1.“日光节约时制”——夏时制中的科学

1节课， 2小时以上

STEM说明：大致介绍科学、沟通交流、科学方法、科学写作

写作活动：科技写作

本教案根据凯文·韩林的创作课堂编写。

 

有些科学课上，过分强调了学生对事实信息的记忆，这让很多学生感到兴致索然。不过现在，包括我们“826全美”成员在内的很多人都认为，虽然知道这些已知的科学小知识是非常酷的一件事，但比这更酷的是探索发现的过程：如何使用这些已知的信息去解决问题（比如工程问题），或者如何（通过科学）来进一步扩展我们的知识。

在本课中，我们不去强调那些事实信息，相反，我们将注意力集中于整个过程，聚焦科学方法。与此同时，学生们还可以提高一种非常关键的科学能力，即沟通交流，包括书面和口头的沟通交流。

本课向学生们介绍了科学方法，让学生们尽情享受探索发现的乐趣。为了方便各位老师，我们提供了一个主题（日光节约时制）以及相应的幻灯片来配合课堂，当然，各位老师完全可以根据自己的想法随意对教案进行修改。你可以按照我们的教案，一步步进行，也可以采取完全不一样的顺序。你可以将幻灯片打印出来复印，或者将幻灯片下载在电脑中，然后使用投影仪进行授课。在使用幻灯片时，你可以跳过某些内容，也可以对幻灯片进行个性化修改。在课堂上对日光节约时制进行调查研究，当然也可以换作其他重要的科学主题，比如：为什么在抓挠狗的肚子的时候，狗会有蹬腿的动作？又比如：食物掉落后五秒规则是否真实可靠？本课的关键在于要让学生们自己提出并验证假说，同时就自己的发现进行讨论。

 

课前简介（15分钟）

用幻灯片引入，在课堂一开始，跟学生们谈谈科学、科学方法以及科学家们是如何“进行”科学研究的：科学家的工作就是观察，就世界万物运转提出假说，然后设计并进行试验，对所提出的假说进行检验，最后，用某种方式对实验的结果进行解释和说明。（注意：我们常常使用的“理论”，与科学领域中经常提及的“假说”有着非常密切的关系，在本课进行过程中，在恰当的情境正确使用这两个词语很重要。如果你想要具体了解“理论”和“假说”，你可以查看《科学百科》部分。）在课堂上，一定要记得强调最后一点，跟学生们说明科学家们必须将自己的研究结果写成学术论文、期刊文章或新闻稿件，同时还要就相关内容进行演讲，这样一来，这些未来科学家们才会明白，他们需要培养自己的沟通交流能力，这样才能够与其他人分享自己的探索发现。

接下来，为学生们播放两个关于科学实验的视频片段1。然后，让学生们说出在这两个科学实验中的假说分别是什么，之后解释一下这两个“实验”是如何对假说进行检验的。

接受科学挑战！（5分钟）

接下来，向学生们介绍他们即将在课堂上解决的大问题：为什么我们要根据夏时制，对时间做出一小时的调整？告诉学生们真正的原因，即为了将我们作息内的日照时间延长一个小时。不过在那之后，你要向学生们提出挑战，让他们想出进行夏时制的一个有意思的新假说，同时提出一个检验假说的办法。在幻灯片中，我们为你准备了一个例子——“仓鼠转轮时间理论”。

提出理论和假说（20分钟）

现在，就为什么在夏时制开始和结束的时候，我们都要对时间进行调整这个问题，学生们会提出自己的理论。我们希望，“仓鼠转轮时间理论”（或者其他理论）能够引发学生们对本次活动的兴趣。你可以让学生们组成小组，这对课堂的正常进行非常有帮助，尤其是当课堂上没有其他成年人协助的时候。在小组中，个人的创造力往往能够激发同组其他成员的创造力。鼓励学生提出一些可能的理论，越多越好，当然也可以提出一些异想天开的理论。是的，只要他们愿意，学生们可以提出任何一种解释，哪怕是非常荒诞的解释也是可以的（他们可以从中了解假说的形成以及实验设计的过程）。

在围绕某一个理论进行写作的时候，学生们应该尽可能具体详尽地进行描述，特别是关于这个理论原理的部分。学生们应该而且能够不断完善自己的理论（幻灯片中有关于“理论”和“完善版理论”的例子）。学生们的理论越是具体详尽，就越容易将理论分割成几部分进行检验！

