2.1 大气的组成和垂直分层教师教学用书
第二章 地球上的大气
2.1 大气的组成和垂直分层
【教学目标和要求】
1.运用图表等资料,说明大气的组成及其与生产、生活的联系。
2.运用图表等资料,说明大气的垂直分层及其与生产、生活的联系。
【教材设计思路】
根据课程标准要求,本节教材重点落实“大气的组成和垂直分层,及其与生产和生活的联系”的内容,其方法要求是“运用图表等资料”。
大气的组成有两个要点:一是大气的组成成分,以及不同成分的占比情况;二是大气组成成分与人类息息相关。大气在垂直方向可分为不同的层。一般根据温度、成分等物理性质,以及大气运动情况,将大气分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。在中学阶段,为了便于学生理解,减少知识层次,且考虑与人类活动关系的密切程度,把中间层、热层和散逸层合称为高层大气。大气垂直分层与人类活动的联系,一般要结合各层大气的特点来理解。
课程标准要求达成本部分教学要求的方法是“运用图表等资料”,因此,教材编写时重点内容都配有直观的图像资料。
综上所述,教材通过“大气的组成”和“大气的垂直分层”两个标题内容,落实课程标准“运用图表等资料,说明大气的组成和垂直分层,及其与生产和生活的联系”这一内容。
第一个标题“大气的组成”部分,首先通过统计图,说明大气的主要成分及其体积分数,然后通过文字资料,说明主要大气成分的作用,即说明大气成分与生产、生活的联系。为了加深学生对大气组成与人类活动关系的理解,也为了进一步突出人地协调观的培养,教材安排了“大气中二氧化碳的变化与人类活动”的案例和“了解大气含氧量减少对人体产生的影响”的活动。
第二个标题“大气的垂直分层”部分,首先用大气垂直分层示意图和文字资料相结合的方式,说明大气在垂直方向可分为对流层、平流层和高层大气三层,然后通过文字资料,说明各层大气的主要特点。大气垂直分层与人类活动的联系,既在示意图中用积雨云、民航飞机、流星体等直观形象显示,又结合各层大气特点用文字资料说明。
本节内容,比较适合开展全球合作意识和环境保护意识的教育。教材安排了自学窗“全球合作保护臭氧层”,旨在培养学生的大气环境保护意识和全球合作意识。本节内容结构如图2-2所示。
【内容要点说明】
情境设计
1.情境说明选择的是鲍姆加特纳高空跳伞创造纪录的内容。选择这个情境的原因:一是通过这样的极限运动内容,增加学生的学习兴趣;二是进行高空跳伞这项运动需要考虑大气的压力、温度、组成、垂直分层等特征
2.鲍姆加特纳的高空跳伞是平流层跳伞,从39千米高空开始,最终降落到对流层底部(地面)。这个过程中大气的温度、密度、压力、组成等会发生剧烈变化,因此需要专业的装备。
大气的组成
1.对于“大气的主要成分”这部分内容,课程标准的方法要求是“运用图表等资料”,因此,教材安排了一张干洁空气成分的体积分数统计图(图2.2)。安排图2.2的主要目的是让学生运用此图说明大气的主要成分,重点是培养学生运用图表的能力。
2.地球大气是多种物质的混合物,由干洁空气、水汽、悬浮尘粒或杂质组成。干洁空气,简称“干空气”,通常指除去水汽、液体和固体杂质外的混合气体。干洁空气虽然是由混合气体组成,但由于气流的不规则运动而产生的垂直混合作用,各主要气体的成分比从地面直到90千米高度基本不变,可作为分子量为28.966的“单一气体”处理。因此,教材将干洁空气界定为低层大气,干洁空气成分的体积分数也用了25千米以下的数据。
3.关于大气成分的作用,教材只简要介绍了一些与人类活动密切相关的内容,重点是突出人地关系,以培养学生的人地协调观。
4.由于工业、交通运输业等的发展,在废气不加以控制的情况下,空气中增加了许多污染物质。这些污染物质有气体,也有固体和液体气溶胶粒子。一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨等污染物都是气体。燃烧过程排放的烟尘、工业生产过程排放的粉尘等均为气溶胶粒子。污染物质的含量虽少,但对人类和大气环境的影响却是不容忽视的。因此,教材用文字和图片相结合的方式介绍了大气污染的有关内容。图2.3通过北京优良天气和重污染天气的对比,反映人类活动对大气成分和含量的改变造成的大气污染,以及由此带来的影响。
5.“案例”通过工业革命后大气中二氧化碳含量的快速增加和原因解释,说明人类活动对大气二氧化碳含量的影响。此案例的主要目的是加强学生对大气组成与人类活动关系的理解,培养学生的人地协调观。
6.“活动”涉及大气含氧量减少对人类活动的影响。大气含氧量减少对人体产生的影响,一般来说是不利的,而人类利用含氧量减少的影响来提高运动成绩,把不利的影响变成有利的影响。通过这个事实,可以培养学生的辩证思维能力。大气含氧量会随着海拔的升高而逐渐减少。适当的高海拔训练(高原训练)能提高运动成绩,海拔不足或海拔过高都缺少这样的效果。这反映了人类对自然环境特征的充分利用。此活动的主要目的是培养学生的人地协调观。
