高中地理“大气运动”的教学研究

1高中地理“大气运动”的教学研究赵军利北京市第109中学一、关于“大气运动”知识的深层次理解1．“大气运动”的核心知识和教育价值“大气运动”教学主要包括三方面的内容。一是大气的受热过程。大气的受热过程实质上是太阳辐射能在地面、大气之间的流动与转化过程。在这个过程中太阳辐射这种短波辐射转化成了地面辐射和大气辐射等长波辐射，能量也由宇宙空间流入了地球表层，在地面、大气之间流动。可见，太阳辐射是大气的根本热源，地面是大气的主要的直接热源。由于受太阳高度角、大气质量和大气透明度等因素的影响，地表获得的太阳辐射存在着明显地地域分异现象。地面状况的差异，尤其是海陆分异进一步加剧了地面的受热不均。二是在小尺度范围内由于地面受热不均引起了大气的膨胀上升和冷却下沉，导致同一水平面产生了气压差异，形成了热力环流。从区域尺度来看主要有城市热岛效应、海陆风等现象。从全球尺度来看，太阳辐射的地域分异是形成全球性大气环流的重要原因之一。三是大气的水平运动——风的形成。由于水平气压梯度产生了水平气压梯度力，这是形成风的直接原因。在高空，受水平气压梯度力、地转偏向力的作用形成了风向与等压线平行的风，即地转风。在近地面，受水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力的作用形成了与等压线成一定角度的近地面风。三个力的方向与风力及风向之间的关系表现为：水平气压梯度力由高气压指向低气压方向，且与等压线垂直，既影响风力大小，也影响风向；地转偏向力始终与风向垂直，只改变风向，不影响风力大小；摩擦力的方向始终与风向相反，既影响风力大小，也影响风向。风是地球表面热量输送和物质运动的主要动力。全球性的大气运动与水循环、地壳物质循环等有着密切的联系，是塑造地表形态的主要外力之一。从大气系统内部来看，始终蕴涵着冷热、干湿与高低气压三对矛盾。“大气运动”教学揭示了大气冷热、高低气压的矛盾的生成过程。“大气运动”激化了干湿矛盾，形成了阴晴雨雪等天气现象——这是天气系统的学习内容；地表冷热不均引起的热力环流是学习全球尺度大气运动以及全球气压带与风带的分布与移动的知识基础。因此，“大气运动”教学对于学生分析大气现象的因果联系，训练地理思维，提高分析身边的大气现象的能力；自觉的改变不良行为习惯，建立合理的能源消费观念；学会运用地理梯度原理分析、解决区域地理问题；从能量流动和物质运动的角度认识空间的相互作用及地理环境的整体性、差异性和开放性；形成空间尺度观等地理核心观念具有重要意义。2．“大气运动”教学的知识结构层次（知识的上下位关系）（1）“大气运动”教学涉及的一些地理事实性知识《普通高中地理课程标准（实验）》在“课程设计思路”中明确提出“高中地理课程注重与实际相结合，要求学生在梳理、分析地理事实的基础上，逐步学会运用基本的地理原理探究地理过程、地理2成因以及地理规律。”因此，“大气运动”教学首先要收集、整理与教学内容相关的地理事实。与“大气运动”教学相关的地理事实有很多。①晴朗的夏日，太阳刚刚升起的时候，空气还是凉飕飕的；随着太阳的不断升高，气温也随之上升，但是要到午后气温才达到一天中的最大值；②冬季，晴朗的早晨反而比阴天的早晨寒冷一些，常常会看到霜；③寒潮来临之前，北方的农民会在田头堆放些柴草点燃，制造些烟雾；④厨房中开水壶中的水汽总是向上运动；⑤野营的篝火火焰和烟灰飞向高空；⑥风吹林动烟飘，彩旗飘扬。在这些地理事实中涉及许多地理概念与知识，蕴涵了一些地理过程和地理规律，需要教师引导学生逐步梳理、分析。（2）“大气运动”教学涉及的地理概念与知识“大气运动”教学主要涉及以下一些基本概念和知识。l大气：是自然环境的组成要素之一。地理课程标准中的“大气”是指低层大气，其高度不超过对流层顶。针对这一理解，湘教版和鲁教版教材加入了大气垂直分层方面的内容，而人教版和中图版教材则没有涉及大气的垂直分层这部分内容。