緣起

聖嬰現象影響著全球各地的氣候、農作和漁獲，進而影響到經濟與生活，甚至間接影響疾病疫情。因此聖嬰現象與我們的生活關係密切，對聖嬰現象有充分的了解，才能對其影響提出對策。然而在中學學習聖嬰現象時，僅透過平面教學媒體，學生學習動機低落及流於現象的背誦，很難感受到大氣與海洋交互作用的動態變化，因而缺乏對這些交互作用的整體概念。為了讓學生有更生動與立體化的理解，作者們設計了一組聖嬰與反聖嬰現象在赤道太平洋的立體模型，希望學生透過探究式教學活動設計及立體模型的操作，能有效提升他們對於海洋與大氣的複雜交互作用有更深刻的認識。

 聖嬰現象基本觀念

聖嬰現象是地球大氣圈與水圈兩者相互影響的結果，牽涉到赤道地區海水表面東西方向的流動、海水深處與海面垂直方向的流動，以及大氣從地表到高空在東西向與垂直方向的循環。

一般而言，赤道太平洋附近的海水由東向西送，溫熱的海水集中於赤道太平洋西側形成暖池，溫暖的海水易蒸發形成上升氣流，在這樣的地區主要為低壓系統而濕潤多雨。赤道區域海水不斷西送，在秘魯外海有來自深層低溫、富含營養鹽的海水補償，形成湧升流，因此表層海水溫度較低，靠近海水表面的空氣溫度也較低，在東側海面為高壓所籠罩，此處為下沉氣流，天氣較晴朗乾燥。赤道上盛行東風，一般來說，在赤道太平洋上空的低層大氣由東向西吹送，高層則由西向東流動，吾人稱此赤道上空東西方向的大氣循環為沃克環流（Walker circulation）。

聖嬰現象的發生肇因於上述的海氣交互作用出現變化，在赤道太平洋東西兩側的氣壓差減小、盛行東風減弱、海水西送減弱、東側湧升流減弱、東側海水躍溫層的位置變深，暖水的位置東移使得沃克環流的位置東移且規模減小，因而赤道太平洋東側表面海水溫度較平時高溫，影響到了赤道地區降雨分布的情形及農漁業的發展，甚至連帶影響全球其他地區的氣候變化、傳染病疫情與衝擊全球經濟。

 教案設計架構

教案設計架構如圖1，為了讓學生了解聖嬰現象對我們的生活有那些面向的影響，我們選擇以影視節目《科學大爆炸》第64集中，2016年在台灣爆發的登革熱疫情簡介來引起動機，本段教學並無意闡述聖嬰現象與登革熱盛行有直接關聯，但是聖嬰現象發生時影響著全球的氣候變化，對於可能引發的疫情需要具有調適與預防的認知。


圖1.教案設計架構(資料來源:胡靚妤)

應用這個聖嬰海氣交互作用立體模型，教學上可以從以下四個問題切入，除了引導學生思考，同時建構學生對大氣壓力、赤道盛行風、海流方向與湧升流的概念。

一、為何赤道太平洋在東西兩側海水表面溫度有明顯差異？
先以全球海水表面平均溫度圖，引導學生思考造成赤道太平洋東西兩側海水溫度差異的可能原因，將學生的討論導引至海表水溫與大氣海洋間流動方向的關係，藉由喚醒學生對赤道太平洋海流、海水表面溫度與盛行風向的了解，以利後續與海氣交互作用的相互影響作連結。

二、已經了解教科書上的專有名詞與其相互影響的關係?
引導學生回想並複習先備知識，以利後續課程的連結：
1.大氣壓力高低氣壓、大氣垂直運動、乾旱與對流降雨，並探討上述三者之間的關係。
2. 赤道盛行風、表面海流、湧升流，以及上述三者的關係。
3. 海水垂直方向分層與「躍（斜）溫層」的關係。

三、承接以上概念，能夠建立立體模型上水平（東、西）與垂直的流動方向?
引導學生在模型上分別以箭頭表示近地表風向、高空風向與表面海水流向，來說明造成前述海水表面溫度差異的原因。

