將“使用美國(guó)航空航天局云與地球輻射能量系統(tǒng)的學(xué)生在線云觀測(cè)計(jì)劃”應(yīng)用于基于問題的學(xué)習(xí)活動(dòng)
　　
　　設(shè)想一下：你和你的研究團(tuán)隊(duì)正在研究最近的觀測(cè)結(jié)果，你們需要對(duì)每條線索或證據(jù)加以分析和歸類，并將觀察結(jié)果與致力于共同科學(xué)目標(biāo)的同仁分享。關(guān)于此次調(diào)查研究有何獨(dú)特之處呢?首先，你是一名中學(xué)生；其次，你的同事包括本地的、國(guó)內(nèi)的和國(guó)際的小學(xué)、初中和高中學(xué)生；再有，你的團(tuán)隊(duì)為美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and SpaceAdministration，NASA)的一項(xiàng)云調(diào)查研究提供地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(地面實(shí)況調(diào)查是這樣一種過程：派遣技術(shù)員——在這種情況下指學(xué)生——采集信息，無論該信息與航空攝影、衛(wèi)星或紅外影像采集的數(shù)據(jù)是否一致。)
　　本文介紹了通過將NASA的學(xué)生在線云觀測(cè)計(jì)劃(Students’Cloud Observations On－Line，S’COOL)與基于問題的學(xué)習(xí)活動(dòng)相結(jié)合，中學(xué)生如何從事真正的科學(xué)研究，包括觀察、記錄關(guān)于云的信息和為NASA云與地球輻射能量系統(tǒng)(Clouds andthe Earth’s Radiant Energy System，CERES)實(shí)驗(yàn)研究提供地面實(shí)況數(shù)據(jù)。
　　
　　教育延伸的觀點(diǎn)
　　
　　S’COOL是一個(gè)支持NASA地球氣候研究的動(dòng)手做項(xiàng)目。學(xué)生利用科學(xué)、數(shù)學(xué)和地理知識(shí)來觀察、計(jì)算和定位重要的地面實(shí)況觀測(cè)信息，并將這些信息提供給NASA的天基CERES設(shè)備。例如，科學(xué)家們對(duì)于CERES設(shè)備在辨別地球表面的寒冷狀態(tài)(如雪和冰)和大氣中的寒冷狀態(tài)(如卷云)方面表現(xiàn)如何非常感興趣。學(xué)生對(duì)表面狀態(tài)的觀察和在陸地視角對(duì)云進(jìn)行觀察的結(jié)果有助于該研究。學(xué)生采用科研人員所使用的技能，包括同伴培訓(xùn)、收集和分析數(shù)據(jù)、合作以及交流。學(xué)生觀察云的特征、表面狀態(tài)和氣象數(shù)據(jù)，并通過在線填寫一個(gè)簡(jiǎn)單的表格向NASA發(fā)送信息。參與S’COOL項(xiàng)目是免費(fèi)的，項(xiàng)目網(wǎng)站(http：／／science.edu.larc.nasa.gov／SCOOL)
　　上提供了在線注冊(cè)的說明以及如何觀察、記錄和提交觀察結(jié)果的信息。S’COOL項(xiàng)目符合美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)A：進(jìn)行科學(xué)探究所需的能力(美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)1996)。
　　S’COOL項(xiàng)目為教育工作者將真正的科學(xué)帶入教學(xué)實(shí)踐提供了簡(jiǎn)單有效的方法。觀察不需要昂貴的設(shè)備或大量的訓(xùn)練，然而卻為我們了解地球以及云對(duì)氣候的作用作出了有意義的貢獻(xiàn)。目前，來自美國(guó)50個(gè)州和世界上82個(gè)國(guó)家的3170個(gè)參與者，為S’COOL提供了超過90000個(gè)觀測(cè)結(jié)果。
