用Meteosphere探究复杂的大气环流

陈国祥

（江苏省前黄高级中学, 江苏 常州 213161）

用Meteosphere探究复杂的大气环流

陈国祥

（江苏省前黄高级中学, 江苏 常州 213161）

本文通过Meteosphere软件，再现了实时的大气运动的气流、气压、云和降水等现象，帮助学生认识真实中大气环流的复杂性，提出了大气环流运动既包括经向环流（即三圈环流），也包括纬向环流的观点，将气象科学新发展与中学地理教学相联系，突破了中学传统教材与教学

Meteosphere；复杂性；大气环流

一、Meteosphere是什么

Meteosphere是一款由Meteomedia公司开发的天气软件，运行在iOS或Andiord平台中。这款软件根据其全球830个气象站的数据，可以预报出未来48小时内的天气变化情况，包括天气、云和降水、气流和风势、等压线等变化，如图1所示。如果支付一定费用成为高级会员帐户的话，还有温度和风势、降雪和降雨、Jetstream（万米高空气流）、等压线和降水量等情况。这些变化的信息，都是以动画的方式表现出来，可供各行业研究天气现象使用。信息数据每天都定时更新，使用十分方便。

图1 Meteosphere的主界面

Meteosphere中的这些天气动画，对于高中地理大气部分的教学来说，是十分必要的。因为在教材和传统的多媒体资源中，这部分知识往往是以模式图或静态图片的方式呈现的，虽然还可以通过天气预报网站，获得实时的动态云图和天气信息，但要想合成这些信息，形成动态变化的大气运动和天气变化图，对于一线老师来讲，还是困难的。正是由于缺乏动态的、变化的大气运动资料，学生在学习时，往往很难直接观察到大气真实的运动和变化情况，也很难解释日常生活中遇到的气候和天气变化现象，学生的认识也比较简单和线性，不能领悟到大气运动的复杂性。

二、复杂的大气环流

大气环流，是高中地理教学的一个重点内容。在不同版本的教材中，大都以“全球气压带和风带的形成”作为标题，主要内容涉及到闭合环流、三圈环流、七气六风带、气压带风带的季节移动、海陆影响、季风环流等。这部分内容既是教师教学的难点，也是学生学习的难点，更是考试评价的重点。

对于这部分内容的教学，用得最多的方法是推理法。早在1999年，安徽金堂县淮口中学陈微勇在《“大气三圈环流”四步教学法》一文中，就采用了“假设条件——推翻假设——步步深入——得出结论”的“四步法”。所谓的假设条件，主要是三个：（1）地球不自转；（2）太阳永远直射赤道；（3）地球表面是均匀的。如果假设条件成立，根据热力环流，全球的大气是闭合环流，然后分别推翻假设，得出三圈环流、季节移动和海陆气压中心。湖北十堰房县第二高级中学陈振权和夏云的《巧用三个假设，讲清大气环流》一文，思路也基本是一致的。笔者在前几年的教学过程中，也曾多次使用这种方法。

推理法的运用，固然能很好地帮助学生建构起三圈环流的理论模型，形成气压带、风带、气压中心等核心概念，但不可否认的是，这种教学方法的背后，隐含着地理课程与教学中的三个严重问题：

1. 让学生失去了对生活世界复杂性的应有感知。由于我们采用的是假设条件、建立模型、层层推理的教学方式，把理应建立在感性认识和生活经验基础上的大气运动学习变成了纯粹的理性思辨。通过学习，学生可能会形成这样一种错误认识：对于大气运动规律的认识，我们不需要实际考查，仅凭原理与模型进行推理就行了。许多课后练习与考试试题，更是使这种推理方法与模型演绎达到了极致，甚至出现不顾条件、生搬硬套的现象。许多学生考试时能拿到高分，但到了生活中，找不到天气资料，更不会读天气系统图。须知，实际中的大气运动是非常复杂的，对于这种内容的学习，让他们能看到、感受到，获得直接经验是最为重要的。

2. 形成了关于大气运动基础知识的错误认识。这种推理式教学把教学的重点放在模型的构建与解释上，为了解释清楚模型，必然涉及到许多概念和原理，对学生的空间认识能力要求也较高。多年下来，许多教师都觉得凭中学生的认识水平和思维能力，能掌握到这些概念和原理就够了。于是，会把这些内容认为是大气运动的“基础知识”，作为基础教育阶段，只要掌握这些基础知识就够了，讲得太多、太深，学生是没法理解的。

