探究與實作教學分享:從水星表面隕石坑測量探索行星環境

Wayne Tsai
Oct 27 · 10 min read

好的我再不寫Medium就要長草了……(上次寫已經是快一年前的事情了囧)


這個學期受邀至福智中學天文的選修課程上三次課,參與的學生有國二、高一、高二的同學,課程最主要的目標是讓同學認識望遠鏡的構造,並且希望在年底日偏蝕的時候,可以架設望遠鏡並講解、導覽給全校聽,因此課程設計方面涵蓋觀測和知識面向,穿插實作活動與理論學習,大的架構是從小的開始擴展空間尺度,並且從地球出發展望宇宙,先介紹月球,再進入太陽、太陽系,最後介紹恆星演化以及認識宇宙論。本次的教學內容是承接太陽的主題進入太陽星行星的討論,而安排了行星環境的教學單元。

這次的課程設計有很大一部分受到藍偉瑩老師的新書「教學力:深化素養學習的關鍵」啟發,並且調整自己課程邏輯以及教學方式,以下會介紹課程如何進行,以及哪些地方受到藍老師的啟發,最後會分享同學的學習成果。

引起動機:讓學生與真實世界產生連結

介紹行星的環境有很多方式,可以逐一介紹八大行星的地質、大氣,看很多照片來認識;也可以藉由比較的方式來理解不同行星的差異。看到這個主題,我自己是反射性地想到大學修習行星地質學時,有一個測量水星隕石坑的習題,而且不需要太多學科背景知識就可以操作,於是就決定要進行這個活動。

但是在上課前幾天在設計教學內容時,我自己卻先卡住了!一方面覺得水星離我們很遙遠,平常沒事也沒有人會想關心水星上的隕石坑怎麼了,另一方面是覺得認識水星上的隕石坑的形成好像也沒有什麼重要的教學內容。帶完活動要總結到哪裡去呢?我到底希望學生學到什麼呢?我其實只是把活動塞進去,並沒有什麼特別的想法,於是覺得有點不知所措。

剛好在閱讀藍老師的書時,藍老師在第三章提到了很多跨領域設計常見的問題,雖然我的課程並不屬於跨領域課程,但是其實也有同樣的問題!藍老師提到,多數老師習慣性先想要讓學生做什麼,然後把課程塞滿以後好像就變成一門課了,而沒有掌握到學生要掌握什麼脈絡、培養何種素養(P.64–68, 140, 161)。於是我重新檢視了三面九向的核心素養以及我的活動,確認這個活動是讓學生練習觀察、分析資料、提出假設並驗證,就是地球科學的學科思維,符合「系統思考與解決問題」這個項目,所以我的重點就應該是放在如何讓學生從他們的實作分析中,體會「隕石坑大小分佈和水星的關聯」。

這個目標是明確的,但是覺得「水星離我們生活很遙遠」的問題還沒有解決,藍老師在書中提到課程設計缺乏真實脈絡的學習也是一個常見的問題(P.158)。於是在課堂一開始,我先帶同學思考生活中什麼地方需要天文學?有同學說定曆法,也有同學認為古人會用星象來占卜,也有同學說就是單純好奇,所以最源頭的理由 (從古希臘哲學家來看的話) 就是人類對「世界從何而來」這個問題一直都感到好奇,所以一直想要探索。接著我帶著學生認識太陽系的形成,提出一些太陽系起源的證據,也辯證了解地球的年齡的方法必須要靠外來的物質如隕石。可是地球上的隕石很少,所以必須透過外星球來找證據,而引導到今天主題 ——水星,以上的思考流程讓學生的學習經驗和今天水星的教學主題銜接在一起。誠然,地球科學的內容包山包海包天文,其實連老師自己也不一定真的思考過為什麼要了解這些內涵,以上的設計其實現在還是覺得有點牽強,但是至少現階段覺得是一個可以接受的角度。

