基于Earth Nullschool地理教学资源开发策略

张海 何衡（通讯作者） 四川省成都市郫都区绵实外国语学校

2003年教育部将地理信息技术纳入到高中地理课程标准[1]，2017年新课程标准提出高中地理的四大核心素养，而核心素养的培养更是需要依托于一定的技术和工具。因此，高中地理教师开始不断探讨将Google Earth、虚拟星相仪、Meteo Earth、Locaspace Viewer等地理信息技术与地理教学进行融合和开发，并运用于教学，服务于教学。[2-3]本文初步探讨了目前研究较少的Earth Nullschool这一信息技术在地理教学中的资源开发策略和注意事项。

● Earth Nullschool简介

Earth Nullschool，又名全球天气可视化模拟网，网站简洁，画面精美，主要应用于全球海洋、大气、化学污染物等数据的模拟可视化。其数据具有及时性、更新周期短等特征，可以实时动态地了解全球天气的变化。

Earth Nullschool主要由两部分组成，即位于网站左下角的操作界面（如图1）和主要的展示界面（如图2）。Earth Nullschool的部分功能及应用如下页表所示。

图1 Earth Nullschool操作界面

图2 展示界面

● Earth Nullschool地理教学资源的特点

1.时空性

时空概念一直为地理教学的主体思想之一，地理事物是在时间和空间两个维度中不断演变的。Earth Nullschool的数据更新快，大气信息每3小时更新一次，洋流数据以5天一次的频率更新，用户可以根据自身需求选择日期，并且以3小时为单位进行时间调整。此外，可以通过点击地球上任何地方和拖动地球来得到所点击地的数据[4]，以此进行区域间的对比分析，培养学生的地理思维。

2.针对性

Earth Nullschool，中文名全球天气可视化模拟网，通过中文名可以看出，该软件主要致力于将天气数据进行可视化处理，除此之外，海洋信息的可视化处理也是很有教学价值的，因此其在高中地理的运用中主体明确，包括“地球上的大气”和“大规模的海水运动”。

Earth Nullschool的部分功能介绍及应用

3.直观性

无论是大气的运动还是海水的运动均较为抽象，平时的观测中大部分数据也往往是以数字的形式呈现，而Earth Nullschool是在观测数据的基础上将其可视化，让用户能够直观明了地看到这些数据所代表的地理事物，以便于学习和掌握其中的规律。

4.动态性

物质是运动变化的，地理事物也是在不断地发展变化，Earth Nullschool在时空性的基础上演变出其动态性，用户可根据自己的需求调整时间和空间，得到地理事物横向和纵向的动态变化规律，以发展的视角看待问题。

5.交互性

Earth Nullschool含有大气、海洋、化学污染物、温度、风、相对湿度等要素，可从8个不同的投影效果中来观察地球上以上要素的整体变化。用户在运用时可以根据不同用途进行交互式操作，快速获取需要的数据和图像。

● Earth Nullschool开发的基本原则与方法

1.基本原则

①突出学生主体地位；②结合课标，服务于教学，明确主次；③注重过程性探索，有针对性开发；④分层教学。

2.基本方法

①新课导入，激发学生学习兴趣。Earth Nullschool画面精美，视角广阔，能为学生带来强烈的视觉冲击感，且所展示的信息与课堂关联度强，为形成一堂流畅的、“一镜到底”的课堂提供了可能。

②新课授予，直观了解地理事物。Earth Nullschool可将天气和海洋的数据进行可视化处理，以图像的形式呈现出来，为学生解决问题提供便利，避免了教学过程中学生凭借抽象思考进行理解运用的困境。

③活动探究，以动态变化分析事物规律。Earth Nullschool的动态性和时空性，让其可以动态展示事物的变化过程，也可以通过区域的对比，给出不同空间上的差异，构建出课堂所需的活动情境，让学生能够发现问题自主探究。

④知识总结，巩固课堂内容。引导学生利用Earth Nullschool的图像从中找到学习的地理事物并结合学习的原理，进行复习和总结，并验证自己学习的内容是否正确。教师也可在课后，利用Earth Nullschool进行总结，引导学生进行知识点梳理记忆。

