资源简介

2026年版 大象版科学六年级上册 第五单元《计时工具的发展》 2 日晷 教学设计
单元 《计时工具的发展》 课题 2 日晷 课时 1
核心 概念 12.技术、工程与社会 13.工程设计与物化 学习内容 12.3科学、技术、工程相互影响与促进 13.3工程是设计方案物化的结果
内容要求 12.3高④初步认识技术与工程对科学发展的促进作用，应用仪器设备进行观察并进行记录； 13.3高④利用工具制作简单的实物模型，根据实际反馈结果进行改进并展示。
教学目标 科学观念（对客观事物的总体认识） 科学思维（对客观事物的认识方式） 探究实践（科学探究能力 技术与工程实践能力 自主学习能力） 态度责任（科学态度 社会责任）
科学观念 认识日晷的结构与计时原理，知道赤道式日晷晷面平行于太阳视运动的轨道面时，晷针影子的移动具有等时性；通过使用太阳视运动轨道模型探究赤道式日晷晷面和太阳视运动轨道面的关系，理解“系统与模型”的跨学科概念，知道“系统模型表达了系统内部各部分间的相互作用关系以及系统与外部作用的关系”；通过设计制作日晷，理解“稳定与变化”的跨学科概念，知道“系统的稳定需要一定的条件”。 科学思维 能基于“计时工具都是依据物体运动的等时性原理发明的”，结合太阳视运动的等时性，运用演绎推理进行日晷的设计和制作，并根据测试效果分析作品的问题和原因。 探究实践 能按照工程标准自主设计、制作日晷，完成刻度划分、组装固定、倾角和方位校准，能根据地理经度进行读数修正；能多角度分析计时误差来源，针对性改良作品。 态度责任 在好奇心驱使下，表现出对现象发生原因的因果兴趣；善于有依据地质疑别人的观点，乐于尝试运用多种思路和方法完成探究和实践，初步具有创新的兴趣；体会古人持续改良计时工具的探索精神，养成依托实证、精益求精的工程探究素养。
教学 重点 认识晷面与赤道平面平行时，晷针影子移动具备等时性，同时会根据本地纬度修正晷面倾斜角度。
教学 难点 通过手电筒模拟太阳视运动探究实验，结合当地纬度倾角相关资料分步完成校准与修正，完整实操调试赤道式日晷，将最终计时误差控制在 20 分钟范围内，突破多重误差综合修正的实操难点。
教学 准备 教师：半圆形太阳视运动轨道模型、手电筒、地球仪、均时差校正曲线图、备用创可贴，多媒体课件等。
学生：教师提前制作的地平式日晷，地平式日晷测试记录单，泡沫板（30 cm×30 cm×3 cm）、圆形卡纸（直径25 cm，可预先画好时间刻度但不标具体时间）、圆规、量角器、直尺、彩笔、喷胶、长竹签、钟表、剪刀、手机定位软件等。
教学过程
教学环节 教学活动 设计意图 教学提醒与备注
一、问题情境（5分钟） 1．情境引入 师：通过上一课的学习，我们知道了计时工具都是依据物体运动的等时性原理发明的。请同学们猜想一下，在远古的时候，人们日出而作，日落而息，还没有任何的计时工具，这时，人们最早可能利用什么物体的等时性来计时？ 生1：脉搏。 生2：每个人的脉搏不同，而且每一个人自己的脉搏也会变化，所以脉搏不能作为大家通用的计时工具。 生3：太阳！太阳每天东升西落，对于地球上的人来说，太阳转动的速度是稳定的，具有等时性。 师：我们确实可以根据太阳的方位大致判断当前的时间。请同学们想一想，我们怎样利用太阳的运动，制作一个像钟表那样有刻度的计时工具呢？ 生：可以利用物体的影子。太阳日出时在东边，影子在西边；中午在南边，影子在北边；日落时在西边，影子在东边。我们可以在地面上竖一根棍子，以棍子为圆心画一个圆，棍子正西的圆上就是早上日出的时刻6点，正北的圆上就是中午的时刻12点，正东的圆上就是日落的时刻18点。再把6点到12点之间、12点到18点之间都均匀分成6等份，这样就形成了12个小时的刻度。 2.制作并测试地平式日晷 师：你太聪明了！古人确实是通过长期观察太阳光照射下物体影子方向的变化规律，依靠立杆测影的方法，发明了人类最早的计时工具——地平式日晷。老师已经为每个小组做好了一个简单的地平式日晷（展示并为每个小组分发地平式日晷），请同学们课后测试一下，看看老师做的地平式日晷计时是否准确。测试的时候，应该怎样摆放地平式日晷呢？ 