熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)與應(yīng)用

●黑龍江綏化市第七中學(xué) 翟清明

熱力環(huán)流的原理作為高中階段地理學(xué)科重要的理論性知識，對于理解氣壓帶和風(fēng)帶，以及常見天氣系統(tǒng)的形成與影響具有重要作用。但是熱力環(huán)流的原理相對較為抽象，而且課堂教學(xué)較為枯燥乏味，導(dǎo)致學(xué)生對原理掌握得不透徹，理解不夠全面。基于該原理的重要性及學(xué)生學(xué)情的現(xiàn)實(shí)狀況，為了更好地提高學(xué)生綜合素養(yǎng)與能力，也為更加科學(xué)有效并快捷地完成熱力環(huán)流的實(shí)驗(yàn)，地理教具的創(chuàng)造性設(shè)計與制作便具有關(guān)鍵性意義。

一、傳統(tǒng)熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)教具常見問題

傳統(tǒng)熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)通常采用玻璃箱或者塑料箱作為外罩材料，箱體左右兩側(cè)分別放置熱水和冰塊模擬受熱不均的地面，并在冰塊上方的玻璃箱小孔處投放煙霧。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計在日常的課堂教學(xué)中常會出現(xiàn)這些問題：水汽蒸發(fā)會在玻璃上凝結(jié)，從而影響觀察效果；可能因?yàn)椴ＡХ垂鈱?dǎo)致箱體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在某些角度觀察不到；多數(shù)玻璃箱的空間較大使得煙霧流動方向比較混亂，根本看不見環(huán)流現(xiàn)象。鑒于以上問題，筆者在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中將熱力環(huán)流形成過程中的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行分段式實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計與制作，并逐步完成熱力環(huán)流原理的分析。

二、空氣垂直運(yùn)動實(shí)驗(yàn)教具制作與使用

1.1號實(shí)驗(yàn)教具制作與使用。

準(zhǔn)備材料 細(xì)鐵管、塑料袋(50cm×30cm×30cm)、酒精(95%)、鐵盒、濕抹布(實(shí)驗(yàn)結(jié)束時用于撲滅酒精)、打火機(jī)、曲別針(4枚)。

主體教具的制作 用細(xì)鐵管制作成立方體支架(100cm×25cm×25cm)；將曲別針均勻地固定在塑料袋的袋口(安裝曲別針可有效提高塑料袋的飛升高度和穩(wěn)定性)。

教具使用 將塑料袋的袋口朝下套放在支架上，并將盛有酒精的鐵盒放置在塑料袋的正下方(酒精投入量要適當(dāng)以免火勢過大)，塑料袋與鐵盒之間保證安全距離，然后用打火機(jī)將酒精點(diǎn)燃。所有操作結(jié)束教師可以提示：觀察塑料袋的變化以及垂直方向上的運(yùn)動方向。

實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計意義 用點(diǎn)燃酒精后的鐵盒模擬受熱較多的地面，通過鐵盒上方塑料袋膨脹上升這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證實(shí)受熱較多地面上方空氣體積變化和垂直運(yùn)動方向。與傳統(tǒng)熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)相比，改進(jìn)后的教具可提高實(shí)驗(yàn)效果，而且受外界環(huán)境的影響較小。塑料袋的迅速上升充分調(diào)動了學(xué)生參與課堂學(xué)習(xí)的積極性和主動性，并且，學(xué)生結(jié)合觀察的現(xiàn)象也利于對熱力環(huán)流原理的理解。

2.2號實(shí)驗(yàn)教具制作與使用。

準(zhǔn)備材料 2000毫升礦泉水瓶(4個)、2條毛巾(1條紅色、1條綠色)、大夾子(2個)、圓形環(huán)狀強(qiáng)磁鐵(6枚)、橡膠塞(4個)、打火機(jī)、有煙香。

主體教具制作 將礦泉水瓶的瓶底剪掉，取兩個剪去瓶底的瓶子，其中一個瓶口朝上而另外一個瓶口朝下，將兩者去除瓶底的位置對接，在對接處用透明膠密封以防漏氣，并將強(qiáng)磁鐵粘貼在對接處(方便使用實(shí)驗(yàn)教具演示過程中將瓶子快速固定在黑板上)。以上述的方法制作兩個塑料瓶教具。

教具使用 將兩個塑料瓶教具通過強(qiáng)磁鐵豎直粘貼在黑板上，并將塑料瓶的上方瓶口用橡膠塞封閉，然后將有煙香點(diǎn)燃，從下方瓶口同時向兩個瓶中注入煙霧，待瓶中注滿煙霧后將下方瓶口用橡膠塞封閉，利用夾子將冷熱兩條毛巾(綠色為冷毛巾、紅色為熱毛巾)分別包裹在兩個裝滿煙霧的瓶子外部，靜置1分鐘左右，然后迅速將四個瓶塞同時拔掉，提示學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計意義 改進(jìn)后的教具不僅便于實(shí)驗(yàn)操作，而且實(shí)驗(yàn)效果極為顯著。通過兩組教具對比實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證相對較冷空氣的下沉運(yùn)動，同時也可觀察到相對較熱空氣的上升運(yùn)動。本實(shí)驗(yàn)利于學(xué)生對比性思維的提升。實(shí)驗(yàn)教具的制作材料取用方便，并且充分利用廢舊資源，同時不易受外界環(huán)境干擾和影響，大大提高實(shí)驗(yàn)成功率。

