编译：顾茜 东南大学脑与学习科学系

研究生导师：柏毅，夏小俊

作者：Alida Acosta，Jerrid Kruse

【摘要】：研究恒星是很困难的。首先，星星在学生上课时间通常不会出现；其次，与恒星有关的概念本质上是抽象的。本为期五天的学习单元是为五年级学生设计的，旨在达到新一代科学教育标准（Next Generation Science Standard，NGSS）的表现预期5-ESS1-1，每节课时长约30分钟。学生研究光的亮度与距离之间的关系，并将他们的研究应用于恒星，分析恒星的视星等和实际星等数据。我们利用这些活动来帮助学生进一步理解科学和技术的本质（Nature of Science and Technology，NOST）。NOST包括理解科学是如何运作的、科学家是什么样的、技术是什么，技术的权衡，以及技术如何塑造思维和行为（Kruse & Wilcox，2013）。

【关键词】：新一代科学教育标准；问题解决；科学技术本质；地球与宇宙

第一天：探索技术

我们从观看城市夜景

开始（在网上简单搜索“夜空”就可找到所需的

）。当学生观察时，我们问:“你注意到哪些不同的光源?”学生们将亮光描述为“离他们最近的”。我们问学生:“你怎么知道光离你最近?”学生们回答说，光更大了。当学生提出离光源的距离是一个因素时，我们会问:“那我们如何探究距离是否会影响光的亮度?”学生们分组合作，讨论他们如何探究这个问题。当我们继续问学生:“我们需要什么材料?”或“你将如何写下你所看到的?”学生们拿出纸、卷尺和灯作为材料。在我们的教室里，学生们决定站在不同的距离处，用自行车灯照射粘在墙上的两张不同的纸。

在学生对自己的探究计划充满信心后，我们开始讨论科学技术的本质。让学生参与这些对话有助于他们开始思考科学家是如何工作的。我们问学生:“为什么科学家可以在不知道研究将如何结束之前就开始研究呢?”学生们可能会回答“看看他们的想法是否可行”，或者“他们会在研究的路上找到答案的”。为了让学生了解技术的本质，我们提出了这样的问题:“灯是一种技术。那为什么铅笔是一项技术呢?”学生们回答说这是“人造的”或“你可以用它写东西”。

第二天：与材料打交道

第二天，我们为学生提供他们探究时所需的材料。因为我们课堂上的学生有广泛的语言背景，我们通常使用异类分组，以便学生可以从彼此的不同观点中获益。当学生们被分成不同小组时，他们使用自行车灯、纸和尺子。对于自行车灯，我们选取了三种不同的亮度设置。这些设置将在稍后的探究中有用。我们对学生进行观察，并通过让他们问一些问题来解释他们的想法，比如“为什么我们需要相同的光源?”或者“如果两盏灯同时照在同一个地方，会有什么样的问题呢?”

当学生开始摸索这些材料时，我们会停下来说:“孩子们，我们正在运用这些材料，那我们可以做些什么来确保我们在正确地使用它们呢?”学生们的反应是，除非需要用灯的时候，否则灯应该关着或朝下放。

我们鼓励学生完成他们的探究和观察，并在课堂上进行讨论。首先，我们问，“你注意到了什么?”学生可能会回答:“我的颜色更暗。”我们通过问他们:“你的回答很有趣。那么你怎么知道你的灯比较暗呢?”学生们画出他们在探究中看到的现象。如果学生有困难，我们会问:“你打算怎么表达距离灯有多远呢?”如图1所示，学生用短线表示较暗的灯。

图1 一个学生用短线来表示较暗的灯

如果时间允许，我们会询问学生如何改变灯光以形成不同距离下相同的亮度。为了帮助学生，我们会问:“我们可以把灯调到几档?”或者“自行车灯可以改变亮度。如果我们改变灯的亮度，会发生什么?”我们班的学生预测，不同亮度的灯光在不同距离上可以照亮相同的纸张。

我们给学生几分钟时间来验证他们的想法，并通过问“你认为距离和亮度会如何影响我们看星星的方式?”来帮助他们将关于光的新知识与恒星联系起来。我们考虑了一些学生的想法，但把所有的概念发展留到第三天来进行。

