国外优秀STEAM教育案例:地球和太空自然灾害课程之二

来源 | STEAM在线
作者 |  Alan 马(美国知名文理学院助理教授)

我们上一次系统和有区别地介绍了“地球和太空自然灾害”,具体见《国外优秀STEAM教育案例:地球和自然灾害课程简介、概论》,包括了地震、火山、泥石流、龙卷风等等。主要区分了自然灾害和自然危险这两大类范畴,定义了只有对人类有危害的自然危险才是自然灾害。这一次我们要从“预防入手”,利用科学和工程的知识以及系统实践,来确实引导孩子们来保护我们的地球。

课程名称:地球和太空自然灾害的防护,保护我们赖以生存的地球

课程适合学生:小学

课程容量:2节课 6项活动

课程主题领域:地球与空间

一、概论

学生了解到各种自然灾害以及科学家、工程师用来防止这些自然灾害的特定方法。他们研究了一个自然灾害覆盖地区的假想图,并通过运用他们的批判性思维能力和对自然灾害成因的理解,来决定将自然灾害预防设备放置在哪里。

二、STEAM原理

科学家和工程师必须了解地球自然力量的成因和行为,以便他们能够帮助人们度过自然灾害。他们设计的设备可以帮助我们最大程度地减少、消除或预测自然灾害的影响。对危害进行检测,预测和警告有助于人群撤离和/或寻找庇护所。他们设计了山区,海洋,地球和大气监测设备。他们设计气象仪器,雷达和卫星以收集数据并做出预测。有时,工程师制造的设备会触发较小的危害,以防止较大的危害。

三、学习目标

完成本课程后,学生应该能够:

•描述工程师用来预测,最小化或消除自然灾害影响的几种方法。

•说明预防设备的放置对其有效性至关重要

四、具体教案

1. 导论/引导

自然灾害是可能导致损坏的自然事件。自然灾害是影响人类的自然灾害。谁能告诉我们一个自然灾害的例子?让我们做一个清单。 (可能的答案:火山,地震,海啸,洪水,飓风,龙卷风,雪崩,森林火灾,雷暴和山体滑坡。)孩子们是否知道工程师以任何方式防止自然灾害对人类造成灾难,或将自然灾害的影响降至最低?工程师设计了许多不同的设备。今天我们要谈论的是雪崩迫击炮,海啸浮标,地震仪,多普勒雷达,火山倾斜仪和水位计。

下面我们就举几个具体的例子——雪崩迫击炮,海啸浮标,地震仪,多普勒雷达,雪崩迫击炮由工程师设计,通过在积雪足够多而引起灾难性雪崩之前触发小雪崩来预防自然灾害。雪崩迫击炮是一种爆炸性射弹,在有可能发生雪崩的斜坡上发射。爆炸使雪从山坡上滑落,引起小雪崩。

(图1显示了一个雪崩击发器,用于发射雪崩迫击炮。典型的发射方法是压缩氮。)

滑雪者也可以掉落炸药。雪崩迫击炮的优点是它可以轻松覆盖大面积区域,并且对于滑雪巡逻者来说更安全,因此他们不必滑入危险的雪崩区域即可放置炸药。雪崩迫击炮的问题在于它们容易受到风的影响,而过时的迫击炮会在山上留下活炸药。如果没有雪崩砂浆,雪位可能会积聚到一个高点,雪崩可能会导致人员伤亡和结构破坏。

由于海啸通常是从海洋开始的,所以巨浪到达陆地可能要花费数小时。工程师设计了特殊的浮标(漂浮装置),这些浮标可以留在海中,以及早发现海啸,从而有时间撤离沿海地区。当海啸在深海中移动时,它的波浪通常只有几厘米高。放置在海底的传感器甚至可以检测到小的海啸。传感器信息被发送到海面的浮标,然后通过卫星传递给海啸中心。

