“熱力環流”活動的設計與思考

江蘇省大港中學（212028） 殷 航 朱 玲

“熱力環流”活動的設計與思考

江蘇省大港中學（212028） 殷 航 朱 玲

知識源于生活，能力出自實踐。高中地理新課程明確要求教學應與生活實際相結合，引導學生在觀察身邊地理現象的基礎上，逐步學會運用基本的地理原理探究地理過程、地理成因以及地理規律的方法，形成自我學習和研究的能力。但在實際教學時，教師為了在有限的課堂時間里完成足量的知識傳授任務，往往忽視學生的實際經驗和應有的對生活的關注，照本宣科，使地理課堂枯燥乏味，缺少了應有的靈動。以高中地理必修一中的“熱力環流”內容為例，為了加強學生對大氣運動最簡單的形式——熱力環流的理解，教材一般選用城市風、海陸風、山谷風為例，筆者所在學校坐落在一個美麗的內陸平原縣城，很顯然以上三個例證對筆者所教學生明顯缺乏可體驗性和可驗證性，說服力和教學操作性大打折扣。有沒有更加貼近農村學生的生活實例呢？

一、觀察生活，提出例證

生活在農村的人大多數都會有這樣的經驗：炎熱的夏季，家里沒有空調，我們中午都喜歡在堂屋的后門口（見俯視結構圖A處）擺一把躺椅午睡。晴朗的冬日，我們也喜歡在堂屋正門避風處（見俯視結構圖B處）享受和暖的陽光。這是為什么呢？

秘密就藏在蘇南農村房屋的布局結構中。家鄉七、八十年代的房屋布局結構一般是（見圖）：二層小樓，一層中間是堂屋，東西各有一廂房，東西廂房前接出廚房和廁所，并與院墻共同圍出一個露天院子，院子鋪有水泥地面，便于晾曬谷物。屋后是泥地，避陰處種有水杉等喜陰植物。這樣的安排是生活的智慧，因為它巧妙的利用了熱力環流加強了穿堂風。

穿堂風，百度百科中解釋：也叫過堂風，在風壓作用下，室外空氣從建筑物一側進入，貫穿內部，從另一側流出形成自然通風。通常產生于建筑物間隙、高墻間隙、門窗相對的房間或相似的通道中，由于在空氣流通的兩側大氣溫度不同，氣壓導致空氣快速流動，又由于建筑物等阻擋，間隙、門窗、走廊等提供流通通道使大氣快速通過。風一般從有陽光一側吹向背陰處一側，風速由兩側溫度差決定，溫差越大，風速越大。

夏季，堂屋前的水泥地面在烈日的曝曬下迅速升溫，近地面空氣受熱膨脹上升，在堂屋正門前形成較低氣壓。屋后泥地背陰且多綠色植被，升溫較慢，空氣下沉，在堂屋后門形成較高氣壓。此時如果開啟堂屋前后門形成通風道，近地面的空氣會從后門流入，正門流出，形成近地面水平氣流。于是堂屋后門口便成為炎炎夏日家中最涼爽的地方。

冬季，緊閉堂屋后門就能切斷近地面水平氣流，阻擋了寒冷的偏北風。開啟堂屋正門，使堂屋內空氣與院內暖空氣保持緩慢交流，維持室內溫度。此時堂屋正門避風處為理想的休閑角。

所以，穿堂風是更加貼近農村高中學生生活實際的熱力環流例證。

二、設計活動，驗證原理

任何假想的理論都需要科學的實驗加以證明。師生共同討論和設計驗證實驗才是活動課的核心。農村住宅中的穿堂風是不是熱力環流，需要驗證在這一現象中熱力環流各環節的存在，經過筆者與學生的共同討論，認為以下五個驗證活動可操作性較好：

1．如何驗證上升氣流的存在——觀察谷場小龍卷

由于曬谷場的氣溫高于四周的水稻田。所以經常可以看見一股股小旋風平地而起。這是由于曬谷場上的熱空氣快速上升，周圍較冷的空氣過來補充。在地球自轉影響下產生旋轉形成的。溫差越大，旋風也越大。但由于現在農村生產方式的改變，很多學生脫離了農業生產勞動實際，這樣的生活經驗不能感同身受，教師可以讓學生觀察午后屋前水泥地和屋后空曠泥地上的灰塵的運動狀況。

