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美国科学课程设计:化石如何提供地球生命变化
发布时间:2019-07-26 01:34

  本活动旨在加深学生对地质年代的理解,所有活动遵循《新一代科学教育标准》(NGSS Lead States,2013)。本活动的7节60分钟课程解决了“化石如何提供地球生命变化的证据”“岩石、化石、岩石层和地球过程如何帮助我们确定地球的年龄和地质史”这些中心问题。

  关于每节课更具体的内容(包括附加图表、设置、辅助技巧、学生提问和学生回答范例),可以从“网上教师指南和学生指南”中找到(见NSTA链接)。

  ●2种不同的岩石样本:1块含化石的石灰岩和1个火成岩(玄武岩或花岗岩)样本。

  ●100mL带刻度量筒,装有30mL水和4种或以上不同类型的沙子和砾石,如水族馆砾石、绿化用沙、当地河流或沙滩上的沙子等。

  岩石沉积物的分层可以作为地球历史的指南,也可以作为测定相对年代的工具。为了了解学生关于地球年龄的已有知识和存在的错误观念,首先让学生观察2个不同的岩石样本(含化石的石灰岩,以及玄武岩或花岗岩)。

  接下来,让学生在学生指南第3页上记录他们认为哪块岩石年代更古老,然后让他们先通过小组讨论方式与同伴分享个人想法,再以整个小组为单位分享想法,以此对学生的理解进行形成性评价。这个环节虽然也可以使用图片,但最理想的还是使用实物样本。在课堂结束时,告诉学生们岩石样本的线项活动探究了原始水平律(所有沉积层最初都是水平沉积的)和叠覆原理(年轻的岩石覆盖在年代较为久远的岩石上面)。在桌子上放置1叠扑克牌,另有1张牌单独放在边上。让学生回答哪张扑克牌是第1张放的,哪张是最后放的,以及他们是如何知道的。学生应该能明白最底部的扑克牌是最先放的,但是如果他们没有看到放在旁边的那张扑克牌是什么时候放的,他们就无法将扑克牌按时间排序。

  为了将这项活动与岩层联系起来,接下来学生们要观察当不同类型的沙子和砾石被放置到同一个带刻度且装有一部分水的量筒中时将会发生什么(图1)。随着量筒中沙子和砾石的堆积,学生们记录水中沉积物的动态,描述岩层的形状和位置如何向我们展示地球的历史。具体来说,学生们描述沉积物如何落到量筒底部并堆积成水平的沉积层,一层堆在另外一层上面。

  学生们将他们所想的记录在学生指南第5—6页上,并将其与前一天的活动相联系。

  接下来,学生们通过分析地层层序图学习地层叠覆律和原始水平律,地层层序图是一个地区岩石的图解表示。虽然难度很大,但是大多数学生通过与同伴合作及回答教师的即兴提问,还是可以理解这些图的。教师的即兴提问包括:

  通过提问“你怎么知道的”或“你为何这么说”,进一步分析学生对上述问题的回答。如果学生难以回答,让他们把在图中观察到的内容与在沙子活动时观察到的内容进行对比,或是与在观看大峡谷照片时观察到的内容对比。最终,所有学生应该都能够分辨出埋在地里最深的岩层是最年久的岩层,并能够基于岩层的相对位置对岩层和地质事件进行基于年代的对比。

  地球杯(见图2)。地球杯包含2个不同的岩层,每个岩层含有某种植物或动物化石。

  ●1号杯:底层岩层是棕色砾石,里面有三叶虫化石;顶层岩层是蓝色砾石,里面有腕足类动物化石。

  ●2号杯:底层岩层为含有腕足类动物化石的蓝色层;顶层为含有鱼化石的棕色砾石。继续按照此种颜色和化石搭配准备剩余杯子

  ●2袋不同大小(细砾和粗砾)、不同颜色的沉积物(从商店的水族馆物品区域可找到)

  ●以下物品模型各2个:腕足类动物、鱼、爬行动物、花朵、恐龙和哺乳动物。三叶虫和腕足类动物最好用真正的化石,其他物品用小号儿童塑料玩具代替即可

  学生4人1组,像古生物学家那样在他们的地球杯中完成1次发掘,然后画下并标注他们的发现。学生们在认线个岩层的过程中,会发现1种生物“化石”,然后在第2个岩层中会发现另外1块“化石”,这些“化石”展示了地球历史中生命的生物学演变。

  学生们停下来并在学生指南第9页画出这些“化石”,并画出周边岩石的大小和颜色,直到他们的杯子都空了。学生们可能想要把岩石分成一堆堆放置,以便于记住他们在每一个岩层中发掘出来的“化石”。

