優(yōu)秀STEAM案例 | 喀拉喀托火山探索

本案例是利用1883年喀拉喀托火山噴發(fā)事件，融合地理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和科學(xué)史等學(xué)科延伸設(shè)計出的STEM課程。結(jié)合學(xué)生對大自然的興趣，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)查他們自己提出來的問題。

背景

1883年8月27日，一場大規(guī)模的火山爆發(fā)讓整個地球都為之顫抖。這座火山是印度尼西亞喀拉喀托火山，當(dāng)時那場爆發(fā)釋放的能量為2億噸TNT當(dāng)量?；鹕絿姲l(fā)導(dǎo)致的海嘯奪走了成千上萬人的性命。

火山的概念

研究喀拉喀托火山能幫助學(xué)生糾正對火山常見的錯誤概念。這些錯誤概念包括火山只有陸地上有、隨機(jī)分布或只有熱帶有。實際上，板塊構(gòu)造研究揭示出大部分火山都形成于板塊交界處——包括分離板塊交界處,這些地方會形成新的地殼，以及聚合板塊交界處，這些地方的地殼會被摧毀，因為這里的大洋板塊會俯沖到上方的大陸板塊下方或另一塊大洋板塊下方?；鹕揭苍跓狳c區(qū)域形成（例如板塊內(nèi)部巖漿上涌的地方）。

有些學(xué)生錯誤地認(rèn)為火山只會劇烈地噴發(fā)，并且只通過山頂?shù)幕鹕娇趪姲l(fā)。學(xué)生們通常還會將地理年代尺度與人類的時間尺度混淆。例如，他們會認(rèn)為如果一座火山已經(jīng)100年沒有噴發(fā)，那么這座火山就是死火山。

傳統(tǒng)上教室里使用的兩種火山演示方法（醋和小蘇打火山和紅礬銨火山）也具有誤導(dǎo)性。醋和小蘇打火山演示是酸堿中和反應(yīng)，這個反應(yīng)會生成二氧化碳，二氧化碳迫使醋—小蘇打溶液通過圓錐體；這個模型并不精準(zhǔn)，因為火山噴發(fā)是地球深處融化的巖漿上升到地面的過程，因為巖漿密度比上方的巖石小，所以能向上涌。

相同的道理，紅礬銨火山演示也沒有模擬出密度差異，這種演示使用分解反應(yīng)制造出致癌的“火山灰”和氮氣（安全提示：出于安全考慮，這種演示不應(yīng)當(dāng)在教室中使用。紅礬銨是一種已知的致癌物）。

喀拉喀托火山探索

喀拉喀托火山探索單元使用跨學(xué)科的方式研究火山。單元的開端為“開啟好奇心”部分；接下來是“觸動感觀”教室活動，這些活動涉及到全部感觀；然后是“科學(xué)暢想”部分，在這個部分，學(xué)生們想出更多問題,進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

開啟好奇心閱讀

真正的歷史文獻(xiàn)閱讀課程,為喀拉喀托火山探索單元提供了很好的信息介紹。Simon Winchester在他的《喀拉喀托火山》一書中對這次噴發(fā)進(jìn)行了現(xiàn)代版的解讀(2003年)。他在書中描述到船“被浮石淹沒：危險、厚重、鋒利、移動迅速的巖石,較大塊的還留有余溫”。一位船長的日志記載“我們不得不蓋上天窗，以防止玻璃被打破”。而陸地上的村民則在浮石雨的威脅下四散逃跑，“像形狀各異的隕石，燃燒著從天空中墜落”。

觸動感觀

在喀拉喀托火山單元的觸動感觀部分，學(xué)生利用五官去感觸那場大災(zāi)難：他們可以觸摸浮石，看到浮石真的能浮起來。他們可以嘗一嘗一種頗受歡迎的糖果中滯留的二氧化碳——火山氣體的味道。他們可以聞一聞燃燒的火柴，了解另外一種火山氣體（二氧化硫）的氣味。最后，他們將聽一下火山爆發(fā)的聲音。

● 觸摸和觀看

浮石是一種輕質(zhì)、多孔、玻璃質(zhì)的火成巖。它的孔也被稱為氣泡，是在溶解的氣體從正在冷卻的熔巖中逃逸出來時形成的。教室中的浮石樣本顯示出這種石頭密度低，但是非常鋒利（浮石經(jīng)常被用作磨掉死皮的輕石）。學(xué)生們對此感到很驚訝，和其他石頭不同，這種石頭入水時能漂浮起來。浮石上的孔讓它的孔隙率達(dá)到90%。

我們建議將浮石研究安排為分組進(jìn)行的實驗室活動：學(xué)生們可以使用放大鏡觀察浮石的氣泡結(jié)構(gòu)，預(yù)測浮石放到水里后會出現(xiàn)什么情況。看到浮石能浮起來之后，學(xué)生們可以產(chǎn)生針對浮石形成過程的問題。

