優秀STEAM案例 | 喀拉喀托火山探索

收錄於合集 #優秀案例 202個

本案例是利用1883年喀拉喀托火山噴發事件，融合地理學、生物學、化學和科學史等學科延伸設計出的STEM課程。結合學生對大自然的興趣，引導學生調查他們自己提出來的問題。

背景

1883年8月27日，一場大規模的火山爆發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，當時那場爆發釋放的能量為2億噸TNT當量。火山噴發導致的海嘯奪走了成千上萬人的性命。

這幅圖是喀拉喀托火山1883年噴發初期的情景

火山的概念

研究喀拉喀托火山能幫助學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、隨機分佈或只有熱帶有。實際上，板塊構造研究揭示出大部分火山都形成於板塊交界處——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，因為這裡的大洋板塊會俯衝到上方的大陸板塊下方或另一塊大洋板塊下方。火山也在熱點區域形成（例如板塊內部岩漿上湧的地方）。

有些學生錯誤地認為火山只會劇烈地噴發，並且只通過山頂的火山口噴發。學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，他們會認為如果一座火山已經100年沒有噴發，那麼這座火山就是死火山。

傳統上教室裡使用的兩種火山演示方法（醋和小蘇打火山和紅礬銨火山）也具有誤導性。醋和小蘇打火山演示是酸鹼中和反應，這個反應會生成二氧化碳，二氧化碳迫使醋—小蘇打溶液透過圓錐體；這個模型並不精準，因為火山噴發是地球深處融化的岩漿上升到地面的過程，因為岩漿密度比上方的岩石小，所以能向上湧。

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制造出致癌的“火山灰”和氮氣（安全提示：出於安全考慮，這種演示不應當在教室中使用。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；然後是“科學暢想”部分，在這個部分，學生們想出更多問題，進行進一步的研究。

開啟好奇心閱讀

真正的歷史文獻閱讀課程，為喀拉喀托火山探索單元提供了很好的資訊介紹。Simon Winchester在他的《喀拉喀托火山》一書中對這次噴發進行了現代版的解讀（2003年）。他在書中描述到船“被浮石淹沒：危險、厚重、鋒利、移動迅速的岩石，較大塊的還留有餘溫”。一位船長的日誌記載“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，學生利用五官去感觸那場大災難：他們可以觸控浮石，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，瞭解另外一種火山氣體（二氧化硫）的氣味。最後，他們將聽一下火山爆發的聲音。

● 觸控和觀看

浮石是一種輕質、多孔、玻璃質的火成岩。它的孔也被稱為氣泡，是在溶解的氣體從正在冷卻的熔岩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（浮石經常被用作磨掉死皮的輕石）。學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到90%。

我們建議將浮石研究安排為分組進行的實驗室活動：學生們可以使用放大鏡觀察浮石的氣泡結構，預測浮石放到水裡後會出現什麼情況。看到浮石能浮起來之後，學生們可以產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，產生輕微噼啪震動的感覺和嘭嘭的響聲。建議老師讓學生嘗一嘗含有二氧化碳氣泡的糖果，感受一下那種感覺，可以分組散發糖果，進行活動。學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：學生不得在使用化學品或生物學物品的教室或實驗室中吃東西。這部分活動需要在處理食物的家庭廚房或學校餐廳進行）。

● 聞一聞

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

學生們可以透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，所以教室裡有一點點的二氧化硫都能被學生嗅到。學生可以研究劃火柴時發生的化學反應——將他們的地理—生物學探究擴充套件到化學上——同時瞭解火山是什麼味道（安全提示：需要用到安全眼鏡，提醒學生與火柴保持安全距離）。

● 聽一聽

喀拉喀托火山爆發的聲音甚至在模里西斯群島都能聽到，這裡距離火山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）影片的聲音，此影片重現了當時火山噴發的情況。

科學暢想

經過開啟好奇心閱讀和觸動感觀體驗之後，學生能在本單元的科學暢想部分形成他們自己的後續研究問題。我們鼓勵以學生為主導的探索，這種研究可以是個人專案，也可以分小組進行。學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？

跳跳糖與浮石有什麼相同和不同之處？

浮石有哪些商業用途？

地下發生了什麼導致喀拉喀托火山發生了大規模爆發？

島嶼上的植物如何能在火山爆發後生存？昆蟲呢？

1883年的喀拉喀托火山爆發是否影響了世界各地的晚霞？

火山和海嘯有何聯絡？

喀拉喀託海嘯與2011年3月的日本海嘯有哪些類似之處？

為什麼火山爆發的聲音能傳那麼遠？

學生的提問可以引導至進一步的研究和科學實驗。例如，學生可以選擇跳跳糖和浮石，進行密度、硬度，甚至孔或氣泡尺寸等測試。此外，他們也可以選擇調查二氧化碳對植物和昆蟲的影響，或大範圍的黑暗對植物的影響。

無論調查主題是什麼，學生自己找到和產生自己的科學暢想是非常重要的。教師的角色很關鍵，教師是組織者以確保學生安全，讓學生採取恰當的科學方法開展調查。當學生形成問題、做好調查計劃、執行研究、使用證據作出解釋之後，他們可以對科學家從事科學研究的行為產生更真實的看法。學生應當在教室中分享他們的研究成果，清晰地傳達結果證明自己的解釋。

評估

開啟好奇心，這部分應當進行形成性評估或識別出錯誤概念。理想情況下，學生應當在此單元學習大量科學術語，但不是透過傳統的定義加背誦的形式。這些術語可能包括“動物對於火山即將噴發的感應、塵雲、破火山口、噴氣孔、熔岩、構造板塊交界、岩漿、火山泥流、浮石、火山碎屑流（火雲）、火山帶、俯衝、硫、海嘯和火山學家。

本單元的科學暢想階段使用一個專案對整個單元的學習情況進行評估。我們建議教師在開始評估前向學生提供科學暢想評估標準。此標準的元素有提出假設、過程說明、資料收集和結果說明（例如圖表、圖片）以及恰當的總結。

文章來源：上海STEM教育聯盟

本活動案例改編自《中國科技教育》雜誌

轉載自“勢動教育”

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原標題：《優秀STEAM案例 | 喀拉喀托火山探索》