通過調(diào)查地球氣候系統(tǒng)解釋北極變暖加劇的原因

文_Jonathan Griffith Margaret Kozick-Kingston

翻譯_ 栗可文

為什么來自世界各地的數(shù)百名科學(xué)家會冒著零下的溫度和數(shù)月的極地黑暗，故意將一艘船凍在北極的海冰中一整年？這聽起來像是一個虛構(gòu)的冒險電影情節(jié)，但從2019 年9 月到2020 年10 月，“馬賽克”項目（MOSAiC，北極氣候研究多學(xué)科漂浮觀測站）的科考探險隊就是這樣做的。

目前，北極變暖的速度是全球平均速度的2 倍（這種現(xiàn)象被稱為“北極放大效應(yīng)”），由于缺乏觀測，預(yù)測未來北極氣候的模型存在相當(dāng)大的不確定性（Hodson 等，2012）?！榜R賽克”項目的目標(biāo)是將破冰船凍在北極的海冰中，使其變成一個臨時科考站，再以此為基地，在觀測海洋、大氣和海冰過程的同時，更好地了解不斷變化的北極氣候系統(tǒng)。本文描述了一個為期15 天的基于模型的地球系統(tǒng)探究單元，主要內(nèi)容是調(diào)查北極地區(qū)變暖加劇的情況（請參閱網(wǎng)絡(luò)資源“北極反饋”單元）。

基于模型的探究是一個圍繞構(gòu)建、修改和測試模型而設(shè)計的教學(xué)框架，目的是幫助學(xué)生理解和解釋一種現(xiàn)象（Windschitl 等，2008）。這一框架注重對自然現(xiàn)象的解釋，能讓學(xué)生在特定背景下學(xué)習(xí)和應(yīng)用科學(xué)認(rèn)知，幫助學(xué)生更好地參與科學(xué)實踐（Passmore 等，2013）。我們的基于模型的地球系統(tǒng)探究單元與《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS Lead States，2013）接軌，并融入了“雄心勃勃的科學(xué)教學(xué)”實踐（ambitiousscience teaching，見網(wǎng)絡(luò)資源）。單元的主題是“北極放大效應(yīng)”——一個由科學(xué)家正在積極試圖解釋的令人困惑而著迷的現(xiàn)象。該單元關(guān)注以下問題：為什么北極變暖的速度是世界其他地區(qū)的2 倍？要回答這一驅(qū)動性問題，學(xué)生需要調(diào)查地球的能量收支、電磁頻譜、溫室效應(yīng)和反饋循環(huán)。雖然這些主題在地球科學(xué)課堂中很常見，但當(dāng)它們與現(xiàn)象關(guān)聯(lián)起來后，變得更具吸引力、更容易接觸。

課程順序

在整個單元中，學(xué)生合作開發(fā)并修改模型，以此反映他們對現(xiàn)象的認(rèn)識和理解。學(xué)生將利用他們的模型和其他公共記錄，獨立為“為什么北極變暖的速度是世界其他地區(qū)的2 倍”這一問題給出基于證據(jù)的解釋。該單元分為4 個階段（表1），改編自基于模型的探究框架。其他相關(guān)材料，包括詳細(xì)的單元摘要，請參閱在線補(bǔ)充材料。

第1 階段：激發(fā)學(xué)生對現(xiàn)象的想法

基于模型的探究單元中的第1 步是引入主要現(xiàn)象。首先給學(xué)生觀看1 組NASA 的可視化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示了從1880—2021 年全球溫度異常的變化，并讓學(xué)生從中找到全球變暖的模式（見網(wǎng)絡(luò)資源）。然后向?qū)W生提出驅(qū)動性問題：“為什么北極的變暖速度是世界其他地區(qū)的2 倍？”并讓學(xué)生2 人1 組提出他們的初步想法。通過討論，將學(xué)生的想法添加到“初步想法”列表（比如通過海報、谷歌文檔或谷歌白板），作為學(xué)生現(xiàn)階段思考和學(xué)習(xí)的小結(jié)（樣例見圖1）。在整個單元中，隨著學(xué)生繼續(xù)收集新證據(jù)、學(xué)習(xí)新知識，這個列表也會不斷進(jìn)行修訂。

在討論中，要尊重所有學(xué)生的想法。教師應(yīng)該督促學(xué)生解釋他們的想法，對于錯誤或偏頗的理解在此時盡量不要糾正。鼓勵學(xué)生相互回應(yīng)（比較、測試并根據(jù)新證據(jù)改變想法）有利于幫助他們評估并改進(jìn)自己的想法（Campbell 等，2016）。

然后，學(xué)生2 ～ 3 人1 組，通過思考以下問題，共同為現(xiàn)象構(gòu)建描述性模型（樣例見圖2）。

● 相關(guān)組成部分：應(yīng)包括哪些組成部分？

● 各部分之間的聯(lián)系：各個組成部分之間的關(guān)系如何？

● 數(shù)據(jù)和證據(jù)：我們有任何支持我們思考的數(shù)據(jù)、證據(jù)和經(jīng)驗嗎？

每個小組將自己的模型寫在便簽紙上并貼出來給其他組分享，在觀看同學(xué)的作品時，每個小組都需要提出建設(shè)性意見。要鼓勵學(xué)生將自己的模型與其他同學(xué)的模型進(jìn)行比較。