大气的垂直分层
1.大气受地球引力的作用,在垂直方向上具有分层的结构。根据大气的物理或化学性质,可将大气分成若干层。按大气成分结构,可将大气从下到上分为均质层和非均质层;按大气的功能,可把大气分成电离层和臭氧层;应用最广泛的,是按照大气的温度结构,将大气分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。为了降低难度,且注重与人类活动的关系,教材把5层大气垂直结构简化为对流层、平流层和高层大气3层,中间层、暖层和散逸层合并为高层大气。
2.对流层贴近地面,与人类关系最密切。空气有强烈的对流运动,云、雾、雨、雪等主要天气现象都出现在这一层。教材为了突出对流层大气的对流运动和相关天气现象,安排了图2.6。
3.臭氧层和电离层对人类活动有重要影响,因此教材分别在平流层和高层大气中重点介绍了臭氧层和电离层的相关内容。
4.“自学窗”的内容选择了“全球合作保护臭氧层”。臭氧层对人类影响很大,且保护臭氧层是一个比较成功的全球合作的案例。保护臭氧层的方案和行动,是解决全球性大气环境问题的典范。解决全球性大气环境问题,需要世界各国通力合作,只有一个国家或部分国家采取行动,难以取得成功。此自学窗的重点不是让学生了解“臭氧层”和“臭氧空洞”。“臭氧空洞”的出现及其危害,可作为铺垫性知识。此自学窗的主要目的是通过保护臭氧层的国际行动,培养学生的大气环境保护意识和全球合作意识。
【教学建议】
教学思路及方法建议
本节教学总体上可以遵循“情境感知-大气组成-大气分层-共同建构”的思路展开。首先利用教材所设计的情境提出核心问题:大气由哪些成分组成?它们与生产和生活有着怎样的联系?39千米高空的大气与地面大气有哪些不同?鲍姆加特纳为什么需要配备特制宇航服?其次,以举例的方式说明大气的主要成分、含量及其对地理环境、生命活动的作用。然后,以气温的垂直变化、气流的运动状况和大气的物理特性为主要探究对象,说明对流层、平流层和高层大气的特点,以及人类如何利用各层大气特点开展相应的活动。最后,师生共同归纳大气的垂直分层结构,形成知识框架。具体教学过程中要注意以下三点。
一、注重教学内容的基础性。
大气是学生学习的第一个自然环境要素,本节内容既为学生认识大气对人类的作用和意义作铺垫,也为后续学习大气受热过程打下基础,并为理解自然环境整体性夯实认知基础。此外,注重基础性还体现在通过基础知识的学习培养学生的基本技能。课程标准要求“运用图表等资料”,因此在教学过程中教师要注重培养学生地理观察能力以及对图表、数据的阅读和分析技能。例如,可以结合教材中图2.5,通过层层设问引导学生对大气分层实现从感性认识到理性认识的深化。
二、以认识大气的组成和垂直分层及其与人类活动的联系为主线组织教学。
大气的组成这一内容着重引导学生认识大气的组成成分和不同成分的占比情况,以及组成成分与生命有机体和人类活动的密切关系。关于大气的垂直分层及其与人类活动的联系,可结合各层的特点来学习。此外,教材选取了高空跳伞、大气污染、二氧化碳含量变化、大气含氧量减少对人体产生的影响以及全球合作保护臭氧层等资料,既联系日常生活,又关注社会热点;既紧跟时代步伐,又突出地理学在解决重大社会问题和提高人们生活质量方面的重要贡献。教学中要紧密联系学生的日常生活经验,从学生感兴趣的话题出发,使学习内容生动鲜活,并凸显地理知识和技能的实用价值。
三、本节教学中教师还要渗透“两个意识”。
一是将身边的大气之美引入课堂的意识。在自然环境中,天气现象能对人们的日常生活产生更直接的影响。因此,教学中要注重引导学生从“出门看天”的表象积累逐步上升到“琢磨大气”的理性探究,以更好地欣赏和认识人类赖以生存的大气环境。通过对气象景观的欣赏,使学生体验大气不仅是生存之必需,也是集成天地之大美的自然要素,领略生活与美的无间融合,同时增强保护和改善大气环境的责任意识。二是教学中要加强科学史教育的意识。科学家如何测量大气中二氧化碳的体积分数?科研人员如何知道高空大气的气温、气压和运动状况?历史上人们已经从地面到高空对大气进行了哪些探索?适当穿插介绍科学家的工作以及相关科学进展,可以提高学生的兴趣,加深学生对知识的理解,激发学生探求科学本质的热情,培养学生科学探究精神并树立投身科学发现的理想。
重点和难点
本节内容的教学重点是“说明大气的组成和垂直分层,及其与生产和生活的联系”;难点是“分析大气的组成和垂直分层与人类活动的联系”。
课时建议 1课时。
实施建议
【导入】
方式一:以教材所设计的情境“高空跳伞”进行引导和拓展。着重分析以下三个问题。其一,近地面大气有哪些主要组成成分?各自有哪些作用?其二,39千米高空的大气与近地面大气有哪些不同?其三,这些不同的大气特点与鲍姆加特纳配备的特制宇航服有怎样的联系?教师也可以播放该跳伞过程的视频,请学生思考高空大气和近地面大气在成分及特点上的不同。此外,除了特制宇航服,太空舱还配备了哪些特殊的仪器、仪表设施?这些设施充分考虑了高层大气的哪些特征?
