第一章 宇宙中的地球 问题研究 火星基地应该是什么样子
【设计思路】
本章的主要任务是帮助学生从宏观层面认识地球,从而更好地理解人类的生存环境。这一内容看似浅显,要求不高,但综合性较强,对于培养学生的综合思维有很大帮助。在学生学习“地球的宇宙环境”“太阳对地球的影响”“地球的历史”和“地球的圈层结构”后,教材设计了一个综合性的探究活动—火星基地应该是什么样子,让学生联系本章学习的内容,思考人类若在其他星球上生存,需要哪些条件。
之所以选择火星,是因为火星是目前人类了解较多的行星,人类移居火星的可行性研究也开展了许多,素材较为丰富,也有科学依据和支撑,对学生来说难度不会太大。
课题探究中,研究思路尤为重要,它是分析问题和开展研究的逻辑线。“问题研究”在一开始就提供了研究思路建议,帮助学生厘清思路,并根据“知识拓展”提供的信息和问题,联系本章学习内容完成任务。
研究思路分为四个步骤：收集资料,了解火星表面的自然状况；分析火星基地应具备的基本生命保障条件；收集资料,了解人类目前在生物圈研究领域的成就；分析火星基地的基本功能,绘制构想图。
第一步要求学生先通过资料了解火星的自然状况,对此,“知识拓展”部分的资料1提供了火星自然条件的基本信息。这些信息主要指向温度、大气、水分、土壤等自然要素。
在这样的自然环境下,人类如何生存?这就要引导学生对比人类在地球上的生存环境。这一过程也加深学生对地球环境的认识。对此,资料1的分析2提出问题：若在火星上生存,需要改造哪些环境条件?
要使得人能够在地球之外的星球上生存,科技领域需要开展研究和试验以模拟地球上人类的生存条件。这是步骤三的探究任务。教材资料2介绍了近年的一个相关试验—“绿航星际”,以开拓学生的思维。学生可在此基础上了解更多此类研究试验,将其迁移到人类在火星生存的可行性研究上。
最后一步,要求学生进行信息综合。这需要将火星基地作为一个系统,全面考虑其形态、功能、防护等方面的问题。这一探究过程也有利于培养学生的综合思维。
【实施建议】
本章主题是人类生存的环境,从宇宙环境到地球环境,从地质历史时期到现今人类的生存环境。关于火星基地的研究,并非空中楼阁。科学界多年前就已经开始研究,一些关于人类在外星球生存的电影也有很多,这些都可以成为课堂的素材。以情境入手尝试模拟地球环境,既有科幻色彩,也有现实依托,可以充分激发学生学习热情。
随着世界人口的激增、人类科技水平的不断提升,地球资源环境问题日渐凸显。寻找人类的另一家园,既有研究价值,也有现实意义。在研究的同时也能让学生认识人类生存环境,更好地理解“环境”这个词的地理学意义。
问题情境
教学中,尽量以情境导入,引发学生思考人类能否以及怎样才可能在火星生存。可参考以下导入方式。
方式一：可通过电影情境导入,选取电影中的部分情节,引导学生思考人类能否在火星生存。与火星相关的科幻电影有很多,如《火星之旅》《火星任务》《火星救援》等。
方式二：可引导学生思考探索外星球生存环境的必要性。随着世界人口的增长,人口对环境的压力逐渐增大,人类憧憬迁居外星球。
研究过程
该研究是畅想型的研究性学习,重在引导学生基于目前观测的火星资料展开合理的想象。研究主要分为课堂明确要求、课下研究解决问题、多样化成果展示三部分。具体研究过程可划分为以下五个阶段。
第一阶段,进入问题情境,即学生对“火星表面的自然状况”有一定的感知或了解,形成积极开展研究的兴趣和意向,并初步调用本单元的相关知识对其火星基地建设可能面临的问题有大致的方向性判断。
第二阶段,明确研究思路,即学生根据问题情境提出问题,并结合教材提出的问题,对基地建设面临的问题进行细分,并根据自己的兴趣选择具体问题,形成研究小组,制定研究方案。
第三阶段,收集丰富材料,即学生能够按照教材资料分析的提示,通过网络等途径,收集火星、月球探测、空间实验室、火星模拟实验室等方面的文字、图片资料,进一步深化对火星环境的认识,明确火星基地建设可能面临的挑战。
第四阶段,分析解决问题,即学生能够参考上述资料中实验室建设的方法和思路,借鉴教材提出的生物圈研究的成功经验,提出火星基地建设的功能需求,并画出基地草图,同时分组对其合理性进行分析、论证。