探究思考:資料分析與科學詮釋

上面的準備工作做完後,水星的照片就可以登場了!照片和思考問題都印在學習單上,每位同學一人一張。

水星局部表面照片。

一開始我先讓學生把自己想像成對外太空好奇的天文學家,拿到這張照片會觀察到什麼現象?同學會發現隕石坑大小不平均、深淺不一、空間分佈不平均、先後順序不一致等。

同學看投影幕上水星表面照片,觀察表面隕石坑有哪些特徵。

接著我再發下學習單,讓學生以三人一組合作,測量不同大小隕石坑分別的數量,並且畫出數量百分比對直徑 (紙上的直徑,這次先省略換算比例尺的部分) 的曲線圖:

擷取兩組學生的作圖結果,大致可以看出「小的隕石坑比較多,大的隕石坑比較少」的趨勢。左圖有說明座標軸的意義,但是沒有寫單位;右圖座標軸的意義和單位都沒有寫,這些缺失在下課收回學習單交由教師批改時,都會特別註記提醒學生。

每一組畫出來的結果都有一些差異,主要來自取樣的方式不一致,甚至有組別量到一半才發覺因為沒有事先溝通,而重複計算了。其實這些錯誤都是很好的學習機會,讓同學了解合作從事科學研究時,測量的標準應該要一致,並且事先做好規劃,才能事半功倍。

測量隕石坑大小,以及計算隕石坑的數量百分比。

同學作圖完畢之後,我請同學討論兩個問題,討論完和全班分享,其他組要提問或質疑。兩個問題如下:

  1. 隕石坑大小和數量有什麼關係?請和同學討論為什麼會有這樣的現象,並提出合理的科學解釋。
  2. 地球表面隕石坑的密度比水星少很多,這暗示水星和地球的環境有很大的不同。請思考地球的環境和水星有哪些不同的地方,使得生物可以不那麼頻繁被隕石襲擊,可以在地球上存活下來。
學生討論哪些因素可能造成隕石坑有這樣的大小數量分布。

雖然後來時間來不及,只能讓大家發表第一題,但是已經得到很多有意思的想法。有好幾位同學提到,

因為水星質量不足,不足以吸引質量大的隕石,所以掉落到水星的隕石都是以小的為主。

這個想法雖然不是正確的,但是是中學生容易產生的迷思,因為如果連結牛頓第二運動定律和萬有引力定律的話,會發現隕石是否掉落到水星上 (即是否有重力加速度) ,其實和隕石質量大小無關 (因為質量m會被抵消)。能嘗試將物理的概念運用在這個情境來思考,不論結論對不對都是很值得鼓勵的。

水星上有稀薄的大氣,會把隕石摩擦燃燒的比較小,所以掉到水星的隕石都比較小。

這裡要讓同學了解的是一個思考上的盲點,因為這個圖看到的是大小和數量的關係,可是隕石經過大氣層摩擦燃燒,不論大的隕石或小的隕石都會變小,是不是還是可以會看到同樣的數量分布呢?再者,其實水星的大氣因為受到強烈太陽風的影響,幾乎是電離狀態且非常稀薄,所以基本上是不影響的。

除了上述兩個以外,也有很合理的想法:

有些大的隕石打到地面,會碎裂並反彈,所以大的隕石變小,小的隕石變多。

因為隕石是小行星帶的軌跡和水星軌道交會而進入水星的,小行星帶的天體本來就是被木星、太陽兩股拉力拉扯而破碎,不容易凝聚成大塊的行星,所以掉落在水星上的隕石是以小的為主,大的比較少。

從上面的討論,同學自然而然也就體會到地表和水星表面的差別,也能進一步去思考到底是什麼樣的環境差異造成的。大部分的人都知道是因為地球有大氣層當作屏障,但是也有同學認為是因為地球有70%面積都是海洋,隕石有很高的機率是掉入海洋而沒有被人類發現,我個人認為是一個還滿合理也滿有創意的答案。

同學們的表現超乎我原先的期待,不論性別、年級,同學們都很踴躍發言,雖然不見得每個想法都合理,但是願意思考、討論這個過程其實是最珍貴的。也很謝謝在場的其他老師協助補充,因為每個老師看的角度也不太一樣,老師的補充也可以讓我們學習到原先沒想到的部分。