● 模型是否相似？還是不一樣？怎么相似？怎么不一樣？

● 其他組模型的證據(jù)或論證是否會讓你重新思考自己模型的組成部分？

如果時間允許，各個小組可以在分享后修改他們的初始模型。學(xué)生在第1 階段產(chǎn)生的想法很重要，有助于他們在未來的課程中建立起對地球系統(tǒng)的理解（Campbell 等，2016）。

虛擬教學(xué)策略

● 可以使用Zoom 作為主要協(xié)同工具，便于隨時組織小組討論。

● 在建立初始模型時，學(xué)生可以使用谷歌幻燈片或谷歌繪圖，可以參照固定句式使用谷歌評論功能提出建設(shè)性意見。

● 另一個選擇是使用谷歌白板，學(xué)生可以按照自己的節(jié)奏創(chuàng)建模型，并使用便簽工具互相在模型／框架上評論留言。

第2 階段：溝通想法和證據(jù)

第2 階段是本單元的主體，由7 節(jié)課（第2—8 節(jié)課）組成，目的是幫助學(xué)生不斷更新他們對動態(tài)的、互聯(lián)的地球系統(tǒng)的理解。學(xué)生對主要現(xiàn)象的學(xué)習(xí)被記錄在全班總結(jié)表中，并在每節(jié)課結(jié)尾時進(jìn)行更新（見網(wǎng)絡(luò)資源“總結(jié)表”）。在第2 課中，學(xué)生使用專門設(shè)計的圖形建立模型，對地球能量收支中的部分電磁頻譜進(jìn)行繪制。通過活動學(xué)生發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)厍虻哪芰渴罩胶鈺r，入射的短波輻射量（太陽）與出射的長波能量（熱量）相等。這時向?qū)W生展示地球能量收支不平衡的證據(jù)——全球氣溫上升的觀測數(shù)據(jù)。然后，讓學(xué)生對照“初步想法”列表進(jìn)行思考，并討論其中的哪些想法可能導(dǎo)致這種不平衡。

虛擬教學(xué)策略

● 在谷歌幻燈片中添加圖形，讓學(xué)生操作以展示他們對地球能量收支過程的理解。

在第3 課中，學(xué)生了解并探究溫室效應(yīng)及其對地球能量收支的影響。學(xué)生使用分子與光的PhET 模擬演示（見網(wǎng)絡(luò)資源），探索短波／長波能量與大氣之間的關(guān)系，目的是確定大氣中哪些是溫室氣體，然后對溫室氣體濃度的變化如何影響全球溫度進(jìn)行預(yù)測，利用觀測數(shù)據(jù)集證實預(yù)測結(jié)果。這一課的目標(biāo)是證明大氣溫室氣體濃度（如CO2、H2O、CH4）的增加使更多長波能量（熱量）被吸收并重新釋放到地球大氣中（溫室效應(yīng)），從而導(dǎo)致全球氣溫上升。然而，北極的溫室氣體濃度并不比世界其他地區(qū)高，因此僅憑溫室效應(yīng)并不能解釋北極放大效應(yīng)。

虛擬教學(xué)策略

● 創(chuàng)建“虛擬幻燈片模型”（見在線補(bǔ)充材料），幫助學(xué)生將PhET 模擬演示中的分子與大氣中的溫室氣體直接聯(lián)系起來。在這一練習(xí)中，學(xué)生創(chuàng)建了至少2 個新的文本框解釋大氣氣體與長波和短波能量的相互作用。

在第4 課中， 學(xué)生以360°虛擬游覽的方式參觀了“馬賽克”項目的科考現(xiàn)場（請參閱網(wǎng)絡(luò)資源），并分析了真實的數(shù)據(jù)集，以探索射入（短波）和射出（長波）能量的總量變化是否及如何對北極變暖加劇產(chǎn)生影響。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在過去的20 年里，北極接收到的入射短波能量保持相對恒定，而從北極出射的長波能量顯著增加，這一觀察結(jié)果似乎與北極溫度的升高有關(guān)（圖3）。

虛擬教學(xué)策略

● 可以教學(xué)生使用谷歌圖表進(jìn)行繪圖練習(xí)（“教師指南”中提供了YouTube 教程），如果圖表中包含所有必要元素，可以進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整和評估。

在第5 課中，各小組對初步想法進(jìn)行修改，使用從前面的課程中學(xué)到的新概念、收集的新證據(jù)（表2）更新描述性模型（示例見圖4）。應(yīng)鼓勵學(xué)生在模型修訂中使用學(xué)術(shù)詞匯，如地球能量收支、短波能源、長波能源和溫室效應(yīng)。教師應(yīng)該準(zhǔn)備好引導(dǎo)問題作為深入探究理解時的提示，并要求學(xué)生引用活動作為學(xué)習(xí)的證據(jù)。修訂后的模型是一個展示學(xué)生思維的工具，并有助于他們產(chǎn)生新想法。