方式二:提问导入。请学生思考如果没有大气,地球将会发生哪些变化。在倾听学生的回答时,自然过渡到大气的组成及其对自然环境和生命活动的重要作用。教师根据学生的表现更准确地确定教学起点。反向设问,也能引发学生从新的角度思考大气对地球和人类的重要性。
方式三:实验导入。教师提供实验装备和材料,鼓励学生通过实验“发现”大气的组成成分及作用。简单的实验活动既可以激发学生的求知欲和想象力,又能够锻炼学生的地理实践力。
方式四:引入与本节课学习主题相关的大气科学内容,或展示科研人员对高空大气的探索。例如,将无线电探空仪悬挂在一个直径约2米的探空气球上,随着探空气球上升,探空仪将探测气压、温度、相对湿度等,并通过无线电波将结果发给地面接收器。全球范围内大约有900个高空观测站,各国可以通过国际协议互相交换探空数据。然后教师提出问题:大气是由哪些成分组成的?科研人员为什么要探索高空大气的特征?提出问题的过程有利于提高学生发现地理问题的能力,同时也渗透全球合作共同保护大气环境的思想。
【大气的组成】
这部分内容的教学可分“大气环境对人类”和“人类对大气环境”两个角度展开。
一、说明大气的成分和含量,及其对自然环境和生命活动等的重要作用
1.这部分教学活动的重点为读图获取信息。阅读教材中图2.2启发学生结合学习经验思考:干洁空气中四种最常见的气体是什么?“其他气体”还包含哪些成分?
2.引导学生关注大气成分对自然环境和生命活动等的影响。
(1)可以由学生谈一谈各种气体(如氮气)对生物体及自然环境的重要性,教师补充并完善。
(2)引导学生理解大气中有的气体含量虽小却很重要。例如,二氧化碳可以有效吸收地面辐射而使气温升高(原理可留待下一节讲解),所以大气中二氧化碳含量的变动会影响低层大气的温度。同样如果没有臭氧吸收大量的紫外线辐射,到达地面的太阳紫外线将对生命产生严重危害,因此,减少大气中臭氧含量可能影响地球上生命的安全。
(3)对水汽和杂质的认识,可以直接从云、雾和各种形式的降水等容易观察的天气现象出发,引导学生从物质来源和水的相变等角度认识水汽和杂质在天气变化中扮演的重要角色。也可以通过展示千变万化的气象景观图片,或引用有关成语、诗歌和民谚等,使学生在欣赏自然现象的同时,能主动探究其形成的科学原理。风景中的气象之美是以大气中云、雨、雾、雪等天气现象的时空变化为基础的,而天气现象的时空变化正是源于水汽和杂质的时空变化。所以大气中的“微量成分”既蕴藏科学探究的内容,也给人们带来审美意境和情趣。
3.在上述分析基础上,师生共同归纳大气对地球生物的重要性:大气使地球上大部分地区保持适宜的温度,使水以液态形式存在,能阻挡大部分流星体对地球表面的撞击等,这些是地球上存在生命的重要条件。
二、举例说明人类活动对大气组成的影响,渗透保护大气环境的意识
1.教材中图2.3通过北京优良天气和重污染天气的对比,反映人类活动对大气成分和含量的改变,造成了大气污染,以及由此带来的影响。教学中引导学生仔细阅读图文信息,图片下方的文字说明一方面提示了工业生产和交通运输是造成大气成分和含量变化的主要原因,同时也暗示了提高空气质量的措施。图像还隐含了大气组成的改变对生态环境和生活质量的危害,鲜明对比使学生感受大气环境对人类的重要价值,意识到保护和改善大气质量人人有责。
2.结合日常体验,引导学生联系本地区存在的大气污染现象,补充图像、文字和视频资料,使学生意识到大气的组成与自己的生活息息相关。
3.结合“案例”和“自学窗”等内容,启发学生进一步认识全球变暖、臭氧层破坏等大气环境问题产生的原因在于不合理的人类活动;因为后果严重,这些大气环境问题成为国际社会普遍关注的话题,并且需要全球合作解决
【案例:大气中二氧化碳含量的变化与人类活动】
1.本案例详细阐述了二氧化碳体积分数的时间变化,呼应了教材中图2.2中显示的二氧化碳体积分数处于变动状态。首先引导学生读教材中图2.4获取信息:1740-2011年,二氧化碳体积分数经历了由缓慢增长到加速增长直至1960年以后的飞速增长,并且在未来几十年还可能持续下去。继而启发学生思考这一增长的主要原因可能有哪些。
2.教师因势利导追问:大气中二氧化碳含量升高可能会带来哪些影响?通过交流讨论激发学生关注目前人类面临的全球性环境问题以及我国当下比较关切的大气环境问题,以提高学生分析地理问题的能力,并培养人地协调观。在此基础上引导学生结合问题产生的主要原因提出相应的缓解措施。
3.教师可适当补充资料说明科学家是如何测得大气中二氧化碳含量变化的。例如,通过测量南极地区不同年代冰层中的二氧化碳体积分数,绘制大气中二氧化碳含量变化的折线图。
