在探究中完善地理實(shí)驗(yàn)
——以“熱力環(huán)流”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例

文_蔡葉斌

地理實(shí)驗(yàn)是近幾年逐漸興起的地理教學(xué)探究方法。實(shí)驗(yàn)探究能有效地提升學(xué)生的地理實(shí)踐力和綜合思維能力。然而，其目前仍處于起步階段，在實(shí)驗(yàn)器具、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面均存在一定的空白急需填補(bǔ)。

對(duì)學(xué)生而言，地理實(shí)驗(yàn)與其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)最大的區(qū)別在于其具有開(kāi)放性和探索性，由于沒(méi)有相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)范，在觀察地理現(xiàn)象的過(guò)程中就需要不斷實(shí)踐和探究，以逐步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，獲得更嚴(yán)謹(jǐn)和全面的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

第一次實(shí)驗(yàn)

熱力環(huán)流是高中地理必修一中重要的知識(shí)，由于其形成與發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，人教版課本中以文字形式進(jìn)行闡述給學(xué)生帶來(lái)了一定的理解難度，文字內(nèi)容大致如下：當(dāng)?shù)孛媸軣崆闆r均勻時(shí)，空氣沒(méi)有上升和下降運(yùn)動(dòng)；如果A 地受熱多，B、C 兩地受熱少，則A 地近地面空氣就會(huì)膨脹上升，到上空聚集起來(lái)，B、C 兩地的空氣就會(huì)冷卻、收縮，并下沉；在近地面，A 地空氣上升后向外流出，形成低氣壓，B、C 兩地因有下沉氣流，形成高氣壓，于是近地面的空氣又從B、C 兩地流回A 地，從而形成了熱力環(huán)流。

此外，人教版課本前置了一次地理實(shí)驗(yàn)，旨在幫助學(xué)生理解熱力環(huán)流現(xiàn)象發(fā)生的過(guò)程，其道具簡(jiǎn)單、操作方便，但是過(guò)程中發(fā)現(xiàn)量化評(píng)價(jià)方面存在一定的欠缺。為此，在課堂教學(xué)過(guò)程中，筆者設(shè)計(jì)了一次開(kāi)放性的熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)以幫助學(xué)生更深刻地理解熱力環(huán)流，且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)啟發(fā)與升華幫助學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，取得了良好的教學(xué)效果。

實(shí)驗(yàn)原理：在特制U 型管液體中滴入墨水，模擬地面冷熱不均的現(xiàn)象，使其運(yùn)動(dòng)可視化，以觀察和量化熱力環(huán)流發(fā)生、發(fā)展的過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)器具：特制U 型管、鐵架臺(tái)、酒精燈、紅藍(lán)墨水、打火機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟：第一，架好U 型管，往其中加水至離管口約1 厘米處；第二，用酒精燈加熱U 型管一側(cè)，并在兩側(cè)分別用滴管加入紅、藍(lán)墨水；第三，觀察兩側(cè)液體流向。

從我國(guó)海南省三亞市到南海的曾母暗沙距離大約為2000千米，我們海軍的大型艦艇平均航速在30節(jié)（每小時(shí)55.56千米）左右，那么可以估算出從三亞到曾母暗沙，軍艦需要航行將近40個(gè)小時(shí)。而“鯤龍”AG-600以最大巡航速度500千米/小時(shí)抵達(dá)曾母暗沙僅需4小時(shí)，并且還可以在該地盤(pán)旋數(shù)小時(shí)。在遇到諸如海盜劫持或者恐怖襲擊時(shí)，使用“鯤龍”AG-600可以在最短時(shí)間內(nèi)，直接將人員、物資等投送到事發(fā)海面。

在完成實(shí)驗(yàn)后，筆者設(shè)計(jì)了若干探究問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思辨。

問(wèn)題1：按照所觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象繪制環(huán)流運(yùn)動(dòng)方向示意圖，并標(biāo)注冷熱源。（所指向的地理核心素養(yǎng)：地理實(shí)踐力水平1—觀察。）

答案預(yù)設(shè)：酒精燈為實(shí)驗(yàn)中的熱源，熱源處水流上升，另一側(cè)可觀察到水流下沉，形成一個(gè)順時(shí)針的循環(huán)（見(jiàn)圖1）。

圖1 第一次實(shí)驗(yàn)過(guò)程及水流運(yùn)動(dòng)方向示意

問(wèn)題2：計(jì)算藍(lán)色墨水（或紅色墨水）完成一次熱力循環(huán)所用的時(shí)間。（所指向的地理核心素養(yǎng)：地理實(shí)踐力水平2—獲取信息。）

答案預(yù)設(shè)：本次試驗(yàn)藍(lán)墨水完成一次循環(huán)的時(shí)間約為41 秒。

問(wèn)題3：根據(jù)所學(xué)熱力環(huán)流知識(shí)，小組合作探究如何提升本次試驗(yàn)的速率。（所指向的地理核心素養(yǎng)：地理實(shí)踐力水平3—合作設(shè)計(jì)。）

通過(guò)熱力環(huán)流的相關(guān)學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握熱力環(huán)流形成的首要條件是冷熱不均，進(jìn)一步產(chǎn)生了垂直方向上的空氣運(yùn)動(dòng)和水平氣壓梯度力，而要加強(qiáng)動(dòng)態(tài)熱力環(huán)流的速率，可以從根源即冷熱不均現(xiàn)象入手，加大冷熱不均的差異。

