穿行于山海城之间：从海陆风发现到热力环流原理-高中地理必修一“大气热力环流”教学设计

穿行于山海城之间：从海陆风发现到热力环流原理——高中地理必修一“大气热力环流”教学设计

一、教材与学情综合研究本节内容是鲁教版高中地理必修第一册第二单元“从地球圈层看地理环境”中第一节“大气圈与大气运动”的核心部分。教材在以大气的组成与结构、大气的受热过程为基础之后，将视角转向大气的运动，而热力环流正是大气运动最基本、最简单的形式。学生理解了热力环流原理，后续将深入研习大气的水平运动、全球性大气环流和三圈环流等更为复杂的内容。可以说，热力环流是整个大气动力学体系的入门环节，是承前启后的关键枢纽。在地理的知识体系中，大气知识一直以来是学生学习的难点。从多个教学案例和课例研究中可以发现，这种困难主要表现在三个层面：第一，学生的空间概念建立得不够牢固，难以在脑海中形成立体的空气运动图景；第二，学生难以将地理现象与物理原理联系起来，分析问题时往往停留在表面描述层面；第三，学生短时间内难以将大气运动与地理环境融为一体，容易产生知识与应用脱节的割裂感。具体到热力环流这一课题，学生在学习过程中还普遍存在若干“迷思概念”，例如，相当一部分学生会误认为“热空气上升后，该区域上空的气压会升高”，这恰恰混淆了等压面的弯曲方向与气压高低变化的因果关系。这些迷思概念的转变，需要在教学设计中予以重点关注。课标依据方面，《普通高中地理课程标准》必修一对本节的要求为：“运用示意图等，说明热力环流原理，并解释相关现象。”这就意味着，教学的首要任务是帮助学生“学会”绘制示意图，在绘制中理解原理，最终能够运用原理去解释真实的地理现象。基于以上分析，课时的具体规划为两课时。第一课时以热力环流的基本原理为核心，通过实验操作和示意图绘制，帮助学生建构起“地面冷热不均—空气垂直运动—同一水平面气压差异—空气水平运动—形成环流”这一完整的因果链条。第二课时聚焦于热力环流的典型应用——海陆风、山谷风和城市热岛环流，引导学生在真实情境中迁移运用原理，培养区域认知和地理实践力素养。二、教学目标体系设计基于新课标核心素养导向要求，本节教学目标设计如下。（一）综合思维素养目标学生能够说出热力环流的概念，绘制热力环流形成过程的示意图，用地理专业术语准确表述热力环流的发生过程；能够建立“冷热不均—垂直运动—气压差异—水平运动”的因果推理链条，理解大气运动各环节之间的内在逻辑关联。【重要】【核心素养】（二）区域认知素养目标学生能够结合海陆分布、地形特征等区域差异，运用热力环流原理解释海陆风、山谷风和城市风等局地环流现象，建立区域特征与大气运动之间的联系。【高频考点】【核心素养】（三）地理实践力素养目标学生能够通过课堂模拟实验与生活现象观察，初步掌握地理实验的操作方法与观察方法，提升探究真实地理问题的实践能力；能够将课堂所学迁移到生产生活情境中，提出具有实际意义的见解与建议。【重要】【核心素养】（四）人地协调观素养目标学生能够辩证认识城市热岛效应对城市人居环境的影响，认识到人类活动对局地气候环境的改变作用，增强生态文明建设的责任意识与行动自觉。【核心素养】三、教学重点与难点突破策略教学重点：热力环流的形成过程及其在实际生活中的应用表现。这是理解整个大气运动体系的基础，也是后续学习全球大气环流的前提条件。教学难点：热力环流形成过程中的等压面变化与气压高低的动态转化推理，以及运用热力环流原理分析海陆风、山谷风、城市风的形成机制。这一难点的产生主要源于三点：第一，学生的空间概念建立得不够牢固，等压面的立体弯曲不易在脑海中成像；第二，学生暂时不能将日常生活中“热空气上升、冷空气下沉”的感性经验与严谨的气压分析联系起来；第三，学生短时间内难以将大气运动与地理环境融为一体。【重要】【难点】在教学突破策略上，拟采用“三步走”的方式：第一步，通过具体的实验现象建立直观感知；第二步，在实验基础上分步绘制示意图，将立体环流转化为平面图示；第三步，将等压面变化图与环流图叠加对照，系统突破气压关系这一推理关键。