【活动:了解大气含氧量减少对人体产生的影响】
1.该活动旨在引导学生了解大气含氧量的变化对人类活动的影响。教师可指导学生阅读图文材料,帮助学生理解建设高原训练基地的目的,认识人类对自然环境特征的充分利用,培养辩证思维能力。
2.对第一个问题的解答,教师可以引导学生在非洲地形图上找出埃塞俄比亚和肯尼亚两个国家,归纳两国共同的地形特点。然后引导学生从海拔、大气密度以及大气含氧量的关系作出推测。
3.对第二个问题的解答,可由学生对照中国地图找到。
4.对第三个问题的解答,旨在引导学生辩证看待“适当的缺氧环境利于激发运动员的运动潜力”。如果在更高海拔处训练,则因空气越来越稀薄,大气含氧量急剧下降,超过了人体的耐受力,反而使运动员的整体表现下降。同时还要引导学生意识到人类只有充分认识并利用大气的特点才能合理开展活动,人类活动必须遵循自然、因地制宜。
5.对这一内容感兴趣的学生,教师可以鼓励他们继续收集相关资料,如高海拔地区的居民如何加强氧气循环以适应缺氧环境、在平原地区如何模拟低氧环境训练以提高运动员成绩等。
【大气的垂直分层】
对这部分内容的教学可以分三个层次展开。
一、运用图文、视频等资料增加学生对大气的垂直分层及特点的感性认识
教师可以结合图2.5并通过呈现丰富的图文、视频等资料,增加学生对大气垂直分层及特点的感性认识,如各层名称、大致范围、景观和人类活动等。引导学生观察资料并结合前面所学思考:大气由地面到高空垂直分层的依据是什么?既唤起学生探究兴趣,又为后续的推理分析作好认知铺垫。
二、构建问题链阐释大气的垂直分层,分析其对人类活动的影响
1.教师可以围绕“大气组成-气温特点-气流运动-自然现象-人类活动”这一主线结合教材中图2.5展开教学。学习对流层大气时,教师可以通过设问“为什么我们生活的大气最底层叫对流层”,引导学生利用图文资料层层剖析。首先说明气温垂直分布特点,可以山顶温度比山麓低作为例证,并应用大气组成解释原因。然后推理大气运动状况,以及不同纬度对流层的高度差异。继而分析天气现象,使学生认识到对流层复杂多变的天气现象与大气的对流运动密不可分。为达到此目的,教师也可就图2.5启发思考“为什么积雨云出现在对流层”,或就教材中图2.6设问“对流层云的形成与大气运动有何关联”。环环相扣的问题链,一方面帮助学生自主构建知识的联系,加深对知识的理解;另一方面帮助学生掌握分析问题的一般思路和方法,并迁移应用到新的学习情境中;此外,还有助于培养学生的观察能力和地理思维能力,使学生能够审视并探究身边的自然环境。
2.关于思考题“为什么平流层适合飞机飞行”和“无线电通信利用了哪层大气的特性”,要引导学生将大气的垂直分层特点与人类活动有机结合。对这些问题的回答可以看出学生灵活运用知识的能力。鲍姆加特纳配备的特制宇航服充分考虑了该层大气的温度、密度、压力、组成等特点,在学习平流层内容时可与教材篇首情境设计的问题相呼应。
3.教师可以通过提问某些现象出现在特定大气层的原因,以及大气层的某些特点对人类及其活动产生的影响等,鼓励学生带着问题积极主动地探究,在探究中感悟研究大气层的意义。例如,流星体是来自太空的石块或金属块,我们看到的流星划过夜空其实是流星体进入高层大气时燃烧所留下的灼热气体,所以高层大气保护了地球表面免遭大部分流星体的侵袭。高层大气也是自然界最壮观的景象-极光出现的地方,教师可以展示相关图片和视频等资料激发学生兴趣,应注意只关注现象本身,不必涉及过深的科学知识。又如,无线电波可以借助地面和电离层之间的多次反射而实现远距离传输,因而我们可以接收到几百千米外的电台信号。电离层与太阳活动有着密切的关系。当太阳活动剧烈时,会增加射向地球的带电粒子流,使电离层状态发生剧烈变化。这一原理也可以用来解释第一章所学的太阳活动对地球的影响。
4.教学中可适当穿插“大气探索者的故事”,即人们对大气层由地面至高空的探索历程,说明人类充分利用大气的垂直分层特点因地制宜地开展活动,大大拓展了人类活动的生存空间和影响范围。另外,人类对大气层的探索依然有许多空白领域。随着科技的发展,探测步伐加快,未来人类对大气层的内部结构将有更全面的了解,大气与人类的联系也必将愈加密切。教师要鼓励学生树立远大理想,将来为拓展人类对自然环境的认识贡献自己的力量。
三、归纳大气的垂直分层特点和差异
归纳教材图文信息,引导学生从高度范围、气温特点和成因、气流运动、自然现象、人类活动等方面列表比较(表2-1)。
表2-1 大气的垂直分层特点
