优秀STEAM案例 太阳科学家——对照试验的设计与实施BG皇冠体育

　　BG皇冠体育课程背景与目标：“万物生长靠太阳”，确实，太阳对我们以地球为家的人类来说太重要了。地球上的能量主要是由太阳提供的，这些能量来源于太阳的光辐射和热辐射BG皇冠体育。这些能量是我们每天生存和生活所必需的，它们和水、氧气一起构成了整个地球上生命存在的最基本的物质条件。然而，随着环境的破坏BG皇冠体育，全球气温逐渐升高，平均气温升高也将显著影响物种的分布，许多物种会加速灭绝，从而破坏生态环境。从20世纪开始，由于人类活动等原因，地球上空的臭氧层逐渐变薄并出现空洞太阳辐射中的紫外线大量到达地面，人类和其他生物也将因此受到过强紫外线的伤害。

　　今天我们必须面对现实,必须进一步深入地研究太阳,更多地了解它的运动规律,趋利避害。例如,在太阳能的利用方面应该还有许多可能,包括用生物技术改造藻类等植物的光合作用能力(现在的农作物对光能的利用率较低)与此同时,采取措施规避它的危害,加强对太阳活动的观测,合理运用实验等科学手段进行研究。

　　本课程抓住“了解太阳”这一重要的出发点,通过让学生学习能量和热学的基本知识,更重要的是了解科学家进行科学实验(对照实验)的方法,培养学生对合理运用工具、记录数据,最终得出科学结论的完整过程的认识。

　　建议时间：85分钟课程任务：学习科学家进行实验的基本方法,了解对比实验的概念和特点,在兴趣的驱动下设计实验方案,思考如何精确测量数据,并试着用文字和图表记录实验数据和实验现象,做出分析。

　　(1)对照实验是实验的一种常规方法,是指进行某种实验以阐明一定因素对某对象的影响或意义时,除了对实验所要求的研究因素进行操作处理外,其他因素都保持一致,并把实验结果进行比较的实验。

　　教师可以在此处举一些对照实验的例子,例如,以小白鼠为例,通常药物实验需要两组小白鼠,一组注射药物,另一组注射等量的生理盐水,在一段时间后观察两组实验对象的不同反应以及其他可能出现的现象。

　　(2)通过例子,让学生了解对照实验通常将实验对象分为实验组和对照组并解释概念。

　　实验组是接受实验变量处理的对象组;对照组也称控制组,对实验假设而言,是不接受实验变量处理的对象组。至于哪个作为实验组,哪个作为对照组,般随机决定。

　　这样从理论上说,由于实验组与对照组的无关变量影响是相等、平衡的,故实验组与对照组之间的差异则可认为来自实验变量的影响,这样实验结果是可信的。

　　单组实验和对照实验的不同是什么?为了达成对照的目的,需要做什么?为了使对照实验能良好地进行,哪些细节是需要特别注意的?这样做的目的是什么?

　　首先通过提问了解学生对变量概念的掌握情况;然后介绍变量独立是指变量之间没有相关性,两者不会相互影响或者在一定程度上一者不会成为另外一者的因或果。

　　举例:以物体的体积和表面积作为变量时,这两个变量不是彼此独立的,因为通常体积增大的同时表面积也会变大,反之一样。两者有一定的相关性,而相关程度取决于物体的形状。

　　(1)任务:学生以小组为单位验证太阳光到底能否加热物体,说出自己的想法并设计实验,完成实验,并列出结果(该实验适宜在夏天进行)。

　　(2)材料:尺子、玻璃纸、食物夹、冰格、冰块、拉力计或弹簧秤、纸杯小塑料袋、塑料薄膜、遮阳伞、手表或手机、黑色马克笔、纸托盘、放大镜、小扇子。

　　实验计划由小组内个别成员制订,小组讨论后得出的实验设计过于简单,缺乏可操作性或不合逻辑

　　实验计划由几名组员制订，小组讨论后得出的实验设计表现了步骤的先后顺序,但是存在错误步骤

　　实验计划由全体组员制订，小组通过讨论得出最佳方案。最终的实验设计内容步骤清晰BG皇冠体育、逻辑严谨、考虑周到,拥有较高的可操作性

　　说明了变量的存在,但是对变量的归类模不清,没有说明对照组是为了对比哪个变量；或者说用了变量的种类,但是归纳不完全以及没有说明是如何对各种变量进行控制的

　　详细说明各种变量,说明了对照组所对比的是哪个变量,列举全面且说明了对各种变量是如何控制的

　　在展示中,小组对实验从设计到结论的过程描述缺乏逻辑,不能总结出结果或无结果

　　大家觉得除了阳光直射这个条件以外,还有什么条件会影响冰的融化?对于这些条件,我们应当如何控制?

　　提问后,给少量时间让各小组进行沟通准备。每个人都要提出自己的想法和实验计划,然后小组讨论执行什么样的实验计划。

　　你们认为实验时应该注意哪些细节?例如,为了保证准确测量,如何利用工具来一滴不漏地收集冰块融化后的水?如何保证这些水不会蒸发到空气中导致质量变小?你们认为应当如何避免这些问题?

　　你们认为观察到的结果该如何列入图表中?是否在实验前就设计了这样的图表框架?框架包括了哪些内容?为何如此设计?

　　在实验方法的设计中,学生由于经验有限,可能会出现考虑不周全的情形。教师应提前做好应对准备,并想办法在学生实验的过程中用提问的方式引导学生更好地完成实验。

　　当学生用拉力计或者弹簧秤测量冰融化产生的水的质量或者剩余冰块质量的时候,教师引导学生思考:承载水或冰的容器是否会导致数据被错误地测量?如何解决这个问题?

　　当学生在测量冰融化产生的水的质量的时候,教师引导学生思考:水的蒸发是否会导致测量出现问题?如何解决这个问题?

　　当学生将冰块放置在盘子等水平容器而不是玻璃杯等有深度的器皿中测量时,教师引导学生思考:空气的流动或者四面吹来的风是否会影响观测的结果?如何解决这个问题?

　　提供的材料如黑色马克笔、纸托盘、放大镜BG皇冠体育、小扇子可以用来做什么?是否能加快冰块的融化?为什么?

　　黑色马克笔、纸托盘、放大镜、小扇子等在实验中可以如何使用?哪些使用方法利用了太阳的能量?哪些没有?

　　为了保证对照实验各项被控制条件的一致性,如果使用黑色马克笔、纸托盘、放大镜、小扇子等要注意什么?

　　在实验结果的基础上,可以如何归纳冰融化速度的影响因素?有几种?它们之间有关系吗?

　　是否可以不用遮阳伞,而将实验组放置在户外BG皇冠体育、对照组放置在室内进行对实验?为什么?

　　拓展作业:请学生回家设计一组对照实验,证明只有在较为温暖如室温的情况下种子才会比较快速地发芽。