8.3 气压与风的成因-基于科学探究与模型建构的教学设计

8.3气压与风的成因——基于科学探究与模型建构的教学设计一、教学内容分析《义务教育科学课程标准（2022年版）》将“地球系统”与“物质的运动与相互作用”作为核心概念领域。本课“气压与风的成因”正处于这两个领域的交汇点，是学生从微观分子运动理解宏观天气现象的关键桥梁，在“天气、气候与水循环”单元中承上（大气组成与分层）启下（气团、锋面与气候）。从知识图谱看，学生需在理解“大气压强”概念的基础上，建立“水平气压差异→空气水平运动（风）”的因果逻辑链，其认知层级需从“识记”事实上升到“理解”机制并初步“应用”于解释生活现象。课标蕴含的学科思想方法突出体现为“模型建构”与“因果推理”：如何将看不见、摸不着的空气运动，通过实验模拟和图像表征转化为可被理解和分析的模型，是教学设计的核心路径。其素养价值指向“科学探究”（设计并实施模拟实验）、“科学思维”（基于证据的推理、模型建构）以及“态度责任”（理解自然规律，形成对气象科学的兴趣和探究热情），为后续学习复杂的天气系统奠定思维基础。授课对象为八年级学生，他们已具备固体压强、液体压强及大气压存在的知识，对“风”有丰富的感性经验，但普遍存在“风是空气自己‘跑’起来”或“高压区吹向低压区就是直接‘灌入’”等前科学概念。主要认知障碍在于：将立体的、动态的大气运动进行平面化、静态化理解的思维定势；难以抽象理解“水平气压梯度力”这一核心驱动力。教学对策是：化抽象为具象，通过系列递进的学生活动（如吹纸条、制造“迷你风”等），将认知难点分解、显性化。课堂中将通过“前测问题链”、小组实验观察记录、思维可视化工单等形成性评价手段，动态诊断学生概念建构的节点与误区。对于抽象思维较强的学生，引导其深入剖析模型的简化与局限；对于依赖直观感受的学生，则提供更多动手操作和类比（如水流从高处流向低处）的支持，确保每位学生都能在自身认知起点上获得发展。二、教学目标知识目标：学生能够准确描述大气压的概念，并解释其随高度变化的规律；能清晰阐述水平气压差异是形成风的直接原因，并用规范的语言说明风从高压区流向低压区的过程；能初步识别简易天气图上的高低压中心，并推断风向。能力目标：学生能够通过合作设计并完成简单的模拟实验（如烟流观察箱、温差对流箱），直观“看见”空气的流动，培养实验设计与观察能力；能够运用“模型建构”的方法，将复杂的自然现象简化为可分析的要素（气压中心、气压梯度、风向），并绘制示意图进行表达；能够从等压线图中提取信息，进行简单的因果推理和预测。情感态度与价值观目标：学生在探究风的成因过程中，激发对身边自然现象的好奇心和科学探究的热情；在小组合作中养成认真观察、尊重证据、倾听同伴意见的科学态度；通过理解风与天气、气候的关系，初步形成关注自然环境、运用科学知识解释生活现象的意识和习惯。科学思维目标：本课重点发展学生的“模型建构思维”与“因果推理思维”。通过将无形的风转化为有形的实验现象和示意图，引导学生理解模型的构建过程与价值；通过层层设问（“为什么会有风？”“风为什么会转向？”），引导学生建立从现象到本质、从单一因素到多因素综合的严谨逻辑链条。评价与元认知目标：引导学生利用“实验探究评价量规”对自身或小组的实验设计与操作进行反思与优化；在课堂小结环节，鼓励学生通过绘制概念图，反思自己知识建构的逻辑是否清晰，识别自己理解上的模糊点，并学会利用知识清单进行查漏补缺。三、教学重点与难点教学重点：建立“水平气压差异导致空气水平运动形成风”的因果模型。确立依据在于，该原理是天气学与气候学的基石性“大概念”，深刻理解了这一点，学生才能自主推理海陆风、季风乃至气旋、反气旋等复杂天气系统的形成机制。从学业评价角度看，该原理是分析一切与风相关现象（从生活中的旗帜飘扬到天气预报中的风向风速）的核心逻辑，是体现科学思维能力的典型考点。