專題講座
高中地理「大氣運動」的教學研究
趙軍利北京市第109中學
一、關於「大氣運動」知識的深層次理解
1．「大氣運動」的核心知識和教育價值
「大氣運動」教學主要包括三方面的內容。一是大氣的受熱過程。大氣的受熱過程實質上是太陽輻射能在地面、大氣之間的流動與轉化過程。
在這個過程中太陽輻射這種短波輻射轉化成了地面輻射和大氣輻射等長波輻射，能量也由宇宙空間流入了地球表層，在地面、大氣之間流動。可見，太陽輻射是大氣的根本熱源，地面是大氣的主要的直接熱源。由於受太陽高度角、大氣質量和大氣透明度等因素的影響，地表獲得的太陽輻射存在著明顯地地域分異現象。
地面狀況的差異，尤其是海陸分異進一步加劇了地面的受熱不均。二是在小尺度範圍內由於地面受熱不均引起了大氣的膨脹上公升和冷卻下沉，導致同一水平面產生了氣壓差異，形成了熱力環流。從區域尺度來看主要有城市熱島效應、海陸風等現象。
從全球尺度來看，太陽輻射的地域分異是形成全球性大氣環流的重要原因之一。三是大氣的水平運動——風的形成。由於水平氣壓梯度產生了水平氣壓梯度力，這是形成風的直接原因。
在高空，受水平氣壓梯度力、地轉偏向力的作用形成了風向與等壓線平行的風，即地轉風。在近地面，受水平氣壓梯度力、地轉偏向力和摩擦力的作用形成了與等壓線成一定角度的近地面風。三個力的方向與風力及風向之間的關係表現為：
水平氣壓梯度力由高氣壓指向低氣壓方向，且與等壓線垂直，既影響風力大小，也影響風向；地轉偏向力始終與風向垂直，只改變風向，不影響風力大小；摩擦力的方向始終與風向相反，既影響風力大小，也影響風向。風是地球表面熱量輸送和物質運動的主要動力。全球性的大氣運動與水迴圈、地殼物質迴圈等有著密切的聯絡，是塑造地表形態的主要外力之一。
從大氣系統內部來看，始終蘊涵著冷熱、乾濕與高低氣壓三對矛盾。「大氣運動」教學揭示了大氣冷熱、高低氣壓的矛盾的生成過程。「大氣運動」激化了乾濕矛盾，形成了陰晴雨雪等天氣現象——這是天氣系統的學習內容；地表冷熱不均引起的熱力環流是學習全球尺度大氣運動以及全球氣壓帶與風帶的分布與移動的知識基礎。
因此，「大氣運動」教學對於學生分析大氣現象的因果聯絡，訓練地理思維，提高分析身邊的大氣現象的能力；自覺的改變不良行為習慣，建立合理的能源消費觀念；學會運用地理梯度原理分析、解決區域地理問題；從能量流動和物質運動的角度認識空間的相互作用及地理環境的整體性、差異性和開放性；形成空間尺度觀等地理核心觀念具有重要意義。
2．「大氣運動」教學的知識結構層次（知識的上下位關係）
（1）「大氣運動」教學涉及的一些地理事實性知識
《普通高中地理課程標準（實驗）》在「課程設計思路」中明確提出「高中地理課程注重與實際相結合，要求學生在梳理、分析地理事實的基礎上，逐步學會運用基本的地理原理**地理過程、地理成因以及地理規律。」因此，「大氣運動」教學首先要收集、整理與教學內容相關的地理事實。與「大氣運動」教學相關的地理事實有很多。
①晴朗的夏日，太陽剛剛公升起的時候，空氣還是涼颼颼的；隨著太陽的不斷公升高，氣溫也隨之上公升，但是要到午後氣溫才達到一天中的最大值；
②冬季，晴朗的早晨反而比陰天的早晨寒冷一些，常常會看到霜；
③寒潮來臨之前，北方的農民會在田頭堆放些柴草點燃，製造些煙霧；
④廚房中開水壺中的水汽總是向上運動；
⑤野營的篝火火焰和菸灰飛向高空；
⑥風吹林動煙飄，彩旗飄揚。
在這些地理事實中涉及許多地理概念與知識，蘊涵了一些地理過程和地理規律，需要教師引導學生逐步梳理、分析。
