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中华圭表立杆测影科学综合实践活动课程指导纲要

已有 1471 次阅读 2021-9-17 14:58 |系统分类:科普集锦

中华圭表立杆测影科学综合实践活动课程指导纲要

一、课程性质与目标

日出而作,日落而息,人们最早观察的是头顶的星空和脚下的身影。后来,中国先民立杆为表,画地为圭,发明了世界上目前已知最早的天文仪器圭表,通过测量日影进行辨方正位,制定历法,开创了人类科学探索时空的先河。中华圭表立杆测影,形制简单而内涵深厚,是学前早教游戏的有趣素材,是中小学综合实践活动的有益主题,是融通中华传统文化的有效途径。为发扬中华圭表科学精神,为增益国民科学文化素养,为指导开发立杆测影科学综合实践活动系列课程,特制定本纲要。

科学是幼儿发展的重要内容,幼儿科学学习的核心是激发探究兴趣,体验探究过程,发展初步的探究能力。综合实践活动是国家义务教育和普通高中课程方案规定的必修课程,是基础教育课程体系的重要组成部分,自小学一年级至高中三年级全面实施。中华圭表立杆测影科学综合实践活动课程,以立杆测影科学活动为探究主题,紧密结合生活实境体验,综合运用多种学科知识技能,是贯穿学生学习成长全阶段的综合实践活动课程,将教育与生产劳动、社会实践相结合,符合国家教育方针理念,从我国古代科学成就的一个侧面引导学生深入理解和践行社会主义核心价值观,为立德树人的中国特色社会主义教育事业贡献力量。

科学技术是第一生产力,而创新是科学技术进步的原动力,创新能力的大小与创新人才的多少是现代国家竞争的关键因素,新时代的中国正在努力成为世界主要科学中心和创新高地。创新不是所谓天才与生俱来的能力,而是通过行为与认知技能的持续训练可以掌握并加以运用的能力。古人说,因明致诚,因诚致明,创新的原动力在于疑惑,在于人与天的不统一。鼓励个体真诚面对自己的疑惑,敢于挑战现状,勇于创新,通过不断地提问、观察、交流、实验,将风马牛不相及的事物加以联系起来进行思维,在排除疑惑的过程中,就能够产生出新的想法,就能够创造出新的事物。中华圭表立杆测影科学综合实践活动课程,以创新动力学模型为理论依据,通过保护、激发、培养学生的好奇心,按照认知心理学的科学规律由近及远,由古至今,由体验到思辨,由传承达创新。风马牛人,奥利都斯。

道法自然、天人合一是中华优秀传统文化核心思想理念的重要组成部分,科学实践是中华民族自强不息源远流长的生存本能。中华圭表立杆测影科学综合实践活动系列课程,旨在从中国先民发明并运用圭表这一简单而伟大的科学仪器进行探索天与地的相对运行规律的科学活动出发,体验古人由此而建立起时间、空间基准坐标知识体系,继而升华为执中、立中、中正平和完美人性思行模式的宏大历程,传承道法自然的科学精神,领悟天人合一的博大精深。格天人合一,致中正平和。


二、立杆测影简介

2.1、表

表,中国先民模拟人的身体发明出来的用以产生太阳影子的立杆,长度通常为八尺,即一人的身高。表在古代文献里常被称作股、髀、中、槷、臬等名称。古人通过在地面画辅助线,测量表影的方向与长度,用来测定大地的东南西北准确方位。辨方正位有定表法和游表法两种方法。

定表法,以表杆立点为圆心画一个圆周,分别在日出与日落时分记录表影与圆周的交点,连接两交点的直线为正东正西的卯酉线,过圆心做卯酉线的垂线,即为正南正北的子午线。由于日出日落时的太阳光线较弱,表影比较模糊,因此定表法的测量误差较大。

游表法,同样以表杆立点为圆心画一个圆周,另置一个立杆作为游表,游表可在圆周上平移,分别在日出日落时分平移游表,使游表、圆心中表和太阳三者在同一条直线上,得到游表在圆周上的两个立点,连接两个立点的直线为正东正西的卯酉线,过圆心做卯酉线的垂线,即为正南正北的子午线。游表法利用三点一线的原理,参考日出日落时的太阳圆心进行定位,测量结果的误差较小。

古代通常用细绳标示卯酉线和子午线,因此称为二绳。二绳空间方位的准确测定是上古时期准确测量时间的前提,通过测量子午线上表影长度的变化可以测量节气和回归年的长度,通过测量水平面上表影方位的变化可以测量白天的时间。中国社会科学院冯时先生在《文明以止——上古的天文、思想与制度》一书中说:“事实上,表作为一种最原始的天文仪器,它的利用不仅是古代空间与时间体系创立的基础,而且毫无疑问是使空间与时间概念得以精确化与科学化的革命。因此,表的发明对于人类文明与科学的进步而言,其意义是怎样评价也不过分的。”

2.2、圭表

圭表,在表的基础上,沿表杆北方的子午线设置圭尺,是通过测量表影长度来测定节气和回归年长度的科学仪器。古代中国长期持续性地使用圭表测量节气和周年长度,深化了人们对于时间的理解,取得了重大的科学成就。据考古研究,大约在距今八千年前,人们就已经能够测定春分秋分和冬至夏至的日期了。

地球围绕太阳公转一圈为一年,在地球上来看,就是太阳两次经过黄道春分点的时间。由于太阳光线的强烈照射,直接观测太阳在宇宙恒星背景上的运动是不可能的,古人便通过测量圭表日影的长短变化周期确定回归年长度。表杆越高,回归年长度的测量误差越小,精度越高。殷商以前,古人测得的回归年周期在365天到365.5天之间。周代,天文学家掌握了四分历,即回归年周期为365.25天。汉代祖冲之测得回归年长度为365.2428天,宋代杨忠辅测得365.2425天,与现代理论推算值相差26秒。元代郭守敬修筑四丈高台圭表并发明景符测得回归年长度与宋代杨忠辅相同,明代邢云路用六丈高表测得回归年长度为365.242190天,与现代理论推算值仅差2.3秒。明清以前,中国天文学家的回归年测量精度一直保持世界领先。

