“探秘地球的大氣”單元主題學習活動

孟凡旺 李安強 許貝貝

摘 要：新課程標準下的單元主題學習過程中，學習活動的設計側重于創設問題情境、設計探索性學習任務群和表現性評價系統。本單元圍繞核心任務“探究災害性天氣形成機理，幫助人們防災減災”，設計有層次性的任務進行導引，循序漸進，讓學生在完成任務的過程中，充分交流、體驗、感悟，將學習活動引入更深層次，最終以學習超市的形式呈現學習成果。

關鍵詞：核心任務;學習情境;表現性評價

一、單元概述

本單元是在高一學段學習了“宇宙中的地球”之后，第一個自然地理要素的內容，需要以認識自然地理要素及其與人類活動的關系為線索組織內容。因此，學習活動的設計側重于創設問題情境、設計探索性學習任務群和表現性評價系統。本單元預計4課時。期間將通過精心設計的任務導引，循序漸進，讓學生在完成任務的過程中，充分交流、體驗、感悟，將學習活動引入更深層次。

由于大氣無色無味，學生很難進行觀察，而信息技術具有精確性、實時性、全天候等優勢，可以將看不到的大氣運動、天氣現象等顯性化，因此，教師可以借助信息技術和地理模擬實驗幫助學生進一步理解大氣的一些機理，為項目的完成提供信息支持。整個完成過程中，運用項目式學習的方式，以跨模塊的項目情境為載體，綜合運用地理、信息技術、影視、模擬實驗等方式，融入學科核心知識，創造性地完成項目任務，形成項目作品——探秘災害性天氣的背后機理，幫助人們防災減災。

1.學習目標

借助網絡、視頻和App等搜集資源，學習地球上的大氣組成、大氣分層、大氣受熱過程、大氣運動等相關知識;繪制大氣垂直分層圖、風向圖等;分析熱力環流、大氣水平運動、全球氣候變暖的形成機制;探究全球氣候變暖背景下極端天氣的成因及影響;制定合理的應對措施;有助于提升人地協調觀、綜合思維、地理實踐力、科學探究能力和社會責任感。

2.項目介紹

（1）項目主題。教師將學科知識與生活實際相聯系，提高學生的學科興趣。教師將地理核心知識“大氣的基本知識和原理”與其生活應用相聯系，結合今年南方災害性天氣頻發事件，探秘災害性天氣背后的機理，幫助人們防災減災，培養學生責任擔當、人地和諧的意識和觀念。

（2）項目作品——以終為始。此項目中，學生需要完成的作品是災害性天氣的研究報告，內容包括大氣的組成、受熱過程、熱力環流、天氣現象等主題研究成果的圖片和文字。學生在確定主題目標的研究中，發現規律、提出問題、解決問題。這些問題涉及的學科內容非常符合地理課程標準的要求（圖1）。

（3）項目活動。學生以團隊的形式，完整地經歷情境任務、分解任務、規劃方案、解決任務、成果展示交流和評價改進各階段。

3.設計思路與學習活動

設計思路與學習活動流程如圖2所示。

二、實施過程

1.前期準備

探秘災害性天氣項目具有綜合性、復雜性、實踐性、開放性、體驗性的特點，需要學生利用電子設備和網絡查找資源，進行地理模擬實驗等。為培養學生的規則意識，發展利用信息技術查找、篩選信息，并進行安全、高效學習的信息素養，教師可以明確地理課堂電子設備及網絡使用規范，并簽訂使用協議（圖3）。

2.情境任務

教師準備2020年6～8月我國南方水災的新聞、視頻資料、《后天》電影，展示不同區域、不同時間發生的氣象災害，激發學生探究興趣。

引導學生確定項目任務和驅動問題——如何探秘災害性天氣背后的機理？

引導學生選擇感興趣的主題，并根據主題進行分組。主題一致，有助于學生以積極態度投入探究活動中，在團隊合作與交流中解決探索任務。

3.任務分解與方案規劃

頭腦風暴——引導學生思考解決該驅動性問題，需要解決哪些子任務（圖4）。指導學生對分解的任務進行修改，達成任務預設。引導學生對任務的完成進行規劃，初步填寫分工計劃表（表1）。