完成上面这一步之后，接下来，学生们应该就自己的理论提出假说，然后设计实验来对假说进行检验（这项任务应该由每一个学生独立完成，而不是小组成员共同完成）。从这里开始是难点。一个科学的理论，或者从更大的范围看，一个假说，最重要的特点就是能够被检验，从而证明这个假说的真伪。在提出一个假说的时候，这个假说的范围应该足够窄，否则的话，就很难对这个假说进行检验。举个例子，进化论的整个理论并不是一个很好的假说，不过，说河马和海牛拥有共同的祖先2，这就是一个好的假说，而就这个假说进行检验，能够验证某个特定理论，不管结果是证实这个理论，还是与这个理论相悖。（如果结果是否定的话，理论会随之发生变化，甚至当证据充足的时候，整个理论就会被推翻。）

为了帮助你的学生从自己的理论中找到一个可以提出假说的内容，你可以问他们以下问题：

• ⊙ 关于你的理论，有没有哪一部分是你最没有把握的？
• ⊙ 就你提出的理论来看，哪一部分内容最容易被他人质疑，或者最难让他人相信？
• ⊙ 你的理论中哪一部分内容最吸引人，或者最有意思？

假说往往是（注意，这里的说法并不绝对）以“如果……那么……”这样的形式出现：“如果我进行这个实验，那么会发生这种情况”。要注意，这其中其实包含了另外一层“如果”：“如果我进行这个实验——并且如果这个理论这部分的内容为真的话——那么会发生这种情况”。换句话说，假定基础的理论是正确的，根据假说，会出现某种情况，所以，如果这个假说被否定，那么就需要重新审视相应理论的相关部分内容。

实验的设计往往与假说的提出是同步的。在我们设计一个实验的时候，我们会想要明确即将进行的每一个步骤，并通过这些步骤去证实或推翻假说，同时，不管假说是对还是错，我们都要事先对可能得到的结果进行预测。

进行实验（10分钟）

进行到这一步的时候，停一下，回到幻灯片，问问学生，看看他们认为在“仓鼠转轮时间”（或者其他）实验中会发生什么事情。幻灯片里为各位老师提供了好几个不同的情境，这些情境都是在进行实验的过程中可能会出现的，而且还为每一个情境提供了可能的解释。

在课堂进行过程中，这部分内容越难预测越好。你可以让你的学生们对结果进行解释，他们给出的答案可以跟幻灯片上我们准备的内容不一样。学生们可以就实验给出不同的实验结果，你可以当场根据学生给出的内容进行说明解释。（这个过程可能不太容易，不过没关系，这其实跟学生们和科学家们在探索发现过程中的经历是一样的。）你也可以提出一些疯狂的结论，让你的学生们对你的结论进行解释说明。

在讨论环节过后，让学生们将自己的实验设计交给自己的搭档，由搭档来进行实验，并将实验结果告诉实验设计者。这一个环节模拟的是科学协作，科学协作对于科学实验来说非常重要（而且，对于科学家们来说，能够独立进行其他科学家设计的实验非常重要），同时，这也会带来一些变数，使得接下来的活动更有意思。让学生们知道，实验会有产生预期结果的时候（时间变慢了！），也会有得到与预期相反的结果的时候（时间没有发生任何变化），还会有获得一些较为随机的结果的时候（比如地球的核心部分突然发出“哎呀”的响声）。

得出结论（10分钟）

接下来这一部分让学生们充分理解明白实验结果说明什么的重要性。（科学秘密：科学家们99.99%的时间都用于弄明白实验结果的意义。虽然进行试验和观察都需要时间，不过，相较而言，弄懂实验结果的真正意义难度更大、耗时更长。）在目前这个阶段，学生们应该将实验得到的数据返回到实验设计者手上，然后每一个学生将会对他（或她）的搭档记录下来的结果进行分析解释，并最终给出一个合情合理的结论。如果有时间的话，学生们可以，也应该画一个图表来辅助说明和解释实验结果。

