用Meteosphere探究復(fù)雜的大氣環(huán)流

陳國祥

（江蘇省前黃高級中學(xué), 江蘇 常州 213161）

用Meteosphere探究復(fù)雜的大氣環(huán)流

陳國祥

（江蘇省前黃高級中學(xué), 江蘇 常州 213161）

本文通過Meteosphere軟件，再現(xiàn)了實時的大氣運動的氣流、氣壓、云和降水等現(xiàn)象，幫助學(xué)生認(rèn)識真實中大氣環(huán)流的復(fù)雜性，提出了大氣環(huán)流運動既包括經(jīng)向環(huán)流（即三圈環(huán)流），也包括緯向環(huán)流的觀點，將氣象科學(xué)新發(fā)展與中學(xué)地理教學(xué)相聯(lián)系，突破了中學(xué)傳統(tǒng)教材與教學(xué)

Meteosphere；復(fù)雜性；大氣環(huán)流

一、Meteosphere是什么

Meteosphere是一款由Meteomedia公司開發(fā)的天氣軟件，運行在iOS或Andiord平臺中。這款軟件根據(jù)其全球830個氣象站的數(shù)據(jù)，可以預(yù)報出未來48小時內(nèi)的天氣變化情況，包括天氣、云和降水、氣流和風(fēng)勢、等壓線等變化，如圖1所示。如果支付一定費用成為高級會員帳戶的話，還有溫度和風(fēng)勢、降雪和降雨、Jetstream（萬米高空氣流）、等壓線和降水量等情況。這些變化的信息，都是以動畫的方式表現(xiàn)出來，可供各行業(yè)研究天氣現(xiàn)象使用。信息數(shù)據(jù)每天都定時更新，使用十分方便。

圖1 Meteosphere的主界面

Meteosphere中的這些天氣動畫，對于高中地理大氣部分的教學(xué)來說，是十分必要的。因為在教材和傳統(tǒng)的多媒體資源中，這部分知識往往是以模式圖或靜態(tài)圖片的方式呈現(xiàn)的，雖然還可以通過天氣預(yù)報網(wǎng)站，獲得實時的動態(tài)云圖和天氣信息，但要想合成這些信息，形成動態(tài)變化的大氣運動和天氣變化圖，對于一線老師來講，還是困難的。正是由于缺乏動態(tài)的、變化的大氣運動資料，學(xué)生在學(xué)習(xí)時，往往很難直接觀察到大氣真實的運動和變化情況，也很難解釋日常生活中遇到的氣候和天氣變化現(xiàn)象，學(xué)生的認(rèn)識也比較簡單和線性，不能領(lǐng)悟到大氣運動的復(fù)雜性。

二、復(fù)雜的大氣環(huán)流

大氣環(huán)流，是高中地理教學(xué)的一個重點內(nèi)容。在不同版本的教材中，大都以“全球氣壓帶和風(fēng)帶的形成”作為標(biāo)題，主要內(nèi)容涉及到閉合環(huán)流、三圈環(huán)流、七氣六風(fēng)帶、氣壓帶風(fēng)帶的季節(jié)移動、海陸影響、季風(fēng)環(huán)流等。這部分內(nèi)容既是教師教學(xué)的難點，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，更是考試評價的重點。

對于這部分內(nèi)容的教學(xué)，用得最多的方法是推理法。早在1999年，安徽金堂縣淮口中學(xué)陳微勇在《“大氣三圈環(huán)流”四步教學(xué)法》一文中，就采用了“假設(shè)條件——推翻假設(shè)——步步深入——得出結(jié)論”的“四步法”。所謂的假設(shè)條件，主要是三個：（1）地球不自轉(zhuǎn)；（2）太陽永遠(yuǎn)直射赤道；（3）地球表面是均勻的。如果假設(shè)條件成立，根據(jù)熱力環(huán)流，全球的大氣是閉合環(huán)流，然后分別推翻假設(shè)，得出三圈環(huán)流、季節(jié)移動和海陸氣壓中心。湖北十堰房縣第二高級中學(xué)陳振權(quán)和夏云的《巧用三個假設(shè)，講清大氣環(huán)流》一文，思路也基本是一致的。筆者在前幾年的教學(xué)過程中，也曾多次使用這種方法。

推理法的運用，固然能很好地幫助學(xué)生建構(gòu)起三圈環(huán)流的理論模型，形成氣壓帶、風(fēng)帶、氣壓中心等核心概念，但不可否認(rèn)的是，這種教學(xué)方法的背后，隱含著地理課程與教學(xué)中的三個嚴(yán)重問題：