任務1. 探秘全球氣候變暖的形成機制

【學習目標】通過搜索網絡資源、研究教材，深入學習地球上的大氣組成、大氣分層和大氣受熱過程的相關知識，分析全球氣候變暖的形成機制。從個人、社會和政府等不同角度為應對全球氣候變暖提出可行建議。有助于提升綜合思維、探究能力、人地協調觀和社會責任感。

【學習評測】嘗試用大氣受熱過程示意圖，揭示全球氣候變暖的形成機理，對于氣候變暖能提出改進建議并說明原理。

【課時安排】2 課時。

【學習過程】

環節一：自主學習（搜集數據，閱讀資料）。

教師組織

學生利用網絡資源，界定全球氣候變暖的內涵，列舉生活中常見的氣候變暖的實例，明確全球氣候變暖是由于人類活動改變了大氣的組成，并能相應地找到解決問題的思路和查閱相關知識。

本節課學生以小組為單位，查閱研究地球大氣層的垂直結構，并思考從高空到地面的氣溫如何變化？為什么會有這樣的變化？不同位置有哪些大氣現象或地理事物？地球大氣層有哪些組成成分？大氣又是怎么分層的？各層有什么特點？與月球上的晝夜變化有何不同？體現了怎樣的地理過程？用地圖表示地球大氣分層，結合通過網絡查閱的資料推測地球和月球晝夜溫度差異較大的地理原理。

請學生嘗試用圖形將地球大氣分層、大氣受熱過程和大氣對地面的保溫效應的相關內容表示出來，至少繪制 3張相關圖像，并確定主題。

學生活動

深入學習必備知識：帶著問題深入學習相關內容，可以查閱課本以外的知識，并利用教師提供的大氣流場模擬在線平臺二維碼，在觀察、思考、討論的基礎上，結合表2確定任務，將找到的必備知識信息和確定的主題填在表 2的適當位置。

環節二：利用網絡資源找到微視頻，觀看大氣受熱過程視頻，并完成大氣受熱過程的示意圖，通過小組交流，完善作品。班級內展示圖形并說出各層大氣的特點和大氣受熱過程的原理。

[學生活動]利用網絡資源，查找能演示大氣流動模擬簡單快捷的軟件和App，并掌握所需的基本功能和使用方法。

[教師活動]教師根據學生查找情況，提供易于操作的軟件，如電腦版在線軟件“MeteoEarth”。防止信息工具的功能過度使用，導致喧賓奪主、本末倒置。

環節三：搜集相關數據，運用示意圖，說明全球氣候變暖的原因和對策，形成文字資料，進行班級展示。

整個活動過程如圖5所示。

拓展資源

大氣的受熱過程。太陽輻射到達地面，地面吸收太陽短波輻射增溫。地面放出長波輻射，大氣中的 CO2和水汽強烈吸收地面的長波輻射而增溫。大氣逆輻射對地面熱量進行補償，起保溫作用。

大氣對太陽輻射的削弱作用。吸收作用：具有選擇性， 水汽和二氧化碳吸收紅外線，臭氧吸收紫外線，對于可見光部分吸收比較少。反射作用：無選擇性，云層、塵埃越多，反射作用越強。如多云的白天溫度不太高。散射作用： 具有選擇性，波長較短的藍紫光易被散射，如晴朗的天空呈蔚藍色等。

大氣對地面的保溫效應。大氣吸收地面長波輻射的同時，又以輻射的方式向外放射能量。大氣這種向外放射能量的方式，稱為大氣輻射。由于大氣本身的溫度也低，放射的輻射能的波長較長，故也稱為大氣長波輻射。大氣輻射的方向既有向上的，也有向下的。大氣輻射中向下的那一部分，剛好和地面輻射的方向相反，所以稱為大氣逆輻射。大氣逆輻射是地面獲得熱量的重要來源。由于大氣逆輻射的存在， 使地面實際損失的熱量比地面以長波輻射放出的熱量少一些，大氣的這種保溫作用稱為大氣的溫室效應。大氣的保溫作用使近地表的氣溫提高了約 18℃。月球則因為沒有像地球這樣的大氣，致使表面的溫度晝夜變化劇烈，白天表面溫度可達 127℃，夜間可降至-183℃。

【作品1】嘗試將“拓展資源”的內容用圖像呈現，比一比誰畫得最形象。

任務2.設計熱力環流的模擬實驗

【學習目標】通過探究海陸風的形成過程，繪制大氣風向圖，能靈活運用熱力環流的基本原理，習得研究方法，尋找身邊實例應用，有利于綜合思維、地理實踐力和科學探究能力的提高。

