(gè)平太陽(yáng)秒，稱為世界時(shí)秒長(zhǎng)。由于地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化、不規(guī)則變化和長(zhǎng)期減慢，世界時(shí)每天可精確到1乘以10負(fù)九次方。但是，社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)(特別是航天、空間物理、軍事等)的飛速發(fā)展，使人們對(duì)時(shí)間尺度的精度需求越來越高。1953年是時(shí)間頻率科學(xué)的一個(gè)新的里程碑。世界上第一臺(tái)原子鐘在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)由三位科學(xué)家研制成功，其中有一位科學(xué)家叫王天眷(后來回國(guó)，多年從事祖國(guó)的頻標(biāo)事業(yè))。195年，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室研制成功世界上第一臺(tái)銫束原子頻標(biāo)，原子鐘的出現(xiàn)標(biāo)志著一門嶄新的學(xué)科量子頻標(biāo)的誕生。1967年，13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定：銫原子Cs133基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間為1秒。此定義一直沿用至今。所以，從1967年開始，時(shí)間頻率的計(jì)量進(jìn)入原子時(shí)代，首先被用作時(shí)頻基準(zhǔn)的裝置是實(shí)驗(yàn)室型銫束原子鐘。1994年，A. Clarion小組研制出第一臺(tái)銫原子噴泉鐘FO1，1995年的評(píng)定結(jié)果顯示，F(xiàn)O1的性能超過了當(dāng)時(shí)最好的銫束鐘。此后，銫原子噴泉鐘逐步取代銫束鐘成為新的頻率基準(zhǔn)。社會(huì)在進(jìn)步，科技在發(fā)展，人類對(duì)新的時(shí)間基準(zhǔn)的研究仍在繼續(xù)。噴泉鐘的準(zhǔn)確度進(jìn)入10的負(fù)15次方，最好的達(dá)到1乘以10的負(fù)15次方(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)光抽運(yùn)銫束基準(zhǔn)頻標(biāo)的準(zhǔn)確度也進(jìn)入10的負(fù)15次方(法國(guó)巴黎時(shí)間頻率實(shí)驗(yàn)室)。隨著原子物理學(xué)的深入研究和激光技術(shù)的快速發(fā)展，人們以原子或離子的光學(xué)波段躍遷作為時(shí)間頻率基準(zhǔn)的光頻標(biāo)問世。利用原子或離子內(nèi)部特定兩個(gè)能態(tài)之間固有的躍遷，即鐘躍遷，將激光的頻率鎖定到鐘躍遷上。鎖定在鐘躍遷上的超穩(wěn)激光能緊密跟蹤原子的固有頻率，從而使得該激光器的頻率在短期和長(zhǎng)期中都有極高的穩(wěn)定性。由于光學(xué)頻率比微波頻率高5個(gè)數(shù)量級(jí)，所以利用原子或離子的光學(xué)躍遷頻率作為時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)具有比微波頻率標(biāo)準(zhǔn)更高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。目前，原子光鐘實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都已進(jìn)入10的負(fù)18次方量級(jí)，比現(xiàn)行用于定義時(shí)間基本單位“秒”的基準(zhǔn)鐘銫微波噴泉鐘高近兩個(gè)量級(jí)。鑒于光鐘的超高性能，國(guó)際時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)計(jì)劃在2028年討論用光鐘作為新一代時(shí)間頻率基準(zhǔn)鐘。因此，不久的將來，光頻標(biāo)完全有可能取代目前的微波頻標(biāo)，成為新一代的時(shí)間頻率基準(zhǔn)。學(xué)科網(wǎng)（北京）股份有限公司