摘要： 本研究着重于高一新生通過日晷的制作和使用，培養高中學生對高中地理的地球運動的理解，掌握利用日晷測定時間，日影方位判斷，正午太陽高度計算等，從而培養高中學生的地理觀測能力和實踐能力。

關鍵詞： 日晷 操場 拍照 記錄

研究的背景： 此次課題研究是在深入學習和貫徹課程标準提出的實施中小學核心素養教育方針的背景下開展實施的，旨在培養學生理論聯系實際，深入探究，團結合作的精神，提高學生實際動手能力，信息收集和處理的能力，培養具有創新能力的新型人才。

一 活動時間與地點： 2020年9月23日前後學校操場

二 活動對象： 高一1，2，19班

三 理論依據

當太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面，太陽由東向西移動，投向晷面的晷針影子也慢慢由西向東移動，以此來顯示時刻，這就是日晷的計時原理。特别注意的是無論是赤道式日晷還是地平式日晷，其晷針與當地的地平夾角等于等于當地的地理緯度。例如：鎮平縣地理緯度為33度21分，則下面的指針與地面夾角也為33度21分。

四 課題活動内容

古代，在機械鐘表出現之前，人們通過觀察太陽來記錄時間，比如太陽升到頭頂最高的位置，時間就為正午了。實際上古時候的時間的概念就是來自太陽，例如我們把太陽連續兩次升起之間的時間稱為“一日”，即24小時。

一天中不同的時間段，陽光下物體投射在地面上的影子的長度和角度都不同，通過測量同一物體影子的變化，就能确定太陽的運行情況，從而得到精确的時間。這種測量時間的儀器被稱作“太陽鐘”，我國古代稱之為“日晷”。

人類很久很久以前就開始使用日晷來記錄時間了，在6000多年前古巴比倫開始使用，中國有明确記載的是在3000多年前的周朝。現在故宮還存放着日晷。這些古代的時鐘精确度一點不比現在的機械式鐘表差，而且既能顯示一天之内的時刻，又能顯示節氣和月份。當然它也有缺點，笨重且沒有陽光的時候就沒有了用武之地，如陰天或晚上。

我們首先制作一個簡易的日晷，來感受一下古代計時工具的工作原理。

要用到的東西：方便面的紙桶、橡皮泥、竹簽和筆。

制作方法超級簡單，用橡皮泥把竹簽固定在桶的中央，保證竹簽垂直向上。

而後把它放在陽光能直接照射到的地方，竹簽的影子會投射在桶壁上。這個影子的位置是随時間變化而改變的，手裡拿一塊表，每到正點的時候就用筆在桶壁上作一個記記。比如手表顯示的是上午“9”點，那麼你就在影子的位置畫個記号，而且标上“9”。注意紙桶的位置不能再變了，那麼明天上午竹簽的影子再到你做的标記“9”上的時候，此時的時間就是9點。

因為時間關系， 所以我們大概要幾天可能做完所有的時間标記，那麼這就是日晷了，就可以來代替手表計時了。

通過以上的簡易日晷的制作，我們對日晷的工作原理有了一個大概的了解，當然真正的日晷要比這個複雜得多。那麼制作一個真正的日晷需要的地理知識是什麼？

地球繞地軸自轉，同時繞太陽公轉。一天之内時間的變化是自轉造成的，由于相對太陽來說地球是“斜着身子”旋轉的，所以陽光的投影的變化也比較複雜。上面介紹的簡易日晷之所以選用方便面的紙筒，是因為紙筒壁有一定的傾斜角度，陽光也是傾斜着照過來的，這樣竹簽在紙筒壁上的影子就相對均勻一些。請注意觀察你自己根據手表的時間作出的标記，這些标記之間的間距也不是絕對均勻的，能說明太陽運行的複雜性。

真正的日晷主要有三種類型：赤道式、水平式（地平式）和垂直式

上圖是赤道式日晷是我們經常在博物館和古建築群裡看到的，之所以叫“赤道式”，是因為它的晷盤，即有刻度的圓盤是與地球赤道面平行的，貫穿晷盤的指針與地軸平行并且指向正北。這樣就消除了因為地球斜着身子造成的指針的投影運動的不均勻性，所以它的刻度盤跟現代鐘表盤一樣，刻度是均勻的。另外請注意晷盤兩面都有刻度，春分到秋分，即3月21日到9月22日期間從正面讀數，秋分到春分半年從背面讀數。

上圖是地平式日晷，圖上右面的部分是經過藝術處理的，既是城市雕塑又是一座巨大的日晷，刻度刻在地面。這種日晷的刻度就是不均勻的，而且随緯度而變化，即不同緯度地區的地平式日晷不能通用。