同时，在巩固练习环节增设判断题和改错题，专门针对“热低气压”“等压面隆起与凹陷”等容易出现错误的理解进行辨析矫正。四、教学策略与资源准备教学策略方面，本节采用“情境导入—实验探究—图示建构—迁移应用—反思提升”的五步教学法。首先由生活情境引发认知冲突，激发学生的探究欲望；继而通过模拟实验建立感性认识，让学生“看到”空气的运动；在此基础上由感性上升到理性，引导学生绘制示意图、建立因果链条；随后将原理迁移到海陆风、山谷风、城市风等真实情境中，实现学以致用；最后以开放式任务引导学生反思学习收获，拓展思维疆界。五、教学过程设计（一）情境导入：山海之间的风从哪里来上课伊始，向学生展示两幅图：一幅是清晨海边漫步的照片，画面中衣角朝陆地方向扬起；另一幅是青海湖广阔的湖面与岸边连绵草地的航拍图，画面中湖面与陆地光影交错，明暗分明。教师由图片引入一个故事：“小明暑假到青海湖游玩，清晨站在湖边，感受到从湖面吹来的凉风习习，吹动着他的衣角。他在湖边游玩了一整天，夜幕逐渐降临时，却发现风向不知什么时候已经转为了由陆地吹向湖面。青海湖岸边的湖陆风是如何形成的？风向为何会在白天和夜间发生转换？”这个问题清晰地指向了冷热不均与风向变化的关系，为热力环流原理的引入创造了自然的认知起点。【重要】这一导入环节设计意图在于，将即将学习的核心原理与学生的日常体验建立直接关联。热力环流原理本身是抽象的，但风的方向变化是每一个学生都曾亲身感受过的。从学生的感知经验出发，将“已知”与“未知”之间的桥梁搭建起来，既能激发学生的好奇心，也为后续原理探究铺设了认知的台阶。（二）实验探究：看见看不见的空气运动活动1：热力环流模拟实验教师展示热力环流模拟实验装置——一个长方体透明亚克力箱，内部两侧分别放置一个小烧杯，左侧烧杯中注入冰水，右侧烧杯中注入热水。实验开始前，先用点燃的檀香或蚊香将浓烟导入箱内，使箱内充满浅淡的烟雾。随后在箱内的左右两侧同时放置热水和冰水，请学生仔细观察烟雾的运动轨迹。让学生用手势和语言描述观察到什么现象——左侧上方的浓烟缓缓下沉，右侧上方的浓烟快速上升，箱子上方右侧的烟雾自右向左飘移，箱子下方左侧的烟雾自左向右飘移。一个密闭容器内的空气竟然呈现出如此有序的环形运动轨迹，这本身就是一件引人入胜的事情。在观察的基础上，引导学生将实验现象与温度条件对应起来：左侧为冷区，右侧为热区。空气在热区上升、冷区下沉，上升区上空空气聚集形成高压，向冷区上空流去；下沉区上空空气流失形成低压，低空空气由冷区向热区补充。就这样，一个闭合的环流形成了。【基础】活动2：空气运动方向的合情推理在实验观察之后，指导学生运用逻辑推理来归纳热力环流的形成过程。教师可以设计一连串层层递进的追问：地面冷热不均时，空气的垂直运动方向是怎样的？热空气上升之后，热区近地面的气压会发生什么变化？冷区近地面的气压会发生什么变化？同一水平面上的气压差异会导致空气向什么方向流动？如此设计的目的，是引导学生建立“冷热不均→垂直运动→气压差异→水平运动”这一完整的因果关系链，而不是机械地记忆环流图示。活动3：示意图绘制与规范表达在建立了基本的推理链条之后，组织学生分步绘制热力环流示意图。首先用点阵和箭头标注热区空气上升、冷区空气下沉的垂直运动方向；然后在同一高度画出等压面的弯曲形态——热区上空等压面上凸、冷区上空等压面下凹。这两个步骤完成后，再让学生分三步画出空气水平运动的方向：高空空气由热区上空流向冷区上空，近地面空气由冷区流向热区。最后将四个环节的运动箭头首尾相连，一个完整的热力环流示意图就绘制完成了。等压面的弯曲方向是学生的认识难点，因此这一环节要留足时间，让学生动手操作、互相检验。【重要】【难点】【高频考点】随后，教师在大屏幕上展示热力环流形成过程的完整的示意图和多层等压面的立体变化图，让学生对照自己的图示进行修正和完善，并请几位学生在黑板上来讲解自己的图示。教师的板演与学生的讲解之间形成呼应和深化，确保每一位学生都能在大脑中建立起动态的环流模型。在示意的基础上，要求学生用地理专业术语完整复述热力环流的形成过程。