學(xué)生A：我認(rèn)為可以在熱源一側(cè)放熱置酒精噴燈取代原有的酒精燈，這樣熱源溫度更高，熱力環(huán)流速度也會(huì)越快。

學(xué)生B：或者在另一側(cè)放置冰塊，也可以加大溫差。

第二次實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器具：特制U 型管、鐵架臺(tái)、酒精燈、冰塊、紅藍(lán)墨水、打火機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟：第一，架好U 型管，往其中加水至離管口約1 厘米處；第二，用酒精燈加熱U 型管一側(cè)，在另一側(cè)放入冰塊并在兩側(cè)分別用滴管加入紅、藍(lán)墨水；第三，觀察兩側(cè)液體流向，驗(yàn)證熱力環(huán)流。

在該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，筆者重點(diǎn)讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行計(jì)時(shí)對(duì)比，分析其發(fā)生速率的變化。（所指向的地理綜合思維：地理實(shí)踐力水平3—調(diào)查與反思。）

答案預(yù)設(shè)：本次試驗(yàn)藍(lán)墨水完成一次循環(huán)的時(shí)間約為40 秒。

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)結(jié)論引起了許多學(xué)生的爭(zhēng)論。

學(xué)生C：扣除計(jì)時(shí)的誤差，兩次試驗(yàn)完成一次循環(huán)所用的時(shí)間差不多，差異沒(méi)有我們想象中的那么大。

第二次實(shí)驗(yàn)沒(méi)有取得令學(xué)生滿意的結(jié)果，筆者認(rèn)為這恰恰是地理實(shí)驗(yàn)的魅力所在，由于其沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的步驟，因而給了學(xué)生探究和想象的空間，幫助學(xué)生深入分析熱力環(huán)流，讓學(xué)生得到啟發(fā)。這種真實(shí)情景在地理教學(xué)過(guò)程中是難能可貴的。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生也對(duì)本次失敗發(fā)起了討論。

學(xué)生D：我認(rèn)為冷熱源的差異不大，因?yàn)榫凭珶羯郎孛黠@但是冰塊降溫作用不明顯，所以導(dǎo)致兩次試驗(yàn)差異不大。

學(xué)生E：將U 型管一側(cè)埋入冰塊中效果會(huì)不會(huì)更明顯？

學(xué)生F：紅、藍(lán)墨水是在酒精燈加熱U 型管一段時(shí)間后加入，兩次實(shí)驗(yàn)加入墨水的時(shí)間可能存在差異，是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的重要原因。

筆者在課程的最后，還向?qū)W生拋出了一個(gè)新的問(wèn)題。

問(wèn)題4：你認(rèn)為兩次實(shí)驗(yàn)在驗(yàn)證熱力環(huán)流方面有何瑕疵？

問(wèn)題進(jìn)一步引發(fā)了學(xué)生之間的熱烈討論，學(xué)生提出了較多的見(jiàn)解。

學(xué)生G：實(shí)驗(yàn)是通過(guò)在上方將紅、藍(lán)墨水注入U(xiǎn) 型管以觀察水流循環(huán)的，在加熱開(kāi)始時(shí)沒(méi)有有效的觀察手段，其實(shí)可以在實(shí)驗(yàn)前使用特制的、不溶于水的顏料放入U(xiǎn) 型管底部，以便加熱后第一時(shí)間觀察水流運(yùn)動(dòng)狀況。

學(xué)生H：水流在U 型管的限制下只能進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)而基本無(wú)法進(jìn)行左右運(yùn)動(dòng)，而在現(xiàn)實(shí)生活中的空氣一旦受熱或遇冷會(huì)膨脹及收縮，其方向是向四面八方的。

學(xué)生I：相比于U 型管觀察的“熱力環(huán)流”，真實(shí)情景下的運(yùn)動(dòng)形式和特征更加復(fù)雜。

雖然課程所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)結(jié)束，但是留給學(xué)生思考的內(nèi)容非常多。該實(shí)驗(yàn)在課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)定量的形式強(qiáng)化了熱力環(huán)流的過(guò)程，在一定程度上解決了原有空氣運(yùn)動(dòng)難以觀察的弊端，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可以通過(guò)控制冷熱不均的差異來(lái)觀察熱力環(huán)流的速率，以驗(yàn)證冷熱不均對(duì)水平氣壓梯度力和風(fēng)力大小的影響。

熱力環(huán)流是由于冷熱不均而產(chǎn)生的空氣流動(dòng)而不是水的運(yùn)動(dòng)，因此本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)用水來(lái)模擬空氣運(yùn)動(dòng)雖相似，但仍存在諸多不足。課后，學(xué)生依據(jù)課堂提出的實(shí)驗(yàn)缺陷自行設(shè)計(jì)了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

總之，筆者認(rèn)為通過(guò)地理實(shí)驗(yàn)帶動(dòng)學(xué)生思維水平和思辨能力的升華，在“觀察—質(zhì)疑—解決”的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，同時(shí)帶動(dòng)學(xué)生設(shè)計(jì)驗(yàn)證熱力環(huán)流的多種實(shí)驗(yàn)，十分有意義。