教学难点：学生理解“水平气压梯度力”是形成风的直接动力，并初步考虑地球自转（地转偏向力）对风向的偏转影响（北半球右偏）。难点成因在于：第一，该力非常抽象，无法直接感知；第二，学生容易将“气压差”等同于简单的“两点之间的压力差”，而难以形成“梯度”（空间变化率）的连续场概念；第三，引入地转偏向力打破了直观的“从高压直吹低压”的简单模型，增加了思维的复杂性。预设依据来自常见学情：学生在解释风时，常止步于“气压不同”，而无法深入说明“如何不同导致运动”；在判断风向时，极易忽略科氏力的影响。突破方向在于，用“等高线”类比“等压线”，用“水往低处流”的势能差类比“气压梯度”，并通过旋转圆盘模拟实验直观展示偏转效应。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含城市与郊区热力环流动画、等压线图判读示例）；板书记划（预留概念建构区、模型绘制区）。1.2实验器材（分组）：①气压与风成因演示箱（透明亚克力箱，一侧可放置冰袋，一侧可放置温热水袋，内置香薰烟源）；②小风扇、蜡烛、纸条；③旋转圆盘、墨水笔（用于模拟地转偏向力）；④学生活动任务单（含探究记录表与分层练习）。2.学生准备预习课本相关章节，思考“风从哪里来，又为什么会改变方向？”；每人准备铅笔、尺子。3.环境布置教室桌椅按46人合作小组布局，便于开展实验探究与讨论。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与驱动问题提出：（播放一段视频：海滩边，白天风从海面吹向陆地，夜晚风从陆地吹向海面。）“同学们，视频中的风向为什么会‘早晚不一样’呢？我们都有被‘过堂风’吹过的经验，夏天教室开门窗，风就从外面吹进来了。这背后共同的秘密是什么？”（停顿，让学生思考）。“其实啊，这一切都跟空气的‘压力差’有关。今天，我们就化身‘大气侦探’，一起揭开‘风’的成因之谜。”1.1路径明晰与旧知唤醒：“我们的探案路线图是这样的：首先，复习一下‘大气压’这位老朋友；然后，想办法制造‘气压差’，看看会发生什么；接着，建构风的成因模型；最后，学会在天气图上‘破译’风的踪迹。大家先回忆一下，什么是大气压？我们能用什么方法证明它的存在？”（引导学生回忆覆杯实验、吸盘等生活实例）。第二、新授环节任务一：感受无处不在的大气压与“风”的初印象教师活动：首先，引导学生进行小活动：“请大家对着自己的手背轻轻吹气，有什么感觉？是‘压力’还是‘流动’？”接着，点燃一支蜡烛，提问：“如果我想让火焰偏向一侧，但不直接吹它，可以怎么做？”教师演示用硬纸板在蜡烛一侧扇动，引导观察火焰朝向。然后抛出核心问题：“我们吹气、扇动纸板，其实都是让空气‘动’起来了。那么，在自然环境中，没有我们去吹、去扇，空气为什么会自己大规模地流动形成风呢？请大家先根据生活经验，做一个初步猜想。”学生活动：体验吹气感受，观察教师演示，并尝试用语言描述现象。以小组为单位，讨论并记录关于“自然风如何形成”的初始想法（可能提到温度、太阳、气压等关键词）。即时评价标准：1.观察是否仔细，能否准确描述实验现象。2.小组讨论时，成员能否积极表达自己的初始想法，无论对错。3.记录的观点是否与生活经验相关联。形成知识、思维、方法清单：★风是空气的水平运动。这是对风最本质的科学定义，区别于垂直运动的气流。▲大气压强（气压）是指单位面积上承受的大气柱重量。复习概念，为理解“气压差”奠基。科学探究始于对现象的观察和基于经验的合理猜想。鼓励学生大胆假设，为后续验证提供起点。任务二：制造“气压差”，直观看见“风”教师活动：组织学生进行分组探究实验。第一步：提供长纸条，让学生手持纸条上端，用嘴向纸条平行吹气，观察纸条上扬现象。“大家看，吹气的地方，空气流动快，纸条上方的气压发生了什么变化？”