（三）原理建构：从微观推理到宏观概括在学生初步掌握了热力环流的成因与过程之后，教学进入原理深化阶段。教师展示热力环流形成的核心概念图，将整个形成过程的逻辑链条清晰地呈现出来，帮助学生建构系统化的知识框架。具体而言，热力环流是由地面冷热不均引起的大气运动，它是大气运动最基本的形式。其形成过程是：地面冷热不均，导致受热区域的空气膨胀上升，受冷区域的空气收缩下沉；空气上升会使近地面形成低气压、高空形成高气压，空气下沉会使近地面形成高气压、高空形成低气压；同一水平面上出现气压差后，水平方向上的空气就会由高压区流向低压区。至此，一个完整的环流得以形成。整个过程的先后顺序必须清晰：先有垂直运动，后有水平运动；先有热区与冷区的温差，后有环流的形成。【基础】【高频考点】关于等压面的变化，此处要特别强调：等压面是指空间上气压相等的点连接而成的面。当地面冷热均匀时，同一水平面上的气压处处相等，等压面呈现为水平面；当地面冷热不均匀时，等压面就会发生弯曲——热区上空等压面上凸（高气压），冷区上空等压面下凹（低气压）。对于这一变化，可以采用“气球类比法”帮助理解：热空气膨胀，如同气球充气，对周围产生的压强增大，所以热区的等压面向上方凸出；冷空气收缩，如同气球放气，对周围产生的压强减小，所以冷区的等压面向下方凹陷。在等压面的教学中，教师一定要清晰地区分“同一水平面上气压的比较”与“同一垂直线上气压的变化”这两类不同的问题，这是学生最容易混淆的地方。教师可以设计两个层次的判断题：同一水平面上比较气压高低，要从等压面弯曲的方向判断；同一地点比较不同高度的气压，要从空气柱的高度和密度去分析。【拓展延伸】值得向学生介绍的是，近年来地理教育研究者已经开发出了更为先进的地理实验手段。有研究者在高中地理课堂教学中引入了“热力环流纹影实验”——利用纹影成像技术，将原本无色透明的空气密度变化清晰地呈现在学生面前。这项技术借助光学原理，将热力环流过程“可视化”，学生可以在大屏幕上看到热空气上升、冷空气下沉形成的热羽流动态图像，从而极大地增强了对空气运动过程的直观感知。这一技术的引入，不仅提升了实验观察的效果，还在潜移默化中培养了学生的科学探究意识。（四）迁移应用：天地之间的环流画卷在热力环流的基本原理已经确立的基础上，教学进入迁移应用环节。通过真实的地理案例——海陆风、山谷风和城市热岛环流，帮助学生将原理从密闭的实验室推向广阔的大自然，在真实情境中理解和运用热力环流。案例一：海陆风——昼夜更替中的风向转折海风与陆风是学生最容易直观感知的热力环流现象。教师展示中国东部沿海地区昼夜间海陆风转换的动画，引导学生从海陆热力性质差异出发，推理出风向的变化规律。白天，陆地比热容小，升温快、温度高，海洋比热容大，升温慢、温度低。因此，陆地上空的空气受热膨胀上升，海洋上空的空气冷却收缩下沉。在近地面，海面气压高于陆面，风从海洋吹向陆地，形成海风。夜晚，陆地降温快、温度低，海洋降温慢、温度高。此时，陆地上空的空气冷却收缩下沉，海洋上空的空气受热膨胀上升。在近地面，陆面气压高于海面，风从陆地吹向海洋，形成陆风。在海陆风的演变过程中，风向的转折点大约在日出后两小时和日落前两小时，这与海陆温差达到最大或最小的时间基本对应。【高频考点】为了加深学生对海陆风形成机制的理解，可组织学生开展“绘制并讲解海陆风环流图”的小组竞赛活动。每个小组派出代表在黑板上画出海陆风环流图并用专业术语进行讲解，其他小组可以提出质疑和补充。活动结束后，教师引导全班归纳规律：白天吹海风，夜晚吹陆风，海陆风转换的根本原因是海陆热力性质的差异。案例二：山谷风——穿行于高山与谷地之间的气流如果说海陆风是平面上的环流转换，那么山谷风则是立体空间中的环流运动。山谷风的形成原理与海陆风相同，只是参与的地面类型由海洋和陆地换为了山坡和谷地。白天，在阳光的照射下，山坡暴露在太阳辐射中的面积较大，升温幅度大于谷底同海拔的自由大气。山坡上的空气受热膨胀上升，顺山坡向上流动，形成谷风（从谷地吹向山顶）。