基于Earth Nullschool地理教學資源開發策略

張海 何衡（通訊作者） 四川省成都市郫都區綿實外國語學校

2003年教育部將地理信息技術納入到高中地理課程標準[1]，2017年新課程標準提出高中地理的四大核心素養，而核心素養的培養更是需要依托于一定的技術和工具。因此，高中地理教師開始不斷探討將Google Earth、虛擬星相儀、Meteo Earth、Locaspace Viewer等地理信息技術與地理教學進行融合和開發，并運用于教學，服務于教學。[2-3]本文初步探討了目前研究較少的Earth Nullschool這一信息技術在地理教學中的資源開發策略和注意事項。

● Earth Nullschool簡介

Earth Nullschool，又名全球天氣可視化模擬網，網站簡潔，畫面精美，主要應用于全球海洋、大氣、化學污染物等數據的模擬可視化。其數據具有及時性、更新周期短等特征，可以實時動態地了解全球天氣的變化。

Earth Nullschool主要由兩部分組成，即位于網站左下角的操作界面（如圖1）和主要的展示界面（如圖2）。Earth Nullschool的部分功能及應用如下頁表所示。

圖1 Earth Nullschool操作界面

圖2 展示界面

● Earth Nullschool地理教學資源的特點

1.時空性

時空概念一直為地理教學的主體思想之一，地理事物是在時間和空間兩個維度中不斷演變的。Earth Nullschool的數據更新快，大氣信息每3小時更新一次，洋流數據以5天一次的頻率更新，用戶可以根據自身需求選擇日期，并且以3小時為單位進行時間調整。此外，可以通過點擊地球上任何地方和拖動地球來得到所點擊地的數據[4]，以此進行區域間的對比分析，培養學生的地理思維。

2.針對性

Earth Nullschool，中文名全球天氣可視化模擬網，通過中文名可以看出，該軟件主要致力于將天氣數據進行可視化處理，除此之外，海洋信息的可視化處理也是很有教學價值的，因此其在高中地理的運用中主體明確，包括“地球上的大氣”和“大規模的海水運動”。

Earth Nullschool的部分功能介紹及應用

3.直觀性

無論是大氣的運動還是海水的運動均較為抽象，平時的觀測中大部分數據也往往是以數字的形式呈現，而Earth Nullschool是在觀測數據的基礎上將其可視化，讓用戶能夠直觀明了地看到這些數據所代表的地理事物，以便于學習和掌握其中的規律。

4.動態性

物質是運動變化的，地理事物也是在不斷地發展變化，Earth Nullschool在時空性的基礎上演變出其動態性，用戶可根據自己的需求調整時間和空間，得到地理事物橫向和縱向的動態變化規律，以發展的視角看待問題。

5.交互性

Earth Nullschool含有大氣、海洋、化學污染物、溫度、風、相對濕度等要素，可從8個不同的投影效果中來觀察地球上以上要素的整體變化。用戶在運用時可以根據不同用途進行交互式操作，快速獲取需要的數據和圖像。

● Earth Nullschool開發的基本原則與方法

1.基本原則

①突出學生主體地位；②結合課標，服務于教學，明確主次；③注重過程性探索，有針對性開發；④分層教學。

2.基本方法

①新課導入，激發學生學習興趣。Earth Nullschool畫面精美，視角廣闊，能為學生帶來強烈的視覺沖擊感，且所展示的信息與課堂關聯度強，為形成一堂流暢的、“一鏡到底”的課堂提供了可能。

②新課授予，直觀了解地理事物。Earth Nullschool可將天氣和海洋的數據進行可視化處理，以圖像的形式呈現出來，為學生解決問題提供便利，避免了教學過程中學生憑借抽象思考進行理解運用的困境。

③活動探究，以動態變化分析事物規律。Earth Nullschool的動態性和時空性，讓其可以動態展示事物的變化過程，也可以通過區域的對比，給出不同空間上的差異，構建出課堂所需的活動情境，讓學生能夠發現問題自主探究。

④知識總結，鞏固課堂內容。引導學生利用Earth Nullschool的圖像從中找到學習的地理事物并結合學習的原理，進行復習和總結，并驗證自己學習的內容是否正確。教師也可在課后，利用Earth Nullschool進行總結，引導學生進行知識點梳理記憶。

●“鋒與天氣”案例開發運用

根據相對溫度的差異，可將氣團分為冷氣團和暖氣團。暖氣團氣溫高、氣壓低、密度小；冷氣團氣溫低、氣壓高、密度大。當冷暖氣團相遇時，暖氣團抬升，在冷氣團與暖氣團之間形成一個向冷氣團傾斜的交界面，即為鋒面，鋒面與地面的交線稱為鋒線，鋒面和鋒線組成鋒。根據冷、暖氣團勢力強弱，可將鋒分為冷鋒、暖鋒、準靜止鋒與錮囚鋒。錮囚鋒高中階段并不要求掌握，故本次只討論前三種鋒。

