作者 |  Alan 马（美国知名文理学院助理教授）

编辑 |  申晴

无论是家长还是各个学校老师，都在实际教育中困惑如何真正、实际地开展STEAM教育，最好有直观和简介的课程大纲/syallbus介绍。那这一次我们就选了第一线的美国STEAM教学大纲，和大家分享。课程内容来自College of Engineering and Applied Science, University of Colorado Boulder (科罗拉多大学博尔德分校，工程与应用科学学院)。

课程名称：地球和自然灾害：地震、火山、龙卷风等

适合学生：小学3-5年级

课程容量：8节课16项活动

主题领域：地球与空间

此课程通过对地震、火山、山体滑坡、海啸、洪水和龙卷风以及雪崩、火灾、飓风和雷暴等自然灾害的调查，让学生们了解了地球的结构及其自然动态系统。孩子们会看到这些自然事件如何变成灾难，以及科学家和工程师如何帮忙人们远离灾难。

学生首先要学习地球的结构；创建显示地球各层的粘土模型，观看大陆漂移演示，计算随时间的漂移，并制作断层模型。

他们会了解地震是如何发生的；他们用模型地震仪研究结构设计的完整性。他们会学着用牙签和迷你棉花糖，在一盘果冻上模拟地震中创建和测试结构。

学生还要了解火山的成因、组成和类型，并观看和测量一个班级模拟火山爆发演示，观察改变一座山形状的阶段。

第四个系列是山体和滑坡。不同类型的滑坡都是重力、摩擦力和相关材料的结果。利用一个小规模的泥石流模型，学生们探索了滑坡是如何响应物质、坡度和含水量的变量而开始的。

学生们还要学习海啸，发现是什么导致了海啸，并使海啸变得如此危险。他们使用一个桌面大小的海啸发生器，测试不同材料类型的模型结构如何在毁灭性的海浪中运行。

之后，学生要了解洪水的原因，他们的好处和潜在的灾难。利用烤盘粘土河床模型，模拟不同河势、漫滩地形和堤防设计对试验的影响。

他们了解龙卷风的基本特征、危害和发生情况，通过在苏打瓶中制造水漩涡来仔细检查龙卷风。他们完成了龙卷风损伤的模拟工程分析，分析和绘制了美国龙卷风损伤数据，并绘制和呈现了旨在抵御强风的结构设计。

科学家和工程师帮忙我们了解地球，这样人类就可以与强大的自然和谐共存。他们必须了解自然灾害，以防止或减少其对人身和财产的有害影响。通过创造改进的技术和材料，工程师们确保各种人造结构足够坚固，以减少因风、雪、水、火和动土等巨大自然力造成的伤害。虽然大多数自然灾害无法预防，但工程师们尽最大努力创建数据收集、监测、测量、预测和警告，准备设备、工具和模型，以庇护人类。

科学家和工程师们利用他们的科学和数学技能来构建仪器和计算机程序，这些仪器和程序可以检测气体、火山形状的变化、监测地下运动、估计风暴的位置和严重程度。数据由照相机、地震仪、GPS、压力传感器、雷达和卫星收集。其他有用的技术包含雪崩信标和平安气囊、避雷针、建筑物减震器和滑块以及警报警报器。工程师与科学家合作，确定存在危险的地点，如何将风险降到最低，以及如何防止人们的行为造成灾难。

工程师们还设计了测试设施，通过计算机模拟来模拟和研究危险特性和模型场景。工程师还分析和学习过去的故障，作为一种持续改进结构设计、提前预警系统和人身平安应急程序的方法。当工程师们创造出探测自然灾害的装置，建造结构来抵御它们，并发明出研究它们的装置时，他们使用收集和分析数据的过程来更好地理解问题并制定解决方案。

所有的课程都会尽量提供了一个仿真的工程布景，帮忙学生理解科学家和工程师学习和创造什么来帮忙人们生活在自然灾害中。课程分为八大部分：

1. 自然灾害概论

2. 地球的结构和动力学、地层、构造板块、大陆漂移和断层

3. 地震测量，包含地震仪和结构考虑

4. 地球的核心和火山的成因、组成和类型

5. 滑坡特征及成因分析

6. 了解海啸的形成和对人造结构的破坏

7. 洪水和地球水循环的各种原因

8.龙卷风的特点、损害和发生，以及承受强风的结构设计

（一）概论

学生会了解到自然灾害之间的差异，会从中发现许多类型的自然灾害 例如：雪崩，地震，洪水，森林火灾，飓风，山体滑坡，雷暴，龙卷风，海啸和火山，以及自然灾害的具体例子。学生们还会探讨为什么这些自然灾害对每个在地球上的生存的人和动物都很重要。