三、空氣水平運(yùn)動實(shí)驗(yàn)教具的制作與使用

準(zhǔn)備材料 厚玻璃、透明膠、黑色卡紙、強(qiáng)光手電、燒杯、酒精燈、魚線、白色薄紙條、打火機(jī)、冰塊等。

實(shí)驗(yàn)箱體制作 將玻璃進(jìn)行裁切并用透明膠粘合制作成玻璃箱，玻璃箱的尺寸為90cm×60cm×20cm；玻璃箱的90cm×60cm×20cm一個面不用透明膠粘合，該面作為實(shí)驗(yàn)箱上部；在玻璃箱的90cm×60cm的一側(cè)粘上黑色卡紙作為實(shí)驗(yàn)箱背面；截取兩條90cm的漁線，并在漁線中部粘貼好紙條(保證紙條在強(qiáng)氣流的作用下可以飄動)，制作好的兩條漁線的兩端分別固定在箱體內(nèi)部60cm×20cm的兩個面上，其中一條固定在玻璃箱上方，另外一條固定在玻璃箱下方。

教具使用 在玻璃箱底部的左右兩側(cè)分別放置酒精燈和燒杯(裝有冰塊)，點(diǎn)燃酒精燈后封閉實(shí)驗(yàn)箱上部，再于玻璃箱的60cm×20cm一側(cè)用強(qiáng)光手電投入光線。教師提示：觀察實(shí)驗(yàn)箱上方和下方紙條的飄動方向，憑此判斷箱體內(nèi)水平方向上空氣運(yùn)動方向。

實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計意義 通過該教具的應(yīng)用有效地完成了實(shí)驗(yàn)活動，很好地達(dá)成了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

四、實(shí)驗(yàn)教具在教學(xué)中應(yīng)用建議

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教具已經(jīng)在公開教學(xué)中進(jìn)行過多次演示，均呈現(xiàn)良好的實(shí)驗(yàn)效果，但有些細(xì)節(jié)需要注意：1號實(shí)驗(yàn)教具使用前需要準(zhǔn)備好濕抹布，以備在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將小鐵盒蓋住，有效地將實(shí)驗(yàn)用火熄滅，同時盡量提前準(zhǔn)備好簡易水基型滅火器，以防因酒精灑落造成意外起火；三個實(shí)驗(yàn)教具雖屬于同一個實(shí)驗(yàn)活動，但因教具的組成材料數(shù)量較多而且零散，教師在課堂準(zhǔn)備時一定要將實(shí)驗(yàn)教具分類別放置好，以防在演示過程中出現(xiàn)找不到教具的現(xiàn)象。

若利用此套教具進(jìn)行教學(xué)，教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時可以提前提供空白熱力環(huán)流的示意圖，在逐步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示的同時要求學(xué)生用箭頭逐一畫出垂直和水平方向上氣流的運(yùn)動方向，從而加深學(xué)生對原理的有效認(rèn)知。在使用1號實(shí)驗(yàn)教具和2號實(shí)驗(yàn)教具探究完垂直方向上空氣運(yùn)動方向后，可以通過物理學(xué)中密度變化與水平氣壓的關(guān)系分析熱力環(huán)流示意圖中水平方向上氣壓的高低。

五、實(shí)驗(yàn)教具制作與應(yīng)用反思

本套熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)教具將傳統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)活動分解為三個不同的小型實(shí)驗(yàn)。第一，點(diǎn)燃小鐵盒中的酒精后觀察其上方塑料袋變化與運(yùn)動方向，從而探知受熱較多的地面上方空氣的變化；第二，通過觀察上下開口塑料瓶中煙霧的運(yùn)動方向，進(jìn)而探求受熱較少的地面上方空氣垂直方向上運(yùn)動方向；第三，通過觀察玻璃箱內(nèi)上方和下方紙條飄動方向，探索了近地面和高空水平方向上的空氣運(yùn)動方向。通過熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)教具的創(chuàng)新與改進(jìn)，在一定程度上促進(jìn)了學(xué)生對原理的高效掌握，但是本套教具在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)了需要調(diào)整之處。1號實(shí)驗(yàn)教具可以讓學(xué)生感知到空氣受熱后垂直方向上的運(yùn)動方向和體積的變化，而2號教具卻覺察不到空氣因溫度的降低所出現(xiàn)空氣體積的變化。

學(xué)生的成長需要時間，教師的進(jìn)步與發(fā)展也需要時間，教具的改進(jìn)與不斷完善同樣需要時間。所以，教師在教學(xué)工作中需要求實(shí)的工作態(tài)度，并且尊重事物發(fā)展的客觀規(guī)律，不能急于求成。作為一線地理教師，應(yīng)該不斷對所用教具進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，用基于客觀規(guī)律的教具提升學(xué)生自身素養(yǎng)，用在課堂中發(fā)現(xiàn)的問題推動教師研究能力的提高。只有這樣，地理教師才能創(chuàng)造出更多具有實(shí)踐意義的地理教具。