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（ambitious science 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。