（二）STEAM 原理

科学家和工程师竭力了解我们的星球，以便人类能够与自然灾害共存并生存下来。 我们必须认识自然灾害，以防止或尽量减少对人和财产的有害影响。 科学家创建的设备可以检测自然灾害，构建可以承受它们的结构，并发明设备来研究它们。 我们的家园必须承受风，雪，水，火和地球变化的强大力量。 例如，工程师设计雪崩信标和平安气囊，避雷针和各种环境传感器。 他们还设计了特殊设备，以对抗地面和空中的火灾。

（三）学习目标

完成本课程后，学生应该能够：

•区分自然灾害(natural disaster)和自然危险(natural hazard)。

•至少列出三种不同的自然灾害。

•解释为什么科学家和工程师关心自然灾害

（四）具体教案

1、导论/引导

什么是自然灾害？ 你能举一个自然灾害的例子吗？ （期待学生提及造成破坏的自然力量，如火山，地震，海啸，洪水，飓风，龙卷风，山体滑坡等。将这些例子写在教室板上。）

如果一座火山在南极洲爆发，那里没有人受到影响，这是一场自然灾害吗？ 那没有震感的地震怎么样？这些实际上被认为是自然危险或自然危害，而不是自然灾害。 自然危险和自然灾害之间的区别在于，自然危险有可能对人造成伤害，但并非必然，而自然灾害是影响人口的自然灾害。 例如：火山是自然危险，因为它们有可能爆发并影响人类。皮纳图博火山于1991年在菲律宾爆发，摧毁了当地社区并夺走了300人的生命。 皮纳图博火山爆发是一场自然灾害。

2、教师的备课准备和概念

自然危险：什么是自然危险？ 自然危险是指对人类生命或财产构成危险的任何自然事件。 “自然危险”是火山，地震和海啸等事件的总称。 

自然危险的类型包含：雪崩，地震，洪水，森林火灾，飓风/台风/旋风，山体滑坡，雷暴/狂风雪/冰暴，龙卷风，海啸和火山。 以下是这些自然危险的简短描述。 在本单元的后续课程中，更详细地研究了许多这些自然危险。

雪崩是大量的雪，冰和/或岩石，通过重力沿着斜坡运动。通常，术语“雪崩”是指雪在山下滑行。在几种不同类型的雪崩中，最常见和最危险的是平板雪崩。当大部分雪不再能够粘在斜坡的一侧并被重力克服时，就会发生平板雪崩。通常形成在倾斜度在25到60度之间的斜坡上。大多数雪崩受害者都是穷乡僻壤的滑雪者，但雪崩有时会破坏人类住区。

其中一个例子是法国的蒙特罗克山城，1999年遭遇雪崩袭击，造成12人死亡。预测和防止雪崩可能很困难，但工程师可以使用几种方法来减轻雪崩的影响。被动方法包含雪栅栏和减速结构，用于将雪连结在斜坡上，或者重定向或减缓雪崩，使其不会损坏结构。

主动技术通常涉及用爆炸物触发小雪崩以防止形成更大的雪崩。工程师还设计了诸如信标和平安气囊之类的设备，人们可以在偏远地区穿戴这些设备以帮忙他们度过雪崩。信标是一种电子发射器，可以帮忙救援人员找到一个被埋葬的人，同时平安气囊在雪崩时充气，连结一个人浮力，并在雪崩停止后提供呼吸空间。

地震是可能具有破坏性的自然危险。 地震形成来自构成地壳的构造板块相互摩擦。 虽然全世界每天大约发生8,000次地震，但几乎所有地震都太小了。 有时候地震会强度很大并且足够接近人口密集区域以造成重大损害。 工程师设计诸如地震计和激光器之类的设备，可以通过收集的数据帮忙预测地震。 在设计结构和桥梁时，工程师会考虑地震的震力。

