【大气地理】STEM课程案例 ——热力环流、高中地理之大气环境知识点整理

地理核心素养是最能体现地理学科价值的关键素养，对学生形成面向未来、实现终身发展的能力至关重要。结合STEM教育的相关理念，将“原始问题”“项目学习”的相关策略和方法引入课堂，可以更好地达成核心素养的发展目标。

STEM教育与项目学习
STEM教育强调学生在一个“杂乱无章”的学习情境中的设计能力和问题解决能力。STEM教育的兴起与项目学习相辅相成，STEM教育中“基于项目的学习”这一原则，对学生核心素养培育的策略、途径有很强的指导意义。围绕核心素养、核心知识、核心能力及核心观念，选择合适的原始问题，运用“项目学习”模式，经“课堂问题引入”“背景经验学习”“科学模型建构”“原始问题探究”“课后拓展提升”等环节开展地理教学，不仅可以更好地调动学生的学习兴趣，还可以提升其在真实情境中发现、提取和处理信息，以及解决问题的能力，有利于其地理核心素养的形成。
教学设计
1. 课堂问题引入
(1)师生活动
展示一组“切洋葱、辣眼睛”的照片（见图1），引起学生的兴趣；通过“他们怎么了”“你有什么妙招吗”等问题做铺垫，播放“在案板两侧点上蜡烛后，切洋葱就不辣眼睛了”的生活类电视节目视频片段；之后，点明本节课要研究的问题“点着的蜡烛如何改变了大气流动，从而阻止了气体酶的侵入呢”。

图1 切洋葱 辣眼睛
(2)设计意图
核心素养的培育不能凭空而来。直接以抽象习题导入很难激发学生的学习积极性，即便是参与了课堂研究的学生往往也仅是为了完成学习任务。以学生具备体验的生活场景为情境，提出具有实际意义的现实问题（原始问题），不仅体现了“地理实践力”关于“会用地理眼光认识和欣赏地理环境”“对地理探究活动充满兴趣与激情”“运用适当的地理工具完成既定的实践活动”的要求，而且落实了“学习对终身有用的地理、对生活有用的地理”的课程基本理念。
2. 背景经验学习
(1)师生活动（气压）
明确气压的概念后，通过“你知道有哪些物品或事情与气压有关吗”这一问题引导学生继续将知识学习与生活体验相结合；教师分享自己的生活案例（两张真空包装的薯片照片，照片中一包稍微有些瘪，另一包特别鼓，见图2），提问学生：“哪张是老师在无锡购买时拍的，哪张是老师到西宁（青藏高原）后拍的？为什么？”从学生的回答中提取规律：垂直方向上，海拔越高，气压越低；教师请学生读图，并根据规律判断“海拔不同的A、C两处，哪里气压更高？”。

图2 认识气压
(2)设计意图（气压）
要回答好“课堂问题引入”环节提出的问题，就必须要先指导学生学习、掌握大气相关的基础知识和原理（背景经验）。梳理“热力环流”形成的逻辑过程，可将“背景经验”分为“认识气压”“大气垂直运动”和“大气水平运动”等三个部分。
在处理“气压”这种难以捉摸、无法看见，却又无处不在的地理现象时，应化抽象为具象，让学生自己发散思维，去寻找生活中的案例，如“钢笔吸墨水”“吸盘吸在光滑墙壁上”等；让学生通过观察地理现象，从要素综合、时空综合、区域综合的综合思维角度分析“真空包装袋鼓起”背后的原理、总结规律，并据此规律解答抽象习题。
(3)师生活动（大气运动）
应用假设法，师生共同探讨近地面冷热不均导致的大气垂直运动，以及由此引发的高空气压的变化；然后请学生观看“玻璃缸中的热力环流”实验视频，并画出玻璃缸中大气的垂直和水平运动的情况；请学生根据其绘制的大气运动图（见图3），逐一分析高空大气的水平运动、近地面气压的变化和近地面大气的水平运动情况；最后，总结上述大气运动即为“热力环流”，是大气运动最简单的形式。