历法是人们为了生活生产方便,将日月星辰的运行现象编纂到时间轴上的人为约定法则。自古以来,人们持续观测周日、周月、周年的长度,制定出了调和日月星辰的各种历法。通常人们使用自然数记录日期,最主要的自然数就是从某天开始的天数。但一个完整的月相周期并非整数天,一个完整的圭表日影阴阳周期也不是整数天,这在日历计数的时候就会产生偏差现象,例如两个月会多出一天,四年会多出一天等等,为了符合习惯,人们通过不定期置闰,将这种偏差调整回来。按照纪日主要参考的天体运行周期以及偏差置闰调整方式的不同,可以将历法分为阳历、阴历和阴阳合历三类。阳历参考太阳运行,以回归年为主,忽略月相的变化,设置闰日调整回归年累积的偏差,现行的公历就是阳历。阴历参考月亮运行,以月相变化为主,初一为朔,十五为望,一年12个月,通常设置闰月调整回归年累积的偏差。我国的农历为阴阳合历,既考虑回归年四季转换又结合朔望月相周期,沿用至今。需要说明的是,伊斯兰国家使用的历法只参考月相变化,不考虑回归年周期,为纯阴历;而我国的二十四节气作为中华圭表立杆测影的成就之一,只参考太阳在黄道上的位置,不考虑月相变化,属于纯阳历。

在人们还没有认识到地球是圆形的古代,圭表还被用来测量天下之中的地理位置。根据《周礼》记载,夏至正午时分,八尺表的影长为一尺五寸的地方称为地中。这个一尺五寸主要是依据北回归线夏至无影和北极圈冬天极夜的自然现象人为规定出来的,尧舜时代规定为一尺六寸,商周时代规定为一尺五寸。对于八尺高表,夏至正午时的影长南短北长,传说中尧舜都城的地理位置多在商周都城以北的地方,大致符合圭表测量地中的原理。

根据《山海经》记载:“夸父不量力,欲追日景,逮之于禺谷”,由此可见,夸父追逐的并不是太阳,而是表杆的影子。通过测量表影长短来测量日期的科学仪器叫做圭表,而通过测量表影方向来测量时间的科学仪器则叫做日晷。

2.3、日晷

随着生产力的发展,人们生活节奏逐渐加快,需要更加精细地掌握时间。商代的甲骨文中已经具有了日中,昃的概念。太阳从东到西,表影从西到东,在表杆周围画出表示时间的刻度线,人们便发明了纪时仪器日晷。根据考古发现,古埃及发明日晷的时间似乎更早,大约距今四千多年前,我国出土的日晷中目前已知最早的为秦汉时期的日晷。按照表杆和表盘的设置方式不同,日晷可以分为地平式、赤道式、卯酉式、游表式人体日晷等几种类型。

2.3.1、地平式日晷

地平式日晷的表盘平行于地面,表杆垂直于地面,是从圭表直接发展出来的日晷形式。由于太阳夏高冬低,这种立表地平式日晷的误差较大,古人将立表向北倾斜指向北天极,发明了极表地平式日晷,改进了测时精度。

2.3.2、赤道式日晷

为了进一步提高测时准确度,古人将极表地平式日晷的表盘也向北方倾斜,使表盘与表杆垂直,此时表盘平行于地球赤道面,所以叫做赤道式日晷。由于地球自转,太阳绕地轴的视运动是均匀稳定的,因此,赤道式日晷的测时准确度很高,是现在最常见的日晷形式。

2.3.3、卯酉式日晷

保持表杆指向北天极,继续向北倾斜表盘,使表盘垂直于地面,平行于卯酉线和铅垂线所在的平面,这种日晷称为卯酉式日晷。与极表地平式日晷类似,卯酉式日晷的测时精度没有赤道式日晷高。

2.3.4、人体日晷

立表地平式日晷是最能展现原始立杆测影的日晷形式,基于现代数学计算,如果将立表按照日期沿子午线南北移动,表盘恰好是一个形式简单的椭圆,这就是游表式地平日晷,测时精度与赤道式日晷相当。以人的身体作为游表,便是人体日晷。人体日晷复古人身测影,综合了圭表与日晷,保证精度的同时又增加了互动乐趣,是一种美妙的日晷形式。 

三、课程内容

3.1、早教——乐趣

1.    认识人、地、天、日、月、星等自然物。
2.    感知点、线、面、体的基本空间形式。
3.    体验和发现自己的身体在平躺、站立时的不同状态,理解水平、竖立、倾斜等状态词。
4.    观察日出、日落自然现象,感知阳光是白天、夜晚产生的原因,感知一日的时间概念。
5.    观察月圆、月缺的自然现象,初步感知一月的时间概念。
6.    观察体验炎热、寒冷等不同季节的自然现象,初步感知春夏秋冬四季的时间概念。
7.    体验过年、过生日等节日的文化现象,初步感知年岁的时间概念。
8.    体验并感知数的概念,能数双手十根手指,能数一只手上食指中指无名指和小指的十二个指肚。
9.    初步感知平面轴对称的空间现象。
10.    感知影子的自然现象,感知光线与影子的简单关系,体验控制影子的乐趣。

3.2、学前——启蒙
1.    按时作息,定时活动。
2.    感知早晨、中午、黄昏等时间现象,探究太阳在一天当中的简单运行规律。
3.    体验和发现生活中很多地方都用到数,例如座位编号、时间表示等。
4.    感知平均分配的现象。
5.    感知平面轴对称的现象。
6.    感知物体基本的空间位置,理解中间、上下、前后、里外等方位词。
7.    知道我们都是中国人。
8.    感知和发现物体形态和位置的变化。
9.    感知和发现不同季节的特点,体验季节对动植物和人的影响。
10.    观察自己身体的影子,探究影子的方向与太阳位置的关系。
11.    在指导下,感知和体会有些事物可以用数来描述,对环境中各种数字的含义有进一步探究的兴趣,例如:时间、星期、日期、四季。
12.    能使用上下、前后、里外、旁边等方位词描述物体的位置和运动方向。
13.    知道东、南、西、北方位概念,初步探索太阳运动与方位的关系。
14.    能探索并发现影子等常见物理现象产生的条件或影响因素。
15.    感知并了解季节变化的周期性,知道变化的顺序。
16.    能发现事物简单的排列规律,并尝试创造新的排列规律。
17.    能发现生活中许多问题都可以用数学的方法来解决,体验解决问题的乐趣,比如时间差。
18.    能辨别自己的左右。
19.    探究平面轴对称,感知直角的特殊性。
20.    体验拥抱地球的乐趣,初步探索地图与地球的关系。

