從科學(xué)角度來設(shè)計(jì)“熱力環(huán)流”一課

陳國祥（江蘇省前黃高級(jí)中學(xué), 江蘇 常州 213161）

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從科學(xué)角度來設(shè)計(jì)“熱力環(huán)流”一課

陳國祥
（江蘇省前黃高級(jí)中學(xué), 江蘇 常州 213161）

摘要：本文對(duì)常規(guī)的“熱力環(huán)流”教學(xué)設(shè)計(jì)提出了質(zhì)疑，提出“氣壓和等壓面”是作為科學(xué)認(rèn)識(shí)的方法，是培養(yǎng)高中生科學(xué)技能的重要內(nèi)容。抓住這一本質(zhì)，可重新開展“熱力環(huán)流”的教學(xué)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：等壓面；熱力環(huán)流；科學(xué)角度

“熱力環(huán)流”是高中地理必修一的典型內(nèi)容，筆者聽過許多課例，總有一種感覺，即常規(guī)設(shè)計(jì)的多，真正有突破性的少，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢？

一、現(xiàn)象與問題

很多課例都是以生活現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)演示導(dǎo)入的，不管是空調(diào)、暖氣、孔明燈、熱氣球，還是冰塊熱水的演示實(shí)驗(yàn)。其實(shí)，學(xué)生對(duì)于熱力環(huán)流的現(xiàn)象還是非常熟悉的，對(duì)由于冷熱產(chǎn)生的空氣垂直運(yùn)動(dòng)及環(huán)流的生成，也是非常容易接受的。也就是說，熱力環(huán)流這種運(yùn)動(dòng)環(huán)流，對(duì)于學(xué)生來講，非常簡單。不要說高中學(xué)生，估計(jì)初中生或小學(xué)生，如果有生活經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)演示，要想畫出下面的熱力環(huán)流示意圖（見圖1），應(yīng)該是不成問題的。

圖1 熱力環(huán)流示意圖

既然如此，為什么地理一教，這個(gè)問題反而變得復(fù)雜了，一些學(xué)生反而變得不知道熱力環(huán)流是什么，也經(jīng)常畫錯(cuò)呢？是不是高中地理就不要教了呢？

二、質(zhì)疑與原因

學(xué)生已經(jīng)建立了冷熱與運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)（特別是垂直運(yùn)動(dòng)），但這樣的認(rèn)識(shí)是不是科學(xué)呢？有沒有什么問題呢？這是我們老師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)要注意思考的問題。事實(shí)上，由于缺少了相關(guān)的科學(xué)概念，這樣的認(rèn)識(shí)還有不少科學(xué)上的困難。

1. 冷熱無法進(jìn)行準(zhǔn)確測量。因?yàn)槔錈崾且粋€(gè)相對(duì)的概念，而實(shí)際中只有“溫度”這一可測量的物理量。一個(gè)地方的溫度是20度，你不能判斷它是熱還是冷，必須知道另一個(gè)地點(diǎn)的溫度，有了比較，才有冷熱的判斷。當(dāng)然，要想得出冷源與熱源，光有兩個(gè)點(diǎn)還不夠，你必須把所有點(diǎn)的溫度都測量出來，才能知道哪里是熱源，哪里是冷源。

2. 環(huán)流高度也無法確定。同樣的道理，你不知道這個(gè)環(huán)流有多高。到達(dá)什么高度，空氣才會(huì)從垂直運(yùn)動(dòng)變成水平運(yùn)動(dòng)，這也是你無法準(zhǔn)確測量的。因?yàn)闅饬鞯倪\(yùn)動(dòng)，不是云或水，是無法肉眼看到，也無法進(jìn)行精準(zhǔn)的選點(diǎn)來測量。

3. 熱力環(huán)流能不能進(jìn)行逆推？這也是需要回答的問題。我們能不能根據(jù)氣流的運(yùn)動(dòng)，反過來推斷一個(gè)地方的冷熱呢？是不是空氣垂直上升的地方一定熱，空氣垂直下沉的地方一定冷？這也需要進(jìn)行科學(xué)的論證才能證明的。

有了這些質(zhì)疑，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，僅僅根據(jù)我們現(xiàn)有的概念來研究熱力環(huán)流是不夠的，我們必須引入新的物理量，來對(duì)熱力環(huán)流進(jìn)行精準(zhǔn)的、科學(xué)的分析，這個(gè)物理量就是氣壓。