1. 讓學(xué)生失去了對生活世界復(fù)雜性的應(yīng)有感知。由于我們采用的是假設(shè)條件、建立模型、層層推理的教學(xué)方式，把理應(yīng)建立在感性認(rèn)識和生活經(jīng)驗基礎(chǔ)上的大氣運動學(xué)習(xí)變成了純粹的理性思辨。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生可能會形成這樣一種錯誤認(rèn)識：對于大氣運動規(guī)律的認(rèn)識，我們不需要實際考查，僅憑原理與模型進(jìn)行推理就行了。許多課后練習(xí)與考試試題，更是使這種推理方法與模型演繹達(dá)到了極致，甚至出現(xiàn)不顧條件、生搬硬套的現(xiàn)象。許多學(xué)生考試時能拿到高分，但到了生活中，找不到天氣資料，更不會讀天氣系統(tǒng)圖。須知，實際中的大氣運動是非常復(fù)雜的，對于這種內(nèi)容的學(xué)習(xí)，讓他們能看到、感受到，獲得直接經(jīng)驗是最為重要的。

2. 形成了關(guān)于大氣運動基礎(chǔ)知識的錯誤認(rèn)識。這種推理式教學(xué)把教學(xué)的重點放在模型的構(gòu)建與解釋上，為了解釋清楚模型，必然涉及到許多概念和原理，對學(xué)生的空間認(rèn)識能力要求也較高。多年下來，許多教師都覺得憑中學(xué)生的認(rèn)識水平和思維能力，能掌握到這些概念和原理就夠了。于是，會把這些內(nèi)容認(rèn)為是大氣運動的“基礎(chǔ)知識”，作為基礎(chǔ)教育階段，只要掌握這些基礎(chǔ)知識就夠了，講得太多、太深，學(xué)生是沒法理解的。

這種看法，看似有些道理，但是我們留意一下國外的課程和教材，就會發(fā)現(xiàn)，美國的教材講得比我們還要難得多。以美國高中主流教材《科學(xué)發(fā)現(xiàn)者》為例，它的大氣部分內(nèi)容涉及到了許多我們教材中從來沒有的一些概念，如高空西風(fēng)帶、急流問題、熱帶輻合帶、氣團(tuán)、錮囚鋒等。為什么在國外教材中會比較難呢？我們仔細(xì)分析一下就會發(fā)現(xiàn)，國外教材雖然概念多，內(nèi)容廣，但他們只要知道概念與分布即可。而國內(nèi)的教材，在原理、成因等方面的要求很高，不但要知道，還要會靈活運用（做題目）。以“三圈環(huán)流”為例，我國為了講請楚三圈環(huán)流的成因與原理，變換了多少種形式，做了多少道題？然而國外教材，只重點強調(diào)三個風(fēng)帶的分布，對于三圈環(huán)流的成因與原理，雖有圖示，但不作過多說明。

由此可以看出，所謂的基礎(chǔ)知識并不是一成不變的邏輯起點，而是根據(jù)不同的課程目標(biāo)和教學(xué)要求，在不同的學(xué)科理解與評價導(dǎo)向上所形成的。隨著地理課程目標(biāo)的多樣化與生活化，我們需要重新思考什么才是有用的、基礎(chǔ)的“基礎(chǔ)知識”。

3. 導(dǎo)致現(xiàn)行高中教材與大學(xué)內(nèi)容的嚴(yán)重脫節(jié)。目前，高中地理教材大氣部分與大學(xué)內(nèi)容是嚴(yán)重脫節(jié)的，對于許多大氣環(huán)流知識，高中教材只作了簡單化處理，很多問題避而不談，如高中教材只講近地面風(fēng)向，對于高空西風(fēng)避而不談，只講經(jīng)向上的三圈環(huán)流，不講緯向環(huán)流。顯然，高中教材的理論都是1928年前的（1928年瑞典人伯杰龍?zhí)岢隽巳Νh(huán)流理論），但是1940年，隨著高空西風(fēng)的發(fā)現(xiàn)和羅貝斯長波理論提出后，大氣科學(xué)在理論與實踐方面都有了長足的進(jìn)步（當(dāng)今準(zhǔn)確的天氣預(yù)報即是明證）。在這樣的科學(xué)發(fā)展背景下，我們高中教材幾十年都沒有變化，還是在用一種純粹思辨的方法，教授一些過時的理論模型，讓學(xué)生形成了簡單的、線性的大氣運動觀，這不能不說是一種悲哀。

