STEAM课程案例:喀拉喀托火山探索

看点:1883年8月27日,印度尼西亚喀拉喀托火山爆发,成为火山爆发史有名的案例。以该火山为载体设计STEM课程,能帮助学生正确认识地理、化学、生物等知识,引导学生自主探究,完成认知纠偏,深化系统化知识网络的建立。
该STEAM项目是利用历史上一次著名的火山大爆发现象,结合地理学、生物学、化学和科学史而延伸设计出来的。切合学生对大自然的兴趣,引导学生调查他们自己提出来的问题。
火山爆发
128年前,具体来说是1883年8月27日,一场大规模的火山爆发让整个地球都为之颤抖。这座火山是印度尼西亚喀拉喀托火山,当时那场爆发释放的能量为2亿吨TNT当量。火山喷发导致的海啸夺走了成千上万人的性命。
火山的概念
研究喀拉喀托火山能帮助学生纠正对火山常见的错误概念。这些错误概念包括火山只有陆地上有、随机分布、只有热带有。实际上,板块构造研究揭示出大部分火山都形成于板块交界处——包括分离板块交界处,这些地方会形成新的地壳,以及聚合板块交界处,这些地方的地壳会被摧毁,因为这里的大洋板块会俯冲到上方的大陆板块下方或另一块大洋板块下方。火山也在热点区域形成(例如板块内部岩浆上涌的地方)。
有些学生错误地认为火山只会剧烈地喷发,并且只通过山顶的火山口喷发。并且,学生们通常还会将地理年代尺度与人类的时间尺度混淆。例如,他们会认为如果一座火山已经100年没有喷发,那么这座火山就是死火山。
传统上教室里使用的两种火山演示方法(醋和小苏打火山和红矾铵火山)也具有误导性。醋和小苏打火山演示是酸碱中和反应,这个反应会生成二氧化碳,二氧化碳迫使醋—小苏打溶液通过圆锥体;这个模型并不精准,因为火山喷发是地球深处融化的岩浆上升到地面的过程,因为岩浆密度比上方的岩石小,所以能向上涌。
相同的道理,红矾铵火山演示也没有模拟出密度差异,这种演示使用分解反应制造出致癌的“火山灰”和氮气(安全提示:出于安全考虑,这种演示不应当在教室中使用。红矾铵是一种已知的致癌物)。
《地理—生物学喀拉喀托火山探索单元》
喀拉喀托火山探索单元使用跨学科的方式研究火山。单元的开端为“开启好奇心”部分;接下来是“触动感观”教室活动,这些活动涉及到全部种感观;然后是“科学畅想”部分,在这个部分,学生们想出更多问题,进行进一步的研究。
开启好奇心阅读
真正的历史文献阅读课程,为喀拉喀托火山探索单元提供了很好的信息介绍。Simon Winchester在他的《喀拉喀托火山》一书中对这次喷发进行了现代版的解读(2003年)。他在书中描述到船“被浮石淹没:危险、厚重、锋利、移动迅速的岩石,较大块的还留有余温”。一位船长的日志记载“我们不得不盖上天窗,以防止玻璃被打破”,而陆地上的村民则在浮石雨的威胁下四散逃跑,“像形状各异的陨石,燃烧着从天空中坠落”。
触动感观
在喀拉喀托火山单元的触动感观部分,学生利用五官去感触那场大灾难:他们可以触摸浮石,看到浮石真的能浮起来。他们可以尝一尝一种颇受欢迎的糖果中滞留的二氧化碳——火山气体的味道。他们可以闻一闻燃烧的火柴,了解另外一种火山气体(二氧化硫)的气味。最后,他们将听一下火山爆发的声音。
● 触摸和观看
浮石是一种轻质、多孔、玻璃质的火成岩。它的孔也被称为气泡,是在溶解的气体从正在冷却的熔岩中逃逸出来时形成的。教室中的浮石样本显示出这种石头密度低,但是非常锋利(浮石经常被用作磨掉死皮的轻石)。学生们对此感到很惊讶,和其他石头不同,这种石头入水时能漂浮起来。浮石上的孔让它的孔隙率达到90%。
我们建议将浮石研究安排为分组进行的实验室活动:学生们可以使用放大镜观察浮石的气泡结构,预测浮石放到水里后会出现什么情况。看到浮石能浮起来之后,学生们可以产生针对浮石形成过程的问题。
● 尝一尝