觀察要求：①呈龍卷狀態出現的灰塵位于什么位置；②出現龍卷狀態的灰塵時，屋前水泥地的氣溫狀況

相對于其他時間的氣溫差異；③出現龍卷狀態的灰塵時，屋前水泥地的氣溫狀況相對于屋后泥地的氣溫差異。

通過這一觀察學生可以體會到：一般情況下，當建筑物的向陽面的氣溫比較高時，會存在氣流的上升運動。

2．如何驗證下沉氣流的存在——煙氣實驗

正常無風狀態下，煙氣的運動方向是豎直向上的，但若煙氣受到風的影響，其飄動方向往往會發生改變。正午時分，堂屋后門由于氣溫較低，氣流下沉運動比較明顯，煙氣受其影響，本應垂直向上的運動方向會發生變化：煙氣向上漂浮的速度減慢甚至會向斜下方飄散。

活動要求：①時間最好選擇在午后；②點燃一炷熏香（也可以用點燃的蚊香或沒有火苗但仍冒煙的木棍等），將這炷香放在無風的室內，觀察其煙氣的運動方向；③將這炷香放在堂屋后門，觀察煙氣的漂浮方向發生了怎樣的變化。

通過這一活動學生可以體會到：一般建筑物的背陰面，存在氣流的下沉運動。

3．如何驗證房前屋后垂直方向氣流運動方向的差異——氣球實驗

氣球是最好的空氣浮力實驗載體，運用氣球進行堂屋前后的垂直氣流比較實驗，效果明顯。

活動要求：①時間依然選擇在午后；②將氣球充氣，緩慢放氣直到氣球能在不通風的房間里靜止的懸浮；③將該氣球拿到屋前，觀察氣球的運動狀況；④將該氣球拿到屋后，觀察氣球的運動狀況。

通過這一活動學生會發現：受屋前上升氣流的影響，本應靜止懸浮的氣球會向上漂浮，而受屋后下沉氣流的影響，該氣球則會向下運動。

4．如何驗證水平氣流運動的方向——蠟燭實驗

蠟燭的火苗比蚊香的煙氣更加直觀、穩定，使用點燃的蠟燭可以更好的確定堂屋中水平氣流的流動方向和速度。

活動要求：①點燃一根蠟燭，觀察該蠟燭在不通風的房間里火苗的運動狀況；②將該蠟燭拿到堂屋正門前，觀察火苗的運動狀況；③將該蠟燭拿到堂屋后門處，觀察火苗的運動狀況。④將該蠟燭拿到堂屋其他各處，觀察火苗的運動狀況。

通過這一活動學生會發現：蠟燭的火苗會被壓向側面傾斜，方向由堂屋后門指向正門，

水平氣流越強，火苗傾斜角度越大。

5．科學定量驗證——氣壓測量

以上四個實驗只能定性的說明熱力環流存在的可能性，要想得到更加科學的證據還要靠數據說話。利用水銀氣壓表和空盒氣壓表對房前屋后的氣壓進行測量，簡單方便。

測量注意事項：①測量點的選擇：選擇屋前光照條件好、屋后避蔭的地方：②氣壓表擺放的高度要一致：③注意測量讀數的精度。

三、反思生活，拓展應用

應用是學習的目的，用學生親身體驗地理知識反思和改變自己的生活才能真正體現出知識的價值。

在自然通風節能方面，犬鼠和白蟻是天才的建筑大師。非洲草原犬鼠洞穴設有兩個出口，一個是平的，而另一個則堆起的土堆，生物學家大惑不解，他們猜想：犬鼠把其中的一個的洞口堆成土包狀，是為了獲得一處視野開闊的了望臺，但是如果這一假設成立的話，它又為什么不在兩個洞口都堆上土包呢？那樣不是有兩個了望臺了嗎？物理學家觀察后發現，實際上正是由于兩個洞口形狀不同，使兩個洞口產生了自然壓差，地面上的風吹進了犬鼠的洞穴，給犬鼠帶去了習習涼風。這實際上是草原犬鼠的天然“空調系統”。

從仿生學的角度出發，人類在建筑設計引入了風塔設計。在通風不暢的地區，利用高出屋面的風斗，把上部的氣流引入建筑內部，來加速建筑內部的空氣流通，從而有效降低了建筑物的能耗，建成新型生態節能建筑。

建筑的生態節能是上海世博會場館設計核心思想。2010年上海世博會舉辦期間正值夏季，主要受東南季風影響，世博園區的建筑不僅走向大多為東南方向，就連窗戶也朝東南方向敞開，這樣按照城市季風路線，可以把街道穿堂風導到每棟建筑里面去。為了最大限度利用好穿堂風，世博園區的部分展館還采用底層挑空的設計，將展館變身成導風板，就算館內溫度超過30攝氏度，也不用開空調，從而節約了電力。

讓教學更加貼近生活，讓實踐成為本能。呵護孩子天生的好奇心，激發學生的學習興趣，培養學生自我學習的能力，傳授科學研究的方法，在以考試為最終目的的今天顯得更加可貴。