小学四年级科学《赤道式日晷的原理、制作与应用》项目化导学案

小学四年级科学《赤道式日晷的原理、制作与应用》项目化导学案

一、导学案基本信息

【学科】小学科学

【学段】四年级下学期

【教材版本】大象版（2017秋）四年级下册

【单元归属】第四单元“精确时间的步伐”第2课时

【课题名称】赤道式日晷的原理、制作与应用

【课时安排】2课时（每课时40分钟），另加课外长周期观测1周

【授课对象】小学四年级学生

【核心素养培育】科学观念、科学思维、探究实践、态度责任

【设计理念】本导学案严格遵循《义务教育科学课程标准（2022年版）》技术与工程领域的学习要求，以“自然规律的人工物化”为大概念，采用大单元项目化学习模式。将“设计思维”与“工程实践”深度融合，引导学生在真实问题情境中经历“原理发现→方案设计→模型建造→测试优化→反思迁移”的完整技术工程闭环。强调跨学科视野，有机整合数学（角度测量、几何绘图、地理纬度）、美术（晷面装饰、文创设计）、语文（说明书撰写）及劳动技术（工具使用），在“做中学”与“学中思”的螺旋上升中，将中国古代科技智慧转化为发展学生高阶思维与核心素养的教学载体。

二、核心素养目标（四维整合版）

（一）科学观念【核心概念·必会】

1.理解时间的测量本质是对具有确定周期性的自然现象（如太阳视运动引起的影长与方位变化）的捕捉与标度，形成“科学原理决定技术功能”的基本观念【非常重要】【高频考点】。

2.认识赤道式日晷晷面与赤道平面平行、晷针指向北天极的结构特征，建立“空间方位（地轴指向）—天体运行（周日视运动）—地面投影（计时刻度）”三者联动的系统思维模型【难点】【重要】。

3.辩证认识任何技术产品都有其局限性（日晷依赖日照、精度受节气影响），体会技术迭代（从日晷到水钟、摆钟、原子钟）是人类不断追求精确与突破环境限制的智慧结晶【一般】。

（二）科学思维【模型建构·高阶】

1.通过对比“地平式”与“赤道式”日晷的投影轨迹差异，运用类比推理（将地轴倾斜与晷面倾斜相关联），建构“将立体天球运动转化为平面刻度坐标”的空间思维转换能力【非常重要】【难点】。

2.在晷面刻度绘制与测试校准环节，经历“假设（影子应落在某刻度）—实测（实际影子偏移）—归因（纬度误差/安装偏差/晷针垂直度）—修正（调整参数）”的完整实证思维训练【重要】【热点】。

3.在小组设计方案互评中，发展批判性思维，能基于证据（如测试照片、数据记录）对他组作品的准确性提出质疑，并能接纳合理建议优化自身设计【重要】。

（三）探究实践【工程技术·核心】

1.熟练使用指南针测定子午线（南北方向），掌握利用自制直角三角板（锐角等于当地纬度）快速校准晷面仰角的工程技巧，能规范操作完成赤道式日晷实物模型的搭建【非常重要】【实操必考】。

2.能针对“晷针垂直度保持”“晷面水平校正”“刻度精细化分”等真实技术难点，提出至少两种以上解决方案（如橡皮泥固定法、泡沫板凹槽嵌入法），并在实践中择优选用【重要】。

3.经历“整点影子标记法”的长周期观测，能将连续观测数据转化为晷面刻度修正依据，形成用第一手证据改进作品的实证意识【热点】。

（四）态度责任【文化自信·育人】

1.通过复原古代计时工具，深切感知中华先民“仰观天文、俯察地理”的生存智慧，增强对中华优秀传统科技文化的认同感与自豪感【重要】。

2.在长时间候影、反复校准的细致工作中，培育严谨求实、精益求精的工匠精神，养成“不迷信权威、只相信证据”的科学品格【一般】。

3.通过“时光有爱”公益义卖环节，将科学学习成果转化为服务社会的行动，理解科技以人为本、向善发展的价值取向【育人特色】。

三、教学重难点及突破策略

（一）【核心难点】空间转换：为何晷针须指向北天极（北极星）？为何晷面倾斜角等于当地纬度？

【学情障碍】四年级学生尚未系统学习地球公转、地轴倾角及经纬度概念，直接讲解天文原理极易陷入抽象灌输的泥潭。

【进阶突破策略】采用“身体宇宙”具身认知教学法。

1.【陀螺实验】课前让学生玩转陀螺，观察陀螺旋转时“轴”虽倾斜但始终指向固定方向，类比地球自转轴始终指向北极星。【重要铺垫】

2.【转椅模拟】学生坐在可旋转办公椅上，身体倾斜模拟地轴，手臂伸直模仿晷针。另一同学绕转椅匀速走动模拟太阳视运动。观察者报告：“当我的‘轴’（身体纵轴）指向教室固定点（北极星）时，我手臂的影子在平放在腿上的书本（模拟赤道面）上的移动是均匀的。”【非常重要】【具身认知】

