熱力環(huán)流實驗教具的改進與應用

●黑龍江綏化市第七中學 翟清明

熱力環(huán)流的原理作為高中階段地理學科重要的理論性知識，對于理解氣壓帶和風帶，以及常見天氣系統(tǒng)的形成與影響具有重要作用。但是熱力環(huán)流的原理相對較為抽象，而且課堂教學較為枯燥乏味，導致學生對原理掌握得不透徹，理解不夠全面。基于該原理的重要性及學生學情的現(xiàn)實狀況，為了更好地提高學生綜合素養(yǎng)與能力，也為更加科學有效并快捷地完成熱力環(huán)流的實驗，地理教具的創(chuàng)造性設(shè)計與制作便具有關(guān)鍵性意義。

一、傳統(tǒng)熱力環(huán)流實驗教具常見問題

傳統(tǒng)熱力環(huán)流實驗通常采用玻璃箱或者塑料箱作為外罩材料，箱體左右兩側(cè)分別放置熱水和冰塊模擬受熱不均的地面，并在冰塊上方的玻璃箱小孔處投放煙霧。這種實驗設(shè)計在日常的課堂教學中常會出現(xiàn)這些問題：水汽蒸發(fā)會在玻璃上凝結(jié)，從而影響觀察效果；可能因為玻璃反光導致箱體內(nèi)的實驗現(xiàn)象在某些角度觀察不到；多數(shù)玻璃箱的空間較大使得煙霧流動方向比較混亂，根本看不見環(huán)流現(xiàn)象。鑒于以上問題，筆者在實驗設(shè)計中將熱力環(huán)流形成過程中的不同環(huán)節(jié)進行分段式實驗教具設(shè)計與制作，并逐步完成熱力環(huán)流原理的分析。

二、空氣垂直運動實驗教具制作與使用

1.1號實驗教具制作與使用。

準備材料 細鐵管、塑料袋(50cm×30cm×30cm)、酒精(95%)、鐵盒、濕抹布(實驗結(jié)束時用于撲滅酒精)、打火機、曲別針(4枚)。

主體教具的制作 用細鐵管制作成立方體支架(100cm×25cm×25cm)；將曲別針均勻地固定在塑料袋的袋口(安裝曲別針可有效提高塑料袋的飛升高度和穩(wěn)定性)。

教具使用 將塑料袋的袋口朝下套放在支架上，并將盛有酒精的鐵盒放置在塑料袋的正下方(酒精投入量要適當以免火勢過大)，塑料袋與鐵盒之間保證安全距離，然后用打火機將酒精點燃。所有操作結(jié)束教師可以提示：觀察塑料袋的變化以及垂直方向上的運動方向。

實驗教具設(shè)計意義 用點燃酒精后的鐵盒模擬受熱較多的地面，通過鐵盒上方塑料袋膨脹上升這一實驗現(xiàn)象證實受熱較多地面上方空氣體積變化和垂直運動方向。與傳統(tǒng)熱力環(huán)流實驗相比，改進后的教具可提高實驗效果，而且受外界環(huán)境的影響較小。塑料袋的迅速上升充分調(diào)動了學生參與課堂學習的積極性和主動性，并且，學生結(jié)合觀察的現(xiàn)象也利于對熱力環(huán)流原理的理解。

2.2號實驗教具制作與使用。

準備材料 2000毫升礦泉水瓶(4個)、2條毛巾(1條紅色、1條綠色)、大夾子(2個)、圓形環(huán)狀強磁鐵(6枚)、橡膠塞(4個)、打火機、有煙香。

主體教具制作 將礦泉水瓶的瓶底剪掉，取兩個剪去瓶底的瓶子，其中一個瓶口朝上而另外一個瓶口朝下，將兩者去除瓶底的位置對接，在對接處用透明膠密封以防漏氣，并將強磁鐵粘貼在對接處(方便使用實驗教具演示過程中將瓶子快速固定在黑板上)。以上述的方法制作兩個塑料瓶教具。

教具使用 將兩個塑料瓶教具通過強磁鐵豎直粘貼在黑板上，并將塑料瓶的上方瓶口用橡膠塞封閉，然后將有煙香點燃，從下方瓶口同時向兩個瓶中注入煙霧，待瓶中注滿煙霧后將下方瓶口用橡膠塞封閉，利用夾子將冷熱兩條毛巾(綠色為冷毛巾、紅色為熱毛巾)分別包裹在兩個裝滿煙霧的瓶子外部，靜置1分鐘左右，然后迅速將四個瓶塞同時拔掉，提示學生觀察實驗現(xiàn)象。