第五阶段,交流展示成果,即学生能够运用科学的语言、准确的图像、正确的逻辑表达个人或小组论证的结果,并对他人的研究成果进行点评,对自己的研究过程进行反思。
上述五个阶段的研究过程中,需要教师给予帮助、指导。第一阶段需要教师对问题本身有深入的研究,并进行情境设计与问题引导。第二阶段需要教师具体指导制定研究方案。第三阶段需要教师提供相关网站和书籍,指导学生有针对性地收集、整理资料,并运用过程性评价来调控学生的分工合作以及实践过程。第四阶段需要教师引导学生根据教材“知识拓展”的思路和“资料分析”的提示,对所列问题进行深入探讨。第五阶段需要教师有欣赏与宽容的评价态度,鼓励学生畅所欲言,形成思维碰撞和交流。
【知识拓展】
资料1 火星概况
该资料的分析和运用,一要引发学生思考人类的生存环境,二要分析人类在火星生存需要改造的环境条件,进而思考改造的措施或方法。
火星上是否具备人类生存的条件?该问题设计,主要让学生在情境中思考人类生存需要的环境条件,一方面引导学生应用所学知识解决情境问题,另一方面培养学生在材料中提取信息、加工信息的能力。可参考以下方式开展教学。
方式一：利用类比的方法。地球具有适宜高级智慧生物生存和繁衍的温度、水和大气条件。结合材料分析火星环境特征与地球的差异。
方式二：分组研究。一组同学收集材料并分析火星适合人类生存的条件；另一组同学收集并分析火星不适合人类生存的条件。
若在火星上生存,需要改造哪些环境条件?第一小题已经给了回答第二小题的思路。从孕育智慧生命的条件入手,对比火星与地球的环境差异。因为在“分工设计”部分要求学生提出设计方案,建议在这一部分讲一些人类登陆火星可能面临的挑战和困难。可以考虑以下两种方式。
方式一：引导学生思考如何对火星表面环境进行改造。对于学生提出的方法进行总结,然后指导学生对这些方法进行可行性研究,自然过渡到我国对这一问题的研究上。“绿航星际”就是关于人类星际旅行和地外居住的一项可行性试验研究。
方式二：给出中国或世界对宇宙的探索简史,了解至今科学界已经开始的人类外星居住的可行性研究。“绿航星际”是我国关于人类星际旅行和地外居住的一项可行性试验研究项目。
资料2 “绿航星际”
分析“绿航星际”试验对火星基地建设的参考价值：一是“绿航星际”试验平台为什么要在封闭环境中进行?二是“绿航星际”试验平台在模拟什么?火星表面环境恶劣,不适宜人类生存,但人类或许可以尝试在密闭的人造环境中生存。封闭环境内的大气、水和食物的循环再生,恰好就是模拟地球表层大气圈、水圈和生物圈。
【问题分析指引】
资料1 火星概况
1.火星上是否具备人类生存的条件?
分析该问题要体现地球和火星的环境差异。首先要回顾教材关于人类生存条件的内容,然后充分运用材料内容分析火星与地球的环境差异。这里强调通过对比凸显差异。如火星稀薄的空气、高浓度二氧化碳与地球大气环境差异显著;火星表面昼夜温差大,夜晚温度过低,即使近期研究发现火星中纬度地下有水,但是却是以固态形式存在;火星表面环境恶劣,大风、沙尘暴、遍布的尘埃都成为人类在此生存的障碍。
若能分析火星与地球类似的特征,也是不错的尝试。例如,火星也是围绕太阳运行、绕轴自转的行星,也有大气层,在一年中也有季节的变化,火星到太阳的距离与地球到太阳的距离接近。如能尝试提出对火星环境进行改造就可直接过渡到第2小题。
2.若在火星上生存,需要改造哪些环境条件?
分析该问题要结合地球的环境特征来进行。本章第一节给出地球具有高级智慧生命生存和繁衍的温度、水、大气等条件。而火星不具备这些条件,要想在火星上生存就需要对这些条件进行改造。
资料2 “绿航星际”
分析“绿航星际”实验对火星基地的建设能提供哪些参考?
该问题要从形态、功能、防护等方面综合分析。首先鼓励学生收集材料。虽然学生已具备了一定的知识储备,但是前沿科学的研究对学生来说难度大,通过学习课本材料和收集课外材料,可以为学生研究储备素材。其次需要指导学生综合思考问题。火星并不具备人类生存的条件,所以制造可循环的封闭环境,对于实现人类在火星生存的愿望显得尤为重要。“绿航星际”基于生态学原理,实现封闭环境内的大气、水和食物的循环再生,为未来火星基地的建设提供了很好的模拟实验,为人类走向火星打开了新局面。