这种看法，看似有些道理，但是我们留意一下国外的课程和教材，就会发现，美国的教材讲得比我们还要难得多。以美国高中主流教材《科学发现者》为例，它的大气部分内容涉及到了许多我们教材中从来没有的一些概念，如高空西风带、急流问题、热带辐合带、气团、锢囚锋等。为什么在国外教材中会比较难呢？我们仔细分析一下就会发现，国外教材虽然概念多，内容广，但他们只要知道概念与分布即可。而国内的教材，在原理、成因等方面的要求很高，不但要知道，还要会灵活运用（做题目）。以“三圈环流”为例，我国为了讲请楚三圈环流的成因与原理，变换了多少种形式，做了多少道题？然而国外教材，只重点强调三个风带的分布，对于三圈环流的成因与原理，虽有图示，但不作过多说明。

由此可以看出，所谓的基础知识并不是一成不变的逻辑起点，而是根据不同的课程目标和教学要求，在不同的学科理解与评价导向上所形成的。随着地理课程目标的多样化与生活化，我们需要重新思考什么才是有用的、基础的“基础知识”。

3. 导致现行高中教材与大学内容的严重脱节。目前，高中地理教材大气部分与大学内容是严重脱节的，对于许多大气环流知识，高中教材只作了简单化处理，很多问题避而不谈，如高中教材只讲近地面风向，对于高空西风避而不谈，只讲经向上的三圈环流，不讲纬向环流。显然，高中教材的理论都是1928年前的（1928年瑞典人伯杰龙提出了三圈环流理论），但是1940年，随着高空西风的发现和罗贝斯长波理论提出后，大气科学在理论与实践方面都有了长足的进步（当今准确的天气预报即是明证）。在这样的科学发展背景下，我们高中教材几十年都没有变化，还是在用一种纯粹思辨的方法，教授一些过时的理论模型，让学生形成了简单的、线性的大气运动观，这不能不说是一种悲哀。

当然，这种状况的形成也与教师的专业发展有关。一些中学地理教师，大学时也曾学过一些大气科学知识，但大多是囫囵吞枣，不够扎实（以笔者为例）。等工作以后，由于高中地理教材内容远比大学简单，这些专业知识便失去了实用的机会。用不了几年，教师就会习惯了高中教材的经典说法，不愿意在这些问题上做深入思考。失去了科学理论的支持，许多教学设计难以从真实的天气现象出发，许多的问题探究活动只能停留在低水平重复状态，练习也只是形式上的变化，地理教学永远是从书本到书本，除了做题还是做题。

从以上的分析中我们不难看出，课程标准、教材编制、教学方法、教师观念以及教学资源都是影响我们教与学的主要因素。当看到MeteoSphere呈现出的完整大气模拟动画时，我们的眼前不禁一亮，能不能借助这款软件提供的丰富资源，借鉴国外教材的相关内容，通过教师的专业提升，帮助学生实践一次《复杂的大气环流》问题探究呢？以下是我们的尝试过程。

三、主要的教学设计和实施

在高一学生完成《地球上的大气》这一部分内容的学习之后，安排一次问题探究课，以《复杂的大气环流》为题，主要的教学设计如下：

1.教学目标

（1）学生能了解真实的大气运动情况，能利用所学知识找出相应的气压中心、气压带和风带。

（2）学生能意识到原有模型在解释大气环流方面的不足，能提出新的解释维度和方向，初步构建出对大气环流复杂性的认知。

（3）利用信息技术，学会查找、分析地理信息，形成基于信息技术的认知突破。

2.教学媒体和环境

每人一台iPad，安装有Meteosphere、Notes Moblie等应用程序。8人一组，构成小组合作学习环境，每组配有一个液晶电视屏，方便进行屏幕分享。处于开放的无线网络环境中，及时利用互联网查找资料。提前对学生进行iPad和Meteoshpere的操作培训，事先准备好数据更新，防止网络阻塞。