●“锋与天气”案例开发运用

根据相对温度的差异，可将气团分为冷气团和暖气团。暖气团气温高、气压低、密度小；冷气团气温低、气压高、密度大。当冷暖气团相遇时，暖气团抬升，在冷气团与暖气团之间形成一个向冷气团倾斜的交界面，即为锋面，锋面与地面的交线称为锋线，锋面和锋线组成锋。根据冷、暖气团势力强弱，可将锋分为冷锋、暖锋、准静止锋与锢囚锋。锢囚锋高中阶段并不要求掌握，故本次只讨论前三种锋。

1.冷锋

我国距离冬季风冷源地蒙古-西伯利亚较近，秋冬季节冷锋过境现象在我国较为常见。本次冷锋活动研究点的经纬度为31.61°N，108.37°E，该点位于陕西西安境内。

2021年11月5日，此时冷锋尚未过境。该地区被暖气团控制，气温为15.6℃（如下页图3），气压为1011hPa（如下页图4），云层中总水汽含量为0.026kg/m2（如下页图5），云层中水汽含量少，天气较晴朗，此时锋面雨带位于研究区西北方。

图3 冷锋过境前气温分布

图4 冷锋过境前气压分布

图5 冷锋过境前云中总水量分布

11月6日，此时冷锋正过境。研究地被冷锋控制，气温为7.5℃（如图6），气压为1031hPa（如图7），云层中水汽含量为0.568kg/m2（如图8）。此时云雨区主要位于锋线后，即地面降水区域主要集中于冷锋锋后。在冷锋控制下，研究地为云雨覆盖区，出现阴雨天气，并伴随大风，风力达到28Km/h。锋前为暖气团控制，区域，局地出现阴雨天气，可能由于暖气流在北上时，流经高原山地，受地形阻挡，形成降水。

图6 冷锋过境时气温分布

图7 冷锋过境时气压分布

图8 冷锋过境时云中总水量分布

11月7日，此时锋面雨带移到我国南方地区及华北平原，该地被单一冷气团控制，云层中水汽含量为0kg/m2，天气晴朗（如图9）。在冷气团控制下气温较低，为2.6℃（如图10），气压较过境前有显著提升，达到1042hPa（如图11）。由于北下的冷空气强劲，风速较大，达到28Km/h，但较过境时有所降低。

图10 冷锋过境后气温分布

图11 冷锋过境后气压分布

将以上三天进行对比分析，冷锋过境时冷气团逐渐取代暖气团，气温逐渐降低，气压逐渐升高，天气经历由在单一暖气团控制下的晴朗，到冷锋控制下的阴雨、大风，再到单一冷气团控制下的晴朗这样的变化过程。

为了使教学更贴近生活，教师在教授该部分知识时，可以近期的一次降温天气作为例子，将学生以4～6人为单位分成若干小组。给定具体地点，让学生以小组为单位，从不同专题图中找出不同时间的气温、气压、降水等要素变化情况，并绘制成表格简述冷锋过境对天气的影响，再进行课堂展示。同时，也让学生结合课本思考为何冷锋控制下的降水区域主要集中于锋后。

2.暖锋

典型的暖锋过境现象在我国并不常见，暖锋的出现大多伴以锋面气旋，其中尤以春秋季较多，出现地大多位于我国东北地区及江淮、华南一带，夏季主要出现在黄河流域。

暖锋过境所选研究点经纬度为25.03°N，112.96°E，该地位于湖南省莽山国家级自然保护区附近，研究时间为2021年4月17日至20日。

该地在4月17日受单一冷气团控制，气温较低，为16.2℃（如图12），气压较高，为1020hPa（如图13），云层中水汽含量为0.287kg/m2（如上页图14），从图9中可以看出，在单一冷空气控制下，云层稀薄，云量较少，天气较为晴朗。图中研究区域南部，冷暖气团交汇处并没形成明显的锋面雨带，可能是冷空气南下距离太远，势力较弱，再者冷暖气团并没有正面交汇，暖空气爬升不明显，所以没有形成明显降水。

图9 冷锋过境后云中总水量分布

图12 暖锋过境时气温分布

图13 暖锋过境时气压分布

2021年4月18、19日，该地这两日被暖锋控制。从图15中可以看出，18日气温为14.8℃，19日温度为15.7℃。冷气团逐渐被暖气团替代，气压有所降低，18日气压为1017hPa，19日气压为1015hPa（如图16）。从图17中可以看出，该地这两日被云层所笼罩，云层中水汽含量较高，降水强度大。这是由于此时暖气团由海洋上吹来，水汽充足。