洪水是自然危险的一种：溢出的水，通常淹没干旱的土地。 在洪水的许多不同类型和原因中，最常见的是周期性河流泛滥和洪水泛滥。 周期性的河水泛滥是由融雪和春雨引起河流水位增加造成的。 即使这种类型的洪水很容易预测，因为水位以缓慢的速度上升，如果水量超过预期，这些洪水仍然是灾难性的。 当来自狂风雨的水突然过多而溪流和河流中含有过多水时，就会发生洪水。 工程师设计河流测量仪和天气监测设备，进行测量，帮忙我们预测和监测洪水。 他们还设计了水坝和堤坝，以防止和减少洪水。

森林火灾是自然危险，可能具有极大的破坏性。 在旱季，森林火灾发生在森林茂密的地区。 它们通常由闪电或人类活动如篝火而形成。 定期森林火灾对森林有益，因为它们有助于使森林变薄并允许新的生长。 森林火灾还有可能摧毁森林地区或附近的房屋和城镇。 为了最大限度地减少森林火灾的影响，工程师设计了切割和清理火道（拖拉所有植被的森林地带）的拖拉机，以阻止森林火灾蔓延。 森林飞机也可以喷水或化学阻燃剂灭火。

飓风是强大的热带风暴，风速超过74英里/小时（119公里/小时）。飓风形成于赤道附近温暖的海水中。飓风有一个有组织的旋转，中央的“风眼”，风很平静。风眼的直径通常在20到40英里（32-64 k）之间。风眼周围是眼墙 - 风通常最强，并伴随大雨。在眼墙之外是雨带，这些雨带是长雷暴，远离风暴中心弯曲。飓风造成的破坏是由于大风造成的，风暴使得土地坍塌时会产生强大的风暴潮，以及由于大雨饱和而导致的内陆洪水。飓风在太平洋被称为台风，在印度洋被称为旋风。工程师通过设计探测这些风暴并预测其路径的气象仪器和卫星来解决飓风的危险。工程师还设计结构和海堤，以帮忙人们和财产在风暴中存活并最大限度地减少破坏。

山体滑坡类似于雪崩，因为它们涉及重力牵引山体下坡。 在山体滑坡的各种类型和原因中，最常见的是由大雨和侵蚀引起的。 工程师创建监测设备以帮忙预测滑坡，以及支撑斜坡和阻挡山体滑坡的网，锚和墙。

雷暴是一场以雷电为特征的严重风暴。 雷暴通常伴随大雨，冰雹或（很少）下雪。 雷暴这个词来自闪电陪伴的雷声。 雷声是雷电加热和周围空气膨胀引起的冲击波声。 闪电是电能的释放，其形成为云中的粒子彼此摩擦。 这类似于你在头发上揉一个气球所形成的静电，但它更强大; 每个闪电箭传输500兆焦耳的电力。 雷暴是危险和破坏性的，因为有雷电击中的风险，冰雹造成的破坏，洪水泛滥的可能性以及龙卷风的可能性。 工程师设计的雷达用于跟踪风暴并警告风暴路径的居民。 他们还设计避雷针，为雷电提供平安的通道。

龙卷风是强大的漏斗状风暴。 龙卷风通常以形成超级细胞的强烈雷暴开始。 超级单体是具有旋转核心的雷暴，称为中气旋。 当中气旋下降时，它形成一个漏斗云。 一旦旋转的漏斗云到达地面，它就被称为龙卷风。 风速高达300英里/小时（483公里/小时），龙卷风可能具有极大的破坏性。 在水上形成的龙卷风称为水龙卷。 工程师以跟踪雷暴的方式跟踪龙卷风。

海啸是由海底地壳位移引起的大浪，通常是由海底的山体滑坡或地震引起的。 巨大的海浪可以向内陆移动，威胁沿海地区并对社区造成严重破坏。 工程师设计特殊的海洋浮标，以便在海啸远离海洋时发现海啸，以便人们可以提前预警以疏散沿海地区。

当位于地壳下方的液态岩浆找到通往地表的道路时，就会形成火山。 当它到达表面时，它被称为熔岩。 火山爆发可能会爆炸，大面积蔓延熔岩，灰烬和岩石。 或者，当熔岩从地面渗出时，它们可以更平静地喷发。 火山的三种基本类型是盾状火山，层状火山和煤渣锥。 当熔岩像液体一样流动时会形成盾状火山，形成一个低而宽（盾状）的圆顶。 Stratovolcanoes是由爆炸性喷发沉积层形成的大型圆锥形火山。 煤渣锥体通常较小，并且由单次喷发的渣滓形成。 渣滓是凝固的岩浆块。 工程师创建诸如倾斜仪之类的设备来监视山脉，以便可以警告附近的居民即将爆发的火山爆发。