l太阳辐射、地面辐射、大气辐射：日、地、气三种辐射的主要差别在于地面、大气的温度远远低于太阳的温度，因此太阳辐射属于短波辐射，而地面辐射和大气辐射属于长波辐射，因此能够被大气中的二氧化碳和水汽吸收。l太阳辐射的空间差异：到达地面的太阳辐射能量多少由太阳辐射强度和日照时间共同决定。到达大气上界的太阳辐射强度由太阳高度决定（就一年而言，由平均的正午太阳高度决定，故只与所处纬度有关），而到达地面的太阳辐射强度不仅与太阳高度有关，还与太阳辐射穿过大气时受到的削弱相关，大气的密度、云量多少、云层厚度、大气污染程度（尤其是尘埃多少）等都会影响到削弱的多少；至于日照时间，虽然各纬度年内昼夜长短变化幅度不同，但一年中昼长时间累加值理论上是相等的，故日照时间的多少主要与气候有关。所以，地面获得太阳辐射能的多少，取决于：①（正午）太阳高度（由所处纬度决定），②大气透明度（取决于大气的密度、云量多少、云层厚度、大气污染程度等），③气候状况。全球地面获得太阳辐射能量最多的地方，既不是纬度最低的赤道，也不是平均海拔最高的南极大陆，而是纬度较低（20º-30ºN附近）、海拔高、空气稀薄、清洁且晴天多的青藏高原南部和气候干旱、云量少的撒哈拉沙漠地区。l地面受热不均的现象：主要受太阳辐射、地面状况、大气状况等影响。l大气压：所谓某地的气压，就是指该地单位面积垂直向上延伸到大气层顶的空气柱的总重量。l大气压的垂直变化规律：气压随着海拔高度的增加而递减。美国作家房龙在他的《房龙地理》3中曾经运用一摞书来比喻大气压的垂直变化规律：一摞书中上边的书容易被抽出来，越往下则越难抽出来。原因就在于越往上受到的压力越小的缘故。l等高面：海拔高度相等的点组成的空间平面称为等高面。如海平面就是海拔高度为零的等高面。同一等高面它的海拔高度处处都是相等的。因此，它是一个平行于海平面的平面。l等压面：空间各点气压都相等的面。气压因为海拔高度和地面冷热的不同导致气压的不同。一般来说，在垂直方向上随着高度的升高，等压面的数值在变小，如果地面的性质是均一的，大气的性质也是均一的，那么等压面就是互相平行的，否则就是高低起伏的。l等压线：海平面气压相等各点的连线。一般是等线等压、等压等线。一般在一幅图中每两条等压线之间的等压距是相等的，所以只要知道其中两条线的值就可以推知任何一条线的数值。如果等压线闭合时,则中心数值大的为高压中心，又叫反气旋。在它控制下的天气是晴朗的，反之为低压中心，也叫气旋，其控制下是阴雨天气。当然还可以根据等压线的疏密来判断风力的大小等。l同一水平面的气压差异与水平气压梯度：地表受热不均，使同一水平面上产生了气压差异。这种在单位距离间的气压差叫做气压梯度。l水平气压梯度力：在大气中由于气压在空间的分布不均匀，而作用于气块上的力。对单位质量的气块而言，气压梯度力的方向与等压面垂直，且从高气压指向低气压；它的大小与气压梯度的数值成正比，与空气密度成反比。水平方向上的气压梯度力在水平面上垂直于等压线，且由高气压指向低气压。l地转偏向力：由于地球自转而产生作用于运动物体的力，称为地转偏向力，简称偏向力。它只在物体相对于地面有运动时才产生(实际不存在)，只能改变水平运动物体运动的方向，不能改变物体运动的速率。总的来说，沿着在地表作水平运动的方向，北半球向右偏，南半球向左偏。l大气运动的两种基本类型：垂直运动和水平运动。上述这些基本概念和知识是学生进一步学习“大气运动”核心地理概念与原理的前提，在教学前要通过谈话、设问等方式了解学生的掌握情况，及时补充相关知识。（3）“大气运动”教学涉及的核心地理概念与原理在前述地理事实性知识的基础上，我们可以提升出该部分教学内容的地理核心概念与原理。“大气运动”教学的核心地理概念和原理主要包括以下几个方面。l大气的温室效应原理：又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。现在则称“大气效应”。大气的温室效应原理概括说明了日、地、气三种辐射的关系。太阳辐射经过大气被削弱一部分后，有将近一半的太阳辐射穿过了大气到达地面。