图15 暖锋过境时气温分布图（左为18日，右为19日）

图16 暖锋过境时气压分布图（左为18日，右为19日）

图17 暖锋过境时云中总水量分布图（左为18日，右为19日）

至4月19日，气温快速回升，达到18.1℃。纵观整个过境过程，气温的变化并不是逐渐上升。在暖锋过境时，由于云层中水汽含量较多，云层较厚，降水强度较大，因此到达地面的太阳辐射较少，温度较暖锋过境前由单一冷气团控制时有所降低。暖锋过境后，该地被暖气团控制，大气稳定，天气较晴朗，气温回升迅速。随着暖气团逐渐取代冷气团，气压逐渐降低，达到1014hPa。

典型的暖锋过境现象在我国并不常见，需要耗费一定的精力去寻找素材。教师在教授这部分知识时，可以参考冷锋过境的授课方法，同时让学生思考：为何在暖锋控制下降水区域主要出现在锋前？

此外，教师还可以引导学生将暖锋与冷锋进行对比分析，通过对比可以发现以下现象：①冷锋过境时降水只持续了1天，而暖锋过境时降水持续了2天；②暖锋过境时降水区域的宽度要大于冷锋过境；③冷锋过境时降水强度小于暖锋过境。

教师针对以上现象，结合简图向学生进行原理讲解：①冷锋过境时由于冷气团势力强劲，锋面移动速度快，所以停留时间短；暖锋过境时，暖气团沿锋面缓缓爬升，锋面移动速读较慢，停留时间较长。②冷锋过境时暖气团被迅速抬升，锋面与地面所形成夹角较大，云雨区投影到地面的雨带较窄；暖锋过境时，暖气团爬升速度慢，锋面与地面所成夹角较小，云雨区投影到地面的雨带较宽。③研究冷锋所选时间为11月，此时正值我国秋季，我国雨季已经结束。暖空气所处位置位于黄土高原，大气中水汽含量较少，并不能形成高强度降水。

3.准静止锋

当冷暖气团势力相当，或者冷空气在移动时受到地形阻挡时，所形成的锋叫做准静止锋。准静止锋的锋面并不是保持静止，而是在某一地区来回摆动，停滞不前。影响我国的准静止锋主要有江淮准静止锋、昆明准静止锋、华南准静止锋、天山准静止锋四种，这里选取江淮准静止锋进行研究。

每年6月，副高北跃，同时推动暖空气往北移动，在长江两岸与南下的冷空气相遇，二者势力大致相当，锋面在江淮地区来回摆动，持续时间达一月之久，此时正值梅子成熟时节，故称“梅雨”季。

若副高势力强，暖空气在江淮地区停留时间较短，该地出现“少梅”“空梅”现象，若副高势力较弱，北跃受到阻碍，转而西伸，从而导致整个长江流域被雨带控制，中下游易出现洪涝灾害。

2021年长江中下游地区从6月17日左右进入梅雨季节，至7月14日出梅雨季，持续时间大致为一个月。教师在教授该部分知识时，可以给定当年梅雨季持续时间，让学生逐日统计江淮地区被云层覆盖日数。通过调查可以发现在准静止锋控制下，阴雨天气出现的频率较高。同时学生也会了解到梅雨季并不是持续不间断地下雨，中间也会出现晴朗天气。

● 开发应用Earth Nullschool的优势与注意事项

Earth Nullschool地理教学资源的开发，利用其特性可以为地理教学带来以下优势：①突出学生的主体地位，增强学习兴趣，培养识图读图能力；②培养学生的时空观念，有利于学生地理素养的形成；③利用动态变化的过程，加强学生对地理事物和地理规律的理解；④加强学生对大气等地理事物的直观了解，使抽象的知识形象化；⑤运用Earth Nullschool要素的全面性特征，加强对地理事物的整体性的理解，分析地理各要素之间的相互关系，也可针对性了解某一事物的变化；⑥该系统操作简单，便于教师和学生的交互性运用，为教师使用新的教学方法提供可能。

但由于Earth Nullschool并非真正的地理教学辅助系统，在使用时还需注意一些问题：①不能舍本逐末，教学软件应服务于教学内容，切忌全堂课都在使用软件，而忽视了教学内容、知识点的课堂主体地位；②地理事物的发生具有时空特性，并非每天均要出现，这要求教师应用时要提前找好具有代表性的要素，防止临时要素无法完美呈现需要的内容。