基于Earth Nullschool地理教學(xué)資源開(kāi)發(fā)策略

張海 何衡（通訊作者） 四川省成都市郫都區(qū)綿實(shí)外國(guó)語(yǔ)學(xué)校

2003年教育部將地理信息技術(shù)納入到高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)[1]，2017年新課程標(biāo)準(zhǔn)提出高中地理的四大核心素養(yǎng)，而核心素養(yǎng)的培養(yǎng)更是需要依托于一定的技術(shù)和工具。因此，高中地理教師開(kāi)始不斷探討將Google Earth、虛擬星相儀、Meteo Earth、Locaspace Viewer等地理信息技術(shù)與地理教學(xué)進(jìn)行融合和開(kāi)發(fā)，并運(yùn)用于教學(xué)，服務(wù)于教學(xué)。[2-3]本文初步探討了目前研究較少的Earth Nullschool這一信息技術(shù)在地理教學(xué)中的資源開(kāi)發(fā)策略和注意事項(xiàng)。

● Earth Nullschool簡(jiǎn)介

Earth Nullschool，又名全球天氣可視化模擬網(wǎng)，網(wǎng)站簡(jiǎn)潔，畫面精美，主要應(yīng)用于全球海洋、大氣、化學(xué)污染物等數(shù)據(jù)的模擬可視化。其數(shù)據(jù)具有及時(shí)性、更新周期短等特征，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地了解全球天氣的變化。

Earth Nullschool主要由兩部分組成，即位于網(wǎng)站左下角的操作界面（如圖1）和主要的展示界面（如圖2）。Earth Nullschool的部分功能及應(yīng)用如下頁(yè)表所示。

圖1 Earth Nullschool操作界面

圖2 展示界面

● Earth Nullschool地理教學(xué)資源的特點(diǎn)

1.時(shí)空性

時(shí)空概念一直為地理教學(xué)的主體思想之一，地理事物是在時(shí)間和空間兩個(gè)維度中不斷演變的。Earth Nullschool的數(shù)據(jù)更新快，大氣信息每3小時(shí)更新一次，洋流數(shù)據(jù)以5天一次的頻率更新，用戶可以根據(jù)自身需求選擇日期，并且以3小時(shí)為單位進(jìn)行時(shí)間調(diào)整。此外，可以通過(guò)點(diǎn)擊地球上任何地方和拖動(dòng)地球來(lái)得到所點(diǎn)擊地的數(shù)據(jù)[4]，以此進(jìn)行區(qū)域間的對(duì)比分析，培養(yǎng)學(xué)生的地理思維。

2.針對(duì)性

Earth Nullschool，中文名全球天氣可視化模擬網(wǎng)，通過(guò)中文名可以看出，該軟件主要致力于將天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，除此之外，海洋信息的可視化處理也是很有教學(xué)價(jià)值的，因此其在高中地理的運(yùn)用中主體明確，包括“地球上的大氣”和“大規(guī)模的海水運(yùn)動(dòng)”。

Earth Nullschool的部分功能介紹及應(yīng)用

3.直觀性

無(wú)論是大氣的運(yùn)動(dòng)還是海水的運(yùn)動(dòng)均較為抽象，平時(shí)的觀測(cè)中大部分?jǐn)?shù)據(jù)也往往是以數(shù)字的形式呈現(xiàn)，而Earth Nullschool是在觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將其可視化，讓用戶能夠直觀明了地看到這些數(shù)據(jù)所代表的地理事物，以便于學(xué)習(xí)和掌握其中的規(guī)律。

4.動(dòng)態(tài)性

物質(zhì)是運(yùn)動(dòng)變化的，地理事物也是在不斷地發(fā)展變化，Earth Nullschool在時(shí)空性的基礎(chǔ)上演變出其動(dòng)態(tài)性，用戶可根據(jù)自己的需求調(diào)整時(shí)間和空間，得到地理事物橫向和縱向的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以發(fā)展的視角看待問(wèn)題。

