渗透科学方法的“湿度和降水”教学实践

陈苍鹏

摘 要：“湿度和降水”是一个复杂的物理现象，教学中蕴含着许多的科学方法，在教学设计中突出实验法、模型法、比较法等科学方法，促使学生利用不同的方法来解决不同的问题，以提高学生解决问题和实践创新的能力。

关键词：湿度和降水；科学方法；运用

科学方法是解决科学问题的重要手段，是人们为获得科学认识所采用的规则和手段系统，是科学认识的成果和必要条件。科学方法也是学生从知识学习到能力发展的中间环节，从某种意义上讲科学方法比知识更重要，并将影响学生的一生。

科学方法主要有控制变量法、实验法、观察法、模型法、归纳法、演绎法、类比法、比较法、分类法、转换法、等效替代法等。为了突出科学方法教育对培养学生的思维能力和科学素养的作用，把各种科学方法运用到具体科学教学中，应该以实践为落脚点，以学生为切入点。

一、教材分析

湿度是物理学中的一个概念，也是影响天气的一个重要因素，降水的形成过程是一个复杂的物理过程，属于天气现象。其中湿度的概念是本节课的一个难点，学生对此比较陌生，而且概念繁多——涉及湿度、绝对湿度、饱和湿度、相对湿度等，对于初中生来说真是非常抽象，难以理解，需要通过模型来帮助学生理解湿度的相关概念。在学习了相对湿度等概念之后，再学习降水，就比较符合逻辑，既符合学生的认知规律，也符合物理规律。但是降水的形成条件以及过程还是比较难，尤其是凝结核的概念，又是一个比较难的知识点。

二、教学思路建构与分析

教学思路设计：湿度与健康（问题情境）—湿度（观察法）—相对湿度等（模型法）—干湿球温度计制作（实验）—测量相对湿度（实验法）—降水条件（归纳法）—降水模拟（模拟实验法）—人工降水（原理运用）。

从教学思路中可以看出，本节课运用了实验法、模型法、归纳法、观察法等多种科学方法。尤其是饱和湿度、相对湿度，通过模型来揭示其特征和本质，这里的模型借助PowerPoint技术，直观反映本质的思想模型，使难以直接观察到的相对湿度等直观化，有助于理解概念。

对于降水条件的归纳，也比较抽象，需要借助模拟实验的手段来突破，通过一边观察实验一边分析，逐步建立降水形成的一般模型：空气上升→冷却降温→水汽凝结→云滴增大→降水形成。

学生初学湿度和降水这样难度大的内容时，需要遵循“从简到繁、由易到难、循序渐进”的原则。引导学生处理湿度概念的时候，尽量把复杂的问题分解成若干个较为简单的问题后再逐个突破。

三、教学过程

（一）创设情境 实验观察 构建概念

为了激发学生学习兴趣，引出湿度，一开始就播放湿度和生活息息相关的电视报道——黑龙江电视台《湿度和身体健康》。

学生通过电视视频感悟到，湿度不仅是影响人类身体健康的一个因素，而且也是天气的一个重要因素。那么什么是湿度呢？

学生小组活动，观察和思考（如图1）。

（1）表面皿底部发现什么现象？为什么会这样？ （2）一杯冷水和一杯热水，哪一杯上方空气中水汽多？为什么？（3）如果水汽不断增多，将会出现什么现象？

学生观察与讨论后，根据现象进行分析，再经过小组互助，形成如下观点。

（1）热水杯表面皿底部发现很多的水珠，而冷水杯上的表面皿底部则没有发现水珠。因为热水杯上方水汽多、温度高，遇冷凝结，而冷水杯上方水汽少、温度低，不会凝结。

（2）热水烧杯上方的水汽比冷水烧杯上方的水汽多。因为热水蒸发得多也蒸发得快，在外界气温和气压条件相同的情况下，在相同的时间里（约3分钟），热水杯上方的表面皿下方有许多细小的水滴，而冷水杯上方的表面皿则是干燥的。

本实验也说明了温度越高，空气中水汽也越多。

（3）冷水杯水汽不断增多的话，也会出现水珠，热水杯水汽增多，水汽凝结更加厉害。

教师对学生的发言和互助，需要给予及时的鼓励和肯定。同时继续引导学生引出新概念——湿度。从问题（2）可知，不同空气中水汽的多少是不一样的，我们把空气中水汽的多少称之为湿度。这样，学生同样可以推出：在地面条件相似的情况下，温度越高，湿度越大。

教师继续引导：从热水杯出现水珠的现象，我们可以认为这个杯子里面水汽还能容纳吗？学生很自然予以否定。教师引导学生结合“饱和溶液”与“不饱和溶液”的概念，提出“饱和湿度”——把这个不能再容纳水汽的现象称之为水汽的饱和现象。这个湿度可称之为“饱和湿度”，那么另外一个称之为不饱和现象，把空气中水汽实际的含量，科学家称之为“绝对湿度”。当然，绝对湿度可以不可以是饱和的？学生自然认为是可以的。

