淺析“熱力環(huán)流”教學中的四個“過”

張 成

（合肥市第二十九中學, 安徽 合肥 230051）

淺析“熱力環(huán)流”教學中的四個“過”

張 成

（合肥市第二十九中學, 安徽 合肥 230051）

“熱力環(huán)流”是大氣運動的基本模式，不能簡單等同于大氣運動常見的、最簡單的形式。教師在教學中雖選用不同的方式來處理教材，但實際教學中也存在以下不足：教材研讀過略；物理理論分析過細；溫壓關(guān)系歸納過于草率；教學時間安排過多。

熱力環(huán)流；教材；教學

“大氣運動”是高中地理知識中的重點也是難點，其中“熱力環(huán)流”是將能量與運動聯(lián)系的關(guān)鍵知識點。人教版的教材編排上也將其安排在“大氣的受熱過程”與“大氣的水平運動”之間，這樣既突出知識點的銜接與聯(lián)系，又符合思維的邏輯過程。在教學中為突出重點，攻克難點，教師嘗試著用不同的方式來處理教材，但實際教學中也存在以下誤區(qū)。

一、教材研讀過略

熱力環(huán)流是由地面冷熱不均引起的大氣運動，它是大氣運動的基本模式，不能簡單等同于常見的、最簡單的形式，不能排除其它的大氣運動形式。在基于熱力環(huán)流基礎(chǔ)上，我們認識到冷熱不均是大氣運動的根本原因，氣壓差異是大氣運動的直接原因。教學中要關(guān)注到“熱力環(huán)流”模式的尺度和條件，不能簡單推廣熱力環(huán)流的適用范圍。教材中“過程”這兩個字很重要，“受熱”就是一個過程，而且是一個不斷運動循環(huán)的過程。

教材中“受熱膨脹上升”“冷卻收縮下沉”，受初中物理托里拆利實驗使用的儀器是封閉的玻璃管的影響，課堂上在形象展示時，不少教師利用計算機動畫演示（見圖1），演示中都采用的是假想的密閉空氣柱。空氣是流體，“膨脹上升”“收縮下沉”，“膨脹”“收縮”時，空氣運動的方向不是固定為垂直的方向，“膨脹上升”時，有部分空氣分子會運動到該空氣柱以外，“收縮”時原有的空氣柱內(nèi)會補充來自不是該空氣柱內(nèi)的空氣分子（見圖1）。密閉的空氣柱是假設(shè)的，它限制了大氣的不規(guī)則運動。教材中沒有假設(shè)的特定限定。大氣運動的方向不是我們假設(shè)的只有垂直和水平兩種形式。空氣分子運動的路徑是復雜的，上升、下沉只是其主要方面，不能因此忽視運動到指定地面上以外的空間。

圖1　空氣分子移動

我們分析“熱力環(huán)流”的基本模式時，大氣的垂直運動與水平運動的先后只具有認識意義，并不能代表空氣運動本身的先后。“空氣密度增大”“空氣密度減小”“冷卻”在時間和空間上都是一個運動的漸進過程，而教師在演示時只選取了特定的時間節(jié)點，是三個靜止的狀態(tài)。教材中的“熱力環(huán)流的形成”圖（見圖2）中的a、b、c就是這種靜止狀態(tài)，選取特定靜止的畫面，用肢解的方法理解大氣的運動。

圖2　熱力環(huán)流的形成

流體運動不同于固體運動，其過程是復雜變化的，不能簡單地用靜止、線性、固定的思維方式來認識。當然，為了認識的方便，在一定的條件下，復雜變化的運動可以簡化稱為一種模型，但這種模型是人們認識的一種方式，并不代表事物本身的簡單。簡化的模式在便于理解的基礎(chǔ)上，一定程度會限制學生的思維。人的認識要遵循由簡單到復雜的過程，這是認識提高的必須之路。

二、物理理論分析過細

按照教材的編排，“熱力環(huán)流”的教學安排在高一上學期。這部分內(nèi)容概念多，涉及太陽輻射、熱量、溫度、大氣壓強、流體壓強、布朗運動、氣壓場等物理概念及其相關(guān)規(guī)律，對剛進入高中學習的學生來說有一定難度。在教學實施中有些教師認為，必須突出相關(guān)物理概念及規(guī)律的教學，在教學中對物理原理的性質(zhì)和運用加以詳細分析。