上圖牆壁上的是垂直式日晷，它的刻度也是不均勻的，而且日晷的表面朝向不同，刻度就會随之發生相應的變化。所以這種日晷在不同緯度地區之間是不能通用的。

自己動手制作一個能夠精确計時的日晷難嗎？知道了原理後就相當容易了！下面我們分别制作這三種不同的日晷。

首先制作赤道式日晷。使用的材料：一個鞋盒和一些白紙，一根竹簽（烤肉串上的打磨一下），另外需要一些膠水或雙面膠帶。

需要的工具：剪刀、壁紙刀、圓規、指南針、水平儀、帶量角器的三角尺和一支筆。

首先為了美觀把鞋盒的外表面貼上一張白紙，剪去盒蓋邊沿，變成一張紙闆，為了漂亮外面同樣也可以粘上白紙。

沿鞋盒的長邊畫一條中心線，距邊沿1/3的位置畫一條垂直線，注意垂直線要延長到兩個側面。

在鞋盒蓋子——現在已經成為一張白紙闆了——上面如此作圖。就是找圓心，用圓規畫2個同心圓，通過圓心畫水平線和垂直線。大圓下面的弧線是用三角闆上的弧線工具畫的，弧線以外的部分将來要剪掉。

下面是完整的日晷晷盤圖樣，首先在通過圓心的水平線和垂直線上找出标志性的刻度，最右面是6點，最左面是18點，最下面是12點，最上面是0點，其它時刻用圓規均分得來。

注意這是晷盤的正面，時間刻度沿順時針方向由小到大，且間距均勻，與機械時鐘表盤唯一的區别是，這是24小時刻度的，當然夜晚的時間不必标記，因為晚上是看不到太陽的！

下面是晷盤的反面圖樣，與正面的區别就是時間刻度沿逆時針方向由小到大。

晷盤的兩面都畫好後，沿邊緣剪掉多餘的部分，再把竹簽從圓心處穿過，如此日晷的主要部分——晷盤就制作完畢了。

下面我們來制作日晷的基座。在紙盒子側面事先畫好的垂線那裡用量角器量出一個33度的角，這是鎮平縣的緯度。您家的緯度是多少，這個角就畫成多少。緯度可以通過網上或GPS查出來。

沿着紙盒表面的線切一刀，再沿着側面剛畫好的斜線下切2厘米左右，總體效果相當于斜着在紙盒上“切”了一刀。

把晷盤下端插進基座的切口，這樣晷盤跟垂直面的夾角就是33度，也就是鎮平的緯度，跟水平面的夾角是（90-33）度。

将竹簽插進晷盤的圓心，上端和下端留出同樣的長度，用三角闆校正，使竹簽與晷盤面垂直。這根竹簽正式的稱呼叫“晷針”。

到這裡一台赤道式日晷就算完成了！然而要想它正确指示時間，還需要費點周折。日晷的方向要指向正北，如圖指南針的磁針與日晷基座上的中心線平行，指向正北。

然而指南針不是指向正南正北，指南針的方向與正南正北的方向之間有個叫磁偏角的夾角，例如鎮平的磁偏角約為3度50分。而且不同地區的磁偏角大小也不盡相同，在精度要求高的場合，磁偏角要考慮進去。因為我們做的這個東西精度并不是很高，因此磁偏角的影響可以忽略不計。

用水平儀使基座水平。

經過方向與水平的調整，我們親手制作的赤道式日晷終于可以工作了！現在它的晷盤與地球赤道平行，晷針與地軸平行且指向正北。這樣一來，一天當中晷針在陽光下投射的影子，可以看做是在晷盤上勻速轉動， 從而方便我們計時。

下面的日晷顯示的時間為13點多一點。

需要說明的是，日晷上得到的時間是當地時間即地方時，與我們平時使用的北京時間有些差距（因為我們不在北京居住）。而且太陽和地球的運動也不是嚴格按照幾何學的描述，因此好一點的日晷上面都有一個時間修正表格，用來參照得出更加準确的時間。對于我們一般人來說，不必對這個問題深究。有一個簡便的修正時間的法子，就是在保證晷針指向和晷盤傾斜角度都不變的情況下，轉動晷盤，使日晷的指示時間與您的手表顯示的時間相同，這樣您就擁有一個真正可以當成鐘表用的日晷了！

課題活動準備

1.人員分組：建議分六組，每組6-8人（材料按組準備，總數根據各班人數不同準備）。

2.活動材料準備：地球儀1個。

本着環境保護的原則，材料盡可能選用廢舊報紙或木闆:筷子、指南針、剪刀、膠水一瓶、紙闆（或木闆）、直尺、圓規、量角器、手表（與北京時間校準）、計算器、粉筆、實驗記錄本、相機、小棍（比如鉛筆、吸管、竹簽等等）等。

1. 課題活動時間

秋分日前後，天氣晴朗（正午12點時立竿見影）。

1. 課題制作步驟

準備好制作材料；制作晷針與晷面；根據晷面大小把準備好的白紙剪好，平均分成24等份并标上數字；把标上數字的白紙粘貼在正反晷面，正反兩面的數字要對齊；在日晷面的圓心處鑽一個小孔，并把鐵條削插入小孔，使鐵條與地面成（南陽緯度）；到學校操場驗證并記錄實驗數據。