【设计评价】通过实验观察，既呈现了真实的情境，让学生仔细观察物理现象，并分析产生该现象的科学问题，融合了一种重要的科学方法。在两个实验的比较中，让学生学会分析与比较，并能初步尝试寻找各相关因素之间的联系。通过学生的定性观察，建立湿度概念，并在此基础上加以引导，推出“饱和湿度”“绝对湿度”等概念，从而培养学生的推理能力，有利于培养学生发现问题—做出假设—进行观察—做出判断—进行推理这一思维方法。

（二）设计模型 化难为易 探究本质

教师启发：热水杯空气中水汽已经达到饱和状态，会出现凝结现象，而冷水杯空气中水汽没有达到饱和状态，水汽不会凝结，那么，它离饱和湿度还有多大的程度呢？

我们通过案例和模型来进行分析（如图2），帮助建立相对湿度的概念。例如，10℃时，某草坪上空1 m3的空气中实际含水汽的量为5g，而1 m3空气中最多能容纳水汽量为10g。这样，这1m3空气离饱和的程度有多大？（这里的数据做了近似处理，便于运算）

学生会出现不同的数据，有的认为是5g，有的认为50%。

启发：由于空气很多，去称量多少水汽质量会很困难，用百分比会比较方便。这个50%是怎么算出来的？学生很自然地得出绝对湿度与饱和湿度的比值。我们就把这个值叫作相对湿度。它是由两个物理量共同组成，能反映绝对湿度和饱和湿度的关系，有利于判断水汽凝结的情况。

例如，10℃时，某草坪上空1 m3的空气中实际含水汽的量为5g，水汽能凝结吗？学生会认为不能判断，还需要知道10℃时的饱和湿度。所以，绝对湿度还不能预测水汽是否凝结，而饱和湿度只能说明该温度下水汽能凝结成云，难以看出天气的变化。相对湿度就能把这两个数据合为一体，能较好地预测水汽是否凝结，预测天气怎么变化。

教师进一步提出：该草坪上水汽如果再增加2g，那又是多少？再增加到多少克才会达到饱和呢？若不断增加水汽呢？在模型的基础上，学生很自然地计算出增加2g相对湿度为70%，增加5g就是100%了，水汽要达到饱和了，如果继续增加水汽，那就会凝结出现水珠。

教师在此实例的基础上又可以引导学生得出另外一个重要的结论：相对湿度可以作为水汽是否凝结的一个条件。

一定温度下，相对湿度越大，空气中水汽和干湿程度有什么关系？这个问题需要教师组织学生进行小组合作与交流，然后得出：一定温度下，相对湿度越大，空气中水汽越接近饱和，就越容易发生凝结。

空气的干湿程度与空气中所含有的水汽量接近饱和的程度有关，而和空气中含有水汽的绝对量却无直接关系。例如，20℃空气中的湿度为17g/ m3时，已达到饱和，感到很闷，即将下雨。但在炎热的夏天中午，气温30℃，人们并不感到潮湿，因为此时离水汽饱和气压还很远，物体中的水分还能够继续蒸发。而在较冷的秋天，大约15℃，人们却会感到潮湿，因为这时的水汽压已经达到饱和，水分不但不能蒸发，而且还要凝结成水。

【设计评价】相对湿度模型的构建，让学生的思维和意识上建立起相应的科学模型，从而使相对湿度的概念能被学生所接受。对于初中生来说，需要把这种看不见摸不着的“绝对湿度”“相对湿度”等复杂的问题做简单化处理，摒弃次要因素，突出主要因素，结合实际问题进行合理化处理，帮助学生构建科学模型。实际上，这也是一种重要的科学思想。

在建立科学模型时，有时为了更加形象地描述科学问题，往往还需要引入一些虚拟的内容，比如，这里我们就采取一个简单的图形，来形象、直观地表述绝对湿度和饱和湿度。

（三）动手操作 学以致用 理解原理

设疑：生活中，哪些现象能说明相对湿度达到100%？学生不假思索地提出许多现象：出现云雾降水，墙壁瓷砖上出现水珠，家里卫生间里镜子上出现水珠……

在此基础上，教师继续提供新的问题情境：这是2015年11月26日杭州气象台预报的相对湿度预报图（见图3），请根据相对湿度来预报天气。

学生进行小组讨论后再做回答：今天天气以阴为主，在早晨和傍晚有雨，深夜将会晴。

教师设疑过渡：那么，我们能否测出相对湿度的大小呢？出示湿度测量工具——常用干湿球湿度计（如图4）。要求学生完成以下三个小任务：（1）干湿球湿度计结构；（2）干湿球湿度计的工作原理；（3）怎么读数？怎么查表？（4）制作干湿球湿度计。

