面向物理機制探究的山地氣候?qū)嵙暯虒W——以廬山綜合自然地理實習為例

◆劉軍志 鄧永翠 龍毅

作者：劉軍志、鄧永翠、龍毅，南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，南京師范大學地理科學學院，江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心（210023）。

山地是一種重要的地貌類型，其面積占我國陸地總面積的1/3。山地實習是自然地理綜合實習的重要內(nèi)容，而山地氣候教學是植被、土壤等教學內(nèi)容的基礎(chǔ)，因而是山地實習的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在以往的山地氣候教學中，對一些基本氣候現(xiàn)象的解釋往往沒有深究其背后的物理機制，不利于學生深入理解山地氣候現(xiàn)象的成因和機理。針對該問題，本文以廬山綜合自然地理實習為例，采用探究性教學理論和方法，按照“地理現(xiàn)象觀察——啟發(fā)學生思考——學生自主探究——引導(dǎo)學生總結(jié)提高”四個基本環(huán)節(jié)，對山地基本氣象要素的垂直變化和小氣候背后的物理機制進行剖析，讓學生深入理解和掌握山地氣候規(guī)律。

1 山地氣象要素的垂直變化教學

讓學生分組在不同高度同步觀測或觀察氣象要素（氣溫、氣壓、降水等），在學生觀察之后，教師引導(dǎo)他們思考驅(qū)動氣象要素垂直變化的物理機制，使學生對氣候現(xiàn)象的成因有深入的理解。

山地氣溫的垂直變化地理現(xiàn)象觀察：氣溫隨海拔高度產(chǎn)生什么樣的變化？通過實際觀測結(jié)果繪制海拔（X 軸）與溫度（Y軸）的散點圖，學生會發(fā)現(xiàn)氣溫隨海拔升高而降低。

啟發(fā)學生思考：氣溫由什么因素決定？要回答這個問題，需要考慮大氣對太陽短波輻射和長波輻射不同的吸收特性。

學生自主探究：學生根據(jù)問題和提示，自主思考和探究問題的答案。

引導(dǎo)學生總結(jié)提高：以大家所熟知的溫室效應(yīng)做類比，溫室效應(yīng)產(chǎn)生的原因在于大氣能使太陽短波輻射到達地面，但地表受熱后向外放出的長波輻射線卻被溫室氣體吸收，導(dǎo)致地表溫度升高。這里面的一個基本機制是大氣主要吸收長波輻射，其所接受的長波輻射越多，溫度越高；接受的長波輻射越少，溫度越低。從這個思路對山地氣溫的垂直變化進行分析，引導(dǎo)學生想到：海拔高的地方接受的地表長波輻射比海拔低的地方少，所以海拔越高，氣溫越低。

該案例通過引導(dǎo)學生進行探究性思考，使其理解驅(qū)動山地氣溫垂直變化的物理機制：大氣溫度變化主要受其吸收的地面長波輻射影響。

山地氣壓的垂直變化地理現(xiàn)象觀察：氣壓隨著高度增加如何變化？通過實際觀測結(jié)果繪制海拔（X 軸）與氣壓（Y 軸）的散點圖，學生會發(fā)現(xiàn)氣壓隨海拔升高而減小。

啟發(fā)學生思考：氣壓的物理意義是什么？讓學生從氣壓物理意義的角度，去思考氣壓的影響因素及其與海拔高度的關(guān)系。

學生自主探究：學生根據(jù)問題和提示，自主思考和探究問題的答案。

引導(dǎo)學生總結(jié)提高：大氣由大量做無規(guī)則運動的分子組成，這些分子不斷碰撞空氣中的物體，每次碰撞，空氣分子都會給物體表面一個沖擊力，大量空氣分子持續(xù)碰撞的結(jié)果就體現(xiàn)為大氣對物體表面的壓力，從而形成大氣壓。單位體積中含有的分子數(shù)越多，溫度越高，單位時間內(nèi)空氣分子碰撞單位物體表面積的次數(shù)越多，因而產(chǎn)生的壓力和壓強越大。高處的空氣比低處的空氣稀薄，溫度也低，因而在單位時間內(nèi)空氣分子碰撞單位物體表面積的次數(shù)比低處少，產(chǎn)生的壓力和壓強也小。