本自学窗供学生自学。除阅读图像和文字材料外,教师可以引导学生查阅“臭氧空洞”被探测发现的科学历程,认识“臭氧空洞”对生命健康和地理环境带来的不利影响,理解通过全球合作成功解决“臭氧空洞”问题的必要性,树立全球合作意识。
评价建议
一、评价目标
根据教学目标,参照学业质量标准,可制定本节评价目标(表2-2)。
表2-2 第二章第二节教学与评价目标
1.本节内容在知识层面要求学生能够说明大气的组成、垂直分层和特点,及其与生产、生活的联系。认知测评不能过度重视知识的记忆,而要关注对知识的理解过程。例如,在评价学生是否掌握对流层大气的特点时,不能仅以罗列教材中相应的要点作为唯一标准,而要关注学生是否能在知识要点间架构联系,构建因果关系,并用语言缜密地表达。
2.在教学评价中还要注重对学生认知方法和思维水平的评价。教师可以通过设计问题链评价学生思维的深刻性和全面性。例如,平流层大气的气温分布特点是什么?这样的分布特点对气流运动状况产生了怎样的影响?引发了哪些自然现象?它们对人类活动产生了哪些影响?再如,教师可以组织探究活动让学生分析某一大气成分变化的原因和产生的影响,评价时关注学生分析问题的全面性:原因分析是否考虑其他自然环境要素和人类活动;影响领域是否既有对自然环境的影响,又有对人类生产、生活和人体健康的影响;影响的地域尺度是否涉及地方、区域以及全球。此外,教师可以提供丰富多样的资料,包括文字、图片及视频等素材,引导学生从中获取有效信息并进行加工处理,在此过程中着重对其信息处理能力加以评估。教师也可以提出具有挑战性的任务。例如,让学生独立或合作探究提出探测大气层的地理实践活动,并对其设想的活动方案进行表现性评价。
3.情感态度价值观评价要放在具体情境中进行。例如教师呈现优良天气和重污染天气对比资料时,评价学生保护大气环境的意识和态度。在具体的课堂互动交流中,通过设计能让学生深刻思考大气环境与人类活动关系的问题,以此评价学生的人地协调观的水平。
三、评价示例(以教材中活动为例)
活动:了解大气含氧量减少对人体产生的影响(材料略)
1.归纳两个国家共同的地形特点。推测这两个国家中长跑运动员成绩优异的原因。(据原题概括)
对本活动中学生的表现评价可参考表2-3。
表2-3 活动表现评价及样例
3.参照表2.2(教材中)推测运动员在更高海拔训练反而达不到理想成绩的原因。(据原题概括)
对本活动中学生的表现评价可参考表2-4。
表2-4 活动表现评价及样例
2.1 大气的组成和垂直分层
【教学目标和要求】
1.运用图表等资料,说明大气的组成及其与生产、生活的联系。
2.运用图表等资料,说明大气的垂直分层及其与生产、生活的联系。
【教材设计思路】
根据课程标准要求,本节教材重点落实“大气的组成和垂直分层,及其与生产和生活的联系”的内容,其方法要求是“运用图表等资料”。
大气的组成有两个要点:一是大气的组成成分,以及不同成分的占比情况;二是大气组成成分与人类息息相关。大气在垂直方向可分为不同的层。一般根据温度、成分等物理性质,以及大气运动情况,将大气分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。在中学阶段,为了便于学生理解,减少知识层次,且考虑与人类活动关系的密切程度,把中间层、热层和散逸层合称为高层大气。大气垂直分层与人类活动的联系,一般要结合各层大气的特点来理解。
课程标准要求达成本部分教学要求的方法是“运用图表等资料”,因此,教材编写时重点内容都配有直观的图像资料。
综上所述,教材通过“大气的组成”和“大气的垂直分层”两个标题内容,落实课程标准“运用图表等资料,说明大气的组成和垂直分层,及其与生产和生活的联系”这一内容。
第一个标题“大气的组成”部分,首先通过统计图,说明大气的主要成分及其体积分数,然后通过文字资料,说明主要大气成分的作用,即说明大气成分与生产、生活的联系。为了加深学生对大气组成与人类活动关系的理解,也为了进一步突出人地协调观的培养,教材安排了“大气中二氧化碳的变化与人类活动”的案例和“了解大气含氧量减少对人体产生的影响”的活动。
第二个标题“大气的垂直分层”部分,首先用大气垂直分层示意图和文字资料相结合的方式,说明大气在垂直方向可分为对流层、平流层和高层大气三层,然后通过文字资料,说明各层大气的主要特点。大气垂直分层与人类活动的联系,既在示意图中用积雨云、民航飞机、流星体等直观形象显示,又结合各层大气特点用文字资料说明。
本节内容,比较适合开展全球合作意识和环境保护意识的教育。教材安排了自学窗“全球合作保护臭氧层”,旨在培养学生的大气环境保护意识和全球合作意识。本节内容结构如图2-2所示。