（2）「大氣運動」教學涉及的地理概念與知識
「大氣運動」教學主要涉及以下一些基本概念和知識。
●大氣：是自然環境的組成要素之一。地理課程標準中的「大氣」是指低層大氣，其高度不超過對流層頂。
針對這一理解，湘教版和魯教版教材加入了大氣垂直分層方面的內容，而人教版和中圖版教材則沒有涉及大氣的垂直分層這部分內容。
●太陽輻射、地面輻射、大氣輻射：日、地、氣三種輻射的主要差別在於地面、大氣的溫度遠遠低於太陽的溫度，因此太陽輻射屬於短波輻射，而地面輻射和大氣輻射屬於長波輻射，因此能夠被大氣中的二氧化碳和水汽吸收。
●太陽輻射的空間差異：到達地面的太陽輻射能量多少由太陽輻射強度和日照時間共同決定。到達大氣上界的太陽輻射強度由太陽高度決定（就一年而言，由平均的正午太陽高度決定，故只與所處緯度有關），而到達地面的太陽輻射強度不僅與太陽高度有關，還與太陽輻射穿過大氣時受到的削弱相關，大氣的密度、雲量多少、雲層厚度、大氣汙染程度（尤其是塵埃多少）等都會影響到削弱的多少；至於日照時間，雖然各緯度年內晝夜長短變化幅度不同，但一年中晝長時間累加值理論上是相等的，故日照時間的多少主要與氣候有關。
所以，地面獲得太陽輻射能的多少，取決於：①（正午）太陽高度（由所處緯度決定），②大氣透明度（取決於大氣的密度、雲量多少、雲層厚度、大氣汙染程度等），③氣候狀況。全球地面獲得太陽輻射能量最多的地方，既不是緯度最低的赤道，也不是平均海拔最高的南極大陸，而是緯度較低（20-30n附近）、海拔高、空氣稀薄、清潔且晴天多的青藏高原南部和氣候乾旱、雲量少的撒哈拉沙漠地區。
●地面受熱不均的現象：主要受太陽輻射、地面狀況、大氣狀況等影響。
●大氣壓：所謂某地的氣壓，就是指該地單位面積垂直向上延伸到大氣層頂的空氣柱的總重量。
●大氣壓的垂直變化規律：氣壓隨著海拔高度的增加而遞減。美國作家房龍在他的《房龍地理》中曾經運用一摞書來比喻大氣壓的垂直變化規律：
一摞書中上邊的書容易被抽出來，越往下則越難抽出來。原因就在於越往上受到的壓力越小的緣故。
●等高面：海拔高度相等的點組成的空間平面稱為等高面。如海平面就是海拔高度為零的等高面。同一等高面它的海拔高度處處都是相等的。因此，它是乙個平行於海平面的平面。
●等壓面：空間各點氣壓都相等的面。氣壓因為海拔高度和地面冷熱的不同導致氣壓的不同。
一般來說，在垂直方向上隨著高度的公升高，等壓面的數值在變小，如果地面的性質是均一的，大氣的性質也是均一的，那麼等壓面就是互相平行的，否則就是高低起伏的。
●等壓線：海平面氣壓相等各點的連線。一般是等線等壓、等壓等線。
一般在一幅圖中每兩條等壓線之間的等壓距是相等的，所以只要知道其中兩條線的值就可以推知任何一條線的數值。如果等壓線閉合時,則中心數值大的為高壓中心，又叫反氣旋。在它控制下的天氣是晴朗的，反之為低壓中心，也叫氣旋，其控制下是陰雨天氣。
當然還可以根據等壓線的疏密來判斷風力的大小等。
●同一水平面的氣壓差異與水平氣壓梯度：地表受熱不均，使同一水平面上產生了氣壓差異。這種在單位距離間的氣壓差叫做氣壓梯度。
●水平氣壓梯度力：在大氣中由於氣壓在空間的分布不均勻，而作用於氣塊上的力。對單位質量的氣塊而言，氣壓梯度力的方向與等壓面垂直，且從高氣壓指向低氣壓；它的大小與氣壓梯度的數值成正比，與空氣密度成反比。
水平方向上的氣壓梯度力在水平面上垂直於等壓線，且由高氣壓指向低氣壓。
●地轉偏向力：由於地球自轉而產生作用於運動物體的力，稱為地轉偏向力，簡稱偏向力。它只在物體相對於地面有運動時才產生(實際不存在)，只能改變水平運動物體運動的方向，不能改變物體運動的速率。
