• STEM案例:影子游戏——结合影子学习有关季节的知识

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    • 影子游戏——结合影子学习有关季节的知识

    在阳光明媚的日子里,学生可到户外直接观察自己的影子。如果能引导学生在一天中任何时候都不会有建筑物或大型植物投影的地点进行活动,效果会最好。学生必须一直呆在指定区域,并告知学生不要直接观测太阳。

    学生两人一组,选择一个观测地点,用粉笔沿着他们的脚画一个圆圈,并在圆圈内写上他们的名字,这样他们就可以在当天晚些时候找到同样的位置。在圆圈的周围标明基本方向(北、南、东和西)。学生在上午10点、中午12点和下午2点轮流用粉笔画下他们的影子,并随着时间的推移用x表示太阳的方向。

    在学生的日记里,他们需要画下他们观察到的影子,并在影子中标明,随着太阳这个光源方向的变化,当天3个时刻观察的影子分别指向哪个方向。学生收集完数据后,我们向他们提一些有价值的问题,以帮助他们发现所收集的数据中存在的规律。有价值的问题是指那些学生通过自己的观察和相关的数据能够回答的问题。

    第二天,需要进行一个内容相似但更为抽象一点的活动。给两人一组的学生发放一盎司(约28克)橡皮泥、1支铅笔、1张大白纸和1个手电筒。将铅笔垂直地插入橡皮泥,并放置在白纸的中央。与此同时,将桌面想象成地球的表面或地平线,手持手电筒以一定的角度照射铅笔。记录上午6点(在桌面的水平位置上)、上午9点、中午12点(在铅笔的正上方)、下午3点和下午6点(在桌面的水平位置上)在大白纸上投射产生的影子。我们再次用以下的问题结束该活动。

    鼓励学生将他们的分析用文字写下来。接下来,学生将上述活动中收集的数据与他们在户外观察的影子的数据进行比较。为了让学生的分析更集中,我们提出以下问题。我们为学生的观察活动引入“方位角”和“高度”这两个术语,作为概念标注。以观察者的视角作为顶点,学生可以定性地观测太阳和地平线上某点之间的夹角,并且可以依据天空中太阳相对地平线的高度来描述该夹角。

    这里实际估测的是高度,在接下来的课程中,学生将使用星图软件进行测量,并记录测量结果。此时,他们就可以定性地描述太阳相对地平线的高度(中午太阳距地面最高,与地面的夹角也最大,与中午相比,早上和晚上太阳更接近地平线,且夹角更小)。根据学生的年龄和能力,他们可以通过将一个拳头放在水平面上,另一个拳头放在光源(手电筒)处来估算太阳高度角。一位学生可观察由第一位学生的胳膊形成的角度,并估算该角度(大约15°,大于15°但小于45°,大于45°但小于90°)

    我们让学生审视他们的数据,分析影子的长度与太阳高度角之间的关系(角度越小,影子越长;角度越大,影子越短)。接着,我们让学生推断如何将以上的分析结果与现实生活中日出、日落和中午时的影子相对应。学生可以通过制作日晷来应用他们所学到的知识,他们可以每天收集数据然后对一个星期或一个月内收集到的数据进行比较。可参考“网络资源”中提供的关于制作和使用日晷的说明。

    优秀的学生可能会拓展自己的知识面,并将学到的知识与他们对影子的观察结合到一起。参考“网络资源”中提供的教案,关于如何利用学生的观察,并对所熟悉物体的高度和影子进行测量。然后他们会运用这些知识进行间接测量,以计算更高的物体如树和旗杆的高度。

    我们使用星图软件程序“星光灿烂”来探究太阳的季节性变化。学生通过软件可以访问某年某日某时的天空数据,与进行实时的自然观测相比,这种获得数据的方式更加高效地利用了课堂时间。学生可以轻松地获取与某个特定问题相关的数据,在图表中记录数据,然后分析数据,寻找规律。要想获取数据,学生需要打开软件程序,从工具栏中选择特定的日期和想要调查的地理位置。然后双击太阳,会出现一个弹出框,弹出框中显示日出、日落和太阳经过的时间,还能显示在特定的日期、时间和地点,太阳的高度和方位角信息。

    学生使用“星光灿烂”软件可以获得每个季节太阳划过天空的明显轨迹的数据(同样的数据也可以从天文数据表上获得,参见“网络资源”)。给每位学生发放一张太阳观测数据记录单。让他们查阅以下每个日期太阳的高度、方位角和轨迹,以及白天的总日照时间:春分、夏至、秋分、冬至,并在一张放大的班级记录表上记录数据。

    接着,学生根据班级记录表中的数据绘制图表。通过操作软件,他们额外添加了一天中好几个时刻的数据:上午8点、上午10点、中午12点、下午2点和下午4点。用y轴表示不同时刻记录的太阳高度,x轴表示不同时刻太阳的方位角。学生用不同颜色的彩笔在图表上标出数据,这样便于比较不同季节的数据。

    对于高年级学生或优秀学生而言,教师也可以介绍地球仪8字曲线,以及如何用它计算任何地点正午的确切时间(见“网络资源”)。将记录太阳轨迹的记录单放大到海报大小,这样学生就容易标注数据并进行全班讨论。由此产生的图形表明,随着季节更替太阳的轨迹有明显的不同。夏至太阳的轨迹比冬至高得多,春分和秋分太阳的轨迹相同。

    为了便于数据分析,向学生提出以下有价值的问题。起初,学生对太阳的不同运行轨迹感到惊讶。他们并没有预测到从一个季节到下一个季节太阳数据会有什么不同。当发现秋天和春天太阳的运行轨迹相同时,他们感到更加惊讶。在讨论的过程中,引入术语“夏至/冬至”和“春分/秋分”来命名记录单上呈现的各个时间段。

    为了积累探究经验,学生可以在线共享他们的数据,这可以作为“太阳影子项目”中的一部分(参见“网络资源”),或者他们可以直接从系统中访问影子数据,并对不同地理位置的影子数据进行比较。他们也可以对影子在一年四季中的变化进行持续一学年的记录。他们可以通过每个月在操场上观察自己的影子,并不断重温并扩大对现实世界的观察。利用数字表格记录数据将有助于对各个月的数据进行比较。

    案例来源:《国外优秀STEM教育案例集》      出版单位:《中国科技教育》杂志社

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