展示发表（60分钟或以上）

我们建议，学生展示发表环节最好要安排一个小时以上，这样一来，课堂时间就基本圆满结束了。沟通交流对于科学来说是非常重要的一个环节，然而，学生们对这个环节却比较陌生。我们建议你使用“科学会议”的模式，这样每一位学生都有展示自己调查研究结果的机会。这一环节可能会占用整节课的时间（甚至不止于此）。要事先决定每一位发表人的发言时长，同时，提醒学生们要注意科学展示的结构框架（提出研究问题或假说；展示你如何用实验去解决问题；对实验数据进行总结，但暂时不要解读数据，这样其他人可以根据实验结果得出自己的总结；最后再跟大家分享自己根据实验数据得出的总结）。这对学生来说是锻炼口头交流能力的一次绝好机会，同时他们还要学会用证据来支持自己的结论。

艾萨克·牛顿曾经说过：“如果说我比别人看得更远些的话，那是因为我站在了巨人的肩膀上。”意思是说，他对科学所作出的贡献依赖于前人的努力。科学本身是不断积累的过程，而良好的沟通交流能够简化这一过程。良好的沟通交流让科学家们能够查看并核实其他科学家的工作，同时也让协作成为可能，从而激发出新的假说和理论。

课堂进行到这一环节，学生们可以练习自己的科学沟通交流能力。学生们可以将自己得到的结果在图表纸上标注出来，然后借用图表来发表自己的发现，当然，学生们也可以进行单纯的口头发表。总的来说，学生们应该就自己调查研究过程的几个关键点进行总结，确保自己发表过程中，重点陈述那些比较意外的实验结果，以及这些结果所得出的有意思的结论。在学生的发言过程中，老师应该做好主持和协调工作。

介绍每一位学生（如果有实验服的话，可以让学生们选择要不要穿上），同时将讲台交给发表人，必要时还应协助学生展示及撤回图表。学生们可以展示他们稀奇古怪的假说、实验以及结果，这会让他们非常兴奋。在每一位学生结束自己的展示发表后，在场的学生们可以随意发问（这一环节可能会出现更多古怪的想法，也可能会有学生提出一些批判性的思考）。不要忘记，老师作为主持人，也可以在这一环节提出问题。你可以用以下问题，让学生进一步解释自己的结论：

• ⊙ 你进行这个实验，一开始是出于什么原因？
• ⊙ 关于实验的这部分内容，能不能请你再详细说一说？
• ⊙ 这个实验里这部分的内容非常有意思，你是怎么想到要这么做的？
• ⊙ 你为什么要进行这部分实验？在实验中，你具体是怎么做的？
• ⊙ 你是怎么得出你的（科学）方法的？

举个例子，如果有一名学生提出，我们之所以将时间调快一些，是因为太阳的质量产生了变化，这也导致了地球绕太阳公转的轨迹发生了变化，所以，我们需要对时间进行调整。假如这名学生提出，可以通过观察木星是否也发生改变来对假说进行验证，那么首先，你就可以提出这样一个问题：你能否解释你是如何观测木星的位置的？同时，你是怎么知道木星距离我们有多远的？

老师可以帮助学生们消化他们的展示中隐含的科学，并且用下列这些问题引导学生们进行下一步：

• ⊙ 你有什么证据可以支持你的结论？
• ⊙ 有没有哪些内容是无法用你的结论来解释的？（有没有一些被忽略的实验结果？）
• ⊙ 你得到的实验结果，也支持了另外一个合适的结论。你是怎么得出目前的结论，而不是另外一个合适的结论的？
• ⊙ 你的结论似乎说明了某种情况，你认为可以通过怎样的实验来对此进行进一步的检验？
• ⊙ 你得到的结果如何解释相类似的情境中的情况？
• ⊙ 你的发现对未来有何启发？
• ⊙ 就你提出的理论，你还想探究哪些问题？
• ⊙ 在接下来的调查研究中，你会进行怎样的步骤？

就上文中我们提到的关于木星的实验，以下是几个可以提及的好问题：你认为，其他星球是否也会有同样的情况？你觉得在遥远的未来会发生什么事情呢？你认为这种情况会越来越严重，还是会慢慢好起来？

以上这些问题恰好就是科学演讲中常常出现的问题类型。学生们往往比较擅长回答第一种类型的问题，也就是说明型问题；相较而言，第二种类型的问题，也就是针对大背景或接下来会发生的变化的问题，对于学生们来说会是一个挑战，这一类问题恰恰是科学方法的核心。