3.3、小初
3.3.1、学科综合背景
1.    对身边的自然现象有好奇心。
2.    热心参加校园活动。
3.    能用口头或图文表达对现象的观察所得,能就感兴趣的内容提出问题并参与共同讨论。
4.    观察大自然,不拘形式地写下见闻与感受。
5.    能提出学习和生活中的问题,有目的地搜集资料,共同讨论。
6.    在他人帮助下,感受数学活动的成功,能尝试克服困难。
7.    了解数学可以描述生活中的一些现象,感受数学与生活有密切联系。
8.    能倾听别人的意见,尝试对别人的想法提出建议,知道应该尊重客观事实。
9.    在现实情境中理解万以内数的意义,能认、读、写万以内的数,能用数表示物体的个数或事物的顺序和位置。
10.    能用数表示日常生活中的一些事物,并能进行交流。
11.    能认识钟表,了解24时纪时法;结合自己的生活经验,体验时间的长短。
12.    认识年、月、日,了解它们之间的关系。
13.    探索简单情境下的变化规律。
14.    结合实例,感受平移、旋转、轴对称现象。
15.    会用上、下、左、右、前、后描述物体的相对位置。
16.    给定东、南、西、北四个方向中的一个方向,能辨认其余三个方向,知道东北、西北、东南、西南四个方向,会用这些词语描绘物体所在的方向。
17.    经历简单的数据收集和整理过程,了解调查、测量等收集数据的简单方法,并能用自己的方式(文字、图画、表格等)呈现整理数据的结果。
18.    通过实践活动,感受数学在日常生活中的作用,体验运用所学的知识和方法解决简单问题的过程,获得初步的数学活动经验。
19.    在实践活动中,了解要解决的问题和解决问题的办法。
20.    经历实践操作的过程,进一步理解所学的内容。
21.    物体具有质量、体积等特征。通过观察,描述物体的轻重、薄厚、颜色、表面粗糙程度、形状等特征。根据物体的外部特征对物体进行简单分类。
22.    使用前后左右、东南西北、远近等描述物体所处位置和方向。
23.    知道推力和拉力是常见的力。
24.    知道力可以使物体的形状发生改变。
25.    知道指南针中的小磁针是磁铁,可以用来指示南北。
26.    观察指南针的结构,学会正确使用指南针,了解指南针是中国古代四大发明之一。
27.    描述太阳每天在天空种东升西落的位置变化;描述怎样利用太阳的位置辨认方向。
28.    描述一年中季节变化的现象,举例说出季节变化对动植物和人类生活的影响。
29.    描述月相的变化现象。
30.    知道太阳能够发光发热,描述太阳对动植物和人类生活有着重要影响。
31.    能够使用简单的仪器测量物体的长度、质量、体积、温度等常见特征,并使用恰当的计量单位进行记录。
32.    知道可以用相对于另一个物体的方向和距离来描述运动物体在某个时刻的位置。
3.3.2、立杆测影实践——定性
1.    探究十天干与十个数的对应关系,知道十日为一旬。
2.    探究十二地支与十二个数的对应关系,知道30天为一月,12月为一年,知道一年365天。
3.    探究年月日的数量关系并提出问题。
4.    观测统计年月的实际长度。
5.    探究是否存在比年更长的天文周期现象。
6.    探究自己身体影子的方向与太阳方位的关系。
7.    探究自己身体影子的长度与太阳高度的关系。
8.    探究自己身体的高度和影子长度的关系。
9.    探究自己身体的影子可以用来指示时间。
10.    探究人体日晷等日晷时间与钟表时间的异同。
11.    探究水平面的寻找方法。
12.    探究垂直线的寻找方法。
13.    体验从观察自身在地面上的日影到立杆测影模型建立的科学过程。
14.    探究季节与中午太阳高度的关系。
15.    探究月相与日月相对位置的关系。
16.    探究日出与东方的关系,日落与西方的关系。
17.    探究南方与中午的关系,北方与子夜的关系。
18.    讨论子夜时分太阳的位置。
19.    探究影子与日食和月食自然现象的关系。
20.    探究东南西北中的相对位置关系。
21.    体验以人体日晷或圭表为中心绘制周边环境地图的过程。
22.    探究生肖与十二地支的对应关系。
23.    探究金乌负日传说背后的科学。
24.    探究中国名称的由来,体验我们都是中国人的意义。