3.【纬度迁移】展示中国地图，引导学生理解：不同地区看到北极星的高度不同（北京约40°，广州约23°）。要让晷针对准北极星，就必须把晷面垫起相应角度。由此突破“晷面仰角=当地纬度”这一工程适配难题。【难点粉碎】

（二）【核心重点】技术操作：保证晷针与晷面垂直，保证晷面方向与地平方位精确对准。

【实施保障】教师提供“结构化的自由”——既给予标准化的测量工具（指南针、自制纬度角板），又开放材料选择（牙签/吸管/竹筷；泡沫/纸板/黏土），将技术规范的“硬约束”与创意表达的“软自由”有机结合。【重要】

四、教学准备与时空架构

（一）环境与时空重构

1.【物理空间】打破传统“排排坐”教室布局，第一课时采用“材料超市+小组工坊”式实验桌（6组，每组6人）；第二课时主体转移至校园操场、花坛边、天文广场等全天日照充足的开阔区域。

2.【时间规划】第1课时（室内）：原理探秘+方案设计+模型粗坯制作；第2课时（室外）：实地安装+整点测影+现场校准；课后（家庭/周末）：长周期验证+刻度精修+创意文创。

（二）教具与学具清单

1.【教师演示组】（高精度示范用）

商业级赤道式日晷模型（晷面刻度精确至5分钟）、教学用激光水平仪、数显倾角仪、指北针、天球仪、三轴可调日晷演示装置。

2.【学生探究组】（每小组配备）

■核心工具包：圆形硬质卡纸（直径25cm，圆心预打孔）、竹签/吸管/一次性木筷（晷针备选）、泡沫板/瓦楞纸板（底座）、橡皮泥/热熔胶枪/蓝丁胶、量角器、直尺、圆规、指南针（每生一个）。

■工程特件：自制硬纸直角三角板（锐角=学校驻地纬度，如北纬34°则制34°角板，此为校准晷面仰角的“傻瓜密钥”）【非常重要】【创新教具】。

■记录工具：平板电脑/手机（拍照存档、指南针APP、水平仪APP）、《日晷项目日志》（含设计草图、测试记录、反思表格）。

3.【前置预习任务】观看微课《故宫的日晷不会走错时间》，思考：为什么故宫日晷的晷面是斜着的？晷针尖尖指向哪颗星？

五、教学实施过程（核心环节，约占全文85%篇幅）

【第1课时】解构与构想：从自然现象到人工物化

（一）锚定问题，激活前概念（8分钟）

1.【情境冲突导入】教师出示一张没有指针的钟表表盘图片，提问：“如果摘掉钟表的指针，它还能叫钟吗？但有一样中国古代的‘钟’，它天生就没有金属指针，却能准确运行上千年——它是谁？”学生齐答：日晷。

2.【复习联结】教师引导学生快速回顾三年级及本册第五单元“影子的变化”核心结论。采用快问快答形式：【重要】

[1]一天中，太阳位置与影子方向的关系？（太阳在东，影子在西；太阳在南，影子在北）

[2]一天中，太阳高度与影子长度的关系？（太阳高，影子短；太阳低，影子长）

[3]阳光下影子的移动方向？（与太阳运动方向相反，自西向东移动）

3.【认知冲突设置】教师展示两张图片：一张是水平放置的自制简易圭表（影子落在水平地面），另一张是倾斜面的赤道式日晷。提问：“既然水平地面也能投出影子，古人为什么非要把石头盘子斜着放？这不是给自己找麻烦吗？”引出本节课核心驱动问题。