图3 大气运动图
(4)设计意图（大气运动）
受限于在普通教室开展教学的时空环境，教师采用播放视频的方式替代现场实验。在视频播放前后，要求学生边逻辑推理边绘制图形，最终形成一幅完整的热力环流图。在此过程中，学生需要辩证地看待“玻璃缸中的热力环流”这一地理问题，并调用系统、动态地认识地理事物和现象的思维品质和能力，尝试着去解释该地理现象发生、发展和演化的过程及原因，这体现了地理核心素养的综合思维。
3. 科学模型建构
(1)师生活动
师生活动从对“同一水平面上气压差异”“大气垂直运动”“大气水平运动”“近地面大气冷热不均”等大气运动的环节进行逻辑排序开始；之后，通过“比一比”活动，引导学生对“热力环流”中高空和近地面四处的气压进行高低排序；通过“想一想”活动，引导学生探究高空和近地面等压面的变化情况，并总结规律；通过“画一画”活动，引导学生根据等压面弯曲规律，绘制热力环流示意图（见图4）。

图4 “画一画”活动
(2)设计意图
学生在学习并掌握了大气相关的基础知识和原理（背景经验）后，迫切需要将零散的知识系统化，整合成科学的“热力环流”模型。“比一比”“想一想”“画一画”等活动，有助于学生充分认识热量、气压、大气运动等自然地理要素，帮助其将上述要素统整为一个相互联系、相互影响的系统。学生经此环节建构的“热力环流”科学模型，将成为其有力的地理工具，协助其完成既定的实践活动。
4. 原始问题探究
(1)师生活动
对学生进行分组，分别完成四个不同时空尺度的大气运动问题。
第一组学生探究的是微尺度问题：切洋葱不流泪（见图5）。该问题要求学生画出热力环流图，并以此解释为什么“点蜡烛”可以让人不流泪。此问题也是对本节课开局“课堂问题引入”环节所举案例、所提问题的呼应。

图5 微尺度问题-切洋葱不流泪
第二组学生探究的是小尺度问题：室内风（见图6）。该问题要求学生以家装设计师的身份，在房间内选择合适的位置安装制冷用空调和取暖用暖气，并画出热力环流图来解释为何如此安装。

图6 小尺度问题-室内风
第三组学生探究的是中尺度问题：城郊风（见图7）。该问题要求学生首先阅读苏州市气象局朱焱等人在《苏州城市热岛对污染扩散的影响》的研究中绘制的两幅地图（苏州城市热岛影响的地面均温地图、苏州城市热岛对PM2.5等浓度的影响数值地图），判断在热岛效应影响下PM2.5等污染物的浓度在市区和郊区分别呈上升还是下降趋势；然后在示意图上画出热力环流图，并以此解释PM2.5等污染物浓度变化的原因。

图7 中尺度问题-城郊风
第四组学生探究的是大尺度问题：东亚季风（见图8）。该问题要求学生首先在示意图上绘制中尺度的海陆间热力环流图（昼夜变化的海陆风），明确海陆间、近地面的风向在白天和夜间的差异；然后阅读网络上“历史天气查询”检索到的无锡市某年12月和6月的风向统计资料，在东亚局部地区地图上绘制冬夏季的季风风向，并用热力环流的知识进行解释。

图8 大尺度问题-东亚季风
各组学生自由讨论后完成任务，派一名代表上台汇报、交流小组的探究成果，并简要谈谈自己的感受。
(2)设计意图
“原始问题”是人们在地理户外考察、社会调查、模拟实验等实践活动中遇到的真实问题，具有客观性、真实性、隐蔽性和开放性的特征，它要求学生只有对相关知识概念、原理和方法透彻理解，才能全面、系统、动态地对相关要素和要素的时空组合做出全面、准确地分析和评价。
从微尺度、小尺度到中尺度、大尺度“原始问题”的设计，学生研究的对象从区域内一点拓展到整个大区域，可以引导学生形成区域的概念，了解到区域是认识地球表层的基本单位；可以引导学生认识“热力环流”问题的空间分布、结构和尺度，分析不同区域间“热力环流”作用的差异和联系；可以引导学生养成从区域、时空的视角对地理事物进行观察、分析的意识和习惯，形成应用地理学的认知工具与认知方法来研究区域，进而形成因地制宜进行区域开发的理念。
5. 课后拓展提升
(1)师生活动
“课后拓展提升”分为两部分，要求学生在课后自行探究、完成。第一部分是以北京PM2.5等污染物浓度的昼夜变化为例的中尺度山谷风（见图9）“原始问题”探究，第二部分是以江苏省学业水平测试（地理）历年真题为例的“抽象习题”训练。