请注意，作为老师，你在提供一些问题和评价的例子的时候，应该尽可能提一些有建设性的问题和评价。在科学领域中，问题的存在非常必要。提问题能够帮助提问者理解一些内容，还能够帮助被提问者重新整理自己的想法。同时，要充分认识到质疑一个观点和质疑提出该观点的人是不一样的，这一点非常重要。对观点的质疑是非常科学的，而质疑提出观点的人就没那么合理了。为了让学生更好地意识到这两者的区别，当你对学生的实验过程提出质疑的时候，一定要另外具体指出学生们在他们虚构实验中的一些积极方面。这样一来，学生们可能就不会把你的质疑当作是一种对他们个人的攻击，而是会把你的质疑当作是调查研究的一部分，觉得这对进一步交换科学观点是有好处的。

在每一位小科学家的问答环节结束之后，不要忘记给他们掌声鼓励！

教师阅读材料

（这部分是学生要通过调查研究发现的内容）

 

也许你会记得，大概在三到六年级这段时间，至少在某一个学年刚开始的时候，你得把科学方法背诵出来。那时候，你的老师（或教科书）告诉你类似这样的严格步骤：问题→研究→假说→实验→收集数据→分析数据→结论，完毕。

而事实上，上面这些步骤只不过是将科学方法归纳提炼之后的一个浓缩版本。科学家们使用的远不只是一个“方法”，而且他们也不会一直都按部就班一步一步完成任务。不过大部分科学家对这个核心的观点还是认同的3。

科学家们会提问题，而且是大量的问题。这些问题可能来自于他们自己的实验和观察，来自对其他科学家提供的数据的分析，来自与其他科学家们的交流谈话，来自各个方面。从问题出发，科学家们会想尽办法去寻求答案。

这个过程也包含了学生们经常会做的研究，就某个主题，查找了解相关已知的内容。这可能需要学生们去观察周边的世界，收集样本（植物学家或古生物学家可能也会做同样的事），有时候，这些工作可能会导向一个假说，亦或许会直接导向一个实验。

在做实验的时候，科学家们往往会收集数据，同时他们还必须要对数据进行分析，这样才能够理解实验说明的内容（才能够最终形成结论）。很少有实验数据能够与最初的假说完全契合，而科学家们的工作就是要解释为什么会存在这种偏差：是因为最初的假说从根本上就是错误的，还是我们的实验方式出了错？某种“例外”情况出现的几率比我们设想的要高（或低）一些？要解释实验数据中的离群值，我们是否应该多进行一些实验？（答案可能是肯定的。）科学家们在进行科学活动的时候，进展到这一步并不意味着结束，这是关于科学过程非常重要的一点。当科学家们得到一个结论的时候，他们不会就此收工回家。

仅仅通过本次课堂，要深入了解完整的科学方法基本上是不可能的，甚至有时候，连最普通常见的公式化的科学方法步骤都没办法讲完。在这里，我们决定重点讲假说——提出假说，检验假说，然后在实验结果的基础上形成理论。对于科学方法来说，假说是非常核心的一部分，因为假说架起了单纯的好奇心与科学之间的桥梁。

而沟通交流也是科学中非常重要的一部分，是的，非常重要。当科学家们得到一个结论，他们会与其他科学家分享这个结论。不过，科学家们可能不会在每一次实验结束后，都与其他科学家分享，他们往往会等到自己完成了一整组的实验，而且这些实验能够回答某一个问题，或者能够就我们周边世界中某事的正常运转提供一个合理的说法。科学家们会用各种各样的方式分享自己的发现。在一些非正式的场合，比如咖啡厅、走廊，或者是实验室例会上，科学家们会跟那些与自己有密切工作联系的人分享自己的实验结果。他们也会通过论文写作的方式，比较正式地分享自己的工作成果（在论文中，他们会对问题进行总结，还会对已知的内容进行综述，会说明自己的实验、实验结果，以及最终从实验结果中得到的结论），这些论文往往会在科学期刊上或者在各种会议上发表。不管是以上哪一种情形，其他科学家们都会就实验结果以及实验进行的方式提出很多问题，而且还会就实验得到的结果提出质疑。这一过程能够确保科学家们对实验结果的说明解释是基于事实证据，而不是个人偏见，而且还能够帮助科学家们排除对实验结果的其他可能解释。虽然耗时费力，但以上所有这些，都是科学过程中非常重要的一部分。

