北极反馈：不是所有变暖都一样

通过调查地球气候系统解释北极变暖加剧的原因

文_Jonathan Griffith Margaret Kozick-Kingston

翻译_ 栗可文

为什么来自世界各地的数百名科学家会冒着零下的温度和数月的极地黑暗，故意将一艘船冻在北极的海冰中一整年？这听起来像是一个虚构的冒险电影情节，但从2019 年9 月到2020 年10 月，“马赛克”项目（MOSAiC，北极气候研究多学科漂浮观测站）的科考探险队就是这样做的。

目前，北极变暖的速度是全球平均速度的2 倍（这种现象被称为“北极放大效应”），由于缺乏观测，预测未来北极气候的模型存在相当大的不确定性（Hodson 等，2012）。“马赛克”项目的目标是将破冰船冻在北极的海冰中，使其变成一个临时科考站，再以此为基地，在观测海洋、大气和海冰过程的同时，更好地了解不断变化的北极气候系统。本文描述了一个为期15 天的基于模型的地球系统探究单元，主要内容是调查北极地区变暖加剧的情况（请参阅网络资源“北极反馈”单元）。

基于模型的探究是一个围绕构建、修改和测试模型而设计的教学框架，目的是帮助学生理解和解释一种现象（Windschitl 等，2008）。这一框架注重对自然现象的解释，能让学生在特定背景下学习和应用科学认知，帮助学生更好地参与科学实践（Passmore 等，2013）。我们的基于模型的地球系统探究单元与《新一代科学教育标准》（NGSS Lead States，2013）接轨，并融入了“雄心勃勃的科学教学”实践（ambitiousscience teaching，见网络资源）。单元的主题是“北极放大效应”——一个由科学家正在积极试图解释的令人困惑而着迷的现象。该单元关注以下问题：为什么北极变暖的速度是世界其他地区的2 倍？要回答这一驱动性问题，学生需要调查地球的能量收支、电磁频谱、温室效应和反馈循环。虽然这些主题在地球科学课堂中很常见，但当它们与现象关联起来后，变得更具吸引力、更容易接触。

课程顺序

在整个单元中，学生合作开发并修改模型，以此反映他们对现象的认识和理解。学生将利用他们的模型和其他公共记录，独立为“为什么北极变暖的速度是世界其他地区的2 倍”这一问题给出基于证据的解释。该单元分为4 个阶段（表1），改编自基于模型的探究框架。其他相关材料，包括详细的单元摘要，请参阅在线补充材料。

第1 阶段：激发学生对现象的想法

基于模型的探究单元中的第1 步是引入主要现象。首先给学生观看1 组NASA 的可视化数据，数据显示了从1880—2021 年全球温度异常的变化，并让学生从中找到全球变暖的模式（见网络资源）。然后向学生提出驱动性问题：“为什么北极的变暖速度是世界其他地区的2 倍？”并让学生2 人1 组提出他们的初步想法。通过讨论，将学生的想法添加到“初步想法”列表（比如通过海报、谷歌文档或谷歌白板），作为学生现阶段思考和学习的小结（样例见图1）。在整个单元中，随着学生继续收集新证据、学习新知识，这个列表也会不断进行修订。

在讨论中，要尊重所有学生的想法。教师应该督促学生解释他们的想法，对于错误或偏颇的理解在此时尽量不要纠正。鼓励学生相互回应（比较、测试并根据新证据改变想法）有利于帮助他们评估并改进自己的想法（Campbell 等，2016）。

然后，学生2 ～ 3 人1 组，通过思考以下问题，共同为现象构建描述性模型（样例见图2）。

● 相关组成部分：应包括哪些组成部分？

● 各部分之间的联系：各个组成部分之间的关系如何？

● 数据和证据：我们有任何支持我们思考的数据、证据和经验吗？

每个小组将自己的模型写在便签纸上并贴出来给其他组分享，在观看同学的作品时，每个小组都需要提出建设性意见。要鼓励学生将自己的模型与其他同学的模型进行比较。

● 模型是否相似？还是不一样？怎么相似？怎么不一样？

● 其他组模型的证据或论证是否会让你重新思考自己模型的组成部分？

如果时间允许，各个小组可以在分享后修改他们的初始模型。学生在第1 阶段产生的想法很重要，有助于他们在未来的课程中建立起对地球系统的理解（Campbell 等，2016）。

虚拟教学策略

● 可以使用Zoom 作为主要协同工具，便于随时组织小组讨论。

● 在建立初始模型时，学生可以使用谷歌幻灯片或谷歌绘图，可以参照固定句式使用谷歌评论功能提出建设性意见。

● 另一个选择是使用谷歌白板，学生可以按照自己的节奏创建模型，并使用便签工具互相在模型／框架上评论留言。

第2 阶段：沟通想法和证据

第2 阶段是本单元的主体，由7 节课（第2—8 节课）组成，目的是帮助学生不断更新他们对动态的、互联的地球系统的理解。学生对主要现象的学习被记录在全班总结表中，并在每节课结尾时进行更新（见网络资源“总结表”）。在第2 课中，学生使用专门设计的图形建立模型，对地球能量收支中的部分电磁频谱进行绘制。通过活动学生发现，当地球的能量收支平衡时，入射的短波辐射量（太阳）与出射的长波能量（热量）相等。这时向学生展示地球能量收支不平衡的证据——全球气温上升的观测数据。然后，让学生对照“初步想法”列表进行思考，并讨论其中的哪些想法可能导致这种不平衡。