（二）信息收集：解码赤道式日晷的“倾斜密码”（15分钟）【非常重要】

1.【对比观察】各组领取学习任务包，内含地平式日晷与赤道式日晷高清结构图及影子轨迹模拟动画二维码。

任务驱动：【高频考点】

[1]请用箭头在图上画出两种日晷的晷针影子一天中的移动轨迹。

[2]哪种日晷的影子在晷面上移动速度看起来更均匀？（赤道式）

[3]尝试用身体（手臂为晷针，手掌为晷面）模拟：如何摆放手掌，才能使手臂影子在手掌上移动一格是一小时？

2.【小组汇报与建模】小组代表上台，利用教师提供的三轴可调日晷模型进行演示。

生A组汇报：我们发现当晷面平放时，早上的影子跑得特别快，下午也是，中午前后影子走得很慢。但把晷面斜起来，让晷针对着窗户上方（教师提前标记的模拟北极星方向），影子移动速度就均匀了。

师（追问）：这说明了什么？

生B组补充：说明太阳在空中的运动是匀速的，但影子在水平面上的投影不是匀速，只有把影子投在和太阳运动轨道平行的面上，才能还原这种匀速。

3.【教师精准提炼】师总结并板书【核心概念】：“赤道式日晷的本质，是将天球赤道平面‘搬’到了地面上。晷面平行于赤道，晷针平行于地轴（指向北极星）。因此，太阳在天空中每小时转15°，晷针影子在晷面上也正好每小时走15°——刻度均匀，数学关系简单。”此处配以天球仪演示，晷面与赤道环平行，晷针贯穿南北极点。

（三）工程约束识别与设计方案迭代（20分钟）【核心素养落地】

1.【材料超市与工具认知】教师展示今日提供的全部材料，不是直接发放，而是进行“工程约束发布会”：

“各位小小工程师，你们需要为学校科技节复原一台能够显示标准北京时间（需减去经度时差修正说明，四年级仅做概念渗透）的赤道式日晷模型。你们将面临四个技术挑战——”

【挑战1：指向关】如何让晷针精确指向北方（地理子午线）且保持向上仰角？（提供工具：指南针）

【挑战2：垂直关】晷针必须完全垂直于晷面，哪怕1°倾斜，积累到下午可能偏差半小时。（提供工具：直角三角板、量角器）

【挑战3：纬度关】晷面与地平面的夹角必须等于我们学校的纬度。大家猜猜我们这儿看北极星有多高？（展示中国纬度分布图，引导学生读出本地纬度）教师提供“神器”：自制定角度直角板，锐角=本地纬度。【非常重要】

【挑战4：刻度关】没有激光雕刻，如何在纸盘上画出每小时15°的刻度，并标注12:00位置必须指向正北？

2.【组内方案设计与草图绘制】每组发A3大白纸一张，要求绘制包含以下要素的设计草图：【过程性评价依据】

(1)材料选择清单（如：用竹筷还是吸管做针？用泡沫板还是瓦楞纸做底座？）

(2)结构拆解图（晷面、晷针、底座、纬度支撑架的连接方式）

(3)刻度标注方案（使用量角器每15°画一条线，0°对应正北，180°对应正南）

(4)遇到的预估困难及备选方案（如：指南针受讲台金属干扰怎么办？改用手机指南针APP）

3.【设计方案听证会】每组1分钟电梯演讲，展示设计亮点。台下组扮演“风投专家”，用红笔在便利贴上写一条改进建议贴于黑板对应组区域。师选取典型建议全班研讨：

生质疑：第三组用双面胶固定晷针，太阳一晒胶化了肯定歪，建议用橡皮泥或者热熔胶加固。

师评：这是非常有价值的材料力学建议。工程不仅是画得漂亮，还要考虑环境因素（温度、风力）。请第三组记录这条建议。

（四）模型粗坯制作（剩余时间+课后）（22分钟+课后）

1.【首造试行】学生根据优化后的方案领取材料包，开始初步组装。师巡回指导，重点干预点：【重要实操】

[1]晷针垂直度：指导学生将直角三角板的直角边卡在晷针与晷面交接处，旋转一周检查有无缝隙。【高频操作考点】

[2]纬度角安装：演示如何将自制定角板卡在晷面背面与底座之间，并用蓝丁胶快速定型。

[3]方位校准：强调日晷使用时“晷面正午12:00刻度线必须指向地理正北”，而非磁北。讲解磁偏角概念（四年级不深究，但需知道指南针指的不是正北极，可通过查阅当地磁偏角或正午太阳方位法粗略校正）。