5.交互性

Earth Nullschool含有大氣、海洋、化學(xué)污染物、溫度、風(fēng)、相對(duì)濕度等要素，可從8個(gè)不同的投影效果中來(lái)觀察地球上以上要素的整體變化。用戶在運(yùn)用時(shí)可以根據(jù)不同用途進(jìn)行交互式操作，快速獲取需要的數(shù)據(jù)和圖像。

● Earth Nullschool開(kāi)發(fā)的基本原則與方法

1.基本原則

①突出學(xué)生主體地位；②結(jié)合課標(biāo)，服務(wù)于教學(xué)，明確主次；③注重過(guò)程性探索，有針對(duì)性開(kāi)發(fā)；④分層教學(xué)。

2.基本方法

①新課導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。Earth Nullschool畫面精美，視角廣闊，能為學(xué)生帶來(lái)強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊感，且所展示的信息與課堂關(guān)聯(lián)度強(qiáng)，為形成一堂流暢的、“一鏡到底”的課堂提供了可能。

②新課授予，直觀了解地理事物。Earth Nullschool可將天氣和海洋的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，以圖像的形式呈現(xiàn)出來(lái)，為學(xué)生解決問(wèn)題提供便利，避免了教學(xué)過(guò)程中學(xué)生憑借抽象思考進(jìn)行理解運(yùn)用的困境。

③活動(dòng)探究，以動(dòng)態(tài)變化分析事物規(guī)律。Earth Nullschool的動(dòng)態(tài)性和時(shí)空性，讓其可以動(dòng)態(tài)展示事物的變化過(guò)程，也可以通過(guò)區(qū)域的對(duì)比，給出不同空間上的差異，構(gòu)建出課堂所需的活動(dòng)情境，讓學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題自主探究。

④知識(shí)總結(jié)，鞏固課堂內(nèi)容。引導(dǎo)學(xué)生利用Earth Nullschool的圖像從中找到學(xué)習(xí)的地理事物并結(jié)合學(xué)習(xí)的原理，進(jìn)行復(fù)習(xí)和總結(jié)，并驗(yàn)證自己學(xué)習(xí)的內(nèi)容是否正確。教師也可在課后，利用Earth Nullschool進(jìn)行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)梳理記憶。

●“鋒與天氣”案例開(kāi)發(fā)運(yùn)用

根據(jù)相對(duì)溫度的差異，可將氣團(tuán)分為冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)。暖氣團(tuán)氣溫高、氣壓低、密度??；冷氣團(tuán)氣溫低、氣壓高、密度大。當(dāng)冷暖氣團(tuán)相遇時(shí)，暖氣團(tuán)抬升，在冷氣團(tuán)與暖氣團(tuán)之間形成一個(gè)向冷氣團(tuán)傾斜的交界面，即為鋒面，鋒面與地面的交線稱為鋒線，鋒面和鋒線組成鋒。根據(jù)冷、暖氣團(tuán)勢(shì)力強(qiáng)弱，可將鋒分為冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒與錮囚鋒。錮囚鋒高中階段并不要求掌握，故本次只討論前三種鋒。

1.冷鋒

我國(guó)距離冬季風(fēng)冷源地蒙古-西伯利亞較近，秋冬季節(jié)冷鋒過(guò)境現(xiàn)象在我國(guó)較為常見(jiàn)。本次冷鋒活動(dòng)研究點(diǎn)的經(jīng)緯度為31.61°N，108.37°E，該點(diǎn)位于陜西西安境內(nèi)。

2021年11月5日，此時(shí)冷鋒尚未過(guò)境。該地區(qū)被暖氣團(tuán)控制，氣溫為15.6℃（如下頁(yè)圖3），氣壓為1011hPa（如下頁(yè)圖4），云層中總水汽含量為0.026kg/m2（如下頁(yè)圖5），云層中水汽含量少，天氣較晴朗，此時(shí)鋒面雨帶位于研究區(qū)西北方。

