來源| STEAM在線
作者 | Alan 馬（美國知名文理學院助理教授）
編輯 | 申晴
我們上一次系統和有區別地介紹了「地球和太空自然災害」，具體見《國外優秀STEAM教育案例：地球和自然災害課程簡介、概論》，包括了地震、火山、泥石流、龍捲風等等。主要區分了自然災害和自然危險這兩大類範疇，定義了只有對人類有危害的自然危險才是自然災害。這一次我們要從「預防入手」，利用科學和工程的知識以及系統實踐，來確實引導孩子們來保護我們的地球。
課程名稱：地球和太空自然災害的防護，保護我們賴以生存的地球
課程適合學生：小學
課程容量：2節課 6項活動
課程主題領域：地球與空間
一、概論
學生了解到各種自然災害以及科學家、工程師用來防止這些自然災害的特定方法。他們研究了一個自然災害覆蓋地區的假想圖，並通過運用他們的批判性思維能力和對自然災害成因的理解，來決定將自然災害預防設備放置在哪裡。
二、STEAM原理
科學家和工程師必須了解地球自然力量的成因和行為，以便他們能夠幫助人們度過自然災害。他們設計的設備可以幫助我們最大程度地減少、消除或預測自然災害的影響。對危害進行檢測，預測和警告有助於人群撤離和/或尋找庇護所。他們設計了山區，海洋，地球和大氣監測設備。他們設計氣象儀器，雷達和衛星以收集數據並做出預測。有時，工程師製造的設備會觸發較小的危害，以防止較大的危害。
三、學習目標
完成本課程後，學生應該能夠：
描述工程師用來預測，最小化或消除自然災害影響的幾種方法。
說明預防設備的放置對其有效性至關重要
四、具體教案
1. 導論/引導
自然災害是可能導致損壞的自然事件。自然災害是影響人類的自然災害。誰能告訴我們一個自然災害的例子？讓我們做一個清單。 （可能的答案：火山，地震，海嘯，洪水，颶風，龍捲風，雪崩，森林火災，雷暴和山體滑坡。）孩子們是否知道工程師以任何方式防止自然災害對人類造成災難，或將自然災害的影響降至最低？工程師設計了許多不同的設備。今天我們要談論的是雪崩迫擊炮，海嘯浮標，地震儀，都卜勒雷達，火山傾斜儀和水位計。
下面我們就舉幾個具體的例子——雪崩迫擊炮，海嘯浮標，地震儀，都卜勒雷達，雪崩迫擊炮由工程師設計，通過在積雪足夠多而引起災難性雪崩之前觸發小雪崩來預防自然災害。雪崩迫擊炮是一種爆炸性射彈，在有可能發生雪崩的斜坡上發射。爆炸使雪從山坡上滑落，引起小雪崩。
（圖1顯示了一個雪崩擊發器，用於發射雪崩迫擊炮。典型的發射方法是壓縮氮。）
滑雪者也可以掉落炸藥。雪崩迫擊炮的優點是它可以輕鬆覆蓋大面積區域，並且對於滑雪巡邏者來說更安全，因此他們不必滑入危險的雪崩區域即可放置炸藥。雪崩迫擊炮的問題在於它們容易受到風的影響，而過時的迫擊炮會在山上留下活炸藥。如果沒有雪崩砂漿，雪位可能會積聚到一個高點，雪崩可能會導致人員傷亡和結構破壞。
由於海嘯通常是從海洋開始的，所以巨浪到達陸地可能要花費數小時。工程師設計了特殊的浮標（漂浮裝置），這些浮標可以留在海中，以及早發現海嘯，從而有時間撤離沿海地區。當海嘯在深海中移動時，它的波浪通常只有幾釐米高。放置在海底的傳感器甚至可以檢測到小的海嘯。傳感器信息被發送到海面的浮標，然後通過衛星傳遞給海嘯中心。
這個系統被稱為DART（海嘯深海評估和報告；見圖2）。海嘯浮標通常放置在離海岸較遠的地方，這樣，當它們檢測到海嘯時，便會提供最大的時間來警告沿海居民。
檢測和測量地震的最常見方法是地震儀。地震儀是用於檢測地球表面振動的任何設備。一個簡單的地震儀由懸掛在彈簧上的物體組成，這些物體可以隨地球震動而擺動。