3.任务和问题的设计

任务一：根据教材P40中的1月份和7月份的海平面等压线图，结合Meteosphere中的等压线图，你能找出北太平洋和北大西洋上的主要气压中心吗？能说出它们的名称吗？（如图2、图3所示）

请选择一幅最典型的画面，保存到相簿中，用Notes Moblie软件打开，标注出高低压中心，然后小组内进行屏幕共享。

图2 北太平洋等压线图

图3 北大西洋等压线图

进一步追问的问题：这些气压中心是怎样形成的？你还有什么新的发现？亚洲大陆出现了什么样的气压中心？

任务二：请打开气流/风势图，在太平洋和大西洋的东部地区，找出东北信风带和东南信风带的位置，并观察它们的气流运动情况。（同样采用上述的方法，与小组成员一起交流与共享）。（如图4、图5所示）

图4 太平洋东部的信风带

图5 大西洋东部的信风带

进一步追问的问题：东北信风与东南信风在什么地方相遇？相遇会出现什么情况？这样的交汇区域称为什么带？（如图6、图7所示）这样的运动会产生什么样的天气？可以用其它的图来说明吗？北太平洋东岸的盛行西风带又是在哪里？（如图8、图9所示）

图6 太平洋上的热带辐合带

图7 大西洋上的热带辐合带

图8 北太平洋东部的盛行西风

图9 北大西洋东部的盛行西风

任务三：实际中的大气环流与理论的三圈环流有哪些不同？三圈环流是不是一种经线方向上的环流？有没有纬线方向上的环流圈呢？如果有的话，纬向的环流圈又会是什么样子呢？

介绍大气环流理论的发展过程以及高空西风带的发现。提出中纬度地区的地面和高空，都是深厚的西风和西风波。（如图10所示）说明三圈环流的理论模型存在着缺陷，大气除了经向上的三个环流圈以外，还有更为重要的纬向环流圈。

图10 Jetstream高空的急流图

介绍现代气象学家罗斯贝和我国气象学开创者叶笃正的发现，如图11和图12所示。展示他们对全球气流的观点：真实的大气运动具有复杂性、不确定性和非线性的特点。

图11 教材中的三圈环流图

图12 经罗斯贝修正后的大气环流图

问题：今天我们应用Meteosphere进行了大气环流的探究，你发现这与你原来对大气环流的认识有什么不同？你还发现了哪些新的问题？

结束语：今天这节课，让我们对大气环流运动有一个真切的感受和体会，我们既尝试到了把书本知识运用到了生活中的快乐，也发现了许多书本上没有提到的现象与问题。大气运动的动态变化、不同尺度和不确定性，让它变得十分复杂，好在我们人类有了现代信息技术，利用技术，我们不但可以观察这个世界，还能运用我们的智慧，不断发问与思考。

四、教学反思与体会

借助于Meteosphere软件，给学生带来了真实世界的大气运动图象，除对学生产生强烈震撼之外，也激发了他们的学习兴趣和探索世界的好奇心。在对大气运动的运动性、复杂性有了直观感受的同时，也发现教材中所讲的一些知识的有用性。

对于纬向环流的认识，并不像我们想象的那么难。同学们因为能够直接观察到现象，都认同确实存在着经向与纬向叠加的大气环流。虽然修正后的大气环流模式在他们头脑中的印象不一定深刻，但他们还是很喜欢这种对书本和传统理论质疑的教学方式。

必须承认，这节课的教学环境在一般学校是难以实现的。其实，只要一台iPad，教师也是可以在普通的多媒体投影仪上投射出这些资源。也可以通过录屏方式，事先将这些动画录制下来，存放到学生的其它学习终端上，效果也是不错的。

最后，需要说明的一点是，这节课是在学生学完整个大气运动这一部分进行的，学生具有一定的知识基础，而且为重点中学的优秀学生，能较好地完成学习任务和教学要求。但经验也告诉我们，就算是平时上课，就算是没有基础的学生，如果教师能大胆尝试，努力创新，还是能探索出多种符合学生认知、体现时代要求的课例形式。

[1] 陈微勇.“大气三圈环流”四步教学法[J]. 成都教育学院学报,2001,(1)：57.

[2] 陈振权,夏云.巧用三个假设讲清大气环流[J].地理教学,2010,(22)：27-28.

（责任编校：周维国）