云探索者

　　将“使用美国航空航天局云与地球辐射能量系统的学生在线云观测计划”应用于基于问题的学习活动
　　
　　设想一下：你和你的研究团队正在研究最近的观测结果，你们需要对每条线索或证据加以分析和归类，并将观察结果与致力于共同科学目标的同仁分享。关于此次调查研究有何独特之处呢?首先，你是一名中学生；其次，你的同事包括本地的、国内的和国际的小学、初中和高中学生；再有，你的团队为美国航空航天局(National Aeronautics and SpaceAdministration，NASA)的一项云调查研究提供地面实测数据(地面实况调查是这样一种过程：派遣技术员——在这种情况下指学生——采集信息，无论该信息与航空摄影、卫星或红外影像采集的数据是否一致。)
　　本文介绍了通过将NASA的学生在线云观测计划(Students’Cloud Observations On－Line，S’COOL)与基于问题的学习活动相结合，中学生如何从事真正的科学研究，包括观察、记录关于云的信息和为NASA云与地球辐射能量系统(Clouds andthe Earth’s Radiant Energy System，CERES)实验研究提供地面实况数据。
　　
　　教育延伸的观点
　　
　　S’COOL是一个支持NASA地球气候研究的动手做项目。学生利用科学、数学和地理知识来观察、计算和定位重要的地面实况观测信息，并将这些信息提供给NASA的天基CERES设备。例如，科学家们对于CERES设备在辨别地球表面的寒冷状态(如雪和冰)和大气中的寒冷状态(如卷云)方面表现如何非常感兴趣。学生对表面状态的观察和在陆地视角对云进行观察的结果有助于该研究。学生采用科研人员所使用的技能，包括同伴培训、收集和分析数据、合作以及交流。学生观察云的特征、表面状态和气象数据，并通过在线填写一个简单的表格向NASA发送信息。参与S’COOL项目是免费的，项目网站(http：／／science.edu.larc.nasa.gov／SCOOL)
　　上提供了在线注册的说明以及如何观察、记录和提交观察结果的信息。S’COOL项目符合美国国家科学教育标准A：进行科学探究所需的能力(美国国家研究委员会1996)。
　　S’COOL项目为教育工作者将真正的科学带入教学实践提供了简单有效的方法。观察不需要昂贵的设备或大量的训练，然而却为我们了解地球以及云对气候的作用作出了有意义的贡献。目前，来自美国50个州和世界上82个国家的3170个参与者，为S’COOL提供了超过90000个观测结果。
　　
　　匹配分析
　　
　　理想情况下，在安装有CERES设备的Terra卫星或Aqua卫星经过的前后15分钟内，学生外出对云进行观察。借助S’COOL网站，教师可以申请一个卫星经过的时间表(见图1)，选择一个最适合班级观察的日期和时间。Terra卫星和Aqua卫星大约每90分钟绕地运行一圈。当卫星位于地球表面某一点的上方时，可以说该卫星正在“越过”那个点。每个卫星一般情况下一天内都会越过任一地理位置一次——Terra卫星是上午经过，Aqua卫星是下午经过。教师一次可以申请长达三个月的卫星经过时间表，也可以根据需要随时申请时间表。教师先申请卫星何时经过他们位置的时间表，然后再选择观测时间。学生根据卫星经过他们位置的时间表来观察云。观察结果将发送至NASA兰利研究中心的大气科学数据中心(Atmospheric Science Data Center，ASDC)，教师在几天时间内会收到一封电子邮件，通知学生对他们的特定观察结果的时间匹配结果(见图2)。该电子邮件提供了一个标有日期的链按，可以链接到学生在该日期和时间提交的已经按照学生易于阅读的方式进行了处理的观察结果图片，旁边是在上述相同日期和时间的前后15分钟之内的卫星观察结果。同时该电子邮件还提供了一个缩略图，链按到从近地轨道卫星角度对学生所在的地理位置的观察(见图3)。学生有机会比较显示的图形和数据，并且对地面观察结果和卫星观察结果的匹配度进行分类(见图4)。同时还要求学生对他们的比较结果添加评论。他们分析的结果和评论被记录在ASDC中，而且S’COOL团队和CERES的研究人员也可以看到这些结果。
　　
　　教师的观点
　　
　　通常情况下，当中学生发现到他们要做数据分析时，你会听到一声叹息，就像空气从气球中释放出来时的声音一样。因此，为了让我的学生参与进来，我会和他们挑战一个初级的基于问题的学习活动——“CSI——云探索者(Cloud Study Investigators)”(见图5)。我希望学生通过以下途径发展其科学技能：研究和观察云(种类、覆盖面和阻光度)，发送数据至NASA，并且当他们的观察结果是在NASA卫星经过的前后15分钟之内时，分析观察结果的匹配程度和属性。
　　在初次外出时，我们观察云，使用由S’COOL课程资源(http：／／scool.larc.nasa.gov／cgi bin／view lessonplan，cgi?id 54)免费提供的二分式检索表来识别云，并讨论天空的哪部分是被云覆盖的。我们回到教室后，一起制作一个有关云的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“我已经学到了什么(What I Learned)”，一步一步地尽可能多地了解云和与之相关的主题。KWHL练习为学生应该如何进行研究定下了基调。这对我来说也是引入什么是好问题和什么是不怎么好的问题等相关概念的一种方法，例如，基于过程的问题要好于那些可以用简单的是或否，或用简单的网络搜索就能回答的问题。
　　下一步是当我们着眼于CSI——云探索者方案／问题时，用评价量规表作为引导，向学生介绍基于问题的学习活动的过程和概念图(见图6)。同时还需要介绍地球系统科学范式，这种方法是将地球视为一个系统，以帮助理解地球的主要组成部分——大气、海洋、淡水、岩石、土壤和生物——的主要模式、演变过程以及相互作用。学生开始思考地球上四个圈层——生物圈、大气圈、岩石圈和水圈——之间的相互关系，这成为学生全年CSI项目展示和后续展示的重要相关部分。
　　学生根据之前发给他们用于评测的评价量规表来分析他们的研究，从而形成最终的展示。学生在模仿专业科学会议中的海报展示来设计的CSI海报展示活动中介绍他们的海报(例如见图7)。整个活动从开始的介绍、观察、研究到最后的海报展示需要大约1周的时间。学生采取拼图方法在校内和校外进行独立和小组合作研究(拼图方法采取的是合作学习的策略，在这种方法中，学生被划分成4～5人的“家庭”组。每个“家庭”组的成员选择或被分配一个不同的研究主题或角色，然后转入不同的“专家”组，“专家”组中所有成员研究相同的主题。完成主题研究之后，“专家”组成员又回到各自的“家庭”组进行交流)。
　　在我的教室里只有4台台式电脑，所以如果学校配置的笔记本电脑无法利用时，材料就需要打印出来使用。如果学校的电脑可以使用，那么在线概念图网站和海报制作网站也可作为另一种组织展示活动的方式。
　　
　　学生的反应
　　
　　学生非常认真地扮演着勤奋的云观察员和数据分析员的角色。许多学生利用晚上和周末的时间观察，并在暑假期间继续他们的研究。学生的评论作为改进匹配分析和自由评论表格的主要依据之一。
　　这种传统年复一年地继续着，例如2010年的学生现在就读八年级，他们自愿到他们以前的科学教室和七年级的学生一起上传他们的观察结果。临近学年末，八年级学生还训练七年级学生，以确保他们掌握如何获取每个月卫星经过的信息，如何正确地参与观察、分析数据，并解释s’COOL科学家们发送给他们的数据匹配信