【内容要点说明】
情境设计
1.情境说明选择的是鲍姆加特纳高空跳伞创造纪录的内容。选择这个情境的原因:一是通过这样的极限运动内容,增加学生的学习兴趣;二是进行高空跳伞这项运动需要考虑大气的压力、温度、组成、垂直分层等特征
2.鲍姆加特纳的高空跳伞是平流层跳伞,从39千米高空开始,最终降落到对流层底部(地面)。这个过程中大气的温度、密度、压力、组成等会发生剧烈变化,因此需要专业的装备。
大气的组成
1.对于“大气的主要成分”这部分内容,课程标准的方法要求是“运用图表等资料”,因此,教材安排了一张干洁空气成分的体积分数统计图(图2.2)。安排图2.2的主要目的是让学生运用此图说明大气的主要成分,重点是培养学生运用图表的能力。
2.地球大气是多种物质的混合物,由干洁空气、水汽、悬浮尘粒或杂质组成。干洁空气,简称“干空气”,通常指除去水汽、液体和固体杂质外的混合气体。干洁空气虽然是由混合气体组成,但由于气流的不规则运动而产生的垂直混合作用,各主要气体的成分比从地面直到90千米高度基本不变,可作为分子量为28.966的“单一气体”处理。因此,教材将干洁空气界定为低层大气,干洁空气成分的体积分数也用了25千米以下的数据。
3.关于大气成分的作用,教材只简要介绍了一些与人类活动密切相关的内容,重点是突出人地关系,以培养学生的人地协调观。
4.由于工业、交通运输业等的发展,在废气不加以控制的情况下,空气中增加了许多污染物质。这些污染物质有气体,也有固体和液体气溶胶粒子。一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨等污染物都是气体。燃烧过程排放的烟尘、工业生产过程排放的粉尘等均为气溶胶粒子。污染物质的含量虽少,但对人类和大气环境的影响却是不容忽视的。因此,教材用文字和图片相结合的方式介绍了大气污染的有关内容。图2.3通过北京优良天气和重污染天气的对比,反映人类活动对大气成分和含量的改变造成的大气污染,以及由此带来的影响。
5.“案例”通过工业革命后大气中二氧化碳含量的快速增加和原因解释,说明人类活动对大气二氧化碳含量的影响。此案例的主要目的是加强学生对大气组成与人类活动关系的理解,培养学生的人地协调观。
6.“活动”涉及大气含氧量减少对人类活动的影响。大气含氧量减少对人体产生的影响,一般来说是不利的,而人类利用含氧量减少的影响来提高运动成绩,把不利的影响变成有利的影响。通过这个事实,可以培养学生的辩证思维能力。大气含氧量会随着海拔的升高而逐渐减少。适当的高海拔训练(高原训练)能提高运动成绩,海拔不足或海拔过高都缺少这样的效果。这反映了人类对自然环境特征的充分利用。此活动的主要目的是培养学生的人地协调观。
大气的垂直分层
1.大气受地球引力的作用,在垂直方向上具有分层的结构。根据大气的物理或化学性质,可将大气分成若干层。按大气成分结构,可将大气从下到上分为均质层和非均质层;按大气的功能,可把大气分成电离层和臭氧层;应用最广泛的,是按照大气的温度结构,将大气分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。为了降低难度,且注重与人类活动的关系,教材把5层大气垂直结构简化为对流层、平流层和高层大气3层,中间层、暖层和散逸层合并为高层大气。
2.对流层贴近地面,与人类关系最密切。空气有强烈的对流运动,云、雾、雨、雪等主要天气现象都出现在这一层。教材为了突出对流层大气的对流运动和相关天气现象,安排了图2.6。
3.臭氧层和电离层对人类活动有重要影响,因此教材分别在平流层和高层大气中重点介绍了臭氧层和电离层的相关内容。
4.“自学窗”的内容选择了“全球合作保护臭氧层”。臭氧层对人类影响很大,且保护臭氧层是一个比较成功的全球合作的案例。保护臭氧层的方案和行动,是解决全球性大气环境问题的典范。解决全球性大气环境问题,需要世界各国通力合作,只有一个国家或部分国家采取行动,难以取得成功。此自学窗的重点不是让学生了解“臭氧层”和“臭氧空洞”。“臭氧空洞”的出现及其危害,可作为铺垫性知识。此自学窗的主要目的是通过保护臭氧层的国际行动,培养学生的大气环境保护意识和全球合作意识。
【教学建议】
教学思路及方法建议