第三天：记录与读取数据

本课旨在向学生介绍如何阅读电子表格中的数据，并帮助他们理解电子表格的价值(Espenak，2020)。我们与学生一起使用的电子表格如图2所示。其中，第一列是13颗恒星的名称，其他列是实际星等与视星等、直径、大小和质量的值。我们首先介绍电子表格的前两列，将实际星等定义为一颗恒星的实际亮度，并将其与之前课程中的自行车灯进行类比。我们把它比作自行车灯的点击次数对亮度的影响。为了帮助学生记住，我们板书：“实际星等=点击自行车灯的次数。”然后，我们指出太阳和参宿七的实际星等，并提问学生：“这些星星在我们看来会是什么样子呢？”。学生们回答说参宿七会更亮。为了激励学生，我们问:“如果参宿七真的比太阳更亮，为什么太阳看起来最亮？”学生们将此与他们之前的探究联系起来，回答说是因为太阳离我们更近。当学生提出这一说法时，我们会展示出电子表格中的下一列“视星等”。我们将视星等定义为“我们从地球上看到的恒星的亮度”，并板书：“视星等=我看到的光有多亮。”我们鼓励学生提出问题和想法，然后继续应用这些数值。

然后我们揭示表格的下一列，即恒星与地球的距离(以光年为单位)。我们指出太阳，并提到参宿七是距离地球最远的，有770光年，但其也是实际星等最大的恒星。随后，我们提问：“如果参宿七是最亮的恒星，那为什么它的视星等这么暗呢?”学生们解释说，因为参宿七离我们很远。在这节课的最后，我们指出了太阳的相关数值，并请学生们思考为什么太阳看起来是最亮的。

图2 记载着恒星数据的电子表格

第四天：检查实际数据

第四天的学习可以根据进展情况与第三天合并。第四天的目标是帮助学生运用恒星的实际数据来完善他们的思维。我们出示了图2中的电子表格，但只有几列:恒星名称、视星等和实际星等。其中，突出显示老人星(实际星等:5.53，视星等:0.62)和心大星(实际星等:5.28，视星等:-1.06)。我们让学生先思考，然后提问:“根据视星等和实际星等，你认为哪个离我们更远?”经过一段时间的思考，我们让学生与同伴分享。学生们通常会解释说，心大星一定更远，因为“它看起来不一样”。我们进一步问:“你说的看起来不一样是什么意思?”学生们说，由于视星等数值，它更暗。为了帮助巩固他们的理论基础，我们问，“如果它看起来更暗，为什么你认为它会更远?”对于这个问题，学生们声称两颗恒星的实际星等几乎相同，所以它们的距离一定不同。随后，我们出示电子表格的距离列，以确认学生的解释。

为了进一步应用他们的思维，我们用另一个例子来吸引学生。这一次我们隐藏了视星等一列，突出织女星和北落师门。我们读取了这些数值，然后说:“它们的距离差不多，但它们的实际亮度不同。哪个看起来会更亮?”经过一段时间的思考后，学生与同伴分享他们的想法。此时，我们应四处走动并观察学生。只有当我们需要明晰学生的想法时，我们才会问问题。我们可能会问，“数字前面的负号是什么意思?”或者“根据数值，你怎么知道哪个更亮?”当学生们结束讨论时，我们让他们作为一个整体来分享。学生们可能会说，这是北落师门，因为它更暗。我们利用这段时间让学生们回顾一下最初的问题，即哪个更亮，“如果它更暗，它怎么可能更亮?”当学生们回答织女星更亮时，我们会问:“数据中有什么数值支持这一点?”学生们可能会说它离地球更近，所以看起来更亮。为了挑战他们的思维，我们问“织女星与地球的距离只有0.2光年。这是一个非常小的数值。它们的实际星等是如何告诉你它更亮的?”在这个提示下，学生们解释说，数字越负，星星就越不亮。随后，我们通过问学生哪两件事能让星星看起来更亮来结束这部分的对话。学生们很容易就注意到了实际星等和距离这两列数据。

接下来，我们让学生参与关于科学家如何使用数据的讨论。我们问，“科学家如何使用这个电子表格中的数据?”学生们会回答“看看恒星有多亮”，或者“恒星离地球有多远”。我们继续要求学生思考为什么看这些数据比看天空的图像更容易。学生们参与到小组讨论中并得出，查看数据更有条理，并且科学家们在图表中会看到他们可能无法通过图像看到的东西。