大氣壓強是學生在八年級物理中學習的知識。物理教材中通過馬德堡半球?qū)嶒灐⑼欣锊鹄麑嶒灥膶W習，學生已經(jīng)初步掌握大氣壓強的概念，理解了大氣壓強隨海拔高度升高而減小的規(guī)律。流體壓強也是學生在八年級物理中學習的知識，主要學習的是“流體壓強與流速的關(guān)系”“升力的產(chǎn)生”。對于“大氣壓強”和“流體壓強”，“教”和“怎樣教”，備課時要充分認識到這些知識點學生已經(jīng)學習并掌握，教學中要敢于割舍。同時課標也并沒有要求“大氣壓強”的學習。從學科關(guān)聯(lián)出發(fā)，也有教師考慮到，高中學生將會在《物理·選修3-3》（人民教育出版社）中學習到建立在玻義耳-馬略特定律、查理定律、蓋-呂薩克定律等定律上的理想氣體狀態(tài)方程pV = nRT（p是指理想氣體的壓強；V為理想氣體的體積；n表示氣體物質(zhì)的量；T表示理想氣體的熱力學溫度；R為理想氣體常數(shù)，為常量。）它描述的是理想氣體在處于平衡態(tài)時，壓強、體積、物質(zhì)的量、溫度間關(guān)系的狀態(tài)方程。從假設(shè)的某種理想氣體的大量的分子熱運動、分子動能關(guān)聯(lián)分析體積、壓強、溫度之間的關(guān)系。就高一學生而言，大氣壓強是初中所學的知識，分子熱運動、分子動能、流體力學、布朗運動、氣壓場是物理學科將要學習的知識。從學情分析的角度出發(fā)，教學時要以學生已有的知識為基礎(chǔ)，物理學中的規(guī)律與現(xiàn)象，不應(yīng)該過度解讀，應(yīng)點到為止。不能讓地理課堂變身成了物理課堂。當然教師可以簡單地交代分子熱運動、分子動能、布朗運動、流體力學、氣壓場等知識，留給學有余力和有興趣的學生去探究。

三、溫壓關(guān)系歸納過于草率

圖3　近地面溫度與大氣壓強負相關(guān)

大氣的氣壓變化并不是由熱力原因引起空氣的垂直運動這一單一情況決定的，水平氣流的輻合與輻散、不同密度氣團的移動等也會促成氣壓變化，實際是幾種情況綜合作用的結(jié)果，它們之間是相互聯(lián)系、相互制約、相互補償?shù)摹?/p>

溫度場與氣壓場配置有溫壓場對稱關(guān)系，如近地面有暖性高壓、冷性高壓、暖性低壓、冷性低壓（見圖4），也有溫壓場不對稱關(guān)系，如近地面的高壓、低壓系統(tǒng)中心同溫度場冷暖中心配置不相重合（見圖5）；大氣中氣壓系統(tǒng)的穩(wěn)壓場配置絕大多數(shù)是不對稱的，對稱系統(tǒng)是很少的。[2]即使空氣垂直運動中，假設(shè)的氣柱內(nèi)空氣沒有減少時，氣柱中總質(zhì)量沒有改變，地面氣壓也不會發(fā)生變化，氣柱中空氣的上下傳輸，可造成氣柱中某一高度上空氣質(zhì)量的改變，從而引起該高度上的氣壓變化。在歸納溫度與氣壓之間的關(guān)系時，要有限制性條件，缺少限制性條件，歸納出來的規(guī)律過于草率，容易引起學生錯誤的分析。

圖4　不同溫壓場配置垂直剖面圖[3]

圖5　溫壓場不對稱的高壓與低壓[4]

四、教學時間安排過多

“熱力環(huán)流”的原理是氣候及天氣知識的理論基礎(chǔ)。根據(jù)《普通高中地理課程標準（實驗）》編寫的高中地理（必修一）《教師教學用書》，安排地理必修一第二章“地球上的大氣”第一節(jié)“冷熱不均引起大氣運動”2課時，主要教學內(nèi)容有：大氣的受熱過程、熱力環(huán)流、大氣的水平運動以及三個“活動”。《普通高中地理課程標準（實驗）》強調(diào)：運用圖表說明大氣受熱的過程，并沒有強調(diào)“熱力環(huán)流”的內(nèi)容，但“大氣的水平運動”以及第二節(jié)“氣壓帶和風帶”、第三節(jié)“常見天氣系統(tǒng)”都要運用到這一知識。鑒于以上認識，不少教師在教學中對“熱力環(huán)流”的教學安排為1課時。綜合該節(jié)內(nèi)容和課程標準的要求，“大氣的受熱過程”安排1課時講解原理，“熱力環(huán)流”和“大氣的水平運動”安排1課時教學比較合適。

熱力環(huán)流是大氣運動的一個模式，并不能完全解釋天氣現(xiàn)象。要避免以上誤區(qū)，我們在教學中要研讀課標、教材，關(guān)注學生知識的掌握程度，對專業(yè)知識和理論知識靈活處理，做到講清知識的含義、結(jié)構(gòu)、層次，知識運用的方法步驟；不講學生已經(jīng)會的、學生通過自學也能會的、教師講了學生也不會的。

[1] 赫斯, 等.科學發(fā)現(xiàn)者:地理、地質(zhì)學、環(huán)境和宇宙[M].杭州:浙江教育出版社,2008.

[2][3][4] 周淑貞主編.氣象學與氣候?qū)W[M].北京:高等教育出版社,1997.