當(dāng)然，這種狀況的形成也與教師的專業(yè)發(fā)展有關(guān)。一些中學(xué)地理教師，大學(xué)時也曾學(xué)過一些大氣科學(xué)知識，但大多是囫圇吞棗，不夠扎實（以筆者為例）。等工作以后，由于高中地理教材內(nèi)容遠(yuǎn)比大學(xué)簡單，這些專業(yè)知識便失去了實用的機會。用不了幾年，教師就會習(xí)慣了高中教材的經(jīng)典說法，不愿意在這些問題上做深入思考。失去了科學(xué)理論的支持，許多教學(xué)設(shè)計難以從真實的天氣現(xiàn)象出發(fā)，許多的問題探究活動只能停留在低水平重復(fù)狀態(tài)，練習(xí)也只是形式上的變化，地理教學(xué)永遠(yuǎn)是從書本到書本，除了做題還是做題。

從以上的分析中我們不難看出，課程標(biāo)準(zhǔn)、教材編制、教學(xué)方法、教師觀念以及教學(xué)資源都是影響我們教與學(xué)的主要因素。當(dāng)看到MeteoSphere呈現(xiàn)出的完整大氣模擬動畫時，我們的眼前不禁一亮，能不能借助這款軟件提供的豐富資源，借鑒國外教材的相關(guān)內(nèi)容，通過教師的專業(yè)提升，幫助學(xué)生實踐一次《復(fù)雜的大氣環(huán)流》問題探究呢？以下是我們的嘗試過程。

三、主要的教學(xué)設(shè)計和實施

在高一學(xué)生完成《地球上的大氣》這一部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)之后，安排一次問題探究課，以《復(fù)雜的大氣環(huán)流》為題，主要的教學(xué)設(shè)計如下：

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）學(xué)生能了解真實的大氣運動情況，能利用所學(xué)知識找出相應(yīng)的氣壓中心、氣壓帶和風(fēng)帶。

（2）學(xué)生能意識到原有模型在解釋大氣環(huán)流方面的不足，能提出新的解釋維度和方向，初步構(gòu)建出對大氣環(huán)流復(fù)雜性的認(rèn)知。

（3）利用信息技術(shù)，學(xué)會查找、分析地理信息，形成基于信息技術(shù)的認(rèn)知突破。

2.教學(xué)媒體和環(huán)境

每人一臺iPad，安裝有Meteosphere、Notes Moblie等應(yīng)用程序。8人一組，構(gòu)成小組合作學(xué)習(xí)環(huán)境，每組配有一個液晶電視屏，方便進(jìn)行屏幕分享。處于開放的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，及時利用互聯(lián)網(wǎng)查找資料。提前對學(xué)生進(jìn)行iPad和Meteoshpere的操作培訓(xùn)，事先準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)更新，防止網(wǎng)絡(luò)阻塞。

3.任務(wù)和問題的設(shè)計

任務(wù)一：根據(jù)教材P40中的1月份和7月份的海平面等壓線圖，結(jié)合Meteosphere中的等壓線圖，你能找出北太平洋和北大西洋上的主要氣壓中心嗎？能說出它們的名稱嗎？（如圖2、圖3所示）

請選擇一幅最典型的畫面，保存到相簿中，用Notes Moblie軟件打開，標(biāo)注出高低壓中心，然后小組內(nèi)進(jìn)行屏幕共享。

圖2 北太平洋等壓線圖

圖3 北大西洋等壓線圖

進(jìn)一步追問的問題：這些氣壓中心是怎樣形成的？你還有什么新的發(fā)現(xiàn)？亞洲大陸出現(xiàn)了什么樣的氣壓中心？

任務(wù)二：請打開氣流/風(fēng)勢圖，在太平洋和大西洋的東部地區(qū)，找出東北信風(fēng)帶和東南信風(fēng)帶的位置，并觀察它們的氣流運動情況。（同樣采用上述的方法，與小組成員一起交流與共享）。（如圖4、圖5所示）

圖4 太平洋東部的信風(fēng)帶

圖5 大西洋東部的信風(fēng)帶

進(jìn)一步追問的問題：東北信風(fēng)與東南信風(fēng)在什么地方相遇？相遇會出現(xiàn)什么情況？這樣的交匯區(qū)域稱為什么帶？（如圖6、圖7所示）這樣的運動會產(chǎn)生什么樣的天氣？可以用其它的圖來說明嗎？北太平洋東岸的盛行西風(fēng)帶又是在哪里？（如圖8、圖9所示）

