从科学角度来设计“热力环流”一课

陈国祥（江苏省前黄高级中学, 江苏 常州 213161）



从科学角度来设计“热力环流”一课

陈国祥
（江苏省前黄高级中学, 江苏 常州 213161）

摘要：本文对常规的“热力环流”教学设计提出了质疑，提出“气压和等压面”是作为科学认识的方法，是培养高中生科学技能的重要内容。抓住这一本质，可重新开展“热力环流”的教学设计。

关键词：等压面；热力环流；科学角度

“热力环流”是高中地理必修一的典型内容，笔者听过许多课例，总有一种感觉，即常规设计的多，真正有突破性的少，为什么会出现这样的情况呢？

一、现象与问题

很多课例都是以生活现象或实验演示导入的，不管是空调、暖气、孔明灯、热气球，还是冰块热水的演示实验。其实，学生对于热力环流的现象还是非常熟悉的，对由于冷热产生的空气垂直运动及环流的生成，也是非常容易接受的。也就是说，热力环流这种运动环流，对于学生来讲，非常简单。不要说高中学生，估计初中生或小学生，如果有生活经验或实验演示，要想画出下面的热力环流示意图（见图1），应该是不成问题的。

图1 热力环流示意图

既然如此，为什么地理一教，这个问题反而变得复杂了，一些学生反而变得不知道热力环流是什么，也经常画错呢？是不是高中地理就不要教了呢？

二、质疑与原因

学生已经建立了冷热与运动的关联（特别是垂直运动），但这样的认识是不是科学呢？有没有什么问题呢？这是我们老师进行教学设计时要注意思考的问题。事实上，由于缺少了相关的科学概念，这样的认识还有不少科学上的困难。

1. 冷热无法进行准确测量。因为冷热是一个相对的概念，而实际中只有“温度”这一可测量的物理量。一个地方的温度是20度，你不能判断它是热还是冷，必须知道另一个地点的温度，有了比较，才有冷热的判断。当然，要想得出冷源与热源，光有两个点还不够，你必须把所有点的温度都测量出来，才能知道哪里是热源，哪里是冷源。

2. 环流高度也无法确定。同样的道理，你不知道这个环流有多高。到达什么高度，空气才会从垂直运动变成水平运动，这也是你无法准确测量的。因为气流的运动，不是云或水，是无法肉眼看到，也无法进行精准的选点来测量。

3. 热力环流能不能进行逆推？这也是需要回答的问题。我们能不能根据气流的运动，反过来推断一个地方的冷热呢？是不是空气垂直上升的地方一定热，空气垂直下沉的地方一定冷？这也需要进行科学的论证才能证明的。

有了这些质疑，我们就会发现，仅仅根据我们现有的概念来研究热力环流是不够的，我们必须引入新的物理量，来对热力环流进行精准的、科学的分析，这个物理量就是气压。

三、概念与解释

初中生接触过气压概念，知道气压是大气的压强，是单位面积上空气柱的多少。但初中生对大气压的分布和变化是不太了解的。所以，高中地理在这部分增加了不同高度气压值变化和等压面的知识内容，为学生的科学认识提供了概念工具。对于这个概念的解释，需要注意以下几点：

1. 不同高度，气压值的大小是变化的。近地面气压值大，高空气压值小。近地面到底有多大，大约是多少百帕，学生可能都忘了，只知道多少个大气压，对于百帕这个单位是陌生的。高空气压值变小，到底变得多小，学生也是没数的。如果这时能举些例子，告诉他们，多少高度，多少百帕，是不是能够帮助他们理解呢？

2. 气压变化。气压变化，简单地说就是单位面积上空气分子的多少，通过垂直运动，不同高度的空气分子是有变化的。所以，受热的地区形成近地面空气分子减少、高空增多的情况，而冷源的地区，近地面增多，高空减少。这样一来，原来水平方向上的空气密度差不多，但现在不同了，比同一水平面高的，形成高压，比同一水平面低的，形成低压。

3. 气压变化的表示。除了用具体的数值来表示每个点的气压外，我们还可以把相同气压值的点连起来，形成一个面，这个面叫等压面。大家想想看，如果同一高度的点气压值相同，这个等压面是什么样子？如果各个点的气压值不同，会形成一个怎样的等压面呢？如果有凹凸，那么凹的地方是什么压，凸的地方是什么压呢？

4. 用气压的高低来解释空气的水平运动。水平面上的空气运动，总是从高压吹向低压，这就叫风。

通过气压这个概念，就可以总结热力环流的成因。表面来看，形成风的直接原因是气压差异，根本原因是冷热不均。在这部分讲解时，主要帮助学生建构如下的认识模式（见图2）。

图2 热力环流认识模式

四、科学与认识

了解了气压的概念及性质，就让学生掌握到科学分析空气运动的工具。因为在现实的气象研究中，我们每天都在测量各个地方的气压，都在绘制不同高度的等压线与等压面。如何根据等压面来推导气流的运动，这才是科学的分析方法。准备一张等压面图（有三个地点的图），让学生反过来分析这个地方的空气流动，并总结方法。

1. 等压面凸的，为高压；等压面凹的，为低压。

2. 水平方向：气流由高压指向低压。

3. 垂直方向：根据气压形成原因，气流由凹处指向凸处。

4. 判断冷热：近地面下凹处为热源，近地面上凸处为冷源。条件：只考虑热力原因的情况下。

五、设计意图

这样的设计旨在体现科学分析方法的培养。空气是一种流体，流体的运动应该有不同于固体的地方。对于流体运动的分析，不能仅仅从受力或冷热角度进行简单分析，而应该强调场域概念的建立，强调流体与周围的事物构建一个场域。流体个体的运动看似没有规律，但处于场域中，它就存在着规律。所以，流体的运动规律必须从场域角度来分析。

对于热力环流来讲，这个场域就是等压面。让学生能通过等压面，来分析流体的运动，这才是一种科学的、实证的方法。因为气压是可以测量的，等压面是可以绘制的，由此是可以推导出大气运动的。而由冷热不均推演形成的大气环流运动，虽然容易理解，但在实际科学研究中不能测量，不能定量分析，因此是一种思辨式的认识，并不是一种科学的分析。

（责任编校：方琦）