四、能夠依序探討正常年及聖嬰年期間，其海水表面溫度、大氣壓力分布、大氣垂直向氣流及海水垂直流動之差異?
透過引導學生知道在聖嬰年，東赤道太平洋海水會異常增溫之現象後，請學生利用立體模型進行討論，並提出造成海水溫度異常升高的可能原因。
運用立體模型協助學生從空間上來理解聖嬰現象的基本概念後，提供美國國家海洋及大氣總署（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）實際觀測資料，讓學生能立即將所學應用於分析，提升對聖嬰現象實際觀測結果的了解。除了對實際發生的現象理解外，更重要的是希望學生能知道如何面對聖嬰現象帶來的衝擊，課程中可說明數個面對聖嬰現象成功調適的案例。若能有效調適，不僅有機會降低損害，也許聖嬰現象也可以對我們的生活產生助益。過程中希望能提升學生對氣候變遷與適應自然的重視。

 模型設計說明

此一模型起初參考Mrs Geography的網站上Bsnewbury設計的聖嬰與反聖嬰現象模型。原始模型僅考慮赤道太平洋上空的大氣環流與在東、西兩側海水表面溫度的變化，同時模型已將大氣環流的方向明確標示出來，雲帶也是位於固定的位置，其優勢是方便收納、夾帶在課本或筆記本中。作者們認為若能以此模型導引學生思考整體海氣交換的情形，應能發揮立體模型對學生理解的助益。

圖2所示的的模型設計做了以下的改進：(1)將模型上的雲改良為移動式，期望能讓學生更方便比較出正常年與聖嬰年、反聖嬰年之差異，同時也讓模型能更貼近現實情形；(2)再搭配彩色可重覆黏貼的標籤貼，讓學生在課堂中進行小組討論時，可以依其想法在模型上標註大氣環流的方向，透過此模型具體呈現出學生的討論結果。


圖2.改良式聖嬰現象立體教學模型(圖片來源：胡靚妤)

 模型應用於教學的活動設計

一、在建構前述基本概念後，引導學生針對東赤道太平洋異常增溫的現象進行小組討論，讓學生透過語言表達與相互溝通，充分理解此現象是由於大氣與海洋之間交互作用的結果。學生分別從大氣環流、氣壓、表層洋流與海水表面溫度等變化進行初步的討論，進一步延伸討論赤道太平洋東西兩側的降水情形、海水位的高度及斜溫層深度的變化情形(圖3、4)，並將討論結果記錄在學習單（見附件1）上。


圖3.學生運用模型進行小組討論(圖片來源：何玉婷)


圖4.學生運用模型與配合圖表進行討論(圖片來源：何玉婷)

二、在小組討論時，教師逐桌了解學生討論的情形，並鼓勵學生主動表達自我想法（圖5）。討論完畢後，各組代表將討論結果書寫於白板上後，進行分享（圖6）。


圖5.老師到各組觀察討論情形，適時引導與鼓勵分享自我觀點(圖片來源：何玉婷)


圖6.各組學生將討論結果書寫於白板上後，進行分享(圖片來源：何玉婷)

三、學生瞭解聖嬰年的大氣與海洋交互作用後，教師提供三個不明年份（分別 以A、B、C表示）12月的海水表面溫度圖、海水表面溫度距平圖及海水溫度－深度剖面圖（見附件2）。學生透過小組討論，判斷何者最有可能是聖嬰年的資料，並使用google線上表單即時回傳（圖7、8）。透過google線上表單可即時統計學生作答與分享的優點，除了提升學生學習動機與課程參與外，教師更得以立即找出學生的迷思概念，進一步說明與釐清，提升學生學習成效。


圖7.學生使用google線上表單即時回傳討論結果(圖片來源：何玉婷)


圖8.學習單B的問題與各組學生討論結果(圖片來源：胡靚妤)