生：应该放在太阳光能照射到的水平地面上，6点的刻度朝向正西方，12点的刻度朝向正北方，18点的刻度朝向正东方。 师：请同学们课后测试地平式日晷，并把测试数据记录在记录表里。 生：用影子，立根棍子画圆，正西标 6 点、正北 12 点、正东 18 点，两段区间各均分 6 份，做出 12 小时刻度。 师：说得很好，古人依影子方向变化立杆测影，造出最早计时工具 —— 地平式日晷。每组都分发简易地平式日晷，课后测试准确度，误差需小于 20 分钟。摆放日晷有什么要求？ 生：放水平向阳地面，6 点刻度朝正西，12 点朝正北，18 点朝正东。 师：课后完成测试，将数据填写到记录表中。 （学生课后测试地平式日晷） 【设计意图】 设计意图：引导学生基于探究结论“计时工具都是依据物体运动的等时性原理发明的”，运用演绎推理推测古人怎样利用太阳视运动的等时性设计制作最古老的计时工具，培养学生基于所学知识运用演绎推理解决实际问题的能力，落实“演绎与检验”认识发展要项的培养。 这一环节的具体授课时间可安排在第1课的结尾，这样不仅紧密承接第1课的探究结论，也方便学生课后安排时间测试地平式日晷计时是否准确，发现地平式日晷存在的问题，为制作赤道式日晷做好铺垫。
二、探究与结论（30分钟） 3.汇报交流测试结果，聚焦改良日晷的任务 师：上节课老师为大家制作了地平式日晷，请同学们课后完成地平式日晷的实地测试。请小组汇报一下自己的实测数据，说说有什么发现。 生1：这是我们小组的测试数据，太不准了，早上日出后和傍晚日落前走得太慢，中午前后又走得太快。 生2：现在是冬天，太阳出来都7点半了，下午5点多太阳就落下去了…… 师：那你认为为什么会出现这种现象呢？是老师制作得不规范吗？ 生1：老师画的刻度盘很圆，刻度也很均匀，计时依然不准确。所以我认为是设计原理的问题，不是制作的问题。 师：你观察得很细致！问题不在于制作，而在于这种地平式日晷平放的结构缺陷。那我们应该怎样改进日晷的设计呢？ 生1：我认为和晷面的摆放角度有关，我去故宫的时候见过一个日晷，它是倾斜着摆放的，不是水平的。 生2：日晷水平摆放的时候，晷针影子的运动速度是不均匀的，如果以一定的角度摆放，能让晷针影子的运动速度变成均匀的，这样日晷就会准确了。 生3：可是具体怎么摆放，才能让晷针影子的运动速度变成均匀的呢？我们总不能每天换个角度测量一天看日晷是不是准确吧？ 4.模拟实验，验证改良猜想。 师：确实，要确定日晷倾斜多大角度时，晷针影子的运动具有等时性，最直观的办法就是每天改变一次角度，在一天中观测日晷计时是否准确。但是这个办法确实是太麻烦了。我们的假设是“晷面的倾斜角度和太阳视运动的轨道面应该满足一定的关系”，所以老师给大家准备了一个半圆形的太阳视运动的轨道模型，在模型上标注有6点、8点、10点、12点、14点、16点和18点几个时刻，我们可以把日晷调整到想要测试的倾斜角度，再把它稳稳放在太阳视运动轨道模型的正中心处，使日晷晷面的圆心和轨道模型的圆心重合，然后用手电筒模拟太阳依次从6点、8点、10点、12点、14点、16点和18点照射日晷，看看日晷显示的时间是不是刚好也是这几个时间。如果是，说明这个倾斜角度就是正确的；如果不是，继续调整角度测试，直到找到正确的倾斜角度。同学们听明白了吗？ 生：听明白了。 师：同学们可以先凭自己掌握的知识，猜想一下哪个角度最可能是正确的，然后上来尝试。哪位同学想试试？ 生：我猜测晷面应该垂直于轨道模型面，我想试试。（生上台尝试） 师：请给大家讲述一下你的测试结果。 生：我的猜测是错误的。晷面垂直于轨道模型面时，日晷上午总是指向6点，12点时晷针没有影子，下午总是指向18点。 师：看来晷面垂直于轨道模型面的猜想是错误的。哪位同学有其他猜想需要测试吗？ 生：我猜测晷面应该平行于轨道模型面。（生上台尝试） 师：请给大家讲述一下你的测试结果。 生：我的猜测是正确的。当晷面平行于轨道模型面时，用手电筒从6点、8点、10点、12点、14点、16点和18点照射日晷，日晷显示的时间也刚好都是6点、8点、10点、12点、14点、16点和18点。 师：看来你找到了改良地平式日晷的终极秘诀！你能表述一下你的终极秘诀吗？ 生：把晷面平行于轨道模型面，也就是太阳视运动的轨道面摆放，晷针影子的运动具有等时性，日晷计时相对准确。 