1.冷鋒

我國距離冬季風冷源地蒙古-西伯利亞較近，秋冬季節冷鋒過境現象在我國較為常見。本次冷鋒活動研究點的經緯度為31.61°N，108.37°E，該點位于陜西西安境內。

2021年11月5日，此時冷鋒尚未過境。該地區被暖氣團控制，氣溫為15.6℃（如下頁圖3），氣壓為1011hPa（如下頁圖4），云層中總水汽含量為0.026kg/m2（如下頁圖5），云層中水汽含量少，天氣較晴朗，此時鋒面雨帶位于研究區西北方。

圖3 冷鋒過境前氣溫分布

圖4 冷鋒過境前氣壓分布

圖5 冷鋒過境前云中總水量分布

11月6日，此時冷鋒正過境。研究地被冷鋒控制，氣溫為7.5℃（如圖6），氣壓為1031hPa（如圖7），云層中水汽含量為0.568kg/m2（如圖8）。此時云雨區主要位于鋒線后，即地面降水區域主要集中于冷鋒鋒后。在冷鋒控制下，研究地為云雨覆蓋區，出現陰雨天氣，并伴隨大風，風力達到28Km/h。鋒前為暖氣團控制，區域，局地出現陰雨天氣，可能由于暖氣流在北上時，流經高原山地，受地形阻擋，形成降水。

圖6 冷鋒過境時氣溫分布

圖7 冷鋒過境時氣壓分布

圖8 冷鋒過境時云中總水量分布

11月7日，此時鋒面雨帶移到我國南方地區及華北平原，該地被單一冷氣團控制，云層中水汽含量為0kg/m2，天氣晴朗（如圖9）。在冷氣團控制下氣溫較低，為2.6℃（如圖10），氣壓較過境前有顯著提升，達到1042hPa（如圖11）。由于北下的冷空氣強勁，風速較大，達到28Km/h，但較過境時有所降低。

圖10 冷鋒過境后氣溫分布

圖11 冷鋒過境后氣壓分布

將以上三天進行對比分析，冷鋒過境時冷氣團逐漸取代暖氣團，氣溫逐漸降低，氣壓逐漸升高，天氣經歷由在單一暖氣團控制下的晴朗，到冷鋒控制下的陰雨、大風，再到單一冷氣團控制下的晴朗這樣的變化過程。

為了使教學更貼近生活，教師在教授該部分知識時，可以近期的一次降溫天氣作為例子，將學生以4～6人為單位分成若干小組。給定具體地點，讓學生以小組為單位，從不同專題圖中找出不同時間的氣溫、氣壓、降水等要素變化情況，并繪制成表格簡述冷鋒過境對天氣的影響，再進行課堂展示。同時，也讓學生結合課本思考為何冷鋒控制下的降水區域主要集中于鋒后。

2.暖鋒

典型的暖鋒過境現象在我國并不常見，暖鋒的出現大多伴以鋒面氣旋，其中尤以春秋季較多，出現地大多位于我國東北地區及江淮、華南一帶，夏季主要出現在黃河流域。

暖鋒過境所選研究點經緯度為25.03°N，112.96°E，該地位于湖南省莽山國家級自然保護區附近，研究時間為2021年4月17日至20日。

該地在4月17日受單一冷氣團控制，氣溫較低，為16.2℃（如圖12），氣壓較高，為1020hPa（如圖13），云層中水汽含量為0.287kg/m2（如上頁圖14），從圖9中可以看出，在單一冷空氣控制下，云層稀薄，云量較少，天氣較為晴朗。圖中研究區域南部，冷暖氣團交匯處并沒形成明顯的鋒面雨帶，可能是冷空氣南下距離太遠，勢力較弱，再者冷暖氣團并沒有正面交匯，暖空氣爬升不明顯，所以沒有形成明顯降水。

圖9 冷鋒過境后云中總水量分布

圖12 暖鋒過境時氣溫分布

圖13 暖鋒過境時氣壓分布

2021年4月18、19日，該地這兩日被暖鋒控制。從圖15中可以看出，18日氣溫為14.8℃，19日溫度為15.7℃。冷氣團逐漸被暖氣團替代，氣壓有所降低，18日氣壓為1017hPa，19日氣壓為1015hPa（如圖16）。從圖17中可以看出，該地這兩日被云層所籠罩，云層中水汽含量較高，降水強度大。這是由于此時暖氣團由海洋上吹來，水汽充足。

