热力环流实验教具的改进与应用

●黑龙江绥化市第七中学 翟清明

热力环流的原理作为高中阶段地理学科重要的理论性知识，对于理解气压带和风带，以及常见天气系统的形成与影响具有重要作用。但是热力环流的原理相对较为抽象，而且课堂教学较为枯燥乏味，导致学生对原理掌握得不透彻，理解不够全面。基于该原理的重要性及学生学情的现实状况，为了更好地提高学生综合素养与能力，也为更加科学有效并快捷地完成热力环流的实验，地理教具的创造性设计与制作便具有关键性意义。

一、传统热力环流实验教具常见问题

传统热力环流实验通常采用玻璃箱或者塑料箱作为外罩材料，箱体左右两侧分别放置热水和冰块模拟受热不均的地面，并在冰块上方的玻璃箱小孔处投放烟雾。这种实验设计在日常的课堂教学中常会出现这些问题：水汽蒸发会在玻璃上凝结，从而影响观察效果；可能因为玻璃反光导致箱体内的实验现象在某些角度观察不到；多数玻璃箱的空间较大使得烟雾流动方向比较混乱，根本看不见环流现象。鉴于以上问题，笔者在实验设计中将热力环流形成过程中的不同环节进行分段式实验教具设计与制作，并逐步完成热力环流原理的分析。

二、空气垂直运动实验教具制作与使用

1.1号实验教具制作与使用。

准备材料 细铁管、塑料袋(50cm×30cm×30cm)、酒精(95%)、铁盒、湿抹布(实验结束时用于扑灭酒精)、打火机、曲别针(4枚)。

主体教具的制作 用细铁管制作成立方体支架(100cm×25cm×25cm)；将曲别针均匀地固定在塑料袋的袋口(安装曲别针可有效提高塑料袋的飞升高度和稳定性)。

教具使用 将塑料袋的袋口朝下套放在支架上，并将盛有酒精的铁盒放置在塑料袋的正下方(酒精投入量要适当以免火势过大)，塑料袋与铁盒之间保证安全距离，然后用打火机将酒精点燃。所有操作结束教师可以提示：观察塑料袋的变化以及垂直方向上的运动方向。

实验教具设计意义 用点燃酒精后的铁盒模拟受热较多的地面，通过铁盒上方塑料袋膨胀上升这一实验现象证实受热较多地面上方空气体积变化和垂直运动方向。与传统热力环流实验相比，改进后的教具可提高实验效果，而且受外界环境的影响较小。塑料袋的迅速上升充分调动了学生参与课堂学习的积极性和主动性，并且，学生结合观察的现象也利于对热力环流原理的理解。

2.2号实验教具制作与使用。

准备材料 2000毫升矿泉水瓶(4个)、2条毛巾(1条红色、1条绿色)、大夹子(2个)、圆形环状强磁铁(6枚)、橡胶塞(4个)、打火机、有烟香。

主体教具制作 将矿泉水瓶的瓶底剪掉，取两个剪去瓶底的瓶子，其中一个瓶口朝上而另外一个瓶口朝下，将两者去除瓶底的位置对接，在对接处用透明胶密封以防漏气，并将强磁铁粘贴在对接处(方便使用实验教具演示过程中将瓶子快速固定在黑板上)。以上述的方法制作两个塑料瓶教具。

教具使用 将两个塑料瓶教具通过强磁铁竖直粘贴在黑板上，并将塑料瓶的上方瓶口用橡胶塞封闭，然后将有烟香点燃，从下方瓶口同时向两个瓶中注入烟雾，待瓶中注满烟雾后将下方瓶口用橡胶塞封闭，利用夹子将冷热两条毛巾(绿色为冷毛巾、红色为热毛巾)分别包裹在两个装满烟雾的瓶子外部，静置1分钟左右，然后迅速将四个瓶塞同时拔掉，提示学生观察实验现象。