图9 中尺度问题-山谷风
(2)设计意图
“原始问题”，特别是以苏州PM2.5等污染物浓度的区域变化为例的中尺度城郊风、以北京PM2.5等污染物浓度的昼夜变化为例的中尺度山谷风这两个“原始问题”，不仅涉及到地理环境对人类活动的影响，而且涉及人类活动对地理环境的影响，能够引导学生关注人类社会与地理环境两大系统间的相互作用及作用的方式、强度和后果，进而提升其对协调人地关系的必要性和可能性的认识、理解和判断，帮助其建立科学、可持续的人地协调观。
“抽象习题”是从“原始问题”中抽象出来的表征性问题，是对相关知识、原理和方法的高度概括，是“原始问题”的程序化和模型化。针对“抽象习题”的解答能力，是学生阶段必须掌握的基本技能。因此，课后仍应完成一定量的习题训练。
一、大气的组成和垂直分布
1、低层大气的成分及其作用

2、大气的垂直分布

3、逆温现象
（1）含义
对流层大气的热量主要直接来自地面的长波辐射，一般情况下，离地面越远，气温越低，即气温随高度增加而递减，平均垂直递减率为0.6℃/100米。但在一定条件下，对流层的某一高度有时也会出现气温随高度增加而升高的现象，这种气温逆转的现象就是逆温。谭老师地理工作室综合整理
（2）成因
①地面辐射冷却：在晴朗无风或微风的夜晚，地面很快辐射冷却，贴近地面的大气层也随之降温。由于空气愈靠近地面，受地面的影响愈大，所以，离地面愈近，降温愈多，离地面愈远，降温愈少，因而形成了自地面开始的逆温。夏季夜短，逆温层较薄，消失也快；冬季夜长，逆温层较厚，消失较慢。
②空气平流：当暖空气水平移动到冷却的地面、水面或气层之上时，底层空气因受下垫面的影响迅速降温，上层空气因距离较远，降温较少，于是产生逆温。一般来说，温差越大，逆温越强。
③空气下沉：常发生在山地，又称为地形逆温。山坡上的冷空气沿山坡下沉到谷底，谷底原来的较暖空气被冷空气抬挤上升，从而出现温度的倒置现象。
④锋面因素：对流层中，冷暖空气相遇，暖空气密度小，爬升到冷空气的上面，两者之间形成一个倾斜的过渡区锋面。在锋面上，如果冷暖空气的温度差比较显著，也会出现逆温。
（3）影响
不管是何种原因形成的逆温，都会对空气质量产生很大影响，它阻碍了空气的垂直对流运动，妨碍了烟尘、污染物、水汽凝结物的扩散。所以逆温现象产生后，会形成大雾天气，加重空气污染。
二、大气的热力作用
1、大气的热力状况
2、影响太阳辐射强度的主要因素
（1）纬度：一是影响到太阳高度角的大小，从而直接影响到太阳辐射的强弱，同时导致太阳辐射通过大气路程的长短产生差异，使得大气对太阳辐射的削弱作用有强弱之分，从而间接影响到太阳辐射的强弱。二是影响到白昼的长短，从而影响到日照时间长短导致太阳辐射的多少。
（2）天气：天气晴朗或降水少，大气对太阳辐射的削弱作用弱，所以太阳辐射强。
（3）地势：地势高，大气稀薄，太阳辐射通过大气的路程短，大气对太阳辐射的削弱作用弱，所以太阳辐射强。
三、大气的运动
1、热力环流
（1）热力环流的形成

（2）热力环流原理的应用

2、大气的水平运动

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注：本文由谭老师地理工作室综合自我们都爱地理、中学地理研究、中学地理课、匠心地理、轻轻松松学地理、高考地理、讲地又讲理、老丁侃地理、星球地理、如此这般学地理等各地理公众号或文中水印等，在此一并致谢！若引用不当可以随时 文末留言联系注明来源或删除 。
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