「製作太陽系模型」是一個美國跨學科的研究性學習案例。它綜合了數學與自然科學的知識,採用3~4人組成學習小組的形式,來共同構造一個與太陽系相似的幾何模型。學生在動手建造模型的過程中,可學習關於太陽系九大行星以及數學中比例問題的相關知識。通過開展這個研究性學習活動,還可以培養學生進行科學探究必備的能力,初步形成對科學探究的理解,並形成一定的世界科學觀。
該研究需要4~5個課時的時間,主要分為4個階段,下面就詳細介紹一下他們的研究過程。
研究的第一階段是準備階段。這一階段主要的兩個任務就是確保學生必備一定的科學知識和準備所需要的材料。學生必須理解的一個主要的數學概念是「比例因數」。例如,為完成這個學習任務,學生需要理解如果用一個直徑為2米的小球代表太陽,那麼地球應該用多大的小球來代表,它離太陽應該多遠等問題。需要的材料主要是學生在建立太陽系模型時需要用來代表各個行星的物體,具體如下:
1.米尺或者其他測量工具;
2.標尺;
3.計算器;
4.太陽:直徑為30英寸的充氣球;
5.水星:芥菜籽;
6.金星:小的圓形軟糖;
7.地球:小的圓形軟糖;
8.火星:胡椒子或者其他大小相似的物體;
9.木星:小柚子或者壘球;
10.土星:小橘子或者蘋果;
11.天王星:大櫻桃或者番茄;
12.冥王星:罌粟種子。
第二階段,學生要在筆記本上寫下他們所知道的關於太陽系的知識,然後在整個班級中討論他們的觀點。討論之後,就可以建立一個全班關於太陽系知識的列表,並把這個知識列表放在教室前方。討論過程中,學生的一些概念可能是不確切或者是錯誤的。例如他們可能認為地球是太陽系的中心(行星、太陽和月亮圍繞地球旋轉);地球是太陽系最大的物體;太陽系非常擁擠;太陽系只包括太陽、行星和月亮等。學生會在探究的過程中發現這些理解是錯誤的,並形成正確的概念。
如果在討論中有一些問題沒有提到,教師可用提問的方式幫助學生引出更多關於太陽系的知識。這些問題可以是:
1.太陽系中最大的行星是什麼?
2.如果你在一個以每小時100英裡的速度行駛的車裡,從太陽系的一個盡頭到另一個盡頭需要多長時間?
3.從太陽到地球的距離是多少英裡?
4.在地球上可以看到太陽系的幾個行星?
通過學生的討論以及教師的提問,最終形成學生關於太陽系的知識列表,這樣既喚起了學生先前學到的一些科學知識,又有利於探究活動的進一步展開。
第三階段是學生分組展開探究活動階段。在這個階段,學生的任務是用第一階段給定的材料建立一個太陽系的幾何相似模型。學生知道的前提是:太陽是一個直徑為30英寸或者76.2釐米的小球。學生要將小球與具體的行星對應起來,並且要確定每個行星與太陽之間的距離。在這個階段,學生可利用教師提供的兩個相關網站進行學習與探究。
一個網站是http://seds.lpl.arizona.edu/nine-planets/nineplanets/nineplanets.html,主要是對九大行星進行介紹,提供了九大行星的詳細資料,如這些行星的軌道長度、直徑以及重量,還提供了大量的九大行星的圖片資料,可以幫助學生更加形象地了解九大行星。
另外一個網站是http://itss.raytheon.com/outreach/education/solar_system/school_ss.html,主要是介紹了一個校園中建立的太陽系模型。通過建立這樣的模型讓學生了解千、百萬以及十億之間的關係。這個網站給出每種行星的實際大小與按比例計算後的大小、距太陽的實際距離以及按比例計算後的距離,並用卡片上的點來表示行星按比例計算後的大小,學生在校園中可建立此類太陽系的比例模型。這個網站可以為本研究提供很好的學習材料。不同的是,在本研究裡學生要用不同大小的實物代替九大行星。學生在研究過程中可以參考這兩個網站中的資料,以便他們的研究順利進行。
此外,在探究過程中,一些完成得比較早,而且已經建立了一個比較精緻太陽系模型的小組,可以在建好的模型上加上小行星帶和太陽系的主要衛星。例如,他們可以發現穀神星(迄今為止發現的最大的行星)有多大,並確定給定的材料中哪種物質可以代表穀神星。在探究的過程中,小組的成員之間進行分工,如成員為3人的小組,可以每個成員負責3個行星的工作。注意,每個成員都要在筆記本上記下自己所作的工作,以及自己如何得出的結論。最後,小組的成員將所有的內容放在一起匯總。