三、概念與解釋

初中生接觸過氣壓概念，知道氣壓是大氣的壓強(qiáng)，是單位面積上空氣柱的多少。但初中生對(duì)大氣壓的分布和變化是不太了解的。所以，高中地理在這部分增加了不同高度氣壓值變化和等壓面的知識(shí)內(nèi)容，為學(xué)生的科學(xué)認(rèn)識(shí)提供了概念工具。對(duì)于這個(gè)概念的解釋，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 不同高度，氣壓值的大小是變化的。近地面氣壓值大，高空氣壓值小。近地面到底有多大，大約是多少百帕，學(xué)生可能都忘了，只知道多少個(gè)大氣壓，對(duì)于百帕這個(gè)單位是陌生的。高空氣壓值變小，到底變得多小，學(xué)生也是沒數(shù)的。如果這時(shí)能舉些例子，告訴他們，多少高度，多少百帕，是不是能夠幫助他們理解呢？

2. 氣壓變化。氣壓變化，簡單地說就是單位面積上空氣分子的多少，通過垂直運(yùn)動(dòng)，不同高度的空氣分子是有變化的。所以，受熱的地區(qū)形成近地面空氣分子減少、高空增多的情況，而冷源的地區(qū)，近地面增多，高空減少。這樣一來，原來水平方向上的空氣密度差不多，但現(xiàn)在不同了，比同一水平面高的，形成高壓，比同一水平面低的，形成低壓。

3. 氣壓變化的表示。除了用具體的數(shù)值來表示每個(gè)點(diǎn)的氣壓外，我們還可以把相同氣壓值的點(diǎn)連起來，形成一個(gè)面，這個(gè)面叫等壓面。大家想想看，如果同一高度的點(diǎn)氣壓值相同，這個(gè)等壓面是什么樣子？如果各個(gè)點(diǎn)的氣壓值不同，會(huì)形成一個(gè)怎樣的等壓面呢？如果有凹凸，那么凹的地方是什么壓，凸的地方是什么壓呢？

4. 用氣壓的高低來解釋空氣的水平運(yùn)動(dòng)。水平面上的空氣運(yùn)動(dòng)，總是從高壓吹向低壓，這就叫風(fēng)。

通過氣壓這個(gè)概念，就可以總結(jié)熱力環(huán)流的成因。表面來看，形成風(fēng)的直接原因是氣壓差異，根本原因是冷熱不均。在這部分講解時(shí)，主要幫助學(xué)生建構(gòu)如下的認(rèn)識(shí)模式（見圖2）。

圖2 熱力環(huán)流認(rèn)識(shí)模式

四、科學(xué)與認(rèn)識(shí)

了解了氣壓的概念及性質(zhì)，就讓學(xué)生掌握到科學(xué)分析空氣運(yùn)動(dòng)的工具。因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)的氣象研究中，我們每天都在測量各個(gè)地方的氣壓，都在繪制不同高度的等壓線與等壓面。如何根據(jù)等壓面來推導(dǎo)氣流的運(yùn)動(dòng)，這才是科學(xué)的分析方法。準(zhǔn)備一張等壓面圖（有三個(gè)地點(diǎn)的圖），讓學(xué)生反過來分析這個(gè)地方的空氣流動(dòng)，并總結(jié)方法。

1. 等壓面凸的，為高壓；等壓面凹的，為低壓。

2. 水平方向：氣流由高壓指向低壓。

3. 垂直方向：根據(jù)氣壓形成原因，氣流由凹處指向凸處。

4. 判斷冷熱：近地面下凹處為熱源，近地面上凸處為冷源。條件：只考慮熱力原因的情況下。

五、設(shè)計(jì)意圖

這樣的設(shè)計(jì)旨在體現(xiàn)科學(xué)分析方法的培養(yǎng)?？諝馐且环N流體，流體的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該有不同于固體的地方。對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)的分析，不能僅僅從受力或冷熱角度進(jìn)行簡單分析，而應(yīng)該強(qiáng)調(diào)場域概念的建立，強(qiáng)調(diào)流體與周圍的事物構(gòu)建一個(gè)場域。流體個(gè)體的運(yùn)動(dòng)看似沒有規(guī)律，但處于場域中，它就存在著規(guī)律。所以，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律必須從場域角度來分析。

對(duì)于熱力環(huán)流來講，這個(gè)場域就是等壓面。讓學(xué)生能通過等壓面，來分析流體的運(yùn)動(dòng)，這才是一種科學(xué)的、實(shí)證的方法。因?yàn)闅鈮菏强梢詼y量的，等壓面是可以繪制的，由此是可以推導(dǎo)出大氣運(yùn)動(dòng)的。而由冷熱不均推演形成的大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)，雖然容易理解，但在實(shí)際科學(xué)研究中不能測量，不能定量分析，因此是一種思辨式的認(rèn)識(shí)，并不是一種科學(xué)的分析。

（責(zé)任編校：方琦）