地面吸收太阳辐射后增温，同时向外辐射能量，将热量传递给大气。大气吸收地面辐射后增温，并向外辐射能量。大气辐射有两部分，一小部分向宇宙空间散失；另外一大部分向着地面，称其为大气逆辐射，这部分辐射在一定程度上补偿了地面辐射损失的4热量。大气效应对地面的保温效应使夜晚的气温不会太低，因此使地球昼夜温差不会太大。l热力环流原理：由于地面冷热不均而形成的空气环流，称为热力环流。它是大气运动的一种最简单的形式。l风的形成：同一水平面的气压差异引起了空气的水平运动即形成了风。水平气压梯度力是形成风的直接原因。通过上述核心地理概念与原理的学习，我们可以引导学生形成一些观念性认识。（4）“大气运动”教学中的基本观念性认识从地理事实的梳理、分析以及提炼的核心概念和地理原理我们可以形成下面一些基本观念性认识。l太阳辐射是大气的根本热源。l地面辐射是大气的主要的直接热源。l太阳辐射能在地面、大气之间转化与流动。l太阳辐射在地表（或大气上界）的分布具有规律性。l地面受热不均的影响因素主要有太阳辐射、大气状况和地面状况等。l地面受热不均导致了大气的运动。从空间尺度来看，大气运动有不同的规模。我们从这些基本观念性的认识还可以提升出地理核心观念和学科思想方法。（5）“大气运动”教学中的地理核心观念与思想方法从本节教学内容的基本观念性认识我们可以进一步提炼出相应的地理核心观念和思想方法。自然环境中的能量是流动的。能量流动是建立在地理区域差异、地理梯度的基础上的（差异——梯度——地理流）；说明了地理空间的相互作用；体现了地理环境的开放性、整体性。自然环境中的能量流动具有不同的空间尺度。3．知识内容的内在逻辑关系依据前述分析，我们可以确定“大气运动”的知识结构如图所示：“大气运动”的知识结构体现了太阳辐射能在地面、大气间的转化与流动，即大气的受热过程；5由于太阳辐射的地域分异导致了地面受热不均，引起了大气的垂直运动和同一水平面的气压差异，产生了大气的水平运动，形成了热力环流，导致了风的形成。热力环流与风的形成本质上是太阳辐射能的地域分异及太阳辐射能在大气、地面间转化与流动的结果和体现。4．“大气运动”教学内容在中学地理学科中的地位（1）“大气运动”教学内容在章节中的位置本部分教学内容关注的对象是自然环境的组成要素之一——大气。本部分教学内容旨在帮助学生认识导致大气运动的基本原理，既是前一部分内容“宇宙中的地球——太阳对地球的影响”的进一步细化与深化，也为后面学习大气环流、天气系统以及全球气候变化打下了理论基础。通过学习大气的受热过程，学生可以了解影响气温的不同因素，认识到不同地区地表获得的热量是不均匀的。正是地表受热不均引起了热力环流，同一水平面出现高低气压的差异，导致空气发生水平运动，形成了风。全球气压带风带的分布与移动及天气系统等都以大气的受热过程和热力环流知识为基础进行教学。“大气运动”教学为学生学习太阳能资源的开发与利用提供了知识基础。太阳高度愈大、空气愈稀薄、云量愈少、透明度愈高，大气对太阳辐射的削弱作用愈小，到达地面的太阳辐射愈多，太阳能资源愈丰富。“大气运动”教学为学生学习、认识地理环境的整体性和差异性奠定了基础。大气的受热过程及大气的运动体现了能量和物质在岩石圈、水圈、生物圈及大气圈的流动和迁移过程，体现了地理环境的整体性。地表受热不均既是区域差异的具体表现之一，也是产生其他地理差异的原因。（2）“大气运动”教学内容与其他地理学习模块的联系“大气运动”教学为学生学习必修2模块中城市化对地理环境的影响的相关内容提供了知识基础。由于城市建设改变了原来的地表状况，生产生活等人为产热形成了“城市热岛”，产生了城市风和郊区风现象，是热力环流原理的具体表现。“大气运动”教学有助于学生认识区域大气环境问题。大气运动利于大气污染物的稀释、扩散，但是也会使污染范围扩大。“大气运动”教学是学生学习必修3模块中区域地理环境与人类活动以及区域可持续发展的基础，尤其是一些区域的自然地理条件等与“大气