3.5 影长的四季变化（教学设计）科学教科版六年级上册（新教材）

《影长的四季变化》教学设计 一、素养目标与学情 （一）课标要求 《义务教育科学课程标准（2022年版）》在“地球与宇宙科学”领域明确指出：13~15岁学段学生应“描述地球自转和公转的特征，解释昼夜交替和四季变化对生物的影响”。本课对应的核心概念为“地球在太阳系中的运动及其产生的自然现象”，学业要求为“能基于观察数据和模拟实验，描述四季正午物体影长的变化规律，并解释其与太阳高度角之间的关系”。 （二）教材分析 《影长的四季变化》是教科版六年级上册《地球的运动》单元中的重要课时。本课承接前一课“昼夜和四季变化对生物的影响”，是学生从“生物现象观察”向“天文规律探究”过渡的关键节点。教材编排逻辑为：聚焦问题（四季影长为什么不同）→ 探索（查阅古人观日影资料、制作简易圭表、模拟实验、实际观察）→ 研讨（总结影长变化规律）→ 拓展（北京地区日出日落时间和正午太阳高度角变化表）。 本课以“地球运动密码”为大概念统领，引导学生经历“观察现象—发现规律—解释原理—迁移应用”的完整科学探究过程。 （三）学情分析 分析维度 具体情况 知识基础 1. 学生已知一天中影子会随太阳位置变化而改变方向和长短； 2. 了解四季更替的基本现象，但不理解其与地球公转的内在联系； 3. 对“太阳高度角”概念陌生，需通过直观体验建立认知。 能力基础 1. 具备基本的测量和数据记录能力； 2. 能进行简单的模拟实验，但控制变量意识薄弱； 3. 初步具备“基于证据得出结论”的科学思维习惯。 前概念误区 1. 认为四季影长变化是因为“地球离太阳远近不同”； 2. 混淆“天气冷热”与“太阳高度角”的因果关系； 3. 认为古人观测日影只是为了“计时”，不了解其测季节的功能。 学习兴趣 1. 对天文现象有天然好奇心，动手制作意愿较强； 2. 对纯理论讲解容易产生倦怠，需要情境与活动驱动。 （四）素养目标 素养维度 目标描述 科学观念 能描述四季正午影长的变化规律（夏至最短、冬至最长），理解影长变化与太阳高度角之间的关系，形成“地球公转产生四季变化”的科学认识。 科学思维 能运用比较、分析、推理等方法处理圭表模拟实验数据，从具体数据中归纳出影长变化的规律，发展模型思维和推理论证能力。 探究实践 能制作简易圭表并进行模拟实验，规范记录不同季节正午太阳高度下的影长数据，体验“设计—操作—记录—分析”的完整探究流程。 态度责任 感受古人利用圭表观测日影的智慧和科学精神，增强对中华优秀传统文化的认同感；体会科学观测需要长期坚持、实事求是的科学态度。 二、教学内容与资源 （一）教学重点 1. 通过圭表模拟实验，发现并描述四季正午影长的变化规律。 2. 理解影长变化与太阳高度角之间的因果关系。 （二）教学难点 1. 建立“太阳高度角变化→影长变化→四季更替”的逻辑推理链条。 2. 用实验数据和集体论证的证据，解释“同一地点不同季节日影长度为什么不同”。 （三）教学准备 类别 具体内容 教师准备 1. 多媒体课件（含圭表结构图、古人观日影视频、四季太阳高度变化动画）； 2. 大型演示圭表模型1套（含可调节角度的光源）； 3. 班级记录表（大幅海报纸，预设春分、夏至、秋分、冬至四栏）； 4. 前概念诊断问卷（课前发放）。 学生准备 1. 简易圭表制作材料（长条纸带、硬纸板、直尺、铅笔、手电筒）每组1套； 2. 实验记录单（含数据记录表和研讨记录区）； 3. 课前完成的“影子的秘密”前概念调查表。 三、教学过程 板块一：前概念诊断，情境激疑（8分钟） 【环节目标】 体现“前概念诊断前置”要素：通过前概念调查暴露学生的初始认知，利用“同一棵树在不同季节的影子”真实情境引发认知冲突，激发探究欲望，自然引出核心问题。 【教学步骤】 一、前概念诊断反馈 （一）教师展示课前收集的“影子的秘密”前概念调查数据汇总图。 （二）提问：“同学们，你们认为一年四季中，正午时分同一棵树的影子长度会变化吗？如果会变，哪个季节影子最长？哪个季节最短？为什么？” 学生预设回答： 1.“我觉得影子长度会变化，夏天太阳大，影子应该短一些。” 2.“冬天影子最长，因为冬天太阳离我们远。” 3.“我觉得一年四季影子长度差不多，因为树没有变。” 二、情境创设与认知冲突 （三）教师播放视频：学校操场上一棵大树在春夏秋冬四个季节正午时分的延时摄影，清晰呈现影长差异。 （四）追问：“大家观察到的现象和你们的猜测一致吗？同一棵没有变化的树，为什么正午的影子在不同季节会不同？