教师提供两支温度计、纱布、细线、小烧杯、铁架台、水以及相对湿度表。学生针对以上问题，通过实验进行观察与思考。

组织学生进行观察与实验。学生利用器材制作干湿球湿度计，并测一测教室内的相对湿度的值。经过实验后，学生可以测得数据（见表1）。

组织学生对实验进行小结与反思：实验中难免出现误差，甚至会出错。请学生分析各组获得的数据。思考：为什么干球温度计的读数也会出现这么大的差异？

根据教材表2-5相对湿度表的数据可以得出：相同气温下，干湿差越大，湿度越小；相同干湿差下，气温越高，湿度越大。对于测得的数据，学生分析后也找到实验中存在的一些问题：因为温度计本身的原因；因为不同的小组所处的位置所影响；因为读数中出现错误……

【设计评价】通过学生动手制作干湿球湿度计，测量教室里的相对湿度，并讨论测量的误差，分析误差的原因。这一系列的探究活动，既有利于提高学生的实验设计、数据分析、思维能力，也有助于培养严谨的科学态度以及锻炼学生沉着操作、冷静思考的心智。

教学中，特别注意到对获得实验数据的分析，寻找不同小组实验数据差异的原因，从学生最熟悉的事实引出，容易激发学生的“最近发展区”，引发学生思考并理解湿度的概念。

（四）模拟实验 总结规律 实践提升

在学习了湿度及测量湿度等一系列知识后，引导学生进行归纳：云、雾形成的条件是什么？学生会归纳出成云降水的条件是“空气的相对湿度达到100% ，高空中气温降低”。可是对于空气中“有较多的凝结核”这一条件，学生是想不到的，或者说难以想到的。教师可以做这样的问题设计：秋天早晨往往会有露水，这些露水都挂在哪里？学生立即想到在小草的尖端看到露水。

教师继续演示降水模拟——取一块洁净的玻璃板，在其左半面（下表面）撒上一些灰尘，再用双手平举着（稍微倾斜），在玻璃板下方距离50厘米左右的地方，放一个电熨斗释放大量的热的水蒸气。

让学生进行观察“降水的形成过程”实验。学生会观察到：热的水蒸气上升—凝结成“白汽”—聚成“云”—聚成大“水滴”—降“雨”。学生观察后初步建立降水形成的过程：潮湿空气上升→冷却降温→水汽凝结→云滴增大→降水形成。教师需要指出，这样的降水过程，是自然界中的一种形式，不同的地理条件，其机理有一定的差异。

对于知识性的内容，我们作为阅读材料，引导学生学习降水、降水量。重要的是让学生做一做：用矿泉水瓶制作出一个直接读数的雨量筒、雨量杯，组织学生交流，找到自己制作的不足之处。

【设计评价】在探究降水的过程中，水汽上升、凝结成云等问题单凭自己的生活经验及观察是难以得出结论的。我们设计一个模拟降水过程的实验来帮助学生观察，这里把降水的主要条件以及降水的过程，通过“玻璃板、蒸汽、灰尘”等物质来模拟降水，学生观察方便。

本块知识教学中，对于降水的条件的归纳是一个重点也是难点，需要教师的启发与引导，尤其是“灰尘”作为“凝结核”，学生是非常难以理解的，需要教师利用日常生活的雨露、雾霾等现象予以引导。

（五）应用规律 学以致用 提高能力

本节新课知识学习之后，将教材设计的练习给学生进行演练，指导学生存在的问题。之后采取“学以致用”——人工降雨方法。例如，2022年亚运会在杭州召开，开幕式当天，若预报有雨，能否利用降水形成的过程来思考提前降水，使当天天气变晴？提供给学生阅读材料和科学视频，结合学过的知识进行分析。

四、实践感悟

课堂教学三个问题：一是你带领学生学什么；二是如何组织学生学习；三是判断学生学得怎么样。这三个问题可以化解为：教学目标设定—教学内容的选择—教学过程与方法的设计—教学评价的利用。

在教学设计上，应注重以上几个要素之间的相互关系，突出科学教学的一般特征：以学生观察与实验为基本方法，结合归纳、推理、模型等方法，提升学生的思维能力和探究能力。降水和湿度的教学设计，充分考虑现实问题情境，逐步探究湿度和降水的科学本质，每一个点的探究都渗透了科学方法的教育。

学生在科学方法的选择上，重在引导与体验，教师不宜喧宾夺主，而是应该在启发的基础上，大胆地让学生进行设计、进行实验，在实践中让学生感觉到科学方法的重要性，使其会积极考虑科学方法，以提高学生的科学素养。

参考文献：

[1]王荣飞.渗透物理方法教育的“电磁感应现象的两类情况”教学设计[J].物理教师，2016（6）：27-30.

[2]杨梓生.以认知与思维转化为价值取向的教学设计[J].福建教育（中学版），2015（9）：50-52.