【學習評測】設計并觀察實驗，描述熱力環流原理，解釋生活中的大氣運動現象。

【課時安排】1 課時。

【學習過程】

環節一：自主學習（觀察、描述實驗現象）。

[學生活動]利用各個學科知識完成模擬實驗的設計，并將研究的成果以地理模擬實驗的形式呈現。

[教師活動]引導學生選擇實驗器材，設計實驗步驟，讓學生自己查閱、利用信息技術在理解的基礎上完成這個設計。

教師組織

本節課通過設計實驗，理解熱力環流原理和形成過程。通過個人研究、小組活動，探究某海濱城市（如青島）的季風、海陸風的形成過程，繪制熱力環流和大氣風向圖。

因為需要某沿海城市（如青島）的氣溫、主導風向、晝夜風向，實時天氣云圖和氣場圖等資料，所以需要借助網絡獲取足夠的信息。通過數據信息和圖片的解讀，繪制該城市該季節的風向圖，分析該城市沿海的晝夜風向差異及原因。借助天氣云圖和氣場圖等資料，繪制近地面和高空風向圖，說明大氣運動規律。

引導學生認真研究教材基礎知識，設計模擬實驗，模擬熱力環流的形成過程，并完成探究問題。

學生活動

深入學習必備知識：深入學習相關內容，獲取課本以外的知識，并利用271BAY資源和教師提供的App（windy.com和大氣流場模擬），進行觀察、分析、思考和討論，結合表3，確定核心任務，找到必備知識和確定的主題填在表 3適當位置。

環節二：完成熱力環流的模擬實驗演示，探究總結實驗原理。

教師組織

督促學生以組為單位設計小組熱力環流模擬實驗。引導學生準備實驗器材、設計表格、完成實驗，并根據觀察到的現象總結熱力環流的形成。

迷你小實驗

材料準備：長方形的玻璃缸（長 100 厘米左右，寬 30 厘米左右，高 40 厘米左右）、膠合板或塑料薄膜、一盆熱水、一盆冰塊、一束香、火柴等。

實驗步驟：①將一盆熱水和一盆冰塊分別放置在玻璃缸的兩端，并在中間放置一塊隔板（注意上下留出寬5厘米左右的縫隙）;②用平整的膠合板或塑料薄膜將玻璃缸上部開口處蓋嚴;③在膠合板或塑料薄膜的一側（裝熱水的盆上方）開一個小洞;④將一束香點燃，放進小洞內（圖6）。

觀察煙霧運動方向，描述空氣運動狀況。

學生活動

通過設計并演示實驗，加深對熱力環流原理的理解。完成對模擬實驗的總結，繪制該城市季風風向，并說明形成過程。其他小組進行評價和完善。

登錄App（windy.com和大氣流場模擬），找到相關的實時天氣云圖和氣場圖（圖7）。

繪制近地面、高空風向，注意歸納繪制過程中的步驟和方法，總結規律。將繪制的圖形進行組內交流，重點交流圖形繪制是否準確，步驟、方法是否完整有序。

【任務檢查】圖8為北半球近地面等壓線圖，在圖8中畫出甲乙兩地風向，并比較風力大小。

本節核心內容為大氣熱力環流的形成及案例、風的形成與風向的繪制。請找出它們之間的關系，并繪制結構圖。

拓展資源

逆溫現象的成因及影響。在對流層中，氣溫隨海拔的升高而降低，大約海拔每升高100米，氣溫降低0.6℃，但此種氣溫的梯度變化并非固定不變。實際上，有時可能出現溫度隨高度上升而增高的現象，導致空氣“頭重腳輕”，氣象學上稱為逆溫。

輻射逆溫。逆溫形成的因素很多，根據其成因可分為輻射逆溫、地形逆溫和鋒面逆溫等。輻射逆溫由于地面輻射強烈冷卻，近地面層氣溫迅速下降，而高處大氣層降溫較少，從而出現上暖下冷的逆溫現象。圖9表明了這種輻射逆溫的生消過程。表4為地形逆溫和鋒面逆溫的成因。

任務3.探究災害性天氣機理，做好防災減災預案

【學習目標】通過觀看《后天》等視頻資料，或搜集全球氣候變暖背景下的極端天氣事件，展示極端天氣給人類帶來的災害。小組探究災害成因及影響，制定合理的應對措施。有利于人地協調觀、綜合思維、地理實踐力和科學探究能力的提高。