夜间，山坡降温快、温度低，山谷的降温慢、温度相对较高。山坡上的空气冷却收缩下沉，顺山坡向下流动，形成山风（从山顶吹向谷地）。利用山谷风原理解释一些真实的地理现象，可以使教学内容更加贴近学生的生活体验和认知视野。例如，云南大理的“下关风”极为有名，全年大风日数多，风力强劲。有研究者指出，下关位于苍山与洱海之间的山谷地带，山谷风和湖陆风相互叠加、共同作用，导致该区域的风力比其他地区明显偏大。又如，在我国西南地区的许多峡谷地带，村镇和农田往往分布在河谷底部，但当遇到大范围冷空气入侵时，河谷底部往往不是温度最高的区域，反而容易出现“逆温”现象——冷空气沿山坡下沉，聚集在谷底，谷底温度反而低于山坡。这是山谷风环流的又一重要表现。教师在教学中引入这些生动的地域案例，能够极大地增强学生运用原理分析真实问题的能力。案例三：城市热岛环流——人类活动塑造的局地环流城市热岛环流是学生最需要关注的热力环流现象之一，它不仅蕴含着热力环流的知识，更关系着城市人居环境品质和可持续发展的问题。城市热岛效应的形成原理并不复杂：城市人口密集、建筑物和硬化地面比重大、生产和生活排放的热量多，导致城市中心区的气温显著高于周边郊区。由此，城市中心如同一个热源，空气受热上升，郊区的冷空气向城市中心补充，在近地面形成从郊区吹向城市的风。上升到城市上空的空气受冷却后，向郊区下沉，从而在城市与郊区之间形成一个闭合的热力环流。这个环流圈一旦形成，就会将城市上空的多余热量不断带到郊区下沉区域，实现了城市上空热量向郊区的输运。从这个原理出发，可以引导学生思考几个与现实密切相关的问题：为什么城市热岛环流会对污染物扩散产生不利影响？在城市规划中应如何布局工业园区和通风廊道？教师可出示某城市规划图的参考资料，组织学生结合热岛环流原理，讨论该城市通风廊道的规划是否合理，并尝试提出改进建议。有条件的学校，还可以将学生分为不同角色，从城市规划师、环境监测人员、社区居民等不同视角出发，就城市热岛环流的应对策略进行现场辩论。这种“角色代入”式的教学活动，能够有效激发学生的参与热情，强化地理知识与现实生活的联系。【热点】【核心素养】近年来，以北京为代表的大城市在热岛效应监测技术方面取得了重要突破。2025年，北京市气候中心研究团队完成的“多维多尺度城市气候卫星遥感综合监测评估技术”入选中国气象局优秀科技成果。这项技术实现了从平面到立体、从单一到综合的跨越，不再仅监测地表温度差异，还能揭示热空气团的立体形态和强度变化。团队发展的耦合热岛强度影响高度的三维热岛模型，为更准确地定量刻画边界层热岛的垂直结构提供了科学依据。在教学中引入这些与技术相关的前沿信息，可以帮助学生了解地理学研究工具和方法的进步。“工欲善其事，必先利其器”，现代地理观测技术正在深刻地改变我们认识地球的方式。【热点】【拓展延伸】此外，值得向学生指出的是，城市热岛效应比过去想象的更为复杂微妙。近期学术研究表明，城市地区单日极端热事件的发生概率比郊区高出许多，而这一差别在很大程度上可以通过“标准化城市热岛强度”的变化进行解释。在强热岛强度的背景下，温度的变率和迟滞性也需被纳入到城市地区极端热事件的预测当中。这说明，城郊之间的热力差异不仅影响着日常的风向和风速，还会在极端天气条件下显著地影响城市居民的生活质量与健康风险。【跨学科链接】山谷风和海陆风，与城市热岛环流常常不是孤立存在的，它们之间会发生复杂的相互作用。京津冀地区的观测研究发现，该区域主要受到山谷风和海陆风环流的影响，城市热岛环流的强度和尺度比前两者要小很多，而且城市热岛环流的发展经常受到山谷风和海陆风环流的影响。这一发现对城市大气质量的管理和区域环境保护的规划具有重要的政策含义。教师可以将这一研究发现简化为课堂讨论素材，引导学生从多尺度、多因素相互作用的角度综合认识大气环流系统。（五）课堂总结与反思：从具体到一般，再从一般回到具体课堂总结环节不宜只是罗列知识点，而应从更上位的高度帮助学生对本节内容进行回顾和反思。