● 嘗一嘗

與浮石類似，一些市面上銷售的糖果也會包有氣泡（即二氧化碳）。糖在口中融化時這些氣體會釋放出來，產(chǎn)生輕微噼啪震動的感覺和嘭嘭的響聲。建議老師讓學(xué)生嘗一嘗含有二氧化碳?xì)馀莸奶枪?，感受一下那種感覺，可以分組散發(fā)糖果，進(jìn)行活動。學(xué)生們可以使用放大鏡比較這種糖的紋理和浮石的紋理（安全提示：學(xué)生不得在使用化學(xué)品或生物學(xué)物品的教室或?qū)嶒炇抑谐詵|西。這部分活動需要在處理食物的家庭廚房或?qū)W校餐廳進(jìn)行）。

● 聞一聞

巖漿含有豐富的氣體，這些氣體隨著火山噴發(fā)而釋放。其中最多的是水蒸氣，然后是二氧化碳、二氧化硫、硫化氫、氯化氫、氫氣和一氧化碳。喀拉喀托火山1883年的噴發(fā)向大氣平流層釋放了大量二氧化硫。

學(xué)生們可以通過安全火柴聞一聞硫化合物的味道，安全火柴只有對著特定的表面劃才能點燃。人類可以嗅到低濃度的二氧化硫，所以教室里有一點點的二氧化硫都能被學(xué)生嗅到。學(xué)生可以研究劃火柴時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)——將他們的地理—生物學(xué)探究擴(kuò)展到化學(xué)上——同時了解火山是什么味道（安全提示：需要用到安全眼鏡，提醒學(xué)生與火柴保持安全距離）。

● 聽一聽

喀拉喀托火山爆發(fā)的聲音甚至在毛里求斯群島都能聽到，這里距離火山4800千米。為了在觸動感觀活動中增添聲音色彩，教師可以播放《喀拉喀托火山》(Burke和Hall,2005)視頻的聲音，此視頻重現(xiàn)了當(dāng)時火山噴發(fā)的情況。

科學(xué)暢想

經(jīng)過開啟好奇心閱讀和觸動感觀體驗之后，學(xué)生能在本單元的科學(xué)暢想部分形成他們自己的后續(xù)研究問題。我們鼓勵以學(xué)生為主導(dǎo)的探索，這種研究可以是個人項目,也可以分小組進(jìn)行。學(xué)生可能提出的問題包括：

附近的動物是否感知到了喀拉喀托火山即將爆發(fā)?

跳跳糖與浮石有什么相同和不同之處?

浮石有哪些商業(yè)用途?

地下發(fā)生了什么導(dǎo)致喀拉喀托火山發(fā)生了大規(guī)模爆發(fā)?

島嶼上的植物如何能在火山爆發(fā)后生存?昆蟲呢?

1883年的喀拉喀托火山爆發(fā)是否影響了世界各地的晚霞?

火山和海嘯有何聯(lián)系?

喀拉喀托海嘯與2011年3月的日本海嘯有哪些類似之處?

為什么火山爆發(fā)的聲音能傳那么遠(yuǎn)?

學(xué)生的提問可以引導(dǎo)至進(jìn)一步的研究和科學(xué)實驗。例如，學(xué)生可以選擇跳跳糖和浮石，進(jìn)行密度、硬度，甚至孔或氣泡尺寸等測試。此外，他們也可以選擇調(diào)查二氧化碳對植物和昆蟲的影響，或大范圍的黑暗對植物的影響。

無論調(diào)查主題是什么，學(xué)生自己找到和產(chǎn)生自己的科學(xué)暢想是非常重要的。教師的角色很關(guān)鍵，教師是組織者以確保學(xué)生安全，讓學(xué)生采取恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)方法開展調(diào)查。當(dāng)學(xué)生形成問題、做好調(diào)查計劃、執(zhí)行研究、使用證據(jù)作出解釋之后，他們可以對科學(xué)家從事科學(xué)研究的行為產(chǎn)生更真實的看法。學(xué)生應(yīng)當(dāng)在教室中分享他們的研究成果，清晰地傳達(dá)結(jié)果證明自己的解釋。

評估開啟好奇心，這部分應(yīng)當(dāng)進(jìn)行形成性評估或識別出錯誤概念。理想情況下，學(xué)生應(yīng)當(dāng)在此單元學(xué)習(xí)大量科學(xué)術(shù)語，但不是通過傳統(tǒng)的定義加背誦的形式。這些術(shù)語可能包括“動物對于火山即將噴發(fā)的感應(yīng)、塵云、破火山口、噴氣孔、熔巖、構(gòu)造板塊交界、巖漿、火山泥流、浮石、火山碎屑流（火云）、火山帶、俯沖、硫、海嘯和火山學(xué)家。

本單元的科學(xué)暢想階段使用一個項目對整個單元的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評估。我們建議教師在開始評估前向?qū)W生提供科學(xué)暢想評估標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)的元素有提出假設(shè)、過程說明、數(shù)據(jù)收集和結(jié)果說明（例如圖表、圖片）以及恰當(dāng)?shù)目偨Y(jié)。

（本文來源：21CN青少年科創(chuàng)家）