科学家们往往会根据一个（或一组）实验的结果来对自己的假说进行调整，这种调整往往会带来更多的问题以及更多的实验。这个过程会不断持续下去，这样一来，对一个科学问题的回答，可以引出许许多多的问题，而这最终会使科学家们对一开始着手研究的主题形成一个更深层次的理解。在这个过程中最令人兴奋的事，莫过于不管进行到哪一步，你都有可以继续调查研究的内容。

课本中往往会以列举事实的方式来呈现科学知识，这会让学生们觉得科学领域中没有什么内容是需要去探索发现的，而事实却恰恰相反。每一个单独的探索发现都会为我们打开通往更多问题的大门，最终将我们导向更多的探索发现，而所有这些探索发现聚合起来，就是所谓的科学知识。

 

STEM课外探究：科学黑盒子

不管是哪一个学科的科学家，比如生物、物理、天文、化学等等，他们都在研究我们身处的世界是如何运转的。在研究的过程中，科学家们往往要调查一些他们无法看见的事物。非常棘手，对吧？确实如此，不过这个问题还是可以通过这样那样的方式解决的。有时候，科学家们会使用一些工具来扩展自己的感知能力，举个例子，帮助他们看见非常细微的事物。我们人类无法用肉眼直接看见构成宇宙中所有物质的原子，也无法看见那些在我们细胞中起着非常重要作用，让我们得以生存的蛋白质。在这种情况下，科学家们必须利用一些间接的信息。

你是否曾有过这样的经历，一个写着你名字的礼物摆在你面前，这个礼物包得严严实实的，但是你很想知道里面到底是什么。当时，你是不是把礼物拿起来摇了摇呢？这便是一个获取间接信息的实验的例子。通过摇晃礼物，你可以大概知道里面是一整块的物体，还是很多小块的物体。可能你还能够通过摇晃时听到的声音来判断礼物的材质。通过这些声音，你对包装里的礼物进行了预测。不过最后，你可能还是有机会去打开这个礼物。

但是，科学家们几乎不会有可以打开自己“礼物”的机会，也不能够直接看到他们的“猜想”是否正确。在研究某个无法直接看到的事物是如何运转的时候，科学家们往往会进行实验，而实验的结果会帮助他们构建事物运转模式。根据由实验得到的信息，他们会设计另外一个实验，有时候，这个实验可以帮他们确认第一次实验的数据，不过在有些时候，这个实验会让科学家们发现自己的思路是错误的。通过这样一次次的实验，经过一段时间的努力，科学家们能够就某一个现象，形成一个相对成形的说法。当然，科学家们也很清楚，随着实验的不断进行，信息的不断累积，他们很有可能需要对自己提出的说法进行进一步的完善。

 

制作你自己的黑盒子！

通过制作自己的科学黑盒子，让你的家人和朋友参与你的实验，看看他们是否擅长猜测无法看见的物品。

材　料

• ▲ 一个小盒子（一个鞋盒子，早餐麦片盒或其他包装盒）
• ▲ 一个小球（弹力球或者乒乓球都可以）
• ▲ 胶带或者胶水
• ▲ 其他用于扰乱思考的物品（多余的硬纸板碎片、棉球、一段旧软管、一个漏斗，或者其他任何你觉得可以增加活动难度的物品）
• 
  

设计计划

你的目标是要制作一个神秘的盒子，然后将这个盒子交给某个参与者（这个人可以是你的父母亲、兄弟姐妹或者朋友）。参与者需要在不打开盒子的情况下，尝试推测这个盒子里面到底有什么物品。

在制作你的科学黑盒子的过程中，你可以使用各种各样的方式。例如，你可以直接将小球放进盒子里，然后将盒子封好。不过，这样一来，你的家人和朋友可能一下子就能够猜出盒子里面装的是一个小球。所以，要让这个活动有意思，就需要各种各样扰乱他们思考的物品：