3.4、小高
3.4.1、学科综合背景
1.    观察大自然,用书面或口头方式表达自己的观察所得,力求具体准确生动。
2.    能在教师指导下组织有趣味的活动,在活动中学习,学会合作。
3.    受到优秀作品的感染与鼓励,向往和追求美好的理想。
4.    养成留心观察周围事物的习惯,有意识地丰富自己的见闻,尝试写简单的研究报告。
5.    策划简单的校园活动和社会活动,对所策划的主题进行讨论和分析,学写活动计划与活动总结。
6.    对自己身边的现象,组织讨论、专题演讲,学习辨别是非、善恶、美丑。
7.    初步了解查找资料、运用资料的基本方法。
8.    了解自然数、整数、奇数、偶数、质(素)数和合数。
9.    在具体情境中,了解常见的数量关系:总价=单件*数量、路程=速度*时间,并能解决简单的实际问题。
10.    探索给定情境中隐含的规律或变化趋势。
11.    结合生活情境了解平面上两条直线的平行和相交(包括垂直)关系。
12.    通过观察、操作等活动,进一步认识轴对称图形及其对称轴,能在方格纸上画出轴对称图形的对称轴;能在方格纸上补全一个简单的轴对称图形。
13.    通过观察、操作等,在方格纸上认识图形的平移与旋转,能在方格纸上按水平或垂直方向将简单图形平移,会在方格纸上将简单图形旋转90°。
14.    能从平移、旋转和轴对称的角度欣赏生活中的图案,并运用它们在方格纸上设计简单的图案。
15.    能根据物体相对于参照点的方向和距离确定其位置。
16.    会描述简单的路线图。
17.    在具体情境中,能在方格纸上用数对(限于正整数)表示位置,知道数对与方格纸上点的对应。
18.    经历简单的收集、整理、描述和分析数据的过程。
19.    会根据实际问题设计简单的调查表,能选择适当的方法(如调查、试验、测量)收集数据。
20.    能解释统计结果,根据结果作出简单的判断和预测,并能进行交流。
21.    在具体情境中,通过实例感受简单的随机现象;能列出简单的随机现象中所有可能发生的结果。
22.    通过试验、游戏等活动,感受随机现象结果发生的可能性是有大小的,能对一些简单的随机现象发生的可能性大小作出定性描述,并能进行交流。
23.    经历有目的、有设计、有步骤、有合作的实践活动。
24.    结合实际情境,体验发现和提出问题、分析和解决问题的过程。
25.    在给定目标下,感受针对具体问题提出设计思路、制订简单的方案解决问题的过程。
26.    通过应用和反思,进一步理解所用的知识和方法,了解所学知识之间的联系,获得数学获得经验。
27.    知道测量距离和时间的常用方法。
28.    知道用速度的大小来描述物体运动的快慢。
29.    知道自行车、火车、飞机等常用交通工具的速度范围。
30.    列举并描述生活中常见物体的直线运动、曲线运动等运动方式。
31.    比较不同的运动,举例说明各种运动的形式和特征。
32.    知道日常生活中常见的摩擦力、弹力、浮力等都是直接施加到物体上的力。
33.    举例说明给物体施加力,可以改变物体运动的快慢,也可以使物体启动或停止。
34.    描述行进中的光被阻挡时,就形成了阻挡物的阴影。
35.    举例说出动物适应季节变化的方式;说出这些变化对维持动物生存的作用。
36.    举例说出植物和动物从生到死的生命过程。
37.    描述一天中在太阳光的照射下,物体影子的变化规律。
38.    知道月球是地球的卫星。描述月相变化的规律。
39.    知道地球是一个球体,是太阳系中的一颗行星。
40.    描述月球表面的概况。
41.    知道太阳是一颗恒星。
42.    使用和制作简易的古代的测量仪器模型,如日晷、沙漏等。
43.    知道地球不需要接触物体就可以对物体施加引力。
44.    识别来自光源的光,如太阳光、灯光;识别来自物体反射的光,如月光。
45.    知道来自光源的光或来自物体的反射光进入眼睛,都能使我们看到光源或该物体。
46.    知道光在空气中沿直线传播。
47.    知道行进中的光遇到物体时,会发生反射现象,光的传播方向会发生变化。
48.    描述太阳光穿过三棱镜后形成的彩色光带,知道太阳光中包含有不同颜色的光。
49.    知道地球自西向东绕地轴自转,形成了昼夜交替与天体东升西落的现象。
50.    知道地球自转轴(地轴)及自转的周期、方向等。
51.    知道正午时物体影子在不同季节的有规律的变化。
52.    知道四季的形成与地球绕太阳公转有关。
53.    知道太阳是太阳系的中心;知道太阳系有八颗行星,描述它们在太阳系中的相对位置。
54.    描述月球、地球和太阳的相对大小和相对运动方式。
55.    知道宇宙中有无数星系,银河系只是其中的一个。
56.    知道大熊座、猎户座等主要星座;学习利用北极星辨认方向。
57.    了解人类对宇宙的探索历史,关注我国及世界空间技术的最新发展。
58.    知道完成某些任务需要特定的工具。
59.    简单评估完成一个产品或系统的可行性,预想使用效果。
60.    从经济效益、社会效益、环境效益等方面评价某个工程设计,并提出改进和完善建议。

3.4.2、立杆测影实践——定量
1.    探究纪时的12时辰到24小时的发展历史。
2.    体验利用人体日晷等日晷测量时间的过程,探究时间测量误差的来源。
3.    探究人体日晷上二十四节气站位的排列规律。
4.    体验夏至日影最短、冬至日影最长、春分秋分昼夜平分的自然现象。
5.    探究同一时刻在地球上不同地方看到的太阳位置以及身体影子的差异。
6.    观测记录并分析当地太阳时间与北京时间的差异现象。
7.    观察指南针的结构,探究指南针的工作原理。
8.    观测记录并分析不同地点的指南针的指向。
9.    探究指南针之外的测定方位的方法。
10.    体验利用悬丝绳竖立表杆的过程。
11.    体验利用铅垂线竖立表杆的过程。
12.    体验利用水准泡竖立表杆的过程。
13.    探究竖立表杆的更多方法。
14.    体验利用水面找平地面的过程。
15.    体验利用水平尺找平地面的过程。
16.    探究找平地面的更多方法。
17.    体验利用圭表定表方法测定方位的过程。
18.    体验利用圭表游表方法测定方位的过程。
19.    体验利用二绳和四维确定八个方向的过程。
20.    体验利用四方五位图得到八方九宫图并进而得到上古八角星纹的过程。
21.    体验中国古代亚形大地观到方形大地观并进而到天圆地方的认识过程。
22.    体验以圭表的表杆为中心建立平面直角坐标系的过程。
23.    参考地球仪,探究在地球上不同地点进行立杆测影辨方正位建立平面直角坐标系的异同。
24.    探究汉字中的字形演变历史。
25.    探究我们为什么叫做中国人。
26.    探究人体日晷人身测影的意义。
27.    体验建造简易圭表的过程,测量圭表的表杆高度。
28.    体验利用圭表测定正午时刻的过程。
29.    利用圭表长期进行观测并记录正午的时刻,日影的长度。
30.    统计并分析中午时刻对应的北京时间变化规律。
31.    统计并分析圭表日影的变化规律。
32.    探究立杆测影过程中的误差来源,提出改进测量精度的方案。
33.    给圭表的圭尺子午线标注实际的二十四节气刻度。
34.    探究人体日晷及赤道日晷与地球自转的关系。
35.    探究圭表表影变化规律与地球公转的关系。
36.    描绘一年之中太阳在天空上的运行轨迹。
37.    观测记录并分析月相的变化规律。
38.    观测记录并分析月球与太阳的相对位置。
39.    描绘一月之中月球在天空上的运行轨迹。
40.    设计并建造以地球为中心的太阳和月亮的运行轨道模型。
41.    分析日食、月食现象与月球和太阳运行轨迹的联系。
42.    体验预报下一次日食、月食的过程。
43.    观测记录并分析白昼的时间长度。
44.    观测记录连续两次夏至的时间长度。
45.    探究古代世界各地关于周年长度的测量简史。
46.    选择一种粮食作物,按照不同的节气进行种植,观测并记录作物的生长状况。
47.    选择其他粮食作物,按照不同的节气进行种植,观测并记录作物的生长状况。
48.    探究立杆测影对于古代中国粮食生产的意义。
49.    探究人类测量时间的技术发展历史。
50.    探究天下之中的起源和测定方法。
51.    探究阴阳观念的起源以及利用圭表立杆测影进行测量阴阳的简史。
52.    描绘一年之中圭表表影的长度变化图形,体验太极图与立杆测影的联系。
53.    探究《论语》尧曰章的“允执其中”与立杆测影的关系。
54.    探究后羿射日传说背后的科学。
55.    团队共同写作活动报告,并向其他团队汇报交流。