2.【安全与收纳】提示剪刀、竹签使用安全。未完成部分课后以小组为单位继续精修，准备迎接第二课时的“户外大考”。

【第2课时】实测与优化：在真实世界中校准

（五）户外安装与初始归零（10分钟）【非常重要】

1.【场地选定】各组携带完整组装好的日晷、项目日志、指南针、粉笔（标记影子点）、时钟（手机）到达操场指定区域。要求：寻找从9:00至15:00无建筑物/树木遮挡的全日照区域。

2.【北向精调】师统一口令：“请所有小组将日晷底座置于水平地面（可使用手机水平仪APP辅助），转动底座，使晷面上标注的12:00刻度线精确指向正北。指南针放置时远离钢铁井盖、钢筋等。”【现场实测】

3.【仰角复核】利用数显倾角仪抽测小组晷面仰角，是否等于本地纬度±2°以内。对于偏差较大组，现场指导利用定角板重新调整支撑结构。

（六）整点测影与“时空校准”实验（25分钟）【核心环节】【热点】【非常重要】

1.【任务发布】“此刻北京时间上午9:00整。请各小组观察你们晷针的影子落在了哪个刻度上？它指示的是9:00吗？”现场往往出现两种情况：一种是指向基本准确，另一种是影子落在8:45或9:15位置。

2.【归因分析与现场调试】教师组织全班就地围坐，启动“故障诊断”研讨会：

师：为什么我们严格按照图纸施工，自认为完美的日晷，却读不出标准时间？这是失败吗？不，这是工程师的日常。

生1：是不是我们北方向没对准？差一点儿，影子就差好多。

生2：是不是晷针还是有点歪？

生3：老师，我查过资料，我们手机上的北京时间是东八区120°E的时间，我们当地经度是118°E，有经度差！所以晷针影子指向当地太阳时12:00时，北京时间其实是12:08！（该生获全班热烈掌声）

师：太棒了！这就是真实世界与理想模型的差距。今天我们不做复杂的经度修正，但我们通过这个现象，理解了“真太阳时”与“北京时间”的区别。现在，我们做一个“时空校准”实验——【高阶思维】

操作步骤：

[1]记录当前手机显示的标准北京时间T。

[2]观察日晷晷针影子此刻正对的刻度t（精确到5分钟）。

[3]计算差值Δt=T-t。

[4]在晷面上用活动指针或贴纸做一个“北京时间修正刻度偏移量”标记。

这个环节将日晷从一个静态的“古玩品”变成了可动态校准的“科学测量仪”，学生深刻体会到：任何测量工具都需要参照系和校准。

3.【持续性观测任务布置】各组将日晷原地留置（确保安全，可委托传达室保管），承诺在每节下课时间（10:00、11:00、12:00……）前来记录一次影尖位置，并用粉笔在晷面上轻轻点下该时刻影子尖端位置。连续记录至下午第一节课后（14:00或15:00）。

（七）成果可视化与深度反思（5分钟现场+课后整理）

1.【数据驱动改进】通过一整天的累积点，学生会发现：上午记录的影子点与预设刻度线高度吻合，但下午记录的影子点可能逐渐偏离刻度线。引导讨论：【难点升华】

原因分析：

(1)日晷底座可能因学生奔跑震动产生微小位移；

(2)太阳光穿过大气层厚度变化引起折射率微变；

(3)晷针在太阳暴晒下热胀冷缩产生极其轻微的形变。

师总结：这就是工程！发现偏差，追查原因，然后——迭代版本2.0。

2.【“我的日晷2.0”升级方案】要求学生课后基于今天实测的“影子点阵”，重新绘制一张“经过实测校准的个性化晷面”。即：不再用量角器均分刻度，而是将实测的各整点影尖位置直接用彩笔连成辐射线，并标注对应的北京时间。这才是真正属于这个经纬度、这个季节、这个安装位置的“定制版”日晷。【重要】【深度学习】

【跨学科融合与长周期实践】（课后一周）

（八）当科学遇见艺术与人文——日晷文创设计

1.【美术融合】晷面不再只是白纸黑字的刻度线。学生将中国传统纹样（云雷纹、如意纹、二十四节气花卉）融入晷面装饰设计。但遵循一个核心原则：不能干扰刻度的判读。12:00位置以红色醒目标记，晷针根部设计莲花状固定座。【美育浸润】