虚拟教学策略

● 在谷歌幻灯片中添加图形，让学生操作以展示他们对地球能量收支过程的理解。

在第3 课中，学生了解并探究温室效应及其对地球能量收支的影响。学生使用分子与光的PhET 模拟演示（见网络资源），探索短波／长波能量与大气之间的关系，目的是确定大气中哪些是温室气体，然后对温室气体浓度的变化如何影响全球温度进行预测，利用观测数据集证实预测结果。这一课的目标是证明大气温室气体浓度（如CO2、H2O、CH4）的增加使更多长波能量（热量）被吸收并重新释放到地球大气中（温室效应），从而导致全球气温上升。然而，北极的温室气体浓度并不比世界其他地区高，因此仅凭温室效应并不能解释北极放大效应。

虚拟教学策略

● 创建“虚拟幻灯片模型”（见在线补充材料），帮助学生将PhET 模拟演示中的分子与大气中的温室气体直接联系起来。在这一练习中，学生创建了至少2 个新的文本框解释大气气体与长波和短波能量的相互作用。

在第4 课中， 学生以360°虚拟游览的方式参观了“马赛克”项目的科考现场（请参阅网络资源），并分析了真实的数据集，以探索射入（短波）和射出（长波）能量的总量变化是否及如何对北极变暖加剧产生影响。学生发现，在过去的20 年里，北极接收到的入射短波能量保持相对恒定，而从北极出射的长波能量显著增加，这一观察结果似乎与北极温度的升高有关（图3）。

虚拟教学策略

● 可以教学生使用谷歌图表进行绘图练习（“教师指南”中提供了YouTube 教程），如果图表中包含所有必要元素，可以进一步进行调整和评估。

在第5 课中，各小组对初步想法进行修改，使用从前面的课程中学到的新概念、收集的新证据（表2）更新描述性模型（示例见图4）。应鼓励学生在模型修订中使用学术词汇，如地球能量收支、短波能源、长波能源和温室效应。教师应该准备好引导问题作为深入探究理解时的提示，并要求学生引用活动作为学习的证据。修订后的模型是一个展示学生思维的工具，并有助于他们产生新想法。

虚拟教学策略

● 在学生提出新一轮建设性意见时可以再次使用谷歌白板。

第6—8 课的重点是让学生确定导致北极长波能量（热量）增加的因素。学生首先学习反照率（albedo）的概念，使用“Albedo：A Reflectance”应用程序（请参阅网络资源）测量不同颜色表面的反照率，并发现较亮的物体表面比较暗的物体具有更高的反照率（反射更多短波能量）。然后，在冰融化速率演示中，学生测量放置在浅色和深色表面（分别代表海冰和海洋）上的冰的融化速率。通过这些活动，学生预测，海冰的减少将暴露出更多海面，海面颜色更深，这将导致更多的能量被吸收，并导致海冰的进一步融化——这是一个被称为冰雪反照率反馈的正向反馈机制。学生通过绘图和分析过去20 年北极海冰范围、反照率和温度的实验数据证实这一预测（图5）。这些数据支持以下观点：①海冰的减少导致北极的反照率下降；②北极反照率的下降与该地区气温的升高有关。最后，学生2 人1 组解答以下问题（请参阅在线补充材料“第8 课回答要点”）：

● 为什么全球气温在上升？

● 全球气温上升对北极海冰有何影响？

● 北极海冰的减少如何影响北极的反照率？

● 冰雪反照率反馈是什么？它是如何导致北极变暖加剧的？

虚拟教学策略

● 在不具备相应条件的地区，可以通过Zoom 进行反照率应用程序的现场演示，学生可以选择不同的表面进行测试并预测实际反照率。

● 要求学生将自己的融冰实验装置照片贴出来。学生利用现有资源设计自己的实验；提醒学生放置冰块的表面必须材质相同但颜色不同（如黑白衬衫、黑白混凝土等）。

第3 阶段：建立共识——最终模型构建

在第9 课中，学生2 ～ 3 人1 组，通过回答问题反思自己的学习，这些问题旨在帮助学生将与现象有关的概念点联系起来。然后，各个小组构建他们的最终描述性模型（示例见图6）。在过程中应鼓励学生使用证据（如数据集、汇总表等）。在完成最终模型的构建和共享后，教师组织学生进行讨论并形成“必须完成的目标列表”，上面列出的想法、概念和证据，是全班同学都认为应该出现在他们对现象的最终解释中的（见在线补充材料中的“必须完成的目标列表”）。

虚拟教学策略

● 可以使用Zoom 的分组会议室和聊天功能讨论并建立列表。

第4 阶段：建立可信度——基于证据的解释

学生参考证据（例如，必须完成的目标列表、数据集、汇总表等）独立撰写对该现象的基于证据的解释，应包括3 个部分：

● 所发生的事情

● 解释所发生的事情所必需的重要科学概念

● 证明我们对于解释的每一部分都有充分理解的证据

证据可以是科学证据、实验证据（例如冰的范围、反照率、温度数据集），也可以是活动名称、视频或模拟演示（例如分子和光的PhET 模拟演示）。查阅在线补充材料，找到最终基于证据的解释的例子。

虚拟教学策略

● 重点放在与科学家通过科学方法和建模，发展和支持一个科学概念的过程的相似性。

结论

本文提供了一个基于模型的探究单元示例，学生在单元中合作构建、修改和测试模型，并试图解释北极放大效应这一自然现象。这些课程以学生对于现象的想法为中心，有助于他们建立对动态的、互联的地球系统的理解。