圖15 暖鋒過境時氣溫分布圖（左為18日，右為19日）

圖16 暖鋒過境時氣壓分布圖（左為18日，右為19日）

圖17 暖鋒過境時云中總水量分布圖（左為18日，右為19日）

至4月19日，氣溫快速回升，達到18.1℃。縱觀整個過境過程，氣溫的變化并不是逐漸上升。在暖鋒過境時，由于云層中水汽含量較多，云層較厚，降水強度較大，因此到達地面的太陽輻射較少，溫度較暖鋒過境前由單一冷氣團控制時有所降低。暖鋒過境后，該地被暖氣團控制，大氣穩定，天氣較晴朗，氣溫回升迅速。隨著暖氣團逐漸取代冷氣團，氣壓逐漸降低，達到1014hPa。

典型的暖鋒過境現象在我國并不常見，需要耗費一定的精力去尋找素材。教師在教授這部分知識時，可以參考冷鋒過境的授課方法，同時讓學生思考：為何在暖鋒控制下降水區域主要出現在鋒前？

此外，教師還可以引導學生將暖鋒與冷鋒進行對比分析，通過對比可以發現以下現象：①冷鋒過境時降水只持續了1天，而暖鋒過境時降水持續了2天；②暖鋒過境時降水區域的寬度要大于冷鋒過境；③冷鋒過境時降水強度小于暖鋒過境。

教師針對以上現象，結合簡圖向學生進行原理講解：①冷鋒過境時由于冷氣團勢力強勁，鋒面移動速度快，所以停留時間短；暖鋒過境時，暖氣團沿鋒面緩緩爬升，鋒面移動速讀較慢，停留時間較長。②冷鋒過境時暖氣團被迅速抬升，鋒面與地面所形成夾角較大，云雨區投影到地面的雨帶較窄；暖鋒過境時，暖氣團爬升速度慢，鋒面與地面所成夾角較小，云雨區投影到地面的雨帶較寬。③研究冷鋒所選時間為11月，此時正值我國秋季，我國雨季已經結束。暖空氣所處位置位于黃土高原，大氣中水汽含量較少，并不能形成高強度降水。

3.準靜止鋒

當冷暖氣團勢力相當，或者冷空氣在移動時受到地形阻擋時，所形成的鋒叫做準靜止鋒。準靜止鋒的鋒面并不是保持靜止，而是在某一地區來回擺動，停滯不前。影響我國的準靜止鋒主要有江淮準靜止鋒、昆明準靜止鋒、華南準靜止鋒、天山準靜止鋒四種，這里選取江淮準靜止鋒進行研究。

每年6月，副高北躍，同時推動暖空氣往北移動，在長江兩岸與南下的冷空氣相遇，二者勢力大致相當，鋒面在江淮地區來回擺動，持續時間達一月之久，此時正值梅子成熟時節，故稱“梅雨”季。

若副高勢力強，暖空氣在江淮地區停留時間較短，該地出現“少梅”“空梅”現象，若副高勢力較弱，北躍受到阻礙，轉而西伸，從而導致整個長江流域被雨帶控制，中下游易出現洪澇災害。

2021年長江中下游地區從6月17日左右進入梅雨季節，至7月14日出梅雨季，持續時間大致為一個月。教師在教授該部分知識時，可以給定當年梅雨季持續時間，讓學生逐日統計江淮地區被云層覆蓋日數。通過調查可以發現在準靜止鋒控制下，陰雨天氣出現的頻率較高。同時學生也會了解到梅雨季并不是持續不間斷地下雨，中間也會出現晴朗天氣。

● 開發應用Earth Nullschool的優勢與注意事項

Earth Nullschool地理教學資源的開發，利用其特性可以為地理教學帶來以下優勢：①突出學生的主體地位，增強學習興趣，培養識圖讀圖能力；②培養學生的時空觀念，有利于學生地理素養的形成；③利用動態變化的過程，加強學生對地理事物和地理規律的理解；④加強學生對大氣等地理事物的直觀了解，使抽象的知識形象化；⑤運用Earth Nullschool要素的全面性特征，加強對地理事物的整體性的理解，分析地理各要素之間的相互關系，也可針對性了解某一事物的變化；⑥該系統操作簡單，便于教師和學生的交互性運用，為教師使用新的教學方法提供可能。

但由于Earth Nullschool并非真正的地理教學輔助系統，在使用時還需注意一些問題：①不能舍本逐末，教學軟件應服務于教學內容，切忌全堂課都在使用軟件，而忽視了教學內容、知識點的課堂主體地位；②地理事物的發生具有時空特性，并非每天均要出現，這要求教師應用時要提前找好具有代表性的要素，防止臨時要素無法完美呈現需要的內容。