本节教学总体上可以遵循“情境感知-大气组成-大气分层-共同建构”的思路展开。首先利用教材所设计的情境提出核心问题:大气由哪些成分组成?它们与生产和生活有着怎样的联系?39千米高空的大气与地面大气有哪些不同?鲍姆加特纳为什么需要配备特制宇航服?其次,以举例的方式说明大气的主要成分、含量及其对地理环境、生命活动的作用。然后,以气温的垂直变化、气流的运动状况和大气的物理特性为主要探究对象,说明对流层、平流层和高层大气的特点,以及人类如何利用各层大气特点开展相应的活动。最后,师生共同归纳大气的垂直分层结构,形成知识框架。具体教学过程中要注意以下三点。
一、注重教学内容的基础性。
大气是学生学习的第一个自然环境要素,本节内容既为学生认识大气对人类的作用和意义作铺垫,也为后续学习大气受热过程打下基础,并为理解自然环境整体性夯实认知基础。此外,注重基础性还体现在通过基础知识的学习培养学生的基本技能。课程标准要求“运用图表等资料”,因此在教学过程中教师要注重培养学生地理观察能力以及对图表、数据的阅读和分析技能。例如,可以结合教材中图2.5,通过层层设问引导学生对大气分层实现从感性认识到理性认识的深化。
二、以认识大气的组成和垂直分层及其与人类活动的联系为主线组织教学。
大气的组成这一内容着重引导学生认识大气的组成成分和不同成分的占比情况,以及组成成分与生命有机体和人类活动的密切关系。关于大气的垂直分层及其与人类活动的联系,可结合各层的特点来学习。此外,教材选取了高空跳伞、大气污染、二氧化碳含量变化、大气含氧量减少对人体产生的影响以及全球合作保护臭氧层等资料,既联系日常生活,又关注社会热点;既紧跟时代步伐,又突出地理学在解决重大社会问题和提高人们生活质量方面的重要贡献。教学中要紧密联系学生的日常生活经验,从学生感兴趣的话题出发,使学习内容生动鲜活,并凸显地理知识和技能的实用价值。
三、本节教学中教师还要渗透“两个意识”。
一是将身边的大气之美引入课堂的意识。在自然环境中,天气现象能对人们的日常生活产生更直接的影响。因此,教学中要注重引导学生从“出门看天”的表象积累逐步上升到“琢磨大气”的理性探究,以更好地欣赏和认识人类赖以生存的大气环境。通过对气象景观的欣赏,使学生体验大气不仅是生存之必需,也是集成天地之大美的自然要素,领略生活与美的无间融合,同时增强保护和改善大气环境的责任意识。二是教学中要加强科学史教育的意识。科学家如何测量大气中二氧化碳的体积分数?科研人员如何知道高空大气的气温、气压和运动状况?历史上人们已经从地面到高空对大气进行了哪些探索?适当穿插介绍科学家的工作以及相关科学进展,可以提高学生的兴趣,加深学生对知识的理解,激发学生探求科学本质的热情,培养学生科学探究精神并树立投身科学发现的理想。
重点和难点
本节内容的教学重点是“说明大气的组成和垂直分层,及其与生产和生活的联系”;难点是“分析大气的组成和垂直分层与人类活动的联系”。
课时建议 1课时。
实施建议
【导入】
方式一:以教材所设计的情境“高空跳伞”进行引导和拓展。着重分析以下三个问题。其一,近地面大气有哪些主要组成成分?各自有哪些作用?其二,39千米高空的大气与近地面大气有哪些不同?其三,这些不同的大气特点与鲍姆加特纳配备的特制宇航服有怎样的联系?教师也可以播放该跳伞过程的视频,请学生思考高空大气和近地面大气在成分及特点上的不同。此外,除了特制宇航服,太空舱还配备了哪些特殊的仪器、仪表设施?这些设施充分考虑了高层大气的哪些特征?
方式二:提问导入。请学生思考如果没有大气,地球将会发生哪些变化。在倾听学生的回答时,自然过渡到大气的组成及其对自然环境和生命活动的重要作用。教师根据学生的表现更准确地确定教学起点。反向设问,也能引发学生从新的角度思考大气对地球和人类的重要性。
方式三:实验导入。教师提供实验装备和材料,鼓励学生通过实验“发现”大气的组成成分及作用。简单的实验活动既可以激发学生的求知欲和想象力,又能够锻炼学生的地理实践力。
方式四:引入与本节课学习主题相关的大气科学内容,或展示科研人员对高空大气的探索。例如,将无线电探空仪悬挂在一个直径约2米的探空气球上,随着探空气球上升,探空仪将探测气压、温度、相对湿度等,并通过无线电波将结果发给地面接收器。全球范围内大约有900个高空观测站,各国可以通过国际协议互相交换探空数据。然后教师提出问题:大气是由哪些成分组成的?科研人员为什么要探索高空大气的特征?提出问题的过程有利于提高学生发现地理问题的能力,同时也渗透全球合作共同保护大气环境的思想。
【大气的组成】
这部分内容的教学可分“大气环境对人类”和“人类对大气环境”两个角度展开。
一、说明大气的成分和含量,及其对自然环境和生命活动等的重要作用
1.这部分教学活动的重点为读图获取信息。阅读教材中图2.2启发学生结合学习经验思考:干洁空气中四种最常见的气体是什么?“其他气体”还包含哪些成分?