这背后藏着什么地球运动的密码？” （五）教师在黑板上记录学生的前概念观点，标注“待验证”。 三、聚焦核心问题 （六）师生共同提炼本课核心探究问题：“同一地点，为什么不同季节正午时分物体的影长会不同？这与太阳在天空中的位置有什么关系？” （七）教师揭示课题：今天我们要像科学家一样，用数据和实验来解开这个“地球运动密码”。 【设计意图】 通过课前调查，教师精准把握学生的认知起点和典型误区（如“地球离太阳远近导致四季”的错误前概念），为后续的认知冲突阶梯设计提供靶向。真实情境的延时摄影直接呈现“同一棵树四季影长不同”的现象，与学生“树没变影子为什么变”的前概念产生强烈冲突，激发深层探究动机。 板块二：探索古人智慧——认识圭表（10分钟） 【环节目标】 体现“迁移应用回应真实生活情境”要素：引导学生了解古人如何利用圭表观测日影确定季节和节气，感受中华传统文化中的科学智慧，同时为后续模拟实验提供工具和方法论支撑。 【教学步骤】 一、查阅古人观日影资料 （一）教师讲述：“早在三千多年前，中国古人就发明了一种观测日影的仪器——圭表。它由‘圭’（平放的刻度板）和‘表’（直立的标杆）两部分组成。古人通过测量正午时分表在圭上投下的影子长度，确定冬至、夏至等节气。” （二）出示圭表结构图和实物图片，引导学生观察圭表的组成部分。 （三）提问：“圭表的‘圭’和‘表’分别对应什么功能？为什么古人特别选择‘正午’时刻来测量？” 学生预设回答： 1.“‘表’是竖着的杆子，‘圭’是地上有刻度的板子。” 2.“正午太阳最高，影子最短也最稳定，测量最准确。” 二、制作简易圭表 （四）教师示范简易圭表的制作方法： 1. 取一张长条纸带作为“圭面”，在上面均匀标注刻度（每格1厘米）； 2. 取一块硬纸板折叠成直角三角形，竖直固定在圭面一端，作为“表”（高度10厘米）； 3. 将圭面平放在桌面上，确保“表”与圭面垂直。 （五）学生分组制作简易圭表，教师巡视指导。 三、明确实验方案 （六）教师引导讨论：“我们要用圭表和手电筒模拟太阳，怎样模拟不同季节正午的太阳照射？” （七）明确实验变量控制： 1. 手电筒的高度角模拟太阳高度角（夏至73.5°、春秋分50°、冬至26.5°，以北京地区为例）； 2. 圭表和“表”的高度保持不变（控制变量）； 3. 每组分别测量三个角度下的影长并记录。 【设计意图】 从古人圭表的真实智慧出发，让学生理解科学发现的历史脉络，感受中华文明在天文观测领域的卓越贡献。同时，亲手制作圭表的过程让学生对测量工具产生“物权感”，增强后续实验的投入度。明确实验变量控制为“集体论证用证据支撑”奠定方法基础。 板块三：模拟实验——探究四季影长变化（15分钟） 【教学步骤】 一、分组模拟实验 （一）教师演示一次完整操作：调整手电筒角度至冬至位置（低角度26.5°），照射圭表上的“表”，读取并记录影长。 （二）各小组按实验方案依次模拟三个季节： 1. 第一次：手电筒模拟冬至正午太阳（低角度约26.5°），读取影长，记录； 2. 第二次：手电筒模拟春分/秋分正午太阳（中角度约50°），读取影长，记录； 3. 第三次：手电筒模拟夏至正午太阳（高角度约73.5°），读取影长，记录。 （三）每组重复测量两次取平均值，减小误差。 （四）学生将数据填入实验记录单。 二、数据汇总至班级记录表 （五）各组派代表将实验数据填写到教室前方的班级记录表海报上。 （六）教师引导全班快速观察汇总数据： 1. “请观察班级记录表上所有小组的数据，你们发现了什么共同趋势？” 学生预设回答： 1.“所有小组都是冬至影子最长，夏至影子最短。” 2.“手电筒越低，影子越长；手电筒越高，影子越短。” 三、初步归纳规律 （七）教师追问（问题链第一阶）：“从数据看，冬至影长最长、夏至最短，这说明什么？” （八）教师追问（问题链第二阶）：“手电筒的高低代表什么？影子的长短又代表什么？” 学生预设回答： 1.“手电筒高低代表太阳在天空中的高度。” 2.“影子长短说明太阳越高影子越短，太阳越低影子越长。” （九）教师板书关键关系：太阳高度角↑ → 影长↓；太阳高度角↓ → 影长↑。 【设计意图】 本板块落实“班级记录表串联单元”要素——全班数据汇聚在一张大表上，既体现了科学实验的可重复性，又为后续“集体论证”提供了丰富的证据池。问题链从“数据告诉我们什么”到“数据说明了什么关系”层层递进，驱动学生从描述现象走向解释因果，实现思维从具象到抽象的进阶。 板块四：集体论证——用证据建构科学解释（12分钟） 【教学步骤】 一、研讨一：影长变化的规律是什么？ （一）教师提出问题：“综合班级记录表的数据，请用‘从……到……’的句式描述一年四季正午影长的变化规律。” （二）学生小组讨论后汇报，教师引导提炼： 1. 从夏至到冬至：正午影长逐渐变长； 2. 从冬至到夏至：正午影长逐渐变短； 3. 夏至影长最短，冬至影长最长，春秋分居中。 学生预设回答： 1.“从夏天到冬天，影子越来越长；从冬天到夏天，影子越来越短。” 2.“夏天正午太阳最高，影子最短；冬天正午太阳最低，影子最长。” 二、研讨二：为什么同一地点不同季节影长不同？ （三）教师提出核心论证问题（认知冲突高阶）：“影长变化是因为太阳高度角变化，那太阳高度角为什么会在不同季节不同？地球到底在做什么运动导致了这种变化？” （四）教师播放地球公转动画：地球绕太阳公转时，地轴始终倾斜，导致同一地点在不同季节接收到的太阳直射角度不同。 （五）学生结合动画和实验数据进行论证： 1. 证据一：模拟实验中，手电筒角度越高→影长越短，对应夏至太阳高度角最大； 2. 证据二：班级记录表数据显示，所有小组结果一致——冬至影长约为夏至的2~3倍； 3. 证据三：地球公转导致太阳直射点在南北回归线之间移动，同一地点的太阳高度角随季节变化。 （六）教师引导学生完成推理链条： 地球公转（地轴倾斜）→ 太阳直射点移动 → 同一地点正午太阳高度角变化 → 影长变化 → 四季温度差异 三、研讨三：观察实际影长变化需要注意什么？ （七）教师引导：“如果我们真的想在校园里长期观测正午影长变化，要注意哪些问题？” 学生预设回答： 1.“要在正午12点准时测量，不能早也不能晚。” 2.“要用同一个物体做标记，不能换。” 3.“要选晴天，阴天看不到影子。” 4.“要记录日期，坚持长期观测。” （八）教师总结观察注意事项：固定观测对象、固定观测时间（正午）、选择晴天、坚持长期记录、如实记录数据。 【设计意图】 本板块设计了三个层层递进的研讨问题：从“描述规律”到“解释原因”再到“规划实践”，构成完整的论证闭环。学生必须调用模拟实验数据（证据一、二）和地球公转知识（证据三）来支撑自己的观点，这正是“集体论证用证据支撑”的核心体现。推理链条的建构过程让学生经历从现象到原理的完整科学思维训练。 四、学习评价设计 评价维度 评价内容 评价方式 评价标准 前概念诊断 能准确描述自己对四季影长的初始认知，并能在实验后修正错误前概念。 课前问卷 + 课堂对比 能主动修正课前错误认知（如“距日远近”）得3分；部分修正得2分。 实验操作 能正确制作简易圭表，规范操作模拟实验，控制变量。 小组观察 + 记录单检查 操作规范、数据记录完整得3分；操作基本正确得2分。 数据分析 能从班级记录表中提取关键数据，归纳影长变化规律。 研讨发言 + 记录单分析 能准确描述“夏至最短、冬至最长”规律并解释原因得3分。 论证表达 能用“观点+证据”的方式参与集体论证，逻辑清晰。 课堂观察记录 能用实验数据和推理链条支撑观点得3分；仅陈述观点得1分。 迁移应用 能用影长变化规律解释建筑采光、太阳能安装等生活问题。 课堂回答 + 课后作业 能正确解释2个以上生活情境得3分；能解释1个得2分。 五、作业设计 层级 类型 作业内容 设计意图 基础层 知识巩固 1. 完成实验记录单中“我的结论”部分：用文字和简图描述四季正午影长的变化规律。 2. 填空：地球绕太阳____时，由于地轴____，导致同一地点不同季节的____不同，从而使影长发生变化。 巩固课堂核心知识，确保全体学生掌握基本规律。 提高层 实践探究 1. 在校园固定位置竖立标杆，连续4周每周测量2次正午影长并记录。 2. 将实测数据与模拟实验数据对比，撰写200字左右的观察报告，分析差异原因。 将模拟实验延伸为真实观测，培养长期科学实践习惯，强化“用证据说话”的科学态度。 拓展层 综合应用 1. 查阅资料，了解圭表在中国古代天文观测中的更多应用（如郭守敬的登封观星台）。 2. 思考：如果地球没有倾斜，一年四季的太阳高度角会怎样变化？影长还会有变化吗？写一篇300字的科学小短文。 拓展文化视野和逆向思维，引导学生从“是什么”走向“如果不是”的深度思考。 六、板书设计 影长的四季变化 核心问题 同一地点，不同季节 正午影长为什么不同？ 关键关系 太阳高度角↑ → 影长↓ 太阳高度角↓ → 影长↑ 推理链条 地球公转（地轴倾斜） ↓ 太阳直射点移动 ↓ 正午太阳高度角变化 ↓ 影长变化 → 四季差异 1 学科网（北京）股份有限公司 $