實驗教具設(shè)計意義 改進后的教具不僅便于實驗操作，而且實驗效果極為顯著。通過兩組教具對比實驗充分驗證相對較冷空氣的下沉運動，同時也可觀察到相對較熱空氣的上升運動。本實驗利于學生對比性思維的提升。實驗教具的制作材料取用方便，并且充分利用廢舊資源，同時不易受外界環(huán)境干擾和影響，大大提高實驗成功率。

三、空氣水平運動實驗教具的制作與使用

準備材料 厚玻璃、透明膠、黑色卡紙、強光手電、燒杯、酒精燈、魚線、白色薄紙條、打火機、冰塊等。

實驗箱體制作 將玻璃進行裁切并用透明膠粘合制作成玻璃箱，玻璃箱的尺寸為90cm×60cm×20cm；玻璃箱的90cm×60cm×20cm一個面不用透明膠粘合，該面作為實驗箱上部；在玻璃箱的90cm×60cm的一側(cè)粘上黑色卡紙作為實驗箱背面；截取兩條90cm的漁線，并在漁線中部粘貼好紙條(保證紙條在強氣流的作用下可以飄動)，制作好的兩條漁線的兩端分別固定在箱體內(nèi)部60cm×20cm的兩個面上，其中一條固定在玻璃箱上方，另外一條固定在玻璃箱下方。

教具使用 在玻璃箱底部的左右兩側(cè)分別放置酒精燈和燒杯(裝有冰塊)，點燃酒精燈后封閉實驗箱上部，再于玻璃箱的60cm×20cm一側(cè)用強光手電投入光線。教師提示：觀察實驗箱上方和下方紙條的飄動方向，憑此判斷箱體內(nèi)水平方向上空氣運動方向。

實驗教具設(shè)計意義 通過該教具的應用有效地完成了實驗活動，很好地達成了實驗目的。

四、實驗教具在教學中應用建議

改進后的實驗教具已經(jīng)在公開教學中進行過多次演示，均呈現(xiàn)良好的實驗效果，但有些細節(jié)需要注意：1號實驗教具使用前需要準備好濕抹布，以備在實驗結(jié)束后將小鐵盒蓋住，有效地將實驗用火熄滅，同時盡量提前準備好簡易水基型滅火器，以防因酒精灑落造成意外起火；三個實驗教具雖屬于同一個實驗活動，但因教具的組成材料數(shù)量較多而且零散，教師在課堂準備時一定要將實驗教具分類別放置好，以防在演示過程中出現(xiàn)找不到教具的現(xiàn)象。

若利用此套教具進行教學，教師進行教學設(shè)計時可以提前提供空白熱力環(huán)流的示意圖，在逐步進行實驗演示的同時要求學生用箭頭逐一畫出垂直和水平方向上氣流的運動方向，從而加深學生對原理的有效認知。在使用1號實驗教具和2號實驗教具探究完垂直方向上空氣運動方向后，可以通過物理學中密度變化與水平氣壓的關(guān)系分析熱力環(huán)流示意圖中水平方向上氣壓的高低。

五、實驗教具制作與應用反思

本套熱力環(huán)流實驗教具將傳統(tǒng)在實驗箱中進行的實驗活動分解為三個不同的小型實驗。第一，點燃小鐵盒中的酒精后觀察其上方塑料袋變化與運動方向，從而探知受熱較多的地面上方空氣的變化；第二，通過觀察上下開口塑料瓶中煙霧的運動方向，進而探求受熱較少的地面上方空氣垂直方向上運動方向；第三，通過觀察玻璃箱內(nèi)上方和下方紙條飄動方向，探索了近地面和高空水平方向上的空氣運動方向。通過熱力環(huán)流實驗教具的創(chuàng)新與改進，在一定程度上促進了學生對原理的高效掌握，但是本套教具在教學過程中也發(fā)現(xiàn)了需要調(diào)整之處。1號實驗教具可以讓學生感知到空氣受熱后垂直方向上的運動方向和體積的變化，而2號教具卻覺察不到空氣因溫度的降低所出現(xiàn)空氣體積的變化。

學生的成長需要時間，教師的進步與發(fā)展也需要時間，教具的改進與不斷完善同樣需要時間。所以，教師在教學工作中需要求實的工作態(tài)度，并且尊重事物發(fā)展的客觀規(guī)律，不能急于求成。作為一線地理教師，應該不斷對所用教具進行改進與創(chuàng)新，用基于客觀規(guī)律的教具提升學生自身素養(yǎng)，用在課堂中發(fā)現(xiàn)的問題推動教師研究能力的提高。只有這樣，地理教師才能創(chuàng)造出更多具有實踐意義的地理教具。