【學習評測】簡要分析某一自然災害成因及影響，科學合理地制定避災、減災措施，并制作一期板報，進行班內展示。

【課時安排】1 課時。

【學習過程】

環節一：自主學習（觀察視頻或搜集資料）。

教師組織

生活中經歷了多種氣象災害，如洪澇、干旱、寒潮、臺風等。同學們可以結合老師提供的視頻資料，或搜集全球氣候變暖背景下的極端天氣事件，來理解極端天氣給人類帶來的災害。

視頻《后天》主要講述了溫室效應造成地球氣候異變，引起冰山融化，地球進入第二冰河期，龍卷風、海嘯、地震在全球肆虐，整個紐約陷入冰河包圍中的故事。從相關性角度，分析極端天氣與全球氣候變暖的關聯性，并搜集資料，說出應對氣象災害應采取的措施。

學生活動

深入學習相關內容，獲取課本以外的知識，并利用271BAY資源和提供的App，搜集全球氣候變暖背景下極端天氣的相關資料，進行觀察、分析、思考和討論。結合表5，確定核心任務，找到必備知識和確定的主題填在表5適當的位置。

環節二：探究該氣象災害的形成原因和影響。

教師組織

請學生借助271BAY資源和教師提供的App，搜集多樣的資源。研究相關資料，明確某一氣象災害的形成原因和影響。如臺風形成的位置、移動的路徑和影響的范圍，旱災發生的時間、區域以及與降水量變化、自然環境變化的關系等;發現該氣象災害的發生與全球氣候變暖的關聯性。尤其是發現該氣象災害發生的頻次、影響的范圍、造成的損失等方面的趨勢與全球氣候變化的關系。

各類氣象災害有利有弊。如臺風會帶來狂風、特大暴雨、風暴潮災害，造成暴雨成災、城市內澇、海堤潰堤等。臺風帶來降水，在一定程度上緩解了長江中下游地區的伏旱天氣。請客觀分析各類氣象災害的影響，從趨利避害的角度制定合理的措施。

學生活動

分析教師提供的資料，明確2019年中國氣象災害的基本概況。

進一步查閱資料，搜集某氣象災害的相關信息，明確該氣象災害的形成原因和影響范圍、危害等。小組探究該氣象災害的發生與全球氣候變暖的關聯性。結合資料，辯證地分析氣象災害的影響，注意提供資料支撐。

獨立思考，對不同氣象災害的發生機制，提出合理的措施。組內交流，形成完善的結論。

小組收集相關資料，做一期板報，至少應包含某種氣象災害的時空分布、影響和措施，應有足夠的文字、圖片資料支撐。

環節三：結合中國的旱災分布規律，制定合理的避災、減災措施。

迷你實踐如圖10所示。

請依據我國旱災的分布規律，繪制出我國旱災分布輪廓圖，創意立體圖例，黏貼在中國地圖上，完成獨特、直觀的“中國旱災分布立體實景圖”，并根據研究的旱災機理，提出針對性的措施建議。 ]

拓展資源

沙塵暴的形成與影響。沙塵暴是指強風把地面大量沙塵物質吹起并卷入空中，使空氣特別混濁，水平能見度小于1千米的嚴重風沙天氣現象。沙塵暴的形成需要三個條件：一是地面上的沙塵物質，它是形成沙塵暴的物質基礎;二是大風，這是沙塵暴形成的動力基礎，也是沙塵暴能夠長距離輸送的動力保證;三是不穩定的空氣狀態，這是重要的局地熱力條件。沙塵暴多發生于午后傍晚，說明了局地熱力條件的重要性。

沙塵暴帶來的沙塵一定程度上彌補了部分地區的土壤不足。沙塵氣溶膠含有鐵離子等有助于植物生長的成分。沙塵暴為部分海洋的浮游生物提供養分，如澳大利亞的赤色沙暴中所夾帶的大量鐵質已被證明是南極海洋浮游生物重要的營養來源，而浮游植物又可消耗大量的二氧化碳，減緩溫室效應的危害。

沙塵天氣過后的天空是最潔凈的。沙塵形成的氣溶膠里面鈣的含量較高，經常帶有一些堿性物質，沙塵對空氣中的氮氧化物、二氧化硫等物質有一定的中和作用，可以有效地減少沙塵沉降區的酸雨。

