從科學角度來設計“熱力環流”一課

陳國祥（江蘇省前黃高級中學, 江蘇 常州 213161）

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從科學角度來設計“熱力環流”一課

陳國祥
（江蘇省前黃高級中學, 江蘇 常州 213161）

摘要：本文對常規的“熱力環流”教學設計提出了質疑，提出“氣壓和等壓面”是作為科學認識的方法，是培養高中生科學技能的重要內容。抓住這一本質，可重新開展“熱力環流”的教學設計。

關鍵詞：等壓面；熱力環流；科學角度

“熱力環流”是高中地理必修一的典型內容，筆者聽過許多課例，總有一種感覺，即常規設計的多，真正有突破性的少，為什么會出現這樣的情況呢？

一、現象與問題

很多課例都是以生活現象或實驗演示導入的，不管是空調、暖氣、孔明燈、熱氣球，還是冰塊熱水的演示實驗。其實，學生對于熱力環流的現象還是非常熟悉的，對由于冷熱產生的空氣垂直運動及環流的生成，也是非常容易接受的。也就是說，熱力環流這種運動環流，對于學生來講，非常簡單。不要說高中學生，估計初中生或小學生，如果有生活經驗或實驗演示，要想畫出下面的熱力環流示意圖（見圖1），應該是不成問題的。

圖1 熱力環流示意圖

既然如此，為什么地理一教，這個問題反而變得復雜了，一些學生反而變得不知道熱力環流是什么，也經常畫錯呢？是不是高中地理就不要教了呢？

二、質疑與原因

學生已經建立了冷熱與運動的關聯（特別是垂直運動），但這樣的認識是不是科學呢？有沒有什么問題呢？這是我們老師進行教學設計時要注意思考的問題。事實上，由于缺少了相關的科學概念，這樣的認識還有不少科學上的困難。

1. 冷熱無法進行準確測量。因為冷熱是一個相對的概念，而實際中只有“溫度”這一可測量的物理量。一個地方的溫度是20度，你不能判斷它是熱還是冷，必須知道另一個地點的溫度，有了比較，才有冷熱的判斷。當然，要想得出冷源與熱源，光有兩個點還不夠，你必須把所有點的溫度都測量出來，才能知道哪里是熱源，哪里是冷源。

2. 環流高度也無法確定。同樣的道理，你不知道這個環流有多高。到達什么高度，空氣才會從垂直運動變成水平運動，這也是你無法準確測量的。因為氣流的運動，不是云或水，是無法肉眼看到，也無法進行精準的選點來測量。

3. 熱力環流能不能進行逆推？這也是需要回答的問題。我們能不能根據氣流的運動，反過來推斷一個地方的冷熱呢？是不是空氣垂直上升的地方一定熱，空氣垂直下沉的地方一定冷？這也需要進行科學的論證才能證明的。

有了這些質疑，我們就會發現，僅僅根據我們現有的概念來研究熱力環流是不夠的，我們必須引入新的物理量，來對熱力環流進行精準的、科學的分析，這個物理量就是氣壓。

三、概念與解釋

初中生接觸過氣壓概念，知道氣壓是大氣的壓強，是單位面積上空氣柱的多少。但初中生對大氣壓的分布和變化是不太了解的。所以，高中地理在這部分增加了不同高度氣壓值變化和等壓面的知識內容，為學生的科學認識提供了概念工具。對于這個概念的解釋，需要注意以下幾點：

1. 不同高度，氣壓值的大小是變化的。近地面氣壓值大，高空氣壓值小。近地面到底有多大，大約是多少百帕，學生可能都忘了，只知道多少個大氣壓，對于百帕這個單位是陌生的。高空氣壓值變小，到底變得多小，學生也是沒數的。如果這時能舉些例子，告訴他們，多少高度，多少百帕，是不是能夠幫助他們理解呢？

2. 氣壓變化。氣壓變化，簡單地說就是單位面積上空氣分子的多少，通過垂直運動，不同高度的空氣分子是有變化的。所以，受熱的地區形成近地面空氣分子減少、高空增多的情況，而冷源的地區，近地面增多，高空減少。這樣一來，原來水平方向上的空氣密度差不多，但現在不同了，比同一水平面高的，形成高壓，比同一水平面低的，形成低壓。

3. 氣壓變化的表示。除了用具體的數值來表示每個點的氣壓外，我們還可以把相同氣壓值的點連起來，形成一個面，這個面叫等壓面。大家想想看，如果同一高度的點氣壓值相同，這個等壓面是什么樣子？如果各個點的氣壓值不同，會形成一個怎樣的等壓面呢？如果有凹凸，那么凹的地方是什么壓，凸的地方是什么壓呢？

4. 用氣壓的高低來解釋空氣的水平運動。水平面上的空氣運動，總是從高壓吹向低壓，這就叫風。

通過氣壓這個概念，就可以總結熱力環流的成因。表面來看，形成風的直接原因是氣壓差異，根本原因是冷熱不均。在這部分講解時，主要幫助學生建構如下的認識模式（見圖2）。

圖2 熱力環流認識模式

四、科學與認識

了解了氣壓的概念及性質，就讓學生掌握到科學分析空氣運動的工具。因為在現實的氣象研究中，我們每天都在測量各個地方的氣壓，都在繪制不同高度的等壓線與等壓面。如何根據等壓面來推導氣流的運動，這才是科學的分析方法。準備一張等壓面圖（有三個地點的圖），讓學生反過來分析這個地方的空氣流動，并總結方法。

1. 等壓面凸的，為高壓；等壓面凹的，為低壓。

2. 水平方向：氣流由高壓指向低壓。

3. 垂直方向：根據氣壓形成原因，氣流由凹處指向凸處。

4. 判斷冷熱：近地面下凹處為熱源，近地面上凸處為冷源。條件：只考慮熱力原因的情況下。

五、設計意圖

這樣的設計旨在體現科學分析方法的培養。空氣是一種流體，流體的運動應該有不同于固體的地方。對于流體運動的分析，不能僅僅從受力或冷熱角度進行簡單分析，而應該強調場域概念的建立，強調流體與周圍的事物構建一個場域。流體個體的運動看似沒有規律，但處于場域中，它就存在著規律。所以，流體的運動規律必須從場域角度來分析。

對于熱力環流來講，這個場域就是等壓面。讓學生能通過等壓面，來分析流體的運動，這才是一種科學的、實證的方法。因為氣壓是可以測量的，等壓面是可以繪制的，由此是可以推導出大氣運動的。而由冷熱不均推演形成的大氣環流運動，雖然容易理解，但在實際科學研究中不能測量，不能定量分析，因此是一種思辨式的認識，并不是一種科學的分析。

（責任編校：方琦）