这个系统被称为DART(海啸深海评估和报告;见图2)。海啸浮标通常放置在离海岸较远的地方,这样,当它们检测到海啸时,便会提供最大的时间来警告沿海居民。

检测和测量地震的最常见方法是地震仪。地震仪是用于检测地球表面振动的任何设备。一个简单的地震仪由悬挂在弹簧上的物体组成,这些物体可以随地球震动而摆动。

连接设备的笔记录了所有振动(请参见图3)。地震仪的灵敏度足以检测人们甚至感觉不到的地震。地震仪可以检测到世界上任何地方的强地震,但地震仪通常放置在断层线附近以检测非常小的地震。这些信息可以帮助工程师预测何时将发生大地震。断层是构成地壳表面的构造板块之间的边界。当板块彼此滑动时,它们滑动并研磨,从而引起地震。

雷暴可能很快形成,而且并不总是容易预测。因此,这就是工程师创建能够探测即将来临的雷暴的多普勒雷达站的原因。多普勒雷达的工作原理是发出脉冲或无线电波,然后测量这些波从物体反弹并返回所花费的时间。万一有雷雨,无线电波会从大雨或冰雹中反弹。来自雷达站的信息可以确定暴风雨的大小,行进的速度,行进的方向以及是否存在龙卷风的危险。由于龙卷风通常发生在平坦的区域,例如草原,因此雷达站通常位于这些区域,如下图。

火山即将爆发的一个迹象是,随着岩浆向地表向上移动,山脉变得越来越大。不幸的是,这种变化很小并且发生得相当缓慢,因此人们很少注意到它。因此,工程师开发了称为倾斜仪的设备,可以检测火山形状的微小变化。这些设备直接放置在火山的侧面,以帮助我们预测即将发生的喷发。

监视洪水的基本方法是使用水位计。一个简单的水位计只是一个竖立的柱子,上面标有水深,并放置在经常泛滥的河流和溪流中(见图5)。如果水位上升到一定水平,则疏散附近的社区以防止生命损失。工程师们开发了一些更高级的水位表,它们可以将信息自动中继到本地数据中心

2. 教师的备课准备和概念

简要说明六种不同的防灾设备(海啸浮标,火山监测器,多普勒雷达,水位计,地震仪,雪崩迫击炮)以及通常放置在何处以帮助预防自然灾害。

接下来,将六种不同的防灾设备的条带或信息卡分发给学生。

一对一辅导,让学生决定他们认为每个设备应该放置的位置,以最好地帮助预防自然灾害或预测灾害,从而挽救生命。让他们将设备粘贴到事先准备好的虚拟地图上。

使用地图和工作表。只要学生能够从逻辑上证明他们将设备放置在什么地方,就没有绝对正确和错误的答案。将每个人的想法集中在一起,我们能否就每种设备的最佳位置达成一致?

3. 课程总结

什么是自然危险? (答案:一种自然事件,有能力破坏或破坏财产以及伤害或夺走生命。)我们讨论过火山,地震,海啸,洪水,飓风,龙卷风和山体滑坡是自然危险的例子。

自然危险和自然灾害有什么区别? (答案:自然危险是对人类住区和生命构成危险的自然灾害,而自然灾害则是危害人类的特定事件。)

谁能告诉我们有哪些特定的自然灾害? 我们居住的地区会发生哪些类型的自然灾害?

为什么学习和理解地球的自然事件对科学家、工程师来说很重要? (答案:他们必须了解危险和灾难,以便创建能够监控,预测,预防和/或最小化自然力量和设计结构影响的设备,以便人们能够幸存下来。)

4. 课程评估

课前评估

讨论的问题

1. 为了防止自然灾害,是否有必要监视每个自然灾害? (不,许多自然灾害存在于偏远地区,对人类没有威胁。)

2. 谁能说出我们用来预测,消除或最小化自然灾害影响的任何设备或方法? (示例答案:地震仪,雪崩迫击炮,水位计,火山倾斜仪,海啸浮标,多普勒雷达,传感器,通信和警告设备,气象卫星和预报,堤防,建筑物,消防设备等)

课后评估

现在,作为专家工程师,学生可以帮助实习生正确放置设备。与整个班级一起回顾并讨论工作表。让类生成“错误”列表,并让他们描述“改进”,解释为什么将设备移至其他位置。

5. 拓展活动

让学生在地图上识别其他自然灾害或向地图添加自然灾害。然后,让他们使用现有设备或设计自己的设备,这将有助于防止新的自然灾害成为灾难。

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