自然灾害：什么是自然灾害？ 自然灾害是影响人类生命或财产的任何自然灾害。 自然灾害，例如发生在海底并且没有人感觉到的地震，不被视为自然灾害，而2005年巴基斯坦发生的地震造成近10万人丧生并摧毁了许多房屋、 道路，这是一场可怕的自然灾害。

科学家、工程师必须研究和了解自然灾害，以便能够创造出能够庇护人们免受其强大力量影响的结构。 工程师还设计用来检测地球强大和自然力量的设备和工具，以及避免或转移自然灾害的方法。我们之后会介绍相关活动：了解自然灾害：拯救我们的城市！ 让学生了解科学家和工程师用来检测和预防自然灾害的一些基本方法，并挑战决定将这些设备放在假想城市的地图上的哪个位置。

3、课程总结

什么是自然危险？ （答案：一种自然事件，有能力破坏或破坏财产以及伤害或夺走生命。）我们讨论过火山，地震，海啸，洪水，飓风，龙卷风和山体滑坡是自然危险的例子。

自然危险和自然灾害有什么区别？ （答案：自然危险是对人类住区和生命构成危险的自然灾害，而自然灾害则是危害人类的特定事件。）

谁能告诉我们有哪些特定的自然灾害？ 我们居住的地区会发生哪些类型的自然灾害？

为什么学习和理解地球的自然事件对科学家、工程师来说很重要？ （答案：他们必须了解危险和灾难，以便创建能够监控，预测，预防和/或最小化自然力量和设计结构影响的设备，以便人们能够幸存下来。）

4、课程评估

（1）课前评估

讨论的问题：

        •什么是自然灾害？

        •列举自然灾害的具体示例。

        •我们能否预防或预测自然灾害？

（2）课后评估

让学生对以下真/假问题进行投票，然后解释答案。

       •判断对错：自然危险和自然灾害完全相同。 （错误：自然危险是我们星球上具有破坏力的事件，而自然灾害就是我们所说的导致人类住区和生命遭到破坏的特定自然灾害）。

       •判断对错：1906年旧金山大地震导致近30万人无家可归，这是一场自然灾害。 （确实：这次地震是一次特殊事件，对该市的人民和财产造成了很大的破坏）。

       •判断对错：核电站熔毁是一种自然灾害。 （错误：核电站是由人类创造的，因此不是自然事件。）

       •对错：由燃烧的蜡烛开始并摧毁住在公寓楼的所有人的个人物品的火灾是一场自然灾害。 （错误：这场火灾听起来像是一场灾难，但它是由人类引起的，因此不被视为自然灾害。）

（3）课程总体评估

绘图：让学生制作和标记图纸，每个图纸说明一种类型的自然危险。 然后，要将它们变成自然灾害的图纸，让它们显示出影响人类和社区的危害。 让学生讨论工程师如何帮忙跟踪或预测图片中的事件。 作为延伸，让学生充当工程师并绘制设备或结构，目的是庇护人，警告人或预测自然灾害的时间或地点。

5、拓展活动

让学生研究特定的自然危险，制作描述它们的海报。 让他们谈谈每次灾难造成的自然灾害，以及可能采取的措施和可能采取的措施，以防止或尽量减少灾害的影响。

作为一项辅助活动，让学生更多地了解潜力和动能，因为他们设计并建立了一种方法，可以平安，准确地将救援物资（以鸡蛋为代表）运送到道路阻碍的自然灾区人民手中。 与现实世界的工程设计团队类似，学生必须设计他们的设备，例如使用有限的材料。

让学生思考他们所居住地区可能发生的自然灾害类型。 那么，想象一下，在他们的社区中发生了自然灾害，工程师创造了什么能帮忙学生在危险的情况下生存？ 例如，如果你在狂风雪期间平安，那么是什么让你平安？ 工程师设计的例子可能包含：坚固的屋顶，隔热墙，加热系统，照明，通讯设备（收音机，电视，电话），室内管道和电力，炉灶和冰箱，用现代织物制成的保暖衣物，天气预报和警告装置， 平安车辆等。将它们总结在一页纸上，之后同学直接相互交流。

（未完待续）

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