　　
　　匹配分析
　　
　　理想情況下，在安裝有CERES設(shè)備的Terra衛(wèi)星或Aqua衛(wèi)星經(jīng)過的前后15分鐘內(nèi)，學(xué)生外出對(duì)云進(jìn)行觀察。借助S’COOL網(wǎng)站，教師可以申請(qǐng)一個(gè)衛(wèi)星經(jīng)過的時(shí)間表(見圖1)，選擇一個(gè)最適合班級(jí)觀察的日期和時(shí)間。Terra衛(wèi)星和Aqua衛(wèi)星大約每90分鐘繞地運(yùn)行一圈。當(dāng)衛(wèi)星位于地球表面某一點(diǎn)的上方時(shí)，可以說該衛(wèi)星正在“越過”那個(gè)點(diǎn)。每個(gè)衛(wèi)星一般情況下一天內(nèi)都會(huì)越過任一地理位置一次——Terra衛(wèi)星是上午經(jīng)過，Aqua衛(wèi)星是下午經(jīng)過。教師一次可以申請(qǐng)長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月的衛(wèi)星經(jīng)過時(shí)間表，也可以根據(jù)需要隨時(shí)申請(qǐng)時(shí)間表。教師先申請(qǐng)衛(wèi)星何時(shí)經(jīng)過他們位置的時(shí)間表，然后再選擇觀測(cè)時(shí)間。學(xué)生根據(jù)衛(wèi)星經(jīng)過他們位置的時(shí)間表來觀察云。觀察結(jié)果將發(fā)送至NASA蘭利研究中心的大氣科學(xué)數(shù)據(jù)中心(Atmospheric Science Data Center，ASDC)，教師在幾天時(shí)間內(nèi)會(huì)收到一封電子郵件，通知學(xué)生對(duì)他們的特定觀察結(jié)果的時(shí)間匹配結(jié)果(見圖2)。該電子郵件提供了一個(gè)標(biāo)有日期的鏈按，可以鏈接到學(xué)生在該日期和時(shí)間提交的已經(jīng)按照學(xué)生易于閱讀的方式進(jìn)行了處理的觀察結(jié)果圖片，旁邊是在上述相同日期和時(shí)間的前后15分鐘之內(nèi)的衛(wèi)星觀察結(jié)果。同時(shí)該電子郵件還提供了一個(gè)縮略圖，鏈按到從近地軌道衛(wèi)星角度對(duì)學(xué)生所在的地理位置的觀察(見圖3)。學(xué)生有機(jī)會(huì)比較顯示的圖形和數(shù)據(jù)，并且對(duì)地面觀察結(jié)果和衛(wèi)星觀察結(jié)果的匹配度進(jìn)行分類(見圖4)。同時(shí)還要求學(xué)生對(duì)他們的比較結(jié)果添加評(píng)論。他們分析的結(jié)果和評(píng)論被記錄在ASDC中，而且S’COOL團(tuán)隊(duì)和CERES的研究人員也可以看到這些結(jié)果。
　　
　　教師的觀點(diǎn)
　　
　　通常情況下，當(dāng)中學(xué)生發(fā)現(xiàn)到他們要做數(shù)據(jù)分析時(shí)，你會(huì)聽到一聲嘆息，就像空氣從氣球中釋放出來時(shí)的聲音一樣。因此，為了讓我的學(xué)生參與進(jìn)來，我會(huì)和他們挑戰(zhàn)一個(gè)初級(jí)的基于問題的學(xué)習(xí)活動(dòng)——“CSI——云探索者(Cloud Study Investigators)”(見圖5)。我希望學(xué)生通過以下途徑發(fā)展其科學(xué)技能：研究和觀察云(種類、覆蓋面和阻光度)，發(fā)送數(shù)據(jù)至NASA，并且當(dāng)他們的觀察結(jié)果是在NASA衛(wèi)星經(jīng)過的前后15分鐘之內(nèi)時(shí)，分析觀察結(jié)果的匹配程度和屬性。