一位优秀的教师引导学生回顾热力环流的学习历程：我们从海陆风的转换出发提出了一个问题，通过实验“看见”了空气的运动，用示意图把看见的运动凝固为可以分析的图像，再从图像中归纳出热力环流的一般原理，最后又用这个一般原理去解释海陆风、山谷风和城市热岛环流。这是一条“从具体到一般，再从一般回到具体”的学习路径——从个别案例中提炼普适规律，再用普适规律去阐释更多的个别案例。这正是地理学思维方法的重要体现。在回顾的过程中，教师可以组织学生自主梳理本课的关键知识框架。可以先展示知识概念图的框架结构，再让学生根据理解和记忆填充其中的具体内容。主要的知识要点包括：热力环流的概念；热力环流的形成过程，即四个环节依次把垂直运动和水平运动串联起来；等压面的变化与弯曲规律；海陆风的昼夜间风向转换规律；山谷风的山坡-谷地气流转换方式；城市热岛环流的形成机制与特征。在此基础上，教师对本节涉及的重要概念、规律和方法进行系统性的总结概括，帮助学生将零散的知识点整合成一个逻辑严密的认知结构。（六）作业设计与分层拓展作业设计分为三个层次，兼顾不同学生的发展需求。【重要】基础层次作业要求学生完成以下任务：第一，在作业本上独立绘制一幅热力环流形成过程的示意图，并配有文字说明，关键环节要用箭头和文字标注清晰；第二，书面回答一道简答题，内容为“说明海陆风的形成原因并描述白天的风向特征”。基础作业旨在巩固课堂上形成的基本理解，确保每一位学生都能独立完成环流图的绘制和原理的重述。提高层次作业要求学生结合海陆风和山谷风的原理，完成一项探究任务：选择一个家乡或周边地区的典型热力环流现象，如湖陆风、山谷风或城郊风，搜集相关的图文资料，整理成一份小报告，报告应包括现象描述、原理分析和自己的思考见解。这项任务鼓励学生走出课堂，在现实中观察地理现象，将课堂上学的原理真正应用到真实世界中去。拓展层次作业设计一个开放性探究任务：要求学生查阅资料，了解“海陆风对沿海地区空气质量的影响机制”，完成一份微研究报告。报告中应结合海陆风风向转换的规律，分析沿海地区不同时段空气质量变化的原因，并尝试提出改善沿海城市空气质量的建议。六、教学评价与反馈设计教学评价以过程性评价为主，与教学过程紧密结合，注重学生学习品质和思维方法的发展。（一）课堂即时评价在学生进行示意图绘制的环节，组织学生进行同桌互相检查和评价。教师提前设计好一份简单的评价量规，包括示意图是否完整、箭头方向是否正确、文字说明是否准确等若干维度。学生根据量规对同伴的作业进行评判，并给出具体的修改建议。这种同伴互评的方式，既能加深学生对知识的理解，也能帮助学生养成规范表达的习惯，同时减轻了教师对每一位学生巡视指导的负担。在小组讨论和合作探究活动中，教师关注学生的参与状态和思维深度。通过参与学生之间的对话与交流中，有针对性地进行启发引导和即时反馈。（二）针对认知盲点的诊断性评价如前所述，热力环流教学过程中存在一些典型的“迷思概念”，教师应当有意识地通过诊断性问题进行探查和纠正。例如，可以提问：“热空气上升后，热区上空气压的变化是什么？热区近地面的气压变化是什么？”“等压面上凸表示什么？等压下凹表示什么？”对这些问题的回答情况，可以比较准确地反映出学生是否真正理解了热力环流的核心机制。（三）课堂测评在课堂结束前设置几道具有代表性的测评题，用于检验当堂学习的效果。例1：“阅读某地等压面分布示意图，判断图中A、B、C三点的气压大小排序，并说明判断的依据。”例2：“城郊之间形成城市热岛环流，在近地面风由郊区吹向城市。请判断该城市热岛环流的近地面风是受什么方向的水平气压梯度力驱动的？在等压面图中应如何表示？”测评题重点考查学生两类能力：一是对等压面图的基本判读能力，二是将等压面图与环流图建立联系、进行综合分析的能力。（四）课后反思与自我评价布置学生完成一份简要的学习反思记录单，内容包括三个部分：本节课我学到了什么；哪些内容和环节我印象最深；还有哪些疑问或不太明白的地方。学生的反思记录既是教师了解学习效果的重要依据，也是学生自我监督、自我改进的有效手段。七、板书设计板书设计力求简明扼要、条理清晰、重点突出，将热力环流的核