3.5、初中
3.5.1、学科综合背景
1.    阅读科技作品,领会作品中所体现的科学精神和科学思想方法。能利用图书馆、网络搜集自己需要的信息和资料,帮助阅读。
2.    有中心、有根据、有条理地讨论问题。自主组织科学活动,在活动过程中体验合作与成功的喜悦。
3.    能提出学习和生活中感兴趣的问题,共同讨论,选出研究主题,制订简单的研究计划。
4.    能获取有关资料,讨论分析问题,独立或合作写出简单的研究报告。
5.    关心学校、本地区和国内外大事,就共同关注的热点问题,调查访问,并用图文展示学习成果。
6.    掌握查找资料、引用资料的基本方法,分清原始资料与间接资料的主要差别,并注明出处。
7.    能根据具体问题中的数量关系列出方程,体会方程是刻画现实世界数量关系的有效模型。
8.    探索简单实例中的数量关系和变化规律,了解常量、变量的意义。
9.    能结合图象对简单实际问题中的函数关系进行分析。
10.    通过实物和具体模型,了解从物体抽象出来的几何体、平面、直线和点等。
11.    理解角的概念,能比较角的大小。
12.    理解垂线、垂线段等概念,能用三角尺或量角器过一点画已知直线的垂线。
13.    理解点到直线的距离的意义,能度量点到直线的距离。
14.    掌握基本事实:过一点有且只有一条直线与已知直线垂直。
15.    探索勾股定理及其逆定理,并能运用它们解决一些简单的实际问题。
16.    结合实例进一步体会用有序数对可以表示物体的位置。
17.    理解平面直角坐标系的有关概念,能画出直角坐标系;在给定的直角坐标系中,能根据坐标描出点的位置、由点的位置写出它的坐标。
18.    在实际问题中,能建立适当的直角坐标系,描述物体的位置。
19.    对给定的正方形,会选择合适的直角坐标系,写出它的顶点坐标,体会可以用坐标刻画一个简单图形。
20.    在平面上,能用方位角和距离刻画两个物体的相对位置。
21.    在直角坐标系中,探索并了解将一个多边形依次沿两个坐标轴方向平移后所得到的图形与原来的图形具有平移关系,体会图形顶点坐标的变化。
22.    经历收集、整理、描述和分析数据的活动,了解数据处理的过程;能用计算器处理较为复杂的数据。
23.    体会抽样的必要性,通过实例了解简单的随机抽样。
24.    能解释统计结果,根据结果作出简单的判断和预测,并能进行交流。通过表格、折线图、趋势图等,感受随机现象的变化趋势。
25.    结合实际情境,经历设计解决具体问题的方案,并加以实施的过程,体验建立模型、解决问题的过程,并在此过程中,尝试发现和提出问题。
26.    会反思参与活动的全过程,将研究的过程呵呵结果形成报告或小论文,并能进行交流,进一步获得数学活动经验。
27.    通过对有关问题的探讨,了解所学过知识(包括其他学课知识)之间的关联,进一步理解有关知识,发展应用意识和能力。
28.    增进对科学探究的理解和提高探究的能力。
29.    知道光的直线传播,了解相关现象(如小孔成像、日食与月食等)。
30.    通过观察识别若干著名的星座与恒星。查阅史料了解人类认识星空的历史。
31.    说出阳历和地球公转的关系,知道二分二至四个节气。知道阴历与月相的关系,知道朔、望、上弦、下弦的月相。观察月相的变化。
32.    知道日食和月食的成因。知道太阳和月球的概况。关注太阳活动对人类的影响。了解日地与月地的距离及运动。
33.    收集关于太阳与月球的资料。用天文望远镜观察月球、木星等天体。
34.    了解八大行星、卫星及小行星带。收集八大行星及小行星的资料,探讨行星和卫星上存在生命的可能性。讨论小行星撞击地球与恐龙灭绝的可能关系。
35.    了解彗星的构成,知道哈雷彗星。收集彗星的资料及历史上的彗星记录。知道陨石和流星。
36.    了解人类飞向太空的历程和人类对月球和行星的探测。
37.    关注我国航天事业的成就。收集我国和其他国家在航天事业中的成就,关注天文学和空间科学的发展。
38.    了解银河系的构成、大小和形状,说出太阳系在银河系中的位置。
39.    知道光年的意义。
40.    知道红巨星、白矮星、中子星与太阳的大小和密度差别很大,知道黑洞和超新星爆发。
41.    了解宇宙是由大量星系构成的。知道宇宙是有起源的、膨胀的、演化的。
42.    从宇宙的演化、恒星的演化、地球的演化、生命的演化中领悟人与自然的关系。
43.    知道从地心说到日心说的发展,领悟科学家追求真理的精神。
44.    收集与交流我国有关天文学成就的资料。
45.    描述地球的形状和大小。查阅有关史料,了解人类认识地球形状和大小的漫长历程。
46.    在地球仪和地图上确定某地的经纬度,学会阅读常见的地图。
47.    知道当地正午太阳高度角和昼夜长短是随季节而变化的。观测和记录正午太阳高度角。
48.    学会绘制简单平面示意图。
49.    关注卫星遥感技术和卫星定位仪的应用。
50.    联系生活经验了解天气与气候的区别。讨论天气与气候对人类的影响,以及人类活动对气候变化的影响。
51.    知道太阳是引起地球天气与气候变化的主要因素。
52.    知道测量气温、降水量、风力、风向、湿度和气压的方法与仪器。使用仪器测量气温、降水量、湿度、风向等。
53.    知道我国气候的主要特点。通过查阅资料了解气候资源及其利用。
54.    列举主要的气象灾害和防灾减灾的措施。收集天气谚语并尝试进行解释。
55.    关注各种媒体发布的天气预报。收看电视台播发的卫星云图并尝试预报天气变化的趋势。
56.    融入科学技术史。
57.    关注当代重大课题。
58.    客观分析挫折和逆境,寻找有效的应对方法,养成勇于克服困难和开拓进取的优良品质。搜集“战胜困难和挫折,在逆境中自强不息”的事例,讨论应该如何面对困难和挫折。
59.    主动锻炼个性心理品质,磨砺意志,陶冶情操,形成良好的学习、劳动习惯和生活态度。
60.    了解自我评价的重要性,能够客观地认识自我,积极接纳自我,形成客观、完整的自我概念。
61.    认识生命形态的多样性,理解人类生命离不开大自然的哺育。
62.    认识自己生命的独特性,珍爱生命,能够进行基本的自我救护。自尊、自爱,不做有损人格的事。
63.    能够分辨是非善恶,学会在比较复杂的社会生活中作出正确选择。
64.    体会生命的价值,认识到实现人生意义应该从日常生活的点滴做起。列举一些中外人物特别是革命领袖和英雄人物的事例,或围绕自己和同学的生活故事,就“人生的意义”开展主题讨论。
65.    养成自信自立的生活态度,体会自强不息的意义。
66.    体会父母为抚养自己付出的辛劳,孝敬父母和长辈。学会与父母平等沟通,调试“逆反”心理。增强与家人共创共享家庭美德的意识和能力。
67.    领会诚实是一种可贵的品质,正确认识生活中诚实的复杂性,知道诚实才能得到信任,努力做诚实的人。以“诚信”为题开展一次课堂讨论。