（引导得出：流速快，气压低）。第二步：操作“温差对流箱”。先展示箱子，内部充满烟雾，两端温度均匀，烟雾静止。“看，现在箱子里的空气‘风平浪静’。”然后，在一端放置冰袋（模拟冷区），另一端放置温热水袋（模拟暖区）。“请大家预测一下，烟雾会怎样运动？仔细观察并记录。”巡回指导，提醒学生关注烟雾的水平和垂直运动路径。学生活动：分组完成两个小实验。记录纸条实验的现象和初步解释。重点观察温差对流箱中烟雾的流动路径，用箭头在任务单上画出空气的运动轨迹（暖区上升，高空流向冷区，冷区下沉，近地面流回暖区），形成一个循环。即时评价标准：1.实验操作是否规范、安全。2.观察记录是否详尽、准确，能否用箭头清晰表示气流方向。3.小组内能否合作分工，如操作员、观察员、记录员角色明确。形成知识、思维、方法清单：★水平气压差是空气产生水平运动的直接原因。这是本节课的核心原理。温差导致空气密度变化，进而产生气压差异。★在受热不均的情况下，暖空气上升，近地面形成低压；冷空气下沉，近地面形成高压。这是理解局地环流（如海陆风）的关键节点。▲空气流动总是倾向于从高压区流向低压区。类比水从高处流向低处，建立“势能差”驱动运动的跨学科思维。实验是验证猜想、揭示规律的根本手段。强调观察和记录在科学探究中的重要性。任务三：建构“风的成因”概念模型教师活动：基于实验观察，引导学生进行抽象概括。“我们把刚才的发现，用一个更普遍的模型表示出来。”教师在黑板上画出A、B两地。设问：“如果A地受热多，气压变低；B地受热少，气压保持较高。那么，近地面的空气会怎么流动？”（学生答：从B流向A）。教师画出从B指向A的水平箭头，标注“风（水平气压梯度力）”。“好，那高空呢？”引导学生画出完整的垂直水平环流圈。然后，展示标准的热力环流示意图，进行对比修正。“大家看，我们通过实验，自己推导出了气象学中一个非常重要的模型——热力环流。它可是海陆风、山谷风的‘老祖宗’！”学生活动：在教师引导下，在任务单上尝试独立绘制A、B两地的热力环流模型图。与标准图对比，修正自己的理解。尝试用这个模型解释导入时的“海陆风”现象：白天陆地热（低压），海洋冷（高压），风从海洋吹向陆地；夜晚相反。即时评价标准：1.绘制的模型图中，高低压中心、垂直气流、水平气流（风）的箭头方向是否正确。2.能否用自己的语言，依据模型连贯地解释具体情境（海陆风）中风向的成因。形成知识、思维、方法清单：★热力环流模型：由于地面冷热不均而形成的空气环流。它是理解众多大气运动的基础模型。★水平气压梯度力：促使空气由高压区流向低压区的力，方向垂直于等压线，由高压指向低压。它是形成风的原动力。这个概念是难点，需结合图示反复强调。模型建构是将具体现象抽象化、一般化的科学思维方法。一个好的模型能解释和预测一类现象。任务四：在“地图”上追踪风——认识等压线教师活动：将模型从“两点”扩展到“场”。“自然界的风可不会只在乎两个点。如果我们有一张地图，上面标满了气压相等的点——等压线，就像地形图上的等高线一样，我们该如何判断风向呢？”展示一幅简单的等压线图，中心标有“高”或“低”。引导学生：“首先，找到气压最高的地方和最低的地方。风总是想从高压指向低压，对不对？但路线是不是直的？”通过动画演示，在等压线图上，风向先垂直于等压线（水平气压梯度力方向），然后由于地球自转，在北半球会逐渐向右偏转，最终与等压线斜交。“当然，我们初二阶段，先掌握理想情况下的第一步：风向垂直于等压线，由高压吹向低压。”学生活动：观察等压线图，类比等高线（高处指向低处）。在简单的等压线图上（暂不考虑偏转），练习画出几个点的风向箭头。感受从“两点模型”到“气压场分析”的思维升级。即时评价标准：1.能否在等压线图上正确识别高压中心和低压中心。2.在理想模型下，画出的风向箭头是否垂直于等压线，且从高压区指向低压区。