  接下来,学生们根据生物体在岩层中的位置制作1张相对地质时间表(图3)。然而,直到他们在白板上将岩层和生物体配对之前(图4),大多数学生对于生物体在岩层中的位置所代表的含义还不清楚。向学生提出探究性问题以引导他们与之前的活动相关联,如“哪个生物体更加古老/年轻?你怎么知道的”。

  接下来,询问学生他们是否注意到白板上的某种模式,然后问他们在地球历史上哪种生物体是最早出现的,以及他们如何知晓其他生命体早于人类出现。讨论地质学家如何利用动物区系演替和相对年代为时间表增加细节信息,并将其拓展到更加年轻或更加古老的岩层中。

  接下来,我们将课堂散发材料中的植物和动物剪下来贴到时间跨度为46亿年的时间轴上,将动植物出现的相对顺序与绝对时间联系在一起。为了制作时间轴,学生需要在纸上画一个比例代表地质时间。各小组学生在收银机卷纸上尝试确定测量46亿年的合适的比例尺。经过尝试,最终,学生们会得出结论,合适的比例应该是100cm代表10亿年。

  下一步,学生们将课堂散发材料(见NSTA链接)中的生物体用胶水粘贴到时间轴上。用胶带把完成的时间轴贴到教室前面,这样学生们可以对比彼此的时间轴并进行讨论。

  第5天,学生们寻找美国布赖斯峡谷、大峡谷、锡安国家公园3个地区的地层层序图中的联系。通过比较不同地区的岩层,学生们了解到地质学家可以使用岩石的相对年龄编撰一份完整的地球历史和地质年代记录。

  首先,引导学生们讨论各地层层序图代表的数据。然后,学生们共同研究岩石剖面图差异、岩石类型多样性、地质时期范围,以及化石的相似性和差异性。之后,学生对3张地层层序图进行比较和对比,以确定哪个地区的岩石序列最古老、哪个地区的最年轻。

  此处,对于学生来说,比较方便有效的方式是将3张图从学生指南中取出,并排放到桌上进行比较,以确定岩石的相对年代(图5)。他们应该能够发现一个国家公园中最年轻的岩层可能是另一个国家公园中最古老的岩层。对比分析的结果在3张图中形成了一种阶梯状模式。这个过程被称作相关分析。

  如果学生难以完成,就让他们回忆之前的活动,例如扑克牌和带刻度量筒活动。在那些活动中,他们学会了如何确定最古老和最年轻的岩层。在确定了地层层序图中最古老和最年轻的岩层后,学生们利用表中的证据和前期活动中所获取的知识记录并解释他们的想法。通过分析不同地区岩层之间的关联,学生了解了地质学家如何使用这些岩层制作地球历史和相对年代表。

  最后,学生通过分析学生指南第23页上的简单地质年代表,学习化石如何为地质年代和生物演化提供证据。年代表有助于学生理解在地质年代中特定植物群和动物群的起源和灭绝,运用地层叠覆律和原始水平律,巩固对岩层、相对年代、标准化石和生物变化之间关系的认识。使用思考题培养学生对动植物种类的外形和丰富性(动物区系演替)的理解。

  在本活动中,学生还要学习“标准化石”知识。标准化石是那些只在特定时期存在的生物化石,可用作确定其所在岩层的地质年代的依据。为检查学生是否掌握了标准化石的意义和用途,让他们基于年代表所提供的信息,提出标准化石的操作性定义。然后,让学生在绝对时间轴上观察这些化石,分析是什么将它们分开的。

  理想情况下,学生会发现标准化石在特定时期存在,并且可被用于确定它们所在岩层的名称或年代。提问学生如何使用标准化石制作地质年代表。为了鼓励学生将地质年代表与以前的活动联系起来,可以问如下的问题:

  ●如果地质学家同时发现了尖翼石燕和镜眼虫化石,那么这些岩石是什么时候形成的?(泥盆纪晚期到密西西比纪早期)

  为了确认学生已经理解了目前所学习的概念,进行一次评估以检查他们的理解情况(见第42页)。

  学生通过小组讨论回顾课堂所学并与全班同学分享他们的想法,以此结束本次活动。该讨论巩固了学生对化石、岩层和地球进程如何帮助确定地球年龄和地质历史,以及如何提供地球生命发生变化的证据的理解。截至目前,学生们应该能够:

  活动结束后,学生将能够分辨不同地区岩层之间的关系,并能够解释地质学家如何利用岩层和化石了解地球的年龄和地质史。这些引导探究性课程让学生们产生更深刻的关联,形成新的理解,运用科学推理技巧,像科学家一样思考和行动,并为他们理解史前世界奠定了基础。

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