• ▲ 如果你用胶水或胶带将硬纸板贴在盒子内侧，在盒子里面弄一层纸板墙，一层层贴，缩小盒子里面的空间的话，会有什么样的效果？如果参与者轻轻摇晃盒子的话，你觉得会发生什么？参与者会发现什么？
• ▲ 如果你在纸板墙上弄一个洞，会是怎样？如果那个洞上放一个漏斗，又会是怎样？
• ▲ 如果你用棉球将盒子里层铺满，会是怎样？小球在盒子里滚动的速度是会变快还是变慢？
• ▲ 如果你在盒子里弄一个迷宫，让小球顺着迷宫的通道滚动，会是怎样？

你可以设计出各种各样的盒子，想想看，你还能够想出些什么方法，然后开始制作属于你的黑盒子！

 

寻找参与者，对你的科学黑盒子进行测试

将你的盒子交给一位家人或朋友，让他们在不打开盒子偷看的情况下，猜一猜盒子里面到底装了什么！

让参与者对你的盒子进行几个不同的实验，然后问问他（或她）在想什么，看看这位参与者能不能猜出盒子里的物品到底是什么样的。

将盒子再一次递给参与者，让参与者有更多的时间对盒子进行实验，问问他们通过再一次的实验获得的信息能不能帮他们更好地推测盒子里面的物品。

将盒子给另一位参与者，并且重复以上步骤。

如果有多于1位家人或朋友参与了你的实验，对盒子进行了调查，让他们相互分享自己得到的信息（这一步与科学活动非常相似）。他们有没有什么想法，为什么？通过分享自己的信息，他们是否能够就盒子里到底装了什么得出一个更好的结论？

能够简明扼要地表达自己的想法是一项非常重要（同时也是非常难以掌握）的能力，这要求你要集中注意力，要甘于奉献，同时也少不了乏味艰苦的努力。当你听到某人喋喋不休的时候，你是否会私下这样想：能不能直接说重点？！在读了一段文字之后，你是否会常常弄不清这段文字究竟在讲什么，然后又要重新再读一次，直到你终于弄懂作者费尽心思想要表达的意思。并不是每个人都能够驾轻就熟地写出一手好文章，但是，在日常生活中，我们还是要努力去完善自己的写作。

假如你是一名工程师，你设计了一款特别的连接装置，能够将宇宙飞船的两个部分连接起来。这两个部分必须要能够正常工作，否则这艘飞船就会出故障，从而可能会导致损失。所以，你要找出一种最好的说明方式来说明加装你设计的这款特别装置的必要性。那么问题来了，你会怎样就此进行说明呢？

首先，绝不能用一种居高临下的口吻来进行写作，这是对读者的无礼，同时还会自贬身价。其次，把你自己放在读者的角度进行思考。假设你的读者想要很好地完成自己的工作，而且很有学习的欲望，但是他可能不具备你所具备的专业知识和能力。总的来说，每一个人都想要圆满地完成任务。听到别人跟你说“做的不错”的感觉肯定要比听到“这是谁干的”好得多。所以你在说明加装你的连接装置的必要性的时候，应该有合作和提供帮助的精神。

想想看你会怎样进行加装工作，这个过程是否需要一些特别的工具？这个工具要怎样使用？是要两只手操作，还是一只手操作？这个装置加装的位置是否困难？在加装的时候，是否需要额外的灯光？是否需要一个身手灵活的人才能够进入舱口加装该装置？这个装置是否需要定期检修？你还要考虑自己因为其他工作离开的情况，这样一来，其他人就必须根据你的指示来进行操作。如果你的指示不明晰的话，他也没办法向你提出问题。

要考虑周到，不要骄傲自大；要富有创造力，不要含糊不清；要乐于提供帮助，而不要造成不便。正如我的一位朋友曾说的：语焉不详不可取。换句话说，要简明扼要，同时也要心怀感激。

——洛蕾塔·“阿勒塔”·杰克逊

 

洛蕾塔·“阿勒塔”·杰克逊职业生涯的大部分时间都奉献给了航空航天事业，她的第一份相关工作是为美国“双子星座计划”生产零部件。从那时候起，到1999年她作为创办人之一，成立了XCOR Aerospace （XCOR航空航天，美国一家私人航空飞机和火箭引擎研发公司），她一直在航空航天领域工作。除此之外，她还是编辑、驯马师、科技作家，做过机场飞机后勤保障工作，担任过电子研究技术员，她还曾经是美国空军的一员。她各种各样的工作经历让她有机会去接触人与人之间各种各样的沟通交流方式。