 學生回饋與教學省思

本文係作者於景美女中實習時的教學設計，並在高一的三個班級應用模型進行教學，觀察學生上課情形與課後回饋內容，發現可明顯提升學生學習動機與成效。在教學意見調查中，以簡答的方式請學生表達對課程內容中最喜歡及最不喜歡的部分，在82份問卷中將相似的回答分類，結果如圖9、10所示。學生對於課程內容最喜歡的部分有31%的學生表示喜歡小組討論（包含表示「都喜歡」的學生），其中兩名學生明確表示喜歡以小組討論形式的教學方式；另外，約有29%的學生特別喜歡立體模型的運用與實作（包含表示「都喜歡」的學生），其中有數名學生表示立體模型有助於提升他們對聖嬰現象與反聖嬰現象的理解。此外，也有學生對趣味知識的補充、影片及多媒體的教材等項目表示喜歡。

針對學生在課堂中較不喜歡的部分，大多數的學生對課程內容沒有不喜歡之處，可以得知多數學生對課程的滿意度偏高。其中，表示對使用立體模型教具不喜歡的學生均來自第一次授課的班級，當時需要學生動手完成模型後才能利用模型進行討論。在修改教學內容後，就無學生對立體模型的運用表示負面評價。其他不喜歡的項目包含教學演示時教室後方有其他師長觀摩或走動、教師說話音量、板書字體等。

綜合以上學生的意見反饋，可以了解到：(1)小組討論搭配立體模型實作的教學方式可以提升學生的學習動機；(2)立體模型的運用可以增進學生對聖嬰現象中海氣交互作用具體情形的了解；(3)搭配趣味知識的補充，在學生了解適應與調適的成功案例後，可以增加學生在面對自然環境變遷時的適應與調適更加重視。


圖9.學生對課程內容感到喜歡的項目(圖片來源：胡靚妤)


圖10.學生對課程內容感到最不喜歡的項(圖片來源：胡靚妤)

在實際教學測試與於「航海家地球科學科跨縣市教師專業學習社群」分享後，發現模型設計仍有可改進的地方，例如將垂直方向海水溫度、躍（斜）溫層、表面海水溫度等變化的呈現方式，可以設計海氣交互作用的變化呈連動關係，讓聖嬰現象的整體海洋與大氣環流關係透過更具象的連動模型來解釋。改良版的設計為：(1)將可拉動式的雲與正常年、聖嬰年、反聖嬰年及在赤道太平洋東西兩側海水表面溫度的變化等資訊連動；(2)垂直方向再搭配美國國家海洋及大氣總署（NOAA）2010年12月、2013年12月與2015年12月的資料，加入海水垂直溫度剖面(圖11〜13)。

此模型設計分為教師版與學生版。教師版在海水溫度的項目可以色彩來顯示，以此增進學生對於海水溫度變化的印象。學生版則是全黑白影印，便於普及推廣，同時可以刺激學生自行探究思考，讓學生有機會自行判斷海水溫度異常變化的現象是如何因海氣交互作用而被影響的。

未來可以此新模型再次進行探究教學，以改進前述的瑕疵，提升更好的探究教學效果。


圖11.新版模型雛形(圖片來源：胡靚妤)


圖12.於教師專業學習社群分享教案及心得(圖片來源：陳鈞嗣)


圖13.教師專業學習社群活動--引導老師們製作立體模型(圖片來源：陳鈞嗣)

 結語

除了課本上的文字和網路上的影片、簡報之外，尋找具有輔助探究教學更好的模式來幫助學生對自然現象有更多的好奇與興趣，是教學者最大的願望。在教學現場。傳統上，學生對聖嬰現象的事實，常以表格整理資料歸納並以記誦方式學習，感到十分遺憾。令人可惜的是學生僅為應付考試而背誦一個與現實生活不完全匹配的結論，欠缺對大氣與海洋交互影響的整體概念，更難體會周遭的自然現象確確實實影響著我們每一天的生活。年輕的學生們不久之後將會是政策參與者，甚至決策者，人類如何因應大自然的變動是21世紀公民最重要的課題！因為唯有真正理解自然現象如何發生，才有機會對症下藥，來克服複雜的世界難題。學生在這個主題的學習，從課本上平面圖片難以獲得對立體空間的理解，僅能把不同層圈的複雜交互作用結果死記背誦而失去好奇與興趣。期許這個模型教學可以作為一個引子，讓學生透過模型操作，以及探究問題的教學引導，學習邏輯性思考來幫助他們理解自然界的現象！

附件1：學習單

附件2：教具