連接設備的筆記錄了所有振動（請參見圖3）。地震儀的靈敏度足以檢測人們甚至感覺不到的地震。地震儀可以檢測到世界上任何地方的強地震，但地震儀通常放置在斷層線附近以檢測非常小的地震。這些信息可以幫助工程師預測何時將發生大地震。斷層是構成地殼表面的構造板塊之間的邊界。當板塊彼此滑動時，它們滑動並研磨，從而引起地震。
雷暴可能很快形成，而且並不總是容易預測。因此，這就是工程師創建能夠探測即將來臨的雷暴的都卜勒雷達站的原因。都卜勒雷達的工作原理是發出脈衝或無線電波，然後測量這些波從物體反彈並返回所花費的時間。萬一有雷雨，無線電波會從大雨或冰雹中反彈。來自雷達站的信息可以確定暴風雨的大小，行進的速度，行進的方向以及是否存在龍捲風的危險。由於龍捲風通常發生在平坦的區域，例如草原，因此雷達站通常位於這些區域，如下圖。
火山即將爆發的一個跡象是，隨著巖漿向地表向上移動，山脈變得越來越大。不幸的是，這種變化很小並且發生得相當緩慢，因此人們很少注意到它。因此，工程師開發了稱為傾斜儀的設備，可以檢測火山形狀的微小變化。這些設備直接放置在火山的側面，以幫助我們預測即將發生的噴發。
監視洪水的基本方法是使用水位計。一個簡單的水位計只是一個豎立的柱子，上面標有水深，並放置在經常泛濫的河流和溪流中（見圖5）。如果水位上升到一定水平，則疏散附近的社區以防止生命損失。工程師們開發了一些更高級的水位表，它們可以將信息自動中繼到本地數據中心
2. 教師的備課準備和概念
簡要說明六種不同的防災設備（海嘯浮標，火山監測器，都卜勒雷達，水位計，地震儀，雪崩迫擊炮）以及通常放置在何處以幫助預防自然災害。
接下來，將六種不同的防災設備的條帶或信息卡分發給學生。
一對一輔導，讓學生決定他們認為每個設備應該放置的位置，以最好地幫助預防自然災害或預測災害，從而挽救生命。讓他們將設備粘貼到事先準備好的虛擬地圖上。
使用地圖和工作表。只要學生能夠從邏輯上證明他們將設備放置在什麼地方，就沒有絕對正確和錯誤的答案。將每個人的想法集中在一起，我們能否就每種設備的最佳位置達成一致？
3. 課程總結
什麼是自然危險？ （答案：一種自然事件，有能力破壞或破壞財產以及傷害或奪走生命。）我們討論過火山，地震，海嘯，洪水，颶風，龍捲風和山體滑坡是自然危險的例子。
自然危險和自然災害有什麼區別？ （答案：自然危險是對人類住區和生命構成危險的自然災害，而自然災害則是危害人類的特定事件。）
誰能告訴我們有哪些特定的自然災害？ 我們居住的地區會發生哪些類型的自然災害？
為什麼學習和理解地球的自然事件對科學家、工程師來說很重要？ （答案：他們必須了解危險和災難，以便創建能夠監控，預測，預防和/或最小化自然力量和設計結構影響的設備，以便人們能夠倖存下來。）
4. 課程評估
課前評估
討論的問題
1. 為了防止自然災害，是否有必要監視每個自然災害？ （不，許多自然災害存在於偏遠地區，對人類沒有威脅。）
2. 誰能說出我們用來預測，消除或最小化自然災害影響的任何設備或方法？ （示例答案：地震儀，雪崩迫擊炮，水位計，火山傾斜儀，海嘯浮標，都卜勒雷達，傳感器，通信和警告設備，氣象衛星和預報，堤防，建築物，消防設備等）
課後評估
現在，作為專家工程師，學生可以幫助實習生正確放置設備。與整個班級一起回顧並討論工作表。讓類生成「錯誤」列表，並讓他們描述「改進」，解釋為什麼將設備移至其他位置。
5. 拓展活動
讓學生在地圖上識別其他自然災害或向地圖添加自然災害。然後，讓他們使用現有設備或設計自己的設備，這將有助於防止新的自然災害成為災難。
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