2.【语文融合】撰写《我的日晷诞生记》说明文，需包含以下要素：【跨学科写作】

[1]我的设计解决了哪几个技术难题？

[2]我的日晷在测试中发生了什么“意外”？我是如何解释或改进的？

[3]如果我穿越回汉代，把这台日晷送给张衡，我会写一封怎样的“产品说明书”？

3.【德育与社会实践融合】借鉴烟台八中先进经验，开展“时光有爱”日晷文创义卖活动【8】。学生将改良后的日晷作品、印有晷影图案的书签/明信片、3D打印微缩日晷模型等在校内义卖，所得款项捐赠本地敬老院。义卖时需向购买者讲解日晷原理，将科学传播与社会责任感合二为一。【特色亮点】【态度责任高阶体现】

（九）单元视角下的反思评价——技术与工程的本质

1.【横向对比】播放视频《从日晷到原子钟》。引导学生思考：【大概念建构】

[1]日晷的优点是什么？（无需能源、直观、与自然同步）缺点是什么？（阴天黑夜停摆、携带不便）

[2]后世的漏刻、摆钟、石英钟、原子钟分别改进了日晷的哪个缺陷？

[3]尽管原子钟精度已达到亿年误差一秒，世界最顶尖的时间测量实验室里，为什么还在庭院中保留着一座花岗岩日晷？

生答：提醒我们，时间本质上是天体的舞蹈。人类所有的计时技术，都是在为太阳的影子写不同方言的注释。

2.【自我评价量表】学生完成《技术与工程素养自我诊断卡》，包含：

[1]我能向邻居奶奶讲清楚为什么晷针要指向北。（科学解释）

[2]我在晷针垂直固定遇到了困难，我尝试了（）方法，最终成功/未成功，原因分析是……。（问题解决）

[3]我认为我们组做得最酷的改进是……。（创新自信）

六、板书设计（思维可视化）【第1课时+第2课时整合版】

一、赤道式日晷：平移下来的天球赤道

├─晷针∥地轴→指向北极星→仰角=本地纬度【工程约束1】

└─晷面∥赤道面→影子移动匀速→刻度均匀15°/小时【科学原理】

二、制作铁律：三垂直一对准

├─晷针⊥晷面（直角三角板法）【操作要点1】

├─晷面仰角=纬度（定角板法）【操作要点2】

└─12:00刻度线指向正北（指南针+正午影长复核）【操作要点3】

三、校准与迭代：从模型到工具

├─误差来源：方向偏差、垂直度、经度差、大气折射……

├─工程师思维：测量→记录→归因→修正

└─2.0版本：用实测影子点阵绘制个性化刻度盘

七、作业设计（分层·长程·开放）

（一）基础性作业（全员完成）【巩固】

1.请将课堂上未完成的“实测影点刻度盘”用彩笔精确绘制完毕，晷面需标注：制作者姓名、制作日期、学校纬度、使用的校准时间（如“校准于北京时间202X年X月X日”）。

2.向家长展示你的日晷，并尝试在周末选择一个晴天，分别在9:30、14:30两个时刻，用日晷读时并记录与手机时间的差值，思考可能的原因。

（二）拓展性作业（选择性完成）【提升】

1.【数学】地球经度每相差1°，时间相差4分钟。请通过网络查询你所在城市的经度，计算当地太阳时与北京时间（120°E）的标准时差。你能在你的晷面上设计一个简易换算表吗？

2.【工程】尝试搜索“地平式日晷”的制作方法。思考：为何地平式日晷的刻度不是均匀的？你能想办法在圆形盘面上绘制出地平式日晷不均匀的刻度线吗？（提示：需要用到三角函数表或仿真软件模拟）

（三）研究性作业（跨学科/项目化）【拔尖创新人才早期培育】

1.【课题】“二十四节气与日晷影长变化”。从春分日开始，每月24日中午12:00（北京时间），在操场同一固定点，用同一台自制日晷拍摄晷针影子照片，记录影尖在晷面上的径向距离。持续一年，绘制“影长-节气”散点图，探究中国古代二十四节气划分与日影长度的精确关系。

2.【课题】“磁偏角的简易测量”。利用自制日晷找准真正的天文正午（即晷针影子一天中最短且指向正北刻线的瞬间），此时对比指南针的N极指向，测量本地磁偏角，并查阅资料验证。

八、教学结构时序与重要等级总览（供教研参考）

教学环节

核心内容

重要等级

考试评价频率

素养指向

原理探秘

赤道式日晷“晷针指北、晷面倾斜”的天文依据

【非常重要】

【高频考点】

科学观念、空间思维

材料与工具认知

指南针、定角板、量角器、垂直校验法

【重要】

【实操必考】

探究实践、技术规范

设计方案听证会

技术约束