任務四：學習超市展示研究成果

【學習目標】分小組展示大氣分層、受熱過程、熱力環流、大氣運動和氣象災害防御的相關成果。小組探究各類大氣現象的成因，制定合理的防災、減災應對措施，有利于人地協調觀、綜合思維、地理實踐力和科學探究能力的提升。

【學習評測】展示研究成果，所有學生借助評價量規進行評價，借助展示交流情況，最后對成果進行修正和完善。

【課時安排】1 課時。

項目式學習是復雜、真實問題的探究過程，也是精心設計項目作品、規劃和實施項目任務的過程，在這個過程中，學生能夠掌握所需的知識和技能。因此，成果展示和交流還可以增加過程收獲和提升地理實踐力等核心素養。關于成果展示與交流的幾點建議如圖11所示。

三、單元評測

【設計意圖】試題情境創設圍繞全球氣候變化和熱力環流，為學生提供了圖形和實驗設備，旨在引導學生關注身邊的地理現象，掌握理論聯系實際的思路和研究自然科學客觀嚴謹的方法。

Ⅰ必做部分

1.閱讀圖文材料，完成下列要求。

濰坊某學校高一地理社團做了如圖13所示的實驗，具體步驟如下：①將一盆黃沙和一盆茂密的草皮分別放在長方形玻璃缸的兩端;②用保鮮膜把玻璃缸上部開口處蓋嚴;③將玻璃缸放置在室外太陽底下;④十幾分鐘后，將一束香點燃，插入玻璃缸內。

（1）請在圖14中用“→”繪出煙霧的飄動方向。

（2）若圖15中的虛線表示放置在室外之前玻璃缸內頂部和底部的等壓面，請用實線分別繪制形成上述熱力環流后玻璃缸內頂部和底部的等壓面。

（3）分析該實驗說明的地理原理。

2.讀“全球氣溫距平示意圖”（圖16），試從熱力環流的形成角度，分析全球氣候變暖對海陸風的影響。

3.讀某城市陽光房示意圖，回答下列問題。

隨著生活品質的提高，陽光房（復式樓的露臺、一樓的私人花園、樓房的頂層、別墅等的玻璃房）在城市中大受歡迎。陽光房（圖17）附建在房子一側，中間用一堵墻（帶門、窗或通風孔）將房子與陽光房隔開，通過合理的設計發揮陽光房的作用，讓時尚成為一種節能。

（1）一般將陽光房建在房屋南側的城市，大多位于哪個溫度帶？

（2）圖示陽光房的玻璃墻通風孔和共用墻通風孔一般在什么季節打開？

Ⅱ選做部分

4.閱讀材料，完成以下問題。

太陽輻射是驅使大氣運動的根本動力。太陽輻射因時因地而異，造就了變幻萬千的天氣現象。不同緯度地帶的太陽輻射存在差異，形成全球尺度的大氣環流，促使高低緯度之間、海陸之間的水熱輸送。

（1）假設地球沒有自轉、公轉、海陸差異、地形高低起伏等因素（即沒有地轉偏向力、摩擦力等），僅憑水平氣壓梯度力，在赤道與極地之間可形成“閉合環流”，成為單圈環流。請在圖18中繪制單圈環流圖。

（2）受太陽輻射在地球表面高低緯度的熱量分布不均和地轉偏向力影響所形成的環流圈，稱為三圈環流，它是大氣環流的理想模式。請在圖19中，根據近地面氣壓帶、風帶，繪制垂直方向和高空的大氣運動狀況。

參考答案：

Ⅰ必做部分

1.（1）順時針方向? ?（2）圖20? ?（3）該實驗說明：黃沙升溫快，草皮升溫慢;地面冷熱不均形成熱力環流。

2.從圖形看，全球氣溫呈現上升趨勢。由于全球氣候變暖，大陸增溫強于海洋，從而使得冬夏季海陸溫差出現變化。冬季，陸地氣溫低，海洋氣溫高;受全球氣候變暖的影響，海陸溫差變小，陸風減弱。夏季，陸地氣溫高，海洋氣溫低;受全球氣候變暖的影響，海陸溫差變大，海風增強。

3.（1）北溫帶 （2）夏季? ?冬季。

Ⅱ選做部分

4.（1）圖21

（2）圖22。

（論文排名不分先后，指導教師：程菊）