形成知识、思维、方法清单：★等压线：地图上气压值相等的点的连线。闭合等压线中心气压高于四周为高压中心，反之为低压中心。★风向判断（初步）：在水平气压梯度力作用下，风向垂直于等压线，从高压指向低压。这是识图的基本技能。▲地理信息的可视化表征（等压线图）是分析和预测天气的重要工具。引导学生建立从图像中提取科学信息的意识。科学认知是不断逼近真实的。从理想模型（直吹）到复杂现实（偏转），体现了科学的层次性和发展性。任务五：探究风向的“小魔术”——模拟地转偏向力教师活动：提出认知冲突：“但如果我们真的放一个气球从高压飞向低压，它往往不会走直线。这是为什么呢？我们来玩一个小魔术。”介绍旋转圆盘模拟实验：在静止的圆盘中心向边缘沿直线滚动画笔，痕迹是直线。然后让圆盘逆时针旋转（模拟北半球自转），再次从中心向边缘沿“预想直线”滚动画笔。“同学们注意看，在转动的‘地球’上，笔画出的轨迹还直吗？”引导学生观察轨迹向右偏转。“这个让运动物体方向发生偏转的‘无形之手’，就叫地转偏向力（科里奥利力）。它使得北半球的风向向右偏，南半球向左偏。”学生活动：观看演示或分组操作旋转圆盘实验，观察并描述现象。理解地转偏向力是改变风向（使其与等压线不再垂直）的一个重要因素，并记住“北右南左”的偏转规律。即时评价标准：1.能否通过实验观察，理解“在旋转参考系中运动路径会发生偏转”这一核心现象。2.能否记住地转偏向力对北半球风向影响的基本规律。形成知识、思维、方法清单：▲地转偏向力：由于地球自转而使地球表面运动物体方向发生偏转的力。它只改变风向，不改变风速。★风向的最终形成是水平气压梯度力与地转偏向力等共同作用的结果。建立多因素综合分析的思维。▲北半球近地面，风最终斜穿等压线，从高压吹向低压。这是更接近实际的情况，为高中深入学习埋下伏笔。科学尊重事实，勇于修正模型。当简单模型与事实不符时，正是引入新因素、深化认识的好时机。第三、当堂巩固训练设计分层训练任务，并提供即时反馈：基础层（全员必做）：1.填空题：风形成的直接原因是______。空气从______区流向______区。2.看图选择题：给出简单的热力环流示意图，判断近地面风向。综合层（大多数学生挑战）：展示一幅标有高、低压中心的等压线平面图（未标注具体数值，线条稀疏）。任务：①标出甲、乙两地的气压高低关系。②画出甲地不考虑地转偏向力时的风向（理想情况）。③结合生活，解释为什么我国东部沿海地区夏季多吹东南风？（关联海陆热力性质差异）挑战层（学有余力选做）：思考题：如果地球的自转速度加快一倍，对全球的风带和天气系统可能会产生怎样的影响？请简述你的推理。反馈机制：基础题通过集体口答或举牌方式快速核对。综合层任务选取12个小组的答案进行投影展示，由学生互评，教师重点点拨等压线疏密与风速的关系（梯度力大小）。挑战层问题作为思维拓展，鼓励学生课后查阅资料，下节课分享。第四、课堂小结引导学生进行结构化总结与元认知反思：“同学们，今天我们当了一回出色的‘大气侦探’。现在，请大家用2分钟时间，在笔记本上画一个本节课的思维导图，核心就是‘风的成因’。”学生绘制后，请一位同学上台展示并讲解。教师补充强调知识链条：“冷热不均→气压差异→水平气压梯度力（根本动力）→空气水平运动（风）→受地转偏向力影响风向偏转”。作业布置：必做（基础性作业）：1.整理本节课堂笔记，完成知识清单的填空部分。2.解释“城市热岛效应”可能如何影响城市与郊区之间的风向。选做（探究性作业）：利用家中材料（如大号塑料瓶、蜡烛、蚊香等），尝试制作一个能演示热力环流的简易装置，并拍摄短视频说明原理。六、作业设计基础性作业：1.完成同步练习册中“8.3气压与风”的基础概念辨析题和简单示意图绘制题。2.观察并记录连续三天傍晚的国旗或树枝摆动方向，尝试结合天气预报中的高低压信息（可通过天气APP简单查看），思考风向与气压分布的关系。