68.    理解竞争与合作的关系,能正确对待社会生活中的竞争,敢于竞争,善于合作。
69.    知道每个人在人格和法律地位上都是平等的,做到平等待人,不凌弱欺生,不以家境、身体、智能、性别等方面的差异而自傲或自卑,不歧视他人,富有正义感。
70.    感受个人成长与民族文化和国家命运之间的联系,提高文化认同感、民族自豪感,以及构建社会主义和谐社会的责任意识。
71.    知道中国特色社会主义理论体系。了解我国现阶段基本经济制度和根本政治制度,知道我国各民族人民的共同理想。
72.    学习和了解中华文化传统,增强与世界文明交流、对话的意识。
73.    了解文化的多样性和丰富性,尊重不同的文化和习俗,以平等的态度与其他民族和国家的人民友好交往。
74.    了解当今世界发展趋势,知道我国在世界格局中的地位、作用和面临的机遇与挑战,增强忧患意识。
75.    认识树立全球观念的重要性,增强为世界和平与发展作贡献的意识和愿望。以世界地图为依托,开展“我在地图上旅行”的演讲活动,搜集不同国家或地区的自然风光、人文历史等素材,积极感受“和平进步、和谐发展、和睦相处、合作共赢、和美生活是全世界的共同理想”。
76.    一百多万年前,中华大地上就有人类活动。考古学发现的旧石器时代遗址为研究中国古人类提供了可靠的证据。
77.    中华文明诞生于考古学上的新石器时代。中国是世界上原始农业产生最早的地区之一。
78.    大约在公元前21世纪,中国历史上第一个王朝——夏朝建立。迄今发现有文字记载的历史从商朝开始。商朝的青铜冶炼技术和甲骨文代表了早期中华文明的辉煌成就。西周取代商朝后分封诸侯,对疆域的控制更加稳固。
79.    东周分为春秋、战国两个阶段。春秋时期,王室衰微,诸侯争霸,分封制度渐趋瓦解。战国时期,铁农具和牛耕的推广,促进了农业发展。各诸侯国的变法推动了社会进步,思想文化出现了“百家争鸣”的繁荣局面。
80.    秦始皇建立了中国历史上第一个统一王朝,创立了专制主义中央集权的国家体制。两汉三国两晋南北朝时期,北方少数民族大量内迁,推动了民族交往、交流、交融。此时,农业技术不断进步,中医学已形成系统的理论和独特的治疗方法,天文学、数学也都取得了重要成就。两宋时期,四大发明技术的成熟对人类文明的进步具有重大意义。明朝郑和下西洋成为中国乃至世界航海史上的壮举。
81.    清朝经过一百多年的励精图治,建立了庞大的多民族统一国家,奠定了现代中国版图的基础,但君臣固守旧有的对内对外政策,古老的中国已落后于世界发展潮流。中国封建社会到1840年鸦片战争爆发后逐步解体。
82.    中华文明源远流长,绵延不断,成就辉煌,对人类进步做出了伟大贡献。
83.    知道北京人的特征,了解北京人发现的意义。知道化石是研究人类起源的主要证据。
84.    了解半坡居民、河姆渡居民的生活和原始农业的产生。知道考古发现是了解史前社会历史的重要依据。根据教学用图,想象原始人的一天是怎样度过的。
85.    知道炎帝、黄帝的传说故事,了解传说与神话中的历史信息。
86.    通过学习中国近代史,了解中国近代重要的历史人物、历史事件和历史现象,了解中国近代历史发展的基本线索;能够阅读和理解一些基本的历史材料;能够认识近代中国遭受过的深重苦难是国内专制统治的腐朽黑暗和外国列强入侵造成的;认识捍卫国家主权和民族尊严是中华民族的优良传统;知道救亡图存和实现现代化是近代中国人民奋斗的基本目标;知道民族民主革命的艰巨性;知道没有中国共产党就没有新中国的道理,从而坚定为中华民族复兴而奋斗的信念。
87.    通过学习中国现代史,了解中国现代的重要历史人物、历史故事、历史现象和历史发展的基本线索;能够阅读并分析重要的历史文献资料,学会社会调查的基本方法,能够运用所学知识分析和解释历史问题,客观地论证历史人物;知道中国社会主义初级阶段的基本国情,认识社会主义现代化建设是一个曲折漫长的过程;能从社会的不断进步和发展中体会到必须坚持中国共产党的领导,坚持建设中国特色社会主义的信念。
88.    通过学习世界古代史,知道主要国家和地区重要的历史人物、历史事件和历史现象,了解世界古代史发展的基本线索;辩证地看待人类社会不断发展和进步的总体趋势,感悟人类文化的多元性、共容性和发展的不平衡性,认识到世界各地区、各民族共同推动了人类文明的进步,他们创造的文明成就是人类的共同财富;树立民族自信心,同时初步树立起正确的国际意识,培养理解、尊敬、吸收其他民族文化精华的开放心态。
89.    通过学习世界近代史,了解世界近代史上重要的历史人物、历史事件、历史现象和历史发展的基本线索,并理解世界逐渐形成一个整体;初步学会对同类的历史事物进行比较、概括和综合;理解和分析资本主义发展的历史进步性和局限性,以及其野蛮性和扩张性;认识马克思主义诞生的重大历史意义,理解殖民地半殖民地人民反抗资本主义侵略扩张斗争的正义性和合理性;初步形成崇尚科学精神的意识、历史进步意识、历史正义感和以人文本的价值观。
90.    通过学习世界现代史,了解世界现代史上重要的历史人物、历史事件、历史现象,了解世界现代历史发展的基本进场和总体趋势;了解当代世界已经形成一个息息相关的、多样性的整体,中国的前途命运日益紧密地同世界的前途命运联系在一起;能够运用材料对历史进行论证,以实事求是的态度分析历史与现实问题,增强国际意识,以开放的心态和开阔的视野看待世界,吸纳人类共同创造的文明成果;树立热爱和平的观念和忧患意识,增强社会责任感和历史使命感,立志为促进人类进步事业奉献自己的力量。
91.    了解人类认识地球形状的过程。用平均半径、赤道周长和表面积描述地球的大小。用简单的办法演示地球自转和公转。用地理现象说明地球的自转和公转。运用地球仪,说出经线与纬线、经度与纬度的划分。在地球仪上确定某地点的经纬度。
92.    开展地理观测、动手制作等活动。例如,观察不同季节或一天内,太阳光下物体影子方向和长短的变化。
93.    在地图上辨别方向,判断经纬度,量算距离。开展运用地图、动手制作等活动,使用地图、手持定位仪等进行“定向越野”活动。
94.    区分“天气”和“气候”的概念,并能正确运用。开展参观、观测、体验等活动。
95.    运用地图,描述家乡的地理位置,分析其特点。
96.    了解家乡的发展规划,关注家乡的未来发展,树立建设家乡的志向。
97.    掌握提出问题、猜想与假设、设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作的科学探究流程与方法。
98.    了解人类探索太阳系及宇宙的历程,知道对宇宙的探索将不断深入,关注探索宇宙的一些重大活动。了解我国载人航天事业和探月工程的新成就。
99.    认识凸透镜的会聚作用和凹透镜的发散作用。探究并知道凸透镜成像的规律。了解凸透镜成像规律的应用。通过实验,了解白光的组成和不同色光混合现象。用凸透镜制作简易望远镜,并用其观察远处景物。