圖3 冷鋒過(guò)境前氣溫分布

圖4 冷鋒過(guò)境前氣壓分布

圖5 冷鋒過(guò)境前云中總水量分布

11月6日，此時(shí)冷鋒正過(guò)境。研究地被冷鋒控制，氣溫為7.5℃（如圖6），氣壓為1031hPa（如圖7），云層中水汽含量為0.568kg/m2（如圖8）。此時(shí)云雨區(qū)主要位于鋒線后，即地面降水區(qū)域主要集中于冷鋒鋒后。在冷鋒控制下，研究地為云雨覆蓋區(qū)，出現(xiàn)陰雨天氣，并伴隨大風(fēng)，風(fēng)力達(dá)到28Km/h。鋒前為暖氣團(tuán)控制，區(qū)域，局地出現(xiàn)陰雨天氣，可能由于暖氣流在北上時(shí)，流經(jīng)高原山地，受地形阻擋，形成降水。

圖6 冷鋒過(guò)境時(shí)氣溫分布

圖7 冷鋒過(guò)境時(shí)氣壓分布

圖8 冷鋒過(guò)境時(shí)云中總水量分布

11月7日，此時(shí)鋒面雨帶移到我國(guó)南方地區(qū)及華北平原，該地被單一冷氣團(tuán)控制，云層中水汽含量為0kg/m2，天氣晴朗（如圖9）。在冷氣團(tuán)控制下氣溫較低，為2.6℃（如圖10），氣壓較過(guò)境前有顯著提升，達(dá)到1042hPa（如圖11）。由于北下的冷空氣強(qiáng)勁，風(fēng)速較大，達(dá)到28Km/h，但較過(guò)境時(shí)有所降低。

圖10 冷鋒過(guò)境后氣溫分布

圖11 冷鋒過(guò)境后氣壓分布

將以上三天進(jìn)行對(duì)比分析，冷鋒過(guò)境時(shí)冷氣團(tuán)逐漸取代暖氣團(tuán)，氣溫逐漸降低，氣壓逐漸升高，天氣經(jīng)歷由在單一暖氣團(tuán)控制下的晴朗，到冷鋒控制下的陰雨、大風(fēng)，再到單一冷氣團(tuán)控制下的晴朗這樣的變化過(guò)程。

為了使教學(xué)更貼近生活，教師在教授該部分知識(shí)時(shí)，可以近期的一次降溫天氣作為例子，將學(xué)生以4～6人為單位分成若干小組。給定具體地點(diǎn)，讓學(xué)生以小組為單位，從不同專題圖中找出不同時(shí)間的氣溫、氣壓、降水等要素變化情況，并繪制成表格簡(jiǎn)述冷鋒過(guò)境對(duì)天氣的影響，再進(jìn)行課堂展示。同時(shí)，也讓學(xué)生結(jié)合課本思考為何冷鋒控制下的降水區(qū)域主要集中于鋒后。

2.暖鋒

典型的暖鋒過(guò)境現(xiàn)象在我國(guó)并不常見(jiàn)，暖鋒的出現(xiàn)大多伴以鋒面氣旋，其中尤以春秋季較多，出現(xiàn)地大多位于我國(guó)東北地區(qū)及江淮、華南一帶，夏季主要出現(xiàn)在黃河流域。

暖鋒過(guò)境所選研究點(diǎn)經(jīng)緯度為25.03°N，112.96°E，該地位于湖南省莽山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)附近，研究時(shí)間為2021年4月17日至20日。

該地在4月17日受單一冷氣團(tuán)控制，氣溫較低，為16.2℃（如圖12），氣壓較高，為1020hPa（如圖13），云層中水汽含量為0.287kg/m2（如上頁(yè)圖14），從圖9中可以看出，在單一冷空氣控制下，云層稀薄，云量較少，天氣較為晴朗。圖中研究區(qū)域南部，冷暖氣團(tuán)交匯處并沒(méi)形成明顯的鋒面雨帶，可能是冷空氣南下距離太遠(yuǎn)，勢(shì)力較弱，再者冷暖氣團(tuán)并沒(méi)有正面交匯，暖空氣爬升不明顯，所以沒(méi)有形成明顯降水。