5.研读新知，认知赤道式日晷。 生：可是，太阳视运动轨道面的角度是多少呢？ 师：你这个问题非常好！（展示地球仪）大家还记不记得，我们在学四季的成因时，发现冬至这天太阳直射地球的什么地方？ 生：北回归线。 师：北回归线是一个圆。太阳这天总是直射北回归线，说明太阳这天的视运动轨道面和北回归线这个圆所在的平面是重合的。夏至这天太阳直射地球的什么地方？ 生：南回归线。 师：说明这天太阳的视运动轨道面和南回归线这个圆所在的平面是重合的。那春分和秋分太阳直射地球的什么地方？ 生：赤道。 师：说明春分和秋分太阳的视运动轨道面和赤道这个圆所在的平面是重合的。大家有没有发现北回归线、南回归线和赤道所在平面有什么关系？ 生：它们都是平行的。 师：对，你们的发现很重要。不仅北回归线、南回归线所在平面平行于赤道所在平面，其实地球的每天条纬线所在的平面都是平行于赤道所在平面的。这说明太阳每一天的视运动轨道所在平面都…… 生：都平行于赤道所在平面。 师：大家又有了一个重大的发现。所以，我们只要让日晷的晷面平行于赤道所在平面，日晷计时应该就准确了。因为这种计时准确的日晷的晷面是平行于赤道所在平面的，所以我们把这种日晷叫做赤道式日晷。（结合地球仪演示）大家看，如果把日晷放在赤道上，日晷面怎样放置才能平行于赤道所在平面？ 生：要竖直放置，并且晷针指向南北方向。 师：非常正确。赤道的纬度是0°，放在赤道上的日晷晷面的角度是90°。如果把日晷放在北极，日晷面怎样放置才能平行于赤道所在平面？ 生：应该水平放置。这时晷针是竖直的。 师：北极的纬度是90°，这时晷面的倾角是0°。大家有没有发现日晷所在的纬度和晷面倾角之间有什么关系？ 生：它们的和是90°。 师：非常聪明！那你们现在知道怎样确定日晷晷面应该倾斜多少度了吗？ 生：我们可以查一下我们这里的纬度是多少度，然后用90°减去我们这里的纬度就可以了。 师：通过探究，我们发现赤道式日晷晷面平行于赤道所在平面，晷面的倾角等于90°减去本地纬度，晷针垂直于晷面，所以晷针是平行于地轴的，所以晷针的一端刚好指向北极星的方向。 6.迭代制作，优化赤道式日晷。 师：还有个问题请同学们想一想，赤道上的日晷需要竖直放置，晷针指向南北方向。我们知道，太阳在从春分到秋分的夏半年的时候是直射北半球的，这时太阳光能照射到日晷的哪个面？ 生：能照射到日晷朝北的一面。 师：从秋分到春分的冬半年呢？ 生：能照射到日晷朝南的一面。 师：这样放在赤道上的日晷需要制作几个带时间刻度的晷面？ 生：需要两个，夏半年看朝北的晷面，冬半年看朝南的晷面。 师：这两个晷面的刻度有什么不同？ 生：老师制作的地平式日晷的晷面就是赤道式日晷朝北的晷面，太阳从东边升起，西边落下，晷针的影子早上朝西，傍晚朝东，它的时间刻度从6点到18点是顺时针方向排列的，也就是6点水平朝右，12点向下，18点水平向左。画朝南晷面的时候，晷针的影子还是早上朝西，傍晚朝东，时间刻度应该逆时针排列，也就是6点水平向左，12点向下，18点水平向右。 师：赤道上的日晷需要两个晷面，放在我们这里的日晷需要两个晷面吗？ 生：也需要，只不过一个晷面倾斜朝北朝上，一个倾斜朝南朝下。 师：非常正确。现在请同学们小组合作，参考日晷的上晷面，在卡纸上画出下晷面。注意6点的刻度水平指向左也就是向西，18点的刻度水平指向东方也就是向右，12点刻度指向下方。 （小组合作绘制日晷下晷面） 师：日晷的下晷面画好了，请小组先在下晷面的圆心处扎一个小孔，小晷针穿过小孔，然后把下晷面粘贴到日晷泡沫板上，注意时间刻度6点水平向左，18点水平向右。 （小组合作粘贴下晷面） 师：现在需要计算晷面的倾斜角度了。老师查好了我们这里的地理纬度是北纬34°，晷面的倾角角度应该是多少？ 生：90°-34°=56°。 师：请小组合作利用量角器调整晷面倾角，可以通过调整晷针伸出来的长度来调节，并且保证晷针垂直于晷面。最后放置日晷时，要确保晷针朝向正北，指向北极星的方向。 （小组合作调整日晷并展示交流） 师：我们的赤道式日晷制作完成了。经过检查，大家制作得都很规范，个别不规范的地方也都进行了修正。而且我们也都知道了如何正确摆放，那大家对我们制作的日晷计时的准确性有没有信心？ 