課題研究過程

1. 學生對日晷比較陌生，所以事前教師先展示制作好的成品，學生觀察這個簡易日晷的構造以及它的制作圖紙。（如下圖） 教師再簡單介紹日晷種類及其組成。

2、日晷又稱“日規”，我國古代利用日影測得時刻的一種計時儀器。其通常由銅制的指針和石制的圓盤組成，銅制的指針叫做“晷針”，垂直地穿過圓盤中心，石制的圓盤叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面，晷針的上端指向北天極，下端指向南天級（參見下圖）。常見的日晷種類有赤道式日晷與水平式日晷。

3 講解日晷計時原理。

當太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面，太陽由東向西移動，投向晷面的晷針影子也慢慢由西向東移動，以此來顯示時刻，這就是日晷的計時原理。

4 課題探究

讓學生在制作日晷前查找資料與探究以下問題，并把答案寫在實驗指導手冊上面，從而培養了學生的問題探究能力與團隊協作能力等。

日晷除了可以計時外，還有哪些功能?1通過太陽視運動時，太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面相應的時間刻度，達到測試目的；

2通過正午時晷針影子指向的時間刻度，可以計算北京時間與當地時間的差異；

3可以通過正午時的影長計算當地正午太陽高度；

（1）日晷的晷針指向什麼方位，晷針與地面的夾角多大？

（2）赤道式日晷與水平式日晷的差别？

（3）制作赤道式日晷與水平式日晷，晷面、晷針方向應該怎樣？

1. 走出課堂——尋找真知

2020年9月23日（秋分日）前後，天氣晴朗，學校高一年級的同學們在下午放學後興緻勃勃地來到學校操場進行地理課外日晷的測量與使用活動。将做好的日晷安裝在校園操場（注意角度與方向），驗證在陽光下看指針陰影，并用手表時間一起拍照（要求利用課餘時間每天至少五次，上午與下午各2次，中午1次）。并把測量數據記錄在實驗指導手冊上面的實驗記錄表内。

1. 小組彙報

兩周後将進行小組成果彙報（每組彙報時間不能超過10分鐘，對優秀小組将進行獎勵）。彙報内容為問題探究題，如何分工制作、如何收集資料、如何測定時間、遇到什麼困難、有什麼改進的建議、實踐體會等及時記錄在實驗指導手冊上面。

2.總結實驗原理：

日晷為什麼可以指示時間呢？這是因為地球自轉幾乎是均勻的，在地球上看，太陽的運動也是均勻的。

所以人們可以利用指針的影子來确定時間。地球在自轉的同時，還在繞太陽公轉。地球的自轉軸并不垂直于公轉平面，為了使不同季節同一時間的影子都指向同一個方向，日晷的指針需要平行于地球自轉軸。這也就是為什麼日晷的指針是傾斜的。

本課題是選自湘教版地理必修1第一章中第三節地球的運動。課題是檢驗學生學習了時差及時間計算、日出方位等後，對理論知識進行應用的一節實踐活動案例學習。由于時間計算、日影方位判斷、正午太陽高度計算等知識是高中地理的難點，學生很難理解與掌握。此外，高中地理以課堂學習為主，很少有機會進行實驗實踐學習，學生對地理實驗實踐課具有很大的興趣，所以想通過實踐學習後讓學生掌握時間計算、理解地方時差、并會根據日晷來計算正午太陽高度等其他知識。為此，我選擇了我國具有兩千多年的傳統計時器“日晷”這一内容，幫助學生對時間計算與地方時差、日影方位等知識的理解。

本節實踐活動課中，制作日晷比較簡單，但是做的比較精确具有一定的難度，因為不同的緯度位置，日晷的晷針與當地的地平夾角等于當地的地理地理緯度，這個知識點需要引導學生借助幾何知識去證明。幾何知識去證明。其次，是測量時日晷的安裝方向以及實驗數據的記錄與計算問題。為此，我特意設計了一個實驗指導手冊，讓學生根據指導手冊内容去學習測量時日晷的安裝。

這次實驗活動讓學生加深了對課本知識的理解，增加了對地理學科的興趣，認識到了地理不僅是在課堂學習知識，在生活中随時随處也可以學習的。雖然在太陽底下會使人的膚色會變深，但被内心充斥着舒暢感和滿足感，那種參與的快樂是不言而喻的，既增加了學生對地理的興趣，有鍛煉了學生的動手能力。

作者簡介：劉琳雙 ，女，1995年畢業于南陽師專，中學一級教師。長年擔任高中地理教學工作。

潛心鑽研教學，創新教育理念，把握高考方向，積極投身教科研，學科成績名列前茅。

執教格言：用智慧去播種，用汗水去澆灌，用粉筆去耕耘，用心靈去滋潤

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