3.5.2、立杆测影实践——原理
1.    探究勾股定理的历史,探究勾的含义,探究股的含义。
2.    探究北京天坛祭坛的三层圆台的几何关系。
3.    基于立杆测影与钟表估计方位。
4.    基于立杆测影测量当地的磁偏角。
5.    基于立杆测影测量当地的地理纬度。
6.    联合其他地区的学校,测量正午时刻的时间差。
7.    基于已知点的地理经度和正午时刻计算所在地的地理经度。
8.    联合其他地区的学校进行夏至日立杆测影活动并汇报交流。
9.    假设大地是平的,对于八尺高的圭表,基于古代“寸影千里”假设,计算太阳的高度。
10.    假设地球是圆的,对于八尺高的圭表,基于古代“寸影千里”假设,计算地球的半径。
11.    探究中国古代的宇宙模型。
12.    建造十米以上的高表。
13.    探究高表顶端日影的清晰度。
14.    制作基于小孔成像原理的景符。
15.    制作基于透镜成像原理的景符。
16.    使用景符进行立杆测影,并评估测量精度。
17.    探究太阳的张角对立杆测影的影响。
18.    探究大气层对立杆测影的影响。
19.    探究分别基于夏至和冬至或其他节气测量回归年的精度差异。
20.    基于高表测量回归年的精确长度。
21.    基于立杆测影证明地球的形状是球形。
22.    基于立杆测影证明地球绕太阳公转的轨道是椭圆形。
23.    探究在地球的南北半球上进行立杆测影活动的异同。
24.    基于立杆测影测量地球赤道面与公转轨道面的夹角即黄赤交角的大小。
25.    基于立杆测影测量每一天的长度,即相邻两次正午的间隔。
26.    统计并分析日长的变化。
27.    探究基于立杆测影构建地球表面的时间和空间坐标系的方案,并讨论有关实施的可行性与局限性。
28.    探究协调世界时系统。
29.    探究中国国家标准时间北京时间与所在地的时差。
30.    基于日食的范围估算月球的大小。
31.    基于月食现象估算月球到地球的距离。
32.    制作延时模型,体验月地通话以及火地通话。
33.    体验夜间拍摄星迹的过程。
34.    了解赤道与黄道周边的星座。
35.    了解北极星及北斗等北极天区的星座。
36.    了解北斗全球卫星导航系统。
37.    探究卫星定位的基本原理。
38.    探究利用恒星进行导航定位的基本原理。
39.    测量记录所在地的气温、湿度等气象数据,分析气象数据与节气的关系。
40.    探究夸父追日传说背后的科学。
41.    探究人类认识时空的历史进程。
42.    想象在月球上进行立杆测影的场景。
43.    想象在火星上进行立杆测影的场景。
44.    体验古人在采集狩猎时代春夏秋冬各个季节的一天。
45.    选取一种粮食作物,比对按照不同节气进行种植所得产量的差异。
46.    选取其他粮食作物,比对按照不同节气进行种植所得产量的差异。
47.    选取一种粮食作物,比对分别在全年365天种植所得产量的差异。
48.    整理有关天时的谚语。
49.    探究年与岁的含义。
50.    探究立杆测影对于确定粮食种植时间的意义。
51.    探究汉字中、史、巫的科学内涵。
52.    观测记录日出或日落的方位,以偏东角度记录数据,分析数据的变化规律。
53.    基于黄赤交角推导日出位置的计算公式。
54.    基于地球的自转推导赤道式日晷的测时原理。
55.    基于黄赤交角推导圭表正午影长的计算公式。
56.    基于黄赤交角推导人体日晷的站立位置计算公式。
57.    基于黄赤交角推导所在地的日照时长。
58.    计算《周礼》中记载的天下之中地理纬度。
59.    计算《周髀算经》中记载的天下之中的地理纬度。
60.    探究“中”文化的历史。
61.    探究“和”文化的历史。
62.    结合立杆测影,探究“自强不息,厚德载物”的民族精神。
63.    探究中国人站立在人体日晷上进行人身测影的科学文化内涵。
64.    了解洛书,探究洛书与上古八角星纹的关系。
65.    探究天下之中信仰与中国的起源。
66.    探究社会主义核心价值观中“和谐”的历史渊源。