圖6 太平洋上的熱帶輻合帶

圖7 大西洋上的熱帶輻合帶

圖8 北太平洋東部的盛行西風(fēng)

圖9 北大西洋東部的盛行西風(fēng)

任務(wù)三：實際中的大氣環(huán)流與理論的三圈環(huán)流有哪些不同？三圈環(huán)流是不是一種經(jīng)線方向上的環(huán)流？有沒有緯線方向上的環(huán)流圈呢？如果有的話，緯向的環(huán)流圈又會是什么樣子呢？

介紹大氣環(huán)流理論的發(fā)展過程以及高空西風(fēng)帶的發(fā)現(xiàn)。提出中緯度地區(qū)的地面和高空，都是深厚的西風(fēng)和西風(fēng)波。（如圖10所示）說明三圈環(huán)流的理論模型存在著缺陷，大氣除了經(jīng)向上的三個環(huán)流圈以外，還有更為重要的緯向環(huán)流圈。

圖10 Jetstream高空的急流圖

介紹現(xiàn)代氣象學(xué)家羅斯貝和我國氣象學(xué)開創(chuàng)者葉篤正的發(fā)現(xiàn)，如圖11和圖12所示。展示他們對全球氣流的觀點：真實的大氣運動具有復(fù)雜性、不確定性和非線性的特點。

圖11 教材中的三圈環(huán)流圖

圖12 經(jīng)羅斯貝修正后的大氣環(huán)流圖

問題：今天我們應(yīng)用Meteosphere進(jìn)行了大氣環(huán)流的探究，你發(fā)現(xiàn)這與你原來對大氣環(huán)流的認(rèn)識有什么不同？你還發(fā)現(xiàn)了哪些新的問題？

結(jié)束語：今天這節(jié)課，讓我們對大氣環(huán)流運動有一個真切的感受和體會，我們既嘗試到了把書本知識運用到了生活中的快樂，也發(fā)現(xiàn)了許多書本上沒有提到的現(xiàn)象與問題。大氣運動的動態(tài)變化、不同尺度和不確定性，讓它變得十分復(fù)雜，好在我們?nèi)祟愑辛爽F(xiàn)代信息技術(shù)，利用技術(shù)，我們不但可以觀察這個世界，還能運用我們的智慧，不斷發(fā)問與思考。

四、教學(xué)反思與體會

借助于Meteosphere軟件，給學(xué)生帶來了真實世界的大氣運動圖象，除對學(xué)生產(chǎn)生強烈震撼之外，也激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣和探索世界的好奇心。在對大氣運動的運動性、復(fù)雜性有了直觀感受的同時，也發(fā)現(xiàn)教材中所講的一些知識的有用性。

對于緯向環(huán)流的認(rèn)識，并不像我們想象的那么難。同學(xué)們因為能夠直接觀察到現(xiàn)象，都認(rèn)同確實存在著經(jīng)向與緯向疊加的大氣環(huán)流。雖然修正后的大氣環(huán)流模式在他們頭腦中的印象不一定深刻，但他們還是很喜歡這種對書本和傳統(tǒng)理論質(zhì)疑的教學(xué)方式。

必須承認(rèn)，這節(jié)課的教學(xué)環(huán)境在一般學(xué)校是難以實現(xiàn)的。其實，只要一臺iPad，教師也是可以在普通的多媒體投影儀上投射出這些資源。也可以通過錄屏方式，事先將這些動畫錄制下來，存放到學(xué)生的其它學(xué)習(xí)終端上，效果也是不錯的。

最后，需要說明的一點是，這節(jié)課是在學(xué)生學(xué)完整個大氣運動這一部分進(jìn)行的，學(xué)生具有一定的知識基礎(chǔ)，而且為重點中學(xué)的優(yōu)秀學(xué)生，能較好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)和教學(xué)要求。但經(jīng)驗也告訴我們，就算是平時上課，就算是沒有基礎(chǔ)的學(xué)生，如果教師能大膽嘗試，努力創(chuàng)新，還是能探索出多種符合學(xué)生認(rèn)知、體現(xiàn)時代要求的課例形式。

[1] 陳微勇.“大氣三圈環(huán)流”四步教學(xué)法[J]. 成都教育學(xué)院學(xué)報,2001,(1)：57.

[2] 陳振權(quán),夏云.巧用三個假設(shè)講清大氣環(huán)流[J].地理教學(xué),2010,(22)：27-28.

（責(zé)任編校：周維國）