虛擬教學(xué)策略

● 在學(xué)生提出新一輪建設(shè)性意見時可以再次使用谷歌白板。

第6—8 課的重點是讓學(xué)生確定導(dǎo)致北極長波能量（熱量）增加的因素。學(xué)生首先學(xué)習(xí)反照率（albedo）的概念，使用“Albedo：A Reflectance”應(yīng)用程序（請參閱網(wǎng)絡(luò)資源）測量不同顏色表面的反照率，并發(fā)現(xiàn)較亮的物體表面比較暗的物體具有更高的反照率（反射更多短波能量）。然后，在冰融化速率演示中，學(xué)生測量放置在淺色和深色表面（分別代表海冰和海洋）上的冰的融化速率。通過這些活動，學(xué)生預(yù)測，海冰的減少將暴露出更多海面，海面顏色更深，這將導(dǎo)致更多的能量被吸收，并導(dǎo)致海冰的進(jìn)一步融化——這是一個被稱為冰雪反照率反饋的正向反饋機(jī)制。學(xué)生通過繪圖和分析過去20 年北極海冰范圍、反照率和溫度的實驗數(shù)據(jù)證實這一預(yù)測（圖5）。這些數(shù)據(jù)支持以下觀點：①海冰的減少導(dǎo)致北極的反照率下降；②北極反照率的下降與該地區(qū)氣溫的升高有關(guān)。最后，學(xué)生2 人1 組解答以下問題（請參閱在線補(bǔ)充材料“第8 課回答要點”）：

● 為什么全球氣溫在上升？

● 全球氣溫上升對北極海冰有何影響？

● 北極海冰的減少如何影響北極的反照率？

● 冰雪反照率反饋是什么？它是如何導(dǎo)致北極變暖加劇的？

虛擬教學(xué)策略

● 在不具備相應(yīng)條件的地區(qū)，可以通過Zoom 進(jìn)行反照率應(yīng)用程序的現(xiàn)場演示，學(xué)生可以選擇不同的表面進(jìn)行測試并預(yù)測實際反照率。

● 要求學(xué)生將自己的融冰實驗裝置照片貼出來。學(xué)生利用現(xiàn)有資源設(shè)計自己的實驗；提醒學(xué)生放置冰塊的表面必須材質(zhì)相同但顏色不同（如黑白襯衫、黑白混凝土等）。

第3 階段：建立共識——最終模型構(gòu)建

在第9 課中，學(xué)生2 ～ 3 人1 組，通過回答問題反思自己的學(xué)習(xí)，這些問題旨在幫助學(xué)生將與現(xiàn)象有關(guān)的概念點聯(lián)系起來。然后，各個小組構(gòu)建他們的最終描述性模型（示例見圖6）。在過程中應(yīng)鼓勵學(xué)生使用證據(jù)（如數(shù)據(jù)集、匯總表等）。在完成最終模型的構(gòu)建和共享后，教師組織學(xué)生進(jìn)行討論并形成“必須完成的目標(biāo)列表”，上面列出的想法、概念和證據(jù)，是全班同學(xué)都認(rèn)為應(yīng)該出現(xiàn)在他們對現(xiàn)象的最終解釋中的（見在線補(bǔ)充材料中的“必須完成的目標(biāo)列表”）。

虛擬教學(xué)策略

● 可以使用Zoom 的分組會議室和聊天功能討論并建立列表。

第4 階段：建立可信度——基于證據(jù)的解釋

學(xué)生參考證據(jù)（例如，必須完成的目標(biāo)列表、數(shù)據(jù)集、匯總表等）獨立撰寫對該現(xiàn)象的基于證據(jù)的解釋，應(yīng)包括3 個部分：

● 所發(fā)生的事情

● 解釋所發(fā)生的事情所必需的重要科學(xué)概念

● 證明我們對于解釋的每一部分都有充分理解的證據(jù)

證據(jù)可以是科學(xué)證據(jù)、實驗證據(jù)（例如冰的范圍、反照率、溫度數(shù)據(jù)集），也可以是活動名稱、視頻或模擬演示（例如分子和光的PhET 模擬演示）。查閱在線補(bǔ)充材料，找到最終基于證據(jù)的解釋的例子。

虛擬教學(xué)策略

● 重點放在與科學(xué)家通過科學(xué)方法和建模，發(fā)展和支持一個科學(xué)概念的過程的相似性。

結(jié)論

本文提供了一個基于模型的探究單元示例，學(xué)生在單元中合作構(gòu)建、修改和測試模型，并試圖解釋北極放大效應(yīng)這一自然現(xiàn)象。這些課程以學(xué)生對于現(xiàn)象的想法為中心，有助于他們建立對動態(tài)的、互聯(lián)的地球系統(tǒng)的理解。