实验教具设计意义 改进后的教具不仅便于实验操作，而且实验效果极为显著。通过两组教具对比实验充分验证相对较冷空气的下沉运动，同时也可观察到相对较热空气的上升运动。本实验利于学生对比性思维的提升。实验教具的制作材料取用方便，并且充分利用废旧资源，同时不易受外界环境干扰和影响，大大提高实验成功率。

三、空气水平运动实验教具的制作与使用

准备材料 厚玻璃、透明胶、黑色卡纸、强光手电、烧杯、酒精灯、鱼线、白色薄纸条、打火机、冰块等。

实验箱体制作 将玻璃进行裁切并用透明胶粘合制作成玻璃箱，玻璃箱的尺寸为90cm×60cm×20cm；玻璃箱的90cm×60cm×20cm一个面不用透明胶粘合，该面作为实验箱上部；在玻璃箱的90cm×60cm的一侧粘上黑色卡纸作为实验箱背面；截取两条90cm的渔线，并在渔线中部粘贴好纸条(保证纸条在强气流的作用下可以飘动)，制作好的两条渔线的两端分别固定在箱体内部60cm×20cm的两个面上，其中一条固定在玻璃箱上方，另外一条固定在玻璃箱下方。

教具使用 在玻璃箱底部的左右两侧分别放置酒精灯和烧杯(装有冰块)，点燃酒精灯后封闭实验箱上部，再于玻璃箱的60cm×20cm一侧用强光手电投入光线。教师提示：观察实验箱上方和下方纸条的飘动方向，凭此判断箱体内水平方向上空气运动方向。

实验教具设计意义 通过该教具的应用有效地完成了实验活动，很好地达成了实验目的。

四、实验教具在教学中应用建议

改进后的实验教具已经在公开教学中进行过多次演示，均呈现良好的实验效果，但有些细节需要注意：1号实验教具使用前需要准备好湿抹布，以备在实验结束后将小铁盒盖住，有效地将实验用火熄灭，同时尽量提前准备好简易水基型灭火器，以防因酒精洒落造成意外起火；三个实验教具虽属于同一个实验活动，但因教具的组成材料数量较多而且零散，教师在课堂准备时一定要将实验教具分类别放置好，以防在演示过程中出现找不到教具的现象。

若利用此套教具进行教学，教师进行教学设计时可以提前提供空白热力环流的示意图，在逐步进行实验演示的同时要求学生用箭头逐一画出垂直和水平方向上气流的运动方向，从而加深学生对原理的有效认知。在使用1号实验教具和2号实验教具探究完垂直方向上空气运动方向后，可以通过物理学中密度变化与水平气压的关系分析热力环流示意图中水平方向上气压的高低。

五、实验教具制作与应用反思

本套热力环流实验教具将传统在实验箱中进行的实验活动分解为三个不同的小型实验。第一，点燃小铁盒中的酒精后观察其上方塑料袋变化与运动方向，从而探知受热较多的地面上方空气的变化；第二，通过观察上下开口塑料瓶中烟雾的运动方向，进而探求受热较少的地面上方空气垂直方向上运动方向；第三，通过观察玻璃箱内上方和下方纸条飘动方向，探索了近地面和高空水平方向上的空气运动方向。通过热力环流实验教具的创新与改进，在一定程度上促进了学生对原理的高效掌握，但是本套教具在教学过程中也发现了需要调整之处。1号实验教具可以让学生感知到空气受热后垂直方向上的运动方向和体积的变化，而2号教具却觉察不到空气因温度的降低所出现空气体积的变化。

学生的成长需要时间，教师的进步与发展也需要时间，教具的改进与不断完善同样需要时间。所以，教师在教学工作中需要求实的工作态度，并且尊重事物发展的客观规律，不能急于求成。作为一线地理教师，应该不断对所用教具进行改进与创新，用基于客观规律的教具提升学生自身素养，用在课堂中发现的问题推动教师研究能力的提高。只有这样，地理教师才能创造出更多具有实践意义的地理教具。