我们问，“为什么对于科学家来说使用数据是很重要的?”学生通常会回答说，数据可以回答一个问题，帮助找到解决方案，或获得关于某个主题的知识。

在这节课结束时，我们通过提供两颗恒星（角宿一和尾宿五）的数据来评估学生。我们放映一张幻灯片，并宣读题目:“根据实际星等和距离，描述和比较视星等。并解释为什么会出现这样的情况呢?”学生们独立思考，在纸上写出答案，图3展示了一个学生的回答。尽管由于距离和星等的原因，角宿一会更亮，但我们还是可能会问这个学生，“有什么数据可以支持这一说法?”我们希望他们能从所提供的数据中选择并使用特定的数值来说明。

图3 一个学生的回答范例

第五天：反思经验

在本单元学习的最后一天，学生们阅读了我们从现代天文学家的角度写的一篇期刊条目，该材料反映了技术对天文学历史的影响(Mc-Cray，2014)。在阅读后，安排学生回答贯穿整个课程的嵌入式NOST问题(见图4)。

图4 学生需回答的NOST问题

当我们讲到每个加粗的问题时，我们会停下来让学生先思考问题，然后与同伴分享，最后我们从全班获得一些想法。例如，当我们讲到第一个问题时，学生们注意到，一些科学家在一起工作是为了互相帮助，但另一些科学家可能是竞争性的，不想分享。这种方法被称为科学技术教学的显性-反思性(Abd-El-Khalick & Lederman，2000; Kruse，2013；Edgerly等，2017)。有时，这些明确的反思性问题被笼统地表述为：“这个故事告诉我们科学家是如何工作的？”虽然这样的问题可能是有用的，但最近的研究指出，针对具体的NOST想法，而不是问一般性的问题，会使学生具有更广泛的NOST想法。此外，如果明确的反思性问题过于开放(例如，关于科学家和合作，我们能说些什么？)，而不是更有针对性 (例如，这个故事如何显示科学家们的合作？)(Voss等，2020)，学生则更有可能产生误解。Kruse和Borzo希望教师们通过撰写自己的历史故事，以帮助学生学习NOST。

当我们问到第二个问题时，学生们回答说：“这让工作变得更加容易。”我们提到之前使用的电子表格，并说：“这就是我们所说的数据库，为什么它可能对天文学家产生帮助?”学生们描述了数据库的样子并想象科学家如何使用它。然后，我们要求学生思考，如果没有计算机，数据库会有什么不同。学生们讨论这将是一张非常长的纸。接下来，我们讨论如何权衡技术的利弊，问道：“把它放在电脑上有什么不好的地方吗?”学生们转而与同伴讨论困难的连接和故障。虽然这些权衡确实是值得考虑的，但在讨论下一组问题时，我们进一步推动了学生。

接下来，我们问到第三个问题。学生们回答“技术如何使科学家收益”时，说计算机使一切变得更容易。我们提到了在课程开始时关于铅笔如何成为一项技术的对话，问学生望远镜如何成为一项技术。学生们回答说，望远镜可以帮助科学家观察天空和拍照。为了促使学生考虑故障之外的技术上的权衡，我们问道：“即使一切工作都很完美，为什么大型数据库会让科学家的工作更加困难？”学生们认识到，拥有如此多的数字和信息可能会让人不知所措，难以理解。

最后，我们向学生提问第四个问题。学生们描述了几十年前数据收集需要更长的时间，以及技术如何对数据收集进行改进。为了帮助学生将他们对NOST的想法与生活联系起来，我们问：“技术可以通过哪些方式改变你的行为方式？”这使得NOST对学生来说更加具体。学生们描述了科技如何使人感到疲劳，人们只能通过设备进行交流，或者可能忘记了如何做特定的技能。

结论

通过这些活动，学生们了解了导致从地球上观测到的恒星出现不同亮度的因素。同时，学生还学习了科学是如何工作的，以及技术是如何发展、影响科学和改变行为的。虽然我们不会正式评估学生本周的NOST学习，但我们会深入了解他们的想法，并在整个学年中继续贯彻这样的想法。学习这些NOST思想，使学生能够成为我们科技社会中积极参与的公民。通过在我们的科学教学中包含NOST，学生更有可能深入学习并将他们学习到的知识应用到生活中。

本文是Alida Acosta和Jerrid Kruse学者于2022年发表于Science and Children的论文。

文献来源：https://www.nsta.org/science-and-children/science-and-children-novemberdecember-2022/shining-light

转自：“百研工坊”微信公众号

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