單元總結與學習評量

這堂行星環境的課,從了解太陽系起源當作開端,讓同學認識太陽系的形成過程,其證據光靠地球上的資料還不夠,必須仰賴外星天體,因此水星是一個範例,示範我們如何去從事行星科學研究,以及怎麼從觀察到的現象和地球進行比較。除此之外也回歸天文學的學科本質,帶同學示範了所謂的科學研究,從觀察、分析資料開始,提出合理的解釋並且進行科學的辯證和討論。我也和同學強調,這樣的問題並不是像考試寫選擇題那樣有標準答案,其實是一個開放性的討論,只要提出的解釋符合科學原理都有可能是對的,至於真正答案是什麼有賴更進一步的實驗和研究了!

在形成性評量的階段,主要就是課程中間的提問和討論。藍老師在書裡也有介紹了如何設計問題,以及引導學生聆聽,並且詳細介紹操作的步驟。藍老師提到,設計提問的次序必須從最明顯的事實出發 (P.183),慢慢發展到抽象的概念。以水星表面的照片為例,我先詢問學生從照片看到什麼,然後測量、分析資料 (即步驟中的分類),說出折線圖大小和數量的關係,都是比較具體的觀察;科學解釋則是比較抽象的部分,雖然有些組別一開始想不太出來,或是想得天馬行空,針對他思考到的起點給予一些提示,基本上他們就可以往下想,就會討論出一些答案了。另外因為時間有限,在同學對全班發表的過程中,我其實跳過了確認學生是否聽懂的步驟 (複誦、解釋、舉例等,P.193),直接讓其他學生評論是否贊同這樣的想法以及原因。雖然大部分評論的同學都能掌握到發言者要表達的內容,但是有機會的話再加強這部分會更好。

同學進行發表。

同學在學習單中也有紀錄了課堂上的討論,將幾位同學寫的內容在這裡和大家分享。

同學學習單內容範例(一)
同學學習單內容範例(二)

結語

其實這個教學流程就是108課綱的「探究與實作」的內涵,探究實作並不是要做很複雜的實驗,核心精神應該是讓學生學習科學思考和探究過程,因為教會學生思考,未來學生才會具備自學的能力。有老師問到,國中生參與這樣的課程,會不會有學科背景知識不足的問題?課程進行下來,其實以這次的內容來說這個問題比較不明顯,因為測量隕石坑並沒有太高深的技術,另外是學生一定有一些生活經驗,他可以去想像一個東西掉在某個表面上會發生什麼事,我們只要透過學生的答案,引導出科學內涵,就可以把背景知識的問題補足。關鍵還是在學生是否願意思考、願意討論。

這堂課的設計很受到藍老師的啟發,因為有藍老師對課程設計完整的說明,並且提供簡明扼要的步驟和許多精彩的課程範例說明,自己能夠一邊閱讀一邊重新檢視課程設計,因此也在這裡推薦藍偉瑩老師的新書「教學力:深化素養的關鍵」。現在整個世界的趨勢一直在改變,促使老師們要開始改變教學心態目標和方式,讓教學和真實世界情境結合,這就是108課綱最想帶給孩子的東西。在教學設計上,如何回歸學科本質學習地科,如何在探究過程設計問題和學生對話,如何回應學生的回答,藍老師都給予很具體的說明。這本書理論實例兼具,很容易實踐,也可以看到藍老師如何活用理論,並且有滿滿的對第一線老師以及學校同學的關懷!如果老師對108課綱的教學有興趣,真的很推薦這本書!


註:教材參考自 Faure, G., and Mensing, T. M., 2007: Mercury: Too Hot to Confort. In: Faure, G., and Mensing, T. M., ed. (2007): Introduction to Planetary Science — The Geological Perspective. Springer, 526 pp.

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教學相長|Learning by Teaching

蔡老師的教學心得分享

Wayne Tsai

Written by

師大地球科學系畢業,目前就讀台灣大學大氣科學研究所碩士班。研究領域為氣候變異與預測,興趣是科學教育、科學哲學、數位音樂製作。

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