在地球科学课堂上，真实性教学要求学生为地球系统的物质循环和能量流动构建模型。但是，除了气候和天气系统之外，包括板块构造与成矿等地球上的大部分主要过程在内，对于物质和能量这些巨大的系统层面的模型来说，在课堂上应该从什么地方开始“构建模型”呢？如果我们把教学重点放在系统层面，那么教学就很容易简化为帮助学生记住和理解带有大量箭头的大型示意图，而这些示意图对传达构建模型所必需的科学实验和观察几乎没有什么作用。

如果我们考虑将水循环作为突破点，可以把水的运动和热量传递联系起来，最终与气候和天气联系起来。在美国明尼苏达州，学生常常对填满我们1万个湖泊的水的来源感到好奇。学生们目前还不清楚我们大部分的雨和雪都来自墨西哥湾中的水。学生们对当地湖泊里的水具有天然的好奇心，这提供了一个介绍水循环的机会（图1a）。通过课堂讨论、论证等教学活动，学生可以使他们的水循环模型更加复杂，如可以加入蒸发、凝结、水蒸气和液态水的传输等概念（图1b）。加入热量传递可以进一步对模型进行探究，热量传递为明尼苏达州或任何其他地区的龙卷风、雷暴或暴风雪提供能量（图1c）。这种渐进式学习过程可以使学生用越来越复杂的方式看待塑造我们世界的物质循环和能量流动。

然而，在这个案例中，让学生思考和理解越来越详细且复杂的地球系统模型，仍然侧重于学习模型，而不是模型真正基于的科学实验。我们认为，课堂科学就像科学研究发展史一样，之所以能够取得成功，在很大程度上是因为我们有能力把一些不可思议的复杂问题——比如地球上物质循环和能量流动的相互作用——分解成若干子实验、小问题，聚集起这些小问题就能理解我们的世界。除非学生理解他们自己的小规模观察如何支持高层次的概念模型，否则课堂论证将很难在科学研究中获得真正的基础（Colson和Colson，2016）。

因此，将建模与小规模课堂实验联系起来是非常必要的。在接下来的2个实验研究中，我们将探索如何做到这一点。