　　在初次外出時(shí)，我們觀察云，使用由S’COOL課程資源(http：／／scool.larc.nasa.gov／cgi bin／view lessonplan，cgi?id 54)免費(fèi)提供的二分式檢索表來識(shí)別云，并討論天空的哪部分是被云覆蓋的。我們回到教室后，一起制作一個(gè)有關(guān)云的KWHL表格，包括“我知道什么(What I Know)”、“我想知道什么(What I Want to Know)”、“我是如何了解的(How Do I Find It)”以及“我已經(jīng)學(xué)到了什么(What I Learned)”，一步一步地盡可能多地了解云和與之相關(guān)的主題。KWHL練習(xí)為學(xué)生應(yīng)該如何進(jìn)行研究定下了基調(diào)。這對(duì)我來說也是引入什么是好問題和什么是不怎么好的問題等相關(guān)概念的一種方法，例如，基于過程的問題要好于那些可以用簡(jiǎn)單的是或否，或用簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)搜索就能回答的問題。
　　下一步是當(dāng)我們著眼于CSI——云探索者方案／問題時(shí)，用評(píng)價(jià)量規(guī)表作為引導(dǎo)，向?qū)W生介紹基于問題的學(xué)習(xí)活動(dòng)的過程和概念圖(見圖6)。同時(shí)還需要介紹地球系統(tǒng)科學(xué)范式，這種方法是將地球視為一個(gè)系統(tǒng)，以幫助理解地球的主要組成部分——大氣、海洋、淡水、巖石、土壤和生物——的主要模式、演變過程以及相互作用。學(xué)生開始思考地球上四個(gè)圈層——生物圈、大氣圈、巖石圈和水圈——之間的相互關(guān)系，這成為學(xué)生全年CSI項(xiàng)目展示和后續(xù)展示的重要相關(guān)部分。
　　學(xué)生根據(jù)之前發(fā)給他們用于評(píng)測(cè)的評(píng)價(jià)量規(guī)表來分析他們的研究，從而形成最終的展示。學(xué)生在模仿專業(yè)科學(xué)會(huì)議中的海報(bào)展示來設(shè)計(jì)的CSI海報(bào)展示活動(dòng)中介紹他們的海報(bào)(例如見圖7)。整個(gè)活動(dòng)從開始的介紹、觀察、研究到最后的海報(bào)展示需要大約1周的時(shí)間。學(xué)生采取拼圖方法在校內(nèi)和校外進(jìn)行獨(dú)立和小組合作研究(拼圖方法采取的是合作學(xué)習(xí)的策略，在這種方法中，學(xué)生被劃分成4～5人的“家庭”組。每個(gè)“家庭”組的成員選擇或被分配一個(gè)不同的研究主題或角色，然后轉(zhuǎn)入不同的“專家”組，“專家”組中所有成員研究相同的主題。完成主題研究之后，“專家”組成員又回到各自的“家庭”組進(jìn)行交流)。
　　在我的教室里只有4臺(tái)臺(tái)式電腦，所以如果學(xué)校配置的筆記本電腦無法利用時(shí)，材料就需要打印出來使用。如果學(xué)校的電腦可以使用，那么在線概念圖網(wǎng)站和海報(bào)制作網(wǎng)站也可作為另一種組織展示活動(dòng)的方式。
　　
　　學(xué)生的反應(yīng)
　　
　　學(xué)生非常認(rèn)真地扮演著勤奮的云觀察員和數(shù)據(jù)分析員的角色。許多學(xué)生利用晚上和周末的時(shí)間觀察，并在暑假期間繼續(xù)他們的研究。學(xué)生的評(píng)論作為改進(jìn)匹配分析和自由評(píng)論表格的主要依據(jù)之一。
　　這種傳統(tǒng)年復(fù)一年地繼續(xù)著，例如2010年的學(xué)生現(xiàn)在就讀八年級(jí)，他們自愿到他們以前的科學(xué)教室和七年級(jí)的學(xué)生一起上傳他們的觀察結(jié)果。臨近學(xué)年末，八年級(jí)學(xué)生還訓(xùn)練七年級(jí)學(xué)生，以確保他們掌握如何獲取每個(gè)月衛(wèi)星經(jīng)過的信息，如何正確地參與觀察、分析數(shù)據(jù)，并解釋s’COOL科學(xué)家們發(fā)送給他們的數(shù)據(jù)匹配信