該案例通過引導(dǎo)學生進行探究性思考，使其理解山地氣壓垂直變化的物理機制：氣壓由大量空氣分子對物體表面的持續(xù)碰撞引起。

山地降水的垂直變化觀測數(shù)據(jù)分析：由于降水不易觀測，所以先讓學生分析廬山上牯嶺氣象站與山下九江和星子氣象站的多年降水觀測數(shù)據(jù)，找出降水的垂直變化規(guī)律——在廬山區(qū)域，降水隨海拔升高而增多。

啟發(fā)學生思考：根據(jù)自然地理課程的學習，降水的影響因素有哪些？其中與地形和海拔相關(guān)的影響機制有哪些？

學生自主探究：根據(jù)問題和提示，自主思考和探究問題的答案。

引導(dǎo)學生總結(jié)提高：自然地理課程中學習過地形雨，廬山地區(qū)是否符合地形雨的發(fā)生條件？地形雨的發(fā)生機制是：濕潤氣流遇到山脈等高地阻擋時，被迫抬升；在抬升過程中，因氣壓降低，氣流發(fā)生絕熱膨脹，氣溫降低，從而導(dǎo)致大氣的飽和大氣壓降低，大氣中多余的水汽凝結(jié)而形成降水。根據(jù)如上分析，廬山地區(qū)符合地形雨發(fā)生的條件，因而其降水的垂直變化主要由地形雨引起。

該案例通過引導(dǎo)學生進行探究性思考，使其理解山地降水垂直變化的物理機制：濕潤氣流沿山坡抬升，絕熱膨脹引起氣溫降低，水汽冷凝形成地形雨。

2 谷地小氣候

地理現(xiàn)象觀察：選擇廬山黃龍寺區(qū)域為觀察點，讓學生觀察植被情況，判斷該區(qū)域所屬的氣候帶，并與同海拔高度的廬山典型山地氣候帶進行對比。通過觀察，學生發(fā)現(xiàn)該區(qū)域出現(xiàn)了亞熱帶的指示性植被——毛竹，判斷該區(qū)域為中亞熱帶氣候。

啟發(fā)學生思考：按照實際觀測的植被情況判斷，該區(qū)域為中亞熱帶氣候，而按照廬山的山地氣候帶劃分，該高度應(yīng)該為山地暖溫帶，那么是什么原因?qū)е略搮^(qū)域由原本的山地暖溫帶變?yōu)橹衼啛釒兀繗夂驓w根到底由水熱條件決定，除了緯度和海拔，還有什么因素影響水熱條件呢？

學生自主探究：根據(jù)問題和提示，自主思考和探究問題的答案，并通過與其他學生的交流加深對問題的認識。

引導(dǎo)學生總結(jié)提高：讓學生積極說出對問題答案的思考，并在學生問題的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學生思考局部地形和氣候的關(guān)系，讓學生自己總結(jié)出該區(qū)域地形對氣候的影響。

一方面，從地形上看，該區(qū)域的地形為坐西北朝東南的圍椅狀谷地（900 m 等高線為Ω 形狀，其以上的等高線較為稀疏，其以下的等高線較為密集），僅通過谷地與外界相通，因而熱量、水汽與外界不易發(fā)生交換；冬天的時候，冷空氣來自北方，較弱的冷空氣會被北部山脈阻擋，較強冷空氣即使翻過外圍山體入侵盆地，氣流在下沉過程中絕熱壓縮，溫度升高。

另一方面，有三條河流匯入該谷地，分別從東谷、大校場谷地和九奇峰流入，所以該區(qū)域水汽非常豐富，而濕度高的同時也會引起空氣的比熱增加，產(chǎn)生保溫效應(yīng)。

該案例通過引導(dǎo)學生進行探究性思考，深入理解黃龍寺小氣候背后的物理機制：氣流的絕熱壓縮和濕空氣的比熱大。

3 總結(jié)

通過采用探究性教學理論和方法，本文按照“地理現(xiàn)象觀察——啟發(fā)學生思考——學生自主探究——引導(dǎo)學生總結(jié)提高”四個基本環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學生深入理解和掌握氣溫、氣壓、降水等山地氣象要素的垂直變化和小氣候背后的物理機制，可為同類教學提供借鑒和參考。

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