圖9 冷鋒過(guò)境后云中總水量分布

圖12 暖鋒過(guò)境時(shí)氣溫分布

圖13 暖鋒過(guò)境時(shí)氣壓分布

2021年4月18、19日，該地這兩日被暖鋒控制。從圖15中可以看出，18日氣溫為14.8℃，19日溫度為15.7℃。冷氣團(tuán)逐漸被暖氣團(tuán)替代，氣壓有所降低，18日氣壓為1017hPa，19日氣壓為1015hPa（如圖16）。從圖17中可以看出，該地這兩日被云層所籠罩，云層中水汽含量較高，降水強(qiáng)度大。這是由于此時(shí)暖氣團(tuán)由海洋上吹來(lái)，水汽充足。

圖15 暖鋒過(guò)境時(shí)氣溫分布圖（左為18日，右為19日）

圖16 暖鋒過(guò)境時(shí)氣壓分布圖（左為18日，右為19日）

圖17 暖鋒過(guò)境時(shí)云中總水量分布圖（左為18日，右為19日）

至4月19日，氣溫快速回升，達(dá)到18.1℃?？v觀整個(gè)過(guò)境過(guò)程，氣溫的變化并不是逐漸上升。在暖鋒過(guò)境時(shí)，由于云層中水汽含量較多，云層較厚，降水強(qiáng)度較大，因此到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射較少，溫度較暖鋒過(guò)境前由單一冷氣團(tuán)控制時(shí)有所降低。暖鋒過(guò)境后，該地被暖氣團(tuán)控制，大氣穩(wěn)定，天氣較晴朗，氣溫回升迅速。隨著暖氣團(tuán)逐漸取代冷氣團(tuán)，氣壓逐漸降低，達(dá)到1014hPa。

典型的暖鋒過(guò)境現(xiàn)象在我國(guó)并不常見(jiàn)，需要耗費(fèi)一定的精力去尋找素材。教師在教授這部分知識(shí)時(shí)，可以參考冷鋒過(guò)境的授課方法，同時(shí)讓學(xué)生思考：為何在暖鋒控制下降水區(qū)域主要出現(xiàn)在鋒前？

此外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生將暖鋒與冷鋒進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：①冷鋒過(guò)境時(shí)降水只持續(xù)了1天，而暖鋒過(guò)境時(shí)降水持續(xù)了2天；②暖鋒過(guò)境時(shí)降水區(qū)域的寬度要大于冷鋒過(guò)境；③冷鋒過(guò)境時(shí)降水強(qiáng)度小于暖鋒過(guò)境。

教師針對(duì)以上現(xiàn)象，結(jié)合簡(jiǎn)圖向?qū)W生進(jìn)行原理講解：①冷鋒過(guò)境時(shí)由于冷氣團(tuán)勢(shì)力強(qiáng)勁，鋒面移動(dòng)速度快，所以停留時(shí)間短；暖鋒過(guò)境時(shí)，暖氣團(tuán)沿鋒面緩緩爬升，鋒面移動(dòng)速讀較慢，停留時(shí)間較長(zhǎng)。②冷鋒過(guò)境時(shí)暖氣團(tuán)被迅速抬升，鋒面與地面所形成夾角較大，云雨區(qū)投影到地面的雨帶較窄；暖鋒過(guò)境時(shí)，暖氣團(tuán)爬升速度慢，鋒面與地面所成夾角較小，云雨區(qū)投影到地面的雨帶較寬。③研究冷鋒所選時(shí)間為11月，此時(shí)正值我國(guó)秋季，我國(guó)雨季已經(jīng)結(jié)束。暖空氣所處位置位于黃土高原，大氣中水汽含量較少，并不能形成高強(qiáng)度降水。