与浮石类似,一些市面上销售的糖果也会包有气泡(即二氧化碳)。糖在口中融化时这些气体会释放出来,产生轻微噼啪震动的感觉和嘭嘭的响声。建议老师让学生尝一尝含有二氧化碳气泡的糖果,感受一下那种感觉,可以分组散发糖果,进行活动。学生们可以使用放大镜比较这种糖的纹理和浮石的纹理(安全提示:学生不得在使用化学品或生物学物品的教室或实验室中吃东西。这部分活动需要在处理食物的家庭厨房或学校餐厅进行)。
● 闻一闻
岩浆含有丰富的气体,这些气体随着火山喷发而释放。其中最多的是水蒸气,然后是二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氯化氢、氢气和一氧化碳。喀拉喀托火山1883年的喷发向大气平流层释放了大量二氧化硫。
学生们可以通过安全火柴闻一闻硫化合物的味道,安全火柴只有对着特定的表面划才能点燃。人类可以嗅到低浓度的二氧化硫,所以教室里有一点点的二氧化硫都能被学生嗅到。学生可以研究划火柴时发生的化学反应——将他们的地理—生物学探究扩展到化学上——同时了解火山是什么味道(安全提示:需要用到安全眼镜。提醒学生与火柴保持安全距离)。
● 听一听
喀拉喀托火山爆发的声音甚至在毛里求斯群岛都能听到,这里距离火山4800千米。为了在触动感观活动中增添声音色彩,教师可以播放《喀拉喀托火山》(Burke和Hall,2005)视频的声音,此视频重现了当时火山喷发的情况。
科学畅想
经过开启好奇心阅读和触动感观体验之后,学生能在本单元的科学畅想部分形成他们自己的后续研究问题。我们鼓励以学生为主导的探索,这种研究可以是个人项目,也可以分小组进行。学生可能提出的问题包括:
  • 附近的动物是否感知到了喀拉喀托火山即将爆发?
  • 跳跳糖与浮石有什么相同和不同之处?
  • 浮石有哪些商业用途?
  • 地下发生了什么导致喀拉喀托火山发生了大规模爆发?
  • 岛屿上的植物如何能在火山爆发后生存?昆虫呢?
  • 1883年的喀拉喀托火山爆发是否影响了世界各地的晚霞?
  • 火山和海啸有何联系?
  • 喀拉喀托海啸与2011年3月的日本海啸有哪些类似之处?
  • 为什么火山爆发的声音能传那么远?
学生的提问可以引导至进一步的研究和科学实验。例如,学生可以选择跳跳糖和浮石,进行密度、硬度,甚至孔或气泡尺寸等测试。此外,他们也可以选择调查二氧化碳对植物和昆虫的影响,或大范围的黑暗对植物的影响。
无论调查主题是什么,学生自己找到和产生自己的科学畅想是非常重要的。教师的角色很关键,教师是组织者以确保学生安全,让学生采取恰当的科学方法开展调查。当学生形成问题、做好调查计划、执行研究、使用证据作出解释之后,他们可以对科学家从事科学研究的行为产生更真实的看法。学生应当在教室中分享他们的研究成果,清晰地传达结果证明自己的解释。
评估
开启好奇心,这部分应当进行形成性评估或识别出错误概念。理想情况下,学生应当在此单元学习大量科学术语,但不是通过传统的定义加背诵的形式。这些术语可能包括“动物对于火山即将喷发的感应、尘云、破火山口、喷气孔、熔岩、构造板块交界、岩浆、火山泥流、浮石、火山碎屑流(火云)、火山带、俯冲、硫、海啸和火山学家”。
本单元的科学畅想阶段使用一个项目对整个单元的学习情况进行评估。我们建议教师在开始评估前向学生提供科学畅想评估标准。此标准的元素有提出假设、过程说明、数据收集和结果说明(例如图表、图片)以及恰当的总结。
结论
在科学课堂上进行以学生为主导的探索非常重要。虽然本文中的喀拉喀托火山单元以教师主导的活动开始,但是学生决定着他们后续调查的方向。大多数学生从来没有见过火山更不用提活火山,所以他们觉得这个主题非常有趣。喀拉喀托火山1883年的喷发是自然科学史上第一次有完备记录的事件,是进行调查的理想对象:这个历史性的大灾难为我们带来了火山学。我希望这个有关喀拉喀托火山的单元能让教室中的跨学科探索活动上到新的台阶。
来源:上海STEM教育联盟,本活动案例改编自《中国科技教育》杂志2012年第3期NSTA专栏文章。