拓展性作业：3.情境分析报告：阅读一段关于“山谷风影响山区污染物扩散”的科普短文，运用本节课所学原理，分析为什么在某些时段山谷地区的空气质量会变差。撰写一份简要的分析报告（300字左右）。4.天气图判读练习：从中国气象局网站获取一幅简易的全国海平面气压场示意图，尝试在图上圈出你认为的高压中心和低压中心区域，并用箭头在几个主要城市位置画出大致的风向。探究性/创造性作业：5.创意模型制作：以“风的旅程”为主题，创作一个动态模型或数字动画（如用Scratch编程），展示从太阳辐射加热不均开始，到最终形成风的全过程。要求模型至少包含热力环流和风向偏转两个核心环节。6.跨学科研究小课题：探究“风能发电场选址”与当地盛行风向、风力的关系。收集相关资料，从地理（风资源分布）、物理（风机原理）、工程（选址要求）等角度进行简要分析，形成一份PPT提纲。七、本节知识清单及拓展★1.风：大气的水平运动。风向指风的来向，如北风即从北方吹来。这是描述天气的基本要素。★2.大气压强（气压）：单位面积上承受的大气柱重量。其随高度增加而减小。是产生风的“势能”基础。★3.热力环流：因地面冷热不均引起的大气环流。根本能量来源是太阳辐射。核心环节：受热→上升→近地面低压；冷却→下沉→近地面高压。★4.水平气压梯度力：形成风的直接（原动力）。方向：垂直于等压线，由高压指向低压。大小取决于等压线疏密（梯度），越密风速理论上越大。▲5.等压线：地图上气压相等点的连线。闭合等压线中心气压高于四周为高压（H）中心，天气常晴朗；反之为低压（L）中心，天气常阴雨。识图关键。★6.风向判断（理想模型）：在仅考虑水平气压梯度力时，风向垂直于等压线，从高压吹向低压。▲7.地转偏向力（科里奥利力）：因地球自转产生，只改变运动物体方向，不改变速率。北半球右偏，南半球左偏，赤道为零。★8.实际近地面风向：是水平气压梯度力、地转偏向力和地面摩擦力共同作用的结果。风向与等压线斜交。▲9.海陆风：昼间，陆地热（低压），海洋冷（高压），风从海洋吹向陆地（海风）；夜间相反（陆风）。是热力环流的典型实例。▲10.城市风：由于城市“热岛效应”，城市气温常高于郊区，形成从郊区吹向城市的局地风，影响污染物扩散。▲11.气压与天气：一般规律，低压中心因空气辐合上升，易凝结致雨；高压中心因空气下沉辐散，多晴朗天气。▲12.风的观测：风向用风向标测定，常用8或16方位表示；风速常用风杯风速计测定，单位米/秒(m/s)或风级（蒲福风级）。八、教学反思本教学设计以“科学探究”与“模型建构”为主线，力求将抽象的大气运动原理转化为学生可参与、可观察、可推理的系列活动。从假设的实施效果看，（一）教学目标达成度分析：知识目标通过概念建模和等压线判读练习得到落实，大多数学生能说出风形成的直接原因；能力目标在分组实验和模型绘制环节体现明显，学生动手能力和图示表达能力得到锻炼；情感与思维目标贯穿始终，学生对自然现象的好奇心和模型思维得到激发。证据在于课堂提问的深度、学生绘制模型的准确率以及巩固练习的完成情况。（二）教学环节有效性评估：1.导入环节以海陆风变化设疑，成功激发探究欲，快速锚定核心问题。2.新授环节的五个任务环环相扣，梯度明显。任务二（温差对流箱实验）是最大的亮点，它直观地“可视化”了热力环流，有效突破了“气压差如何驱动空气流动”这一难点，学生看到烟雾流动时的惊叹表情是教学有效的直接反馈。任务五（旋转圆盘实验）以“魔术”形式呈现地转偏向力，化难为趣，降低了理解门槛。但任务四（等压线判读）到任务五（地转偏向力）的过渡，部分学生可能思维跨度较大，需考虑增加一个“为什么实际风向与理想模型不符？”的讨论环节作为缓冲。3.巩固与小结环节的分层练习满足了不同需求，学生自主绘制思维导图促进了知识的系统化整合。（三）对不同层次学生的表现剖析