3.6、高中——深入
1.    已知月球绕地球运动的轨道根数,探究月球绕地球的运动规律。
2.    已知地球绕太阳运动的轨道根数,探究地球绕太阳的运动规律。
3.    综合月、地、日的相对运动,探究地球表面看到的日、月运行现象。
4.    结合观测,在理论上预报日食、月食。
5.    结合气象观测数据,建立气温等气象参数与圭表正午影长的数学模型。
6.    结合粮食作物产量数据,建立粮食产量与圭表正午影长的数学模型。
7.    联合多地学校,进行同一节气的圭表联测活动。
8.    探究现行历法与二十四节气以及我国阴阳合历即农历的关系。
9.    讨论现行公历的优缺点,设计新的历法。
10.    探究基于子午线的城市中轴线规划历史。
11.    基于立杆测影的历史记录推算唐尧、虞舜、夏禹的都城地理位置。
12.    探究全球卫星导航定位系统在现代化农业中的应用。
13.    探究星际旅行时代粮食的工业化生产前景。

3.7、大学——文化
1.    探究“天下之中”的观念对于中原乃至中国的形成意识形态规定性。
2.    基于立杆测影的历史传统设计古代权杖“中”。
3.    基于立杆测影、古籍与考古资料考察中国古代太阳文化的发展脉络。
4.    基于立杆测影考察中国古代时空的标准体系发展史。
5.    基于立杆测影考察中华传统文化的核心思想史。
6.    论证中华圭表是中华文脉之源。
7.    设计中华圭表立杆测影主题公园。
8.    设计中华圭表立杆测影天人合一中正平和圣坛。

3.8、修心——哲学
1.    《论语》尧曰:天之历数在尔躬,允执其中。
2.    《尚书》大禹谟:人心惟危,道心惟微,惟精惟一,允执厥中。
3.    《易经》泰卦:包荒用冯河,不暇遗,弗忘得尚于中行。
4.    殷商甲骨文:□□卜,争贞,王立中。
5.    《道德经》第五章:多言数穷,不如守中。
6.    《易经》乾卦:乾道变化,各正性命。
7.    《道德经》第五十七章:以正治国。
8.    《青囊经》:君临四正,南面而治。
9.    《孟子》:浩然正气道义中。
10.    《黄帝内经》素问:正气存内,邪不可干。
11.    《易经》乾卦:云行雨施,天下平也。
12.    《诗经》小雅伐木:神之听之,终和且平。
13.    《礼记》大学:格物,致知,诚意,正心,修身,齐家,治国,平天下。
14.    《道德经》第三十五章:执大象,天下往;往而不害,安平太。
15.    《黄帝内经》素问:平人者,不病也。
16.    《易经》乾卦:保合太和,乃利贞。
17.    《道德经》第四十二章:万物负阴而抱阳,冲气以为和。
18.    《论语》学而:礼之用,和为贵。
19.    《论语》子路:君子和而不同,小人同而不和。
20.    《黄帝内经》素问:内外调和,邪不能害。
21.    《礼记》中庸:喜怒哀乐之未发谓之中,发而皆中节谓之和;中也者天下之大本也,和也者天下之达道也。
22.    《道德经》第二十五章:人法地,地法天,天法道,道法自然。
23.    《正蒙》乾称:因明致诚,因诚致明,故天人合一,致学而可以成圣。
24.    德国汉斯•约阿西姆•施杜里希著《世界哲学史》:中国塑造出了迄今为止最为完美的人性。

3.9、养生——自在
1.    顺应天时地利饮食
2.    顺应天时地利运动
3.    顺应天时地利生活

四、主要参考资料

1.    教育部《幼儿园教育指导纲要》。
2.    教育部《3-6岁儿童学习与发展指南》。
3.    教育部《义务教育小学科学课程标准》。
4.    教育部《义务教育初中科学课程标准》。
5.    教育部《义务教育语文课程标准》。
6.    教育部《义务教育数学课程标准》。
7.    教育部《义务教育思想品德课程标准》。
8.    教育部《义务教育历史课程标准》。
9.    教育部《义务教育物理课程标准》。
10.    教育部《义务教育地理课程标准》。
11.    教育部《中小学综合实践活动课程指导纲要》。
12.    教育部《中华优秀传统文化进中小学课程教材指南》。
13.    国务院《全民科学素质行动规划纲要》。
14.    国务院《中国公民科学素质基准》。
15.    住建部《园林工程项目规范》。
16.    冯时《中国天文考古学》。
17.    美国杰夫•戴尔等《创新者的基因》。




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