生：有！ 师：那把我们的日晷放到拉萨呢？ 生：老师，我想起来了，我们全国都使用的北京时间，同样早上6点，上海太阳已经出来了，拉萨天还没亮。那同样的日晷，放在上海是中午12点，放在拉萨可能才10点。 师：你发现了另外一个重要的问题，当地地理经度也是影响日晷准确性的重要因素之一。日晷测量的是当地的地方时间，也叫“真太阳时”，就是由太阳实际位置确定的时间。我国全国统一使用的是北京时间，北京时间是东经120 ° 的地方时间。当地经度比120°每少1 °，需要在日晷测试的时间上多加4分钟；当地经度与120°每多1 °，需要在日晷测试的时间上多减4分钟，这样修正后的时间才是北京时间。我们这里地理经度是东经113°，需要加还是减？ 生：需要加，需要加（120-113）×4分=28分。 师：看来地理经度引起的误差还是相当大的，使用赤道式日晷一定要对地理经度引起的误差进行修正。现在外边刚好有太阳，请各小组带上自己制作的赤道式日晷，到操作上实际测量一下日晷显示的时间加上28分钟之后，和当时的北京时间相差多少。 （师生到操场使用日晷测量时间，教师重点指导正北定位） 7.互评展示，梳理局限拓新知。 师：请各小组汇报自己的测试结果。 生1：我们小组用日晷测量的时间是10点12分，加上地理经度修正值 28分之后是10点40分，比当时的北京时间快了15分，不超过20分钟的误差，符合制作要求。 生2：我们小组测量、修正后的时间比当时的北京时间快了11分，也符合制作要求。 生3：我们小组测量、修正后的时间比当时的北京时间快了6分，也符合制作要求，而且误差很小。 …… 师：赤道式日晷比地平式日晷的准确性大幅提升，但依然存在先天短板，谁能说一说？ 生1：完全依赖阳光，夜晚、阴天无法使用，使用场景有限。 生2：如果日晷放在两极附近，将近半年的极夜期间都会无法使用。 师：正是如此！为突破太阳光照的限制，古人发明了一种全天候计时工具——水钟，下节课我们将开启水钟的设计制作。 【设计意图】 依托课后实测结果发现问题，聚焦本课由地平式日晷改进为赤道式日晷的核心改良任务，思考地平式日晷和赤道式日晷设计原理的差异，引出如何确定赤道式日晷晷面倾斜角度的问题。 【设计意图】 借助模型将抽象的天文规律转化为直观实验现象，提高探究效率，迅速发现日晷晷面与太阳视运动轨道平面的关系，为找到确定日晷晷面倾斜角度奠定基础，同时培养学生控制变量、基于证据推理的科学思维。 【设计意图】 借助模型将抽象的天文规律转化为直观实验现象，提高探究效率，迅速发现日晷晷面与太阳视运动轨道平面的关系，为找到确定日晷晷面倾斜角度奠定基础，同时培养学生控制变量、基于证据推理的科学思维。 【设计意图】 借助地球仪演示日晷晷面的倾角，引导学生结合自己的探究经历和已有知识，将抽象的位置关系具象化，帮助学生直观理解日晷晷面的倾斜角度与地理纬度的关系，突破认知难点。 【设计意图】 引导学生在已有知识的基础上，认识赤道式日晷有两个晷面，学习上、下晷面的不同画法。 【设计意图】 引导学生在发现的日晷晷面倾角与地理纬度之间的关系，在地平式日晷的基础上完成赤道式日晷的制作。结合《谁先看到日出》的学习经验，引导学生理解并掌握修正地理经度产生的误差的方法。 【设计意图】 通过互评展示实现生生互助，梳理工具局限制造新探究需求，为单元后续课程做好衔接。
三、反思与评价（5分钟） 1.课堂小结 回顾总结： ①计时工具底层原理：物体运动等时性； ②地平式日晷的固有缺陷； ③赤道式日晷工作原理、制作标准； ④纬度、经度、均时差三项误差修正方法。 2.反思 制作过程中哪些操作导致日晷产生误差？ 哪些步骤最难完成？ 如何进一步优化自己的作品？ 3.评价 多元评价教师结合小组实操表现、作品精度、实验记录开展师评；小组之间进行作品互评；学生完成课堂实操自评，重点评价学生工程实操和误差修正能力。
四、整理 教师指导全体学生整理实验器材： 回收太阳视运动模型、量角器、卡纸、竹签等分组材料；整理实验记录单，规整摆放桌面器材，清理活动场地垃圾。 培养学生使用材料的好习惯。
五、板书设计

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