總的來說，沿著在地表作水平運動的方向，北半球向右偏，南半球向左偏。
●大氣運動的兩種基本型別：垂直運動和水平運動。
上述這些基本概念和知識是學生進一步學習「大氣運動」核心地理概念與原理的前提，在教學前要通過談話、設問等方式了解學生的掌握情況，及時補充相關知識。
（3）「大氣運動」教學涉及的核心地理概念與原理
在前述地理事實性知識的基礎上，我們可以提公升出該部分教學內容的地理核心概念與原理。「大氣運動」教學的核心地理概念和原理主要包括以下幾個方面。
●大氣的溫室效應原理：又稱「花房效應」，是大氣保溫效應的俗稱。大氣能使太陽短波輻射到達地面，但地表向外放出的長波熱輻射卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣溫度增高，因其作用類似於栽培農作物的溫室，故名溫室效應。
現在則稱「大氣效應」。
大氣的溫室效應原理概括說明了日、地、氣三種輻射的關係。太陽輻射經過大氣被削弱一部分後，有將近一半的太陽輻射穿過了大氣到達地面。地面吸收太陽輻射後增溫，同時向外輻射能量，將熱量傳遞給大氣。
大氣吸收地面輻射後增溫，並向外輻射能量。大氣輻射有兩部分，一小部分向宇宙空間散失；另外一大部分向著地面，稱其為大氣逆輻射，這部分輻射在一定程度上補償了地面輻射損失的熱量。大氣效應對地面的保溫效應使夜晚的氣溫不會太低，因此使地球晝夜溫差不會太大。
●熱力環流原理：由於地面冷熱不均而形成的空氣環流，稱為熱力環流。它是大氣運動的一種最簡單的形式。
●風的形成：同一水平面的氣壓差異引起了空氣的水平運動即形成了風。水平氣壓梯度力是形成風的直接原因。
通過上述核心地理概念與原理的學習，我們可以引導學生形成一些觀念性認識。
（4）「大氣運動」教學中的基本觀念性認識
從地理事實的梳理、分析以及提煉的核心概念和地理原理我們可以形成下面一些基本觀念性認識。
●太陽輻射是大氣的根本熱源。
●地面輻射是大氣的主要的直接熱源。
●太陽輻射能在地面、大氣之間轉化與流動。
●太陽輻射在地表（或大氣上界）的分布具有規律性。
●地面受熱不均的影響因素主要有太陽輻射、大氣狀況和地面狀況等。
●地面受熱不均導致了大氣的運動。從空間尺度來看，大氣運動有不同的規模。
我們從這些基本觀念性的認識還可以提公升出地理核心觀念和學科思想方法。
（5）「大氣運動」教學中的地理核心觀念與思想方法
從本節教學內容的基本觀念性認識我們可以進一步提煉出相應的地理核心觀念和思想方法。
自然環境中的能量是流動的。能量流動是建立在地理區域差異、地理梯度的基礎上的（差異——梯度——地理流）；說明了地理空間的相互作用；體現了地理環境的開放性、整體性。自然環境中的能量流動具有不同的空間尺度。
3．知識內容的內在邏輯關係
依據前述分析，我們可以確定「大氣運動」的知識結構如圖所示：
「大氣運動」的知識結構體現了太陽輻射能在地面、大氣間的轉化與流動，即大氣的受熱過程；由於太陽輻射的地域分異導致了地面受熱不均，引起了大氣的垂直運動和同一水平面的氣壓差異，產生了大氣的水平運動，形成了熱力環流，導致了風的形成。熱力環流與風的形成本質上是太陽輻射能的地域分異及太陽輻射能在大氣、地面間轉化與流動的結果和體現。
4．「大氣運動」教學內容在中學地理學科中的地位
（1）「大氣運動」 教學內容在章節中的位置
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