3.準(zhǔn)靜止鋒

當(dāng)冷暖氣團(tuán)勢(shì)力相當(dāng)，或者冷空氣在移動(dòng)時(shí)受到地形阻擋時(shí)，所形成的鋒叫做準(zhǔn)靜止鋒。準(zhǔn)靜止鋒的鋒面并不是保持靜止，而是在某一地區(qū)來(lái)回?cái)[動(dòng)，停滯不前。影響我國(guó)的準(zhǔn)靜止鋒主要有江淮準(zhǔn)靜止鋒、昆明準(zhǔn)靜止鋒、華南準(zhǔn)靜止鋒、天山準(zhǔn)靜止鋒四種，這里選取江淮準(zhǔn)靜止鋒進(jìn)行研究。

每年6月，副高北躍，同時(shí)推動(dòng)暖空氣往北移動(dòng)，在長(zhǎng)江兩岸與南下的冷空氣相遇，二者勢(shì)力大致相當(dāng)，鋒面在江淮地區(qū)來(lái)回?cái)[動(dòng)，持續(xù)時(shí)間達(dá)一月之久，此時(shí)正值梅子成熟時(shí)節(jié)，故稱“梅雨”季。

若副高勢(shì)力強(qiáng)，暖空氣在江淮地區(qū)停留時(shí)間較短，該地出現(xiàn)“少梅”“空梅”現(xiàn)象，若副高勢(shì)力較弱，北躍受到阻礙，轉(zhuǎn)而西伸，從而導(dǎo)致整個(gè)長(zhǎng)江流域被雨帶控制，中下游易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害。

2021年長(zhǎng)江中下游地區(qū)從6月17日左右進(jìn)入梅雨季節(jié)，至7月14日出梅雨季，持續(xù)時(shí)間大致為一個(gè)月。教師在教授該部分知識(shí)時(shí)，可以給定當(dāng)年梅雨季持續(xù)時(shí)間，讓學(xué)生逐日統(tǒng)計(jì)江淮地區(qū)被云層覆蓋日數(shù)。通過(guò)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn)靜止鋒控制下，陰雨天氣出現(xiàn)的頻率較高。同時(shí)學(xué)生也會(huì)了解到梅雨季并不是持續(xù)不間斷地下雨，中間也會(huì)出現(xiàn)晴朗天氣。

● 開(kāi)發(fā)應(yīng)用Earth Nullschool的優(yōu)勢(shì)與注意事項(xiàng)

Earth Nullschool地理教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)，利用其特性可以為地理教學(xué)帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：①突出學(xué)生的主體地位，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)識(shí)圖讀圖能力；②培養(yǎng)學(xué)生的時(shí)空觀念，有利于學(xué)生地理素養(yǎng)的形成；③利用動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)地理事物和地理規(guī)律的理解；④加強(qiáng)學(xué)生對(duì)大氣等地理事物的直觀了解，使抽象的知識(shí)形象化；⑤運(yùn)用Earth Nullschool要素的全面性特征，加強(qiáng)對(duì)地理事物的整體性的理解，分析地理各要素之間的相互關(guān)系，也可針對(duì)性了解某一事物的變化；⑥該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，便于教師和學(xué)生的交互性運(yùn)用，為教師使用新的教學(xué)方法提供可能。

但由于Earth Nullschool并非真正的地理教學(xué)輔助系統(tǒng)，在使用時(shí)還需注意一些問(wèn)題：①不能舍本逐末，教學(xué)軟件應(yīng)服務(wù)于教學(xué)內(nèi)容，切忌全堂課都在使用軟件，而忽視了教學(xué)內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)的課堂主體地位；②地理事物的發(fā)生具有時(shí)空特性，并非每天均要出現(xiàn)，這要求教師應(yīng)用時(shí)要提前找好具有代表性的要素，防止臨時(shí)要素?zé)o法完美呈現(xiàn)需要的內(nèi)容。