2.引导学生关注大气成分对自然环境和生命活动等的影响。
(1)可以由学生谈一谈各种气体(如氮气)对生物体及自然环境的重要性,教师补充并完善。
(2)引导学生理解大气中有的气体含量虽小却很重要。例如,二氧化碳可以有效吸收地面辐射而使气温升高(原理可留待下一节讲解),所以大气中二氧化碳含量的变动会影响低层大气的温度。同样如果没有臭氧吸收大量的紫外线辐射,到达地面的太阳紫外线将对生命产生严重危害,因此,减少大气中臭氧含量可能影响地球上生命的安全。
(3)对水汽和杂质的认识,可以直接从云、雾和各种形式的降水等容易观察的天气现象出发,引导学生从物质来源和水的相变等角度认识水汽和杂质在天气变化中扮演的重要角色。也可以通过展示千变万化的气象景观图片,或引用有关成语、诗歌和民谚等,使学生在欣赏自然现象的同时,能主动探究其形成的科学原理。风景中的气象之美是以大气中云、雨、雾、雪等天气现象的时空变化为基础的,而天气现象的时空变化正是源于水汽和杂质的时空变化。所以大气中的“微量成分”既蕴藏科学探究的内容,也给人们带来审美意境和情趣。
3.在上述分析基础上,师生共同归纳大气对地球生物的重要性:大气使地球上大部分地区保持适宜的温度,使水以液态形式存在,能阻挡大部分流星体对地球表面的撞击等,这些是地球上存在生命的重要条件。
二、举例说明人类活动对大气组成的影响,渗透保护大气环境的意识
1.教材中图2.3通过北京优良天气和重污染天气的对比,反映人类活动对大气成分和含量的改变,造成了大气污染,以及由此带来的影响。教学中引导学生仔细阅读图文信息,图片下方的文字说明一方面提示了工业生产和交通运输是造成大气成分和含量变化的主要原因,同时也暗示了提高空气质量的措施。图像还隐含了大气组成的改变对生态环境和生活质量的危害,鲜明对比使学生感受大气环境对人类的重要价值,意识到保护和改善大气质量人人有责。
2.结合日常体验,引导学生联系本地区存在的大气污染现象,补充图像、文字和视频资料,使学生意识到大气的组成与自己的生活息息相关。
3.结合“案例”和“自学窗”等内容,启发学生进一步认识全球变暖、臭氧层破坏等大气环境问题产生的原因在于不合理的人类活动;因为后果严重,这些大气环境问题成为国际社会普遍关注的话题,并且需要全球合作解决
【案例:大气中二氧化碳含量的变化与人类活动】
1.本案例详细阐述了二氧化碳体积分数的时间变化,呼应了教材中图2.2中显示的二氧化碳体积分数处于变动状态。首先引导学生读教材中图2.4获取信息:1740-2011年,二氧化碳体积分数经历了由缓慢增长到加速增长直至1960年以后的飞速增长,并且在未来几十年还可能持续下去。继而启发学生思考这一增长的主要原因可能有哪些。
2.教师因势利导追问:大气中二氧化碳含量升高可能会带来哪些影响?通过交流讨论激发学生关注目前人类面临的全球性环境问题以及我国当下比较关切的大气环境问题,以提高学生分析地理问题的能力,并培养人地协调观。在此基础上引导学生结合问题产生的主要原因提出相应的缓解措施。
3.教师可适当补充资料说明科学家是如何测得大气中二氧化碳含量变化的。例如,通过测量南极地区不同年代冰层中的二氧化碳体积分数,绘制大气中二氧化碳含量变化的折线图。
【活动:了解大气含氧量减少对人体产生的影响】
1.该活动旨在引导学生了解大气含氧量的变化对人类活动的影响。教师可指导学生阅读图文材料,帮助学生理解建设高原训练基地的目的,认识人类对自然环境特征的充分利用,培养辩证思维能力。
2.对第一个问题的解答,教师可以引导学生在非洲地形图上找出埃塞俄比亚和肯尼亚两个国家,归纳两国共同的地形特点。然后引导学生从海拔、大气密度以及大气含氧量的关系作出推测。
3.对第二个问题的解答,可由学生对照中国地图找到。
4.对第三个问题的解答,旨在引导学生辩证看待“适当的缺氧环境利于激发运动员的运动潜力”。如果在更高海拔处训练,则因空气越来越稀薄,大气含氧量急剧下降,超过了人体的耐受力,反而使运动员的整体表现下降。同时还要引导学生意识到人类只有充分认识并利用大气的特点才能合理开展活动,人类活动必须遵循自然、因地制宜。
5.对这一内容感兴趣的学生,教师可以鼓励他们继续收集相关资料,如高海拔地区的居民如何加强氧气循环以适应缺氧环境、在平原地区如何模拟低氧环境训练以提高运动员成绩等。
【大气的垂直分层】
对这部分内容的教学可以分三个层次展开。
一、运用图文、视频等资料增加学生对大气的垂直分层及特点的感性认识
教师可以结合图2.5并通过呈现丰富的图文、视频等资料,增加学生对大气垂直分层及特点的感性认识,如各层名称、大致范围、景观和人类活动等。引导学生观察资料并结合前面所学思考:大气由地面到高空垂直分层的依据是什么?既唤起学生探究兴趣,又为后续的推理分析作好认知铺垫。
二、构建问题链阐释大气的垂直分层,分析其对人类活动的影响
1.教师可以围绕“大气组成-气温特点-气流运动-自然现象-人类活动”这一主线结合教材中图2.5展开教学。学习对流层大气时,教师可以通过设问“为什么我们生活的大气最底层叫对流层”,引导学生利用图文资料层层剖析。首先说明气温垂直分布特点,可以山顶温度比山麓低作为例证,并应用大气组成解释原因。然后推理大气运动状况,以及不同纬度对流层的高度差异。继而分析天气现象,使学生认识到对流层复杂多变的天气现象与大气的对流运动密不可分。为达到此目的,教师也可就图2.5启发思考“为什么积雨云出现在对流层”,或就教材中图2.6设问“对流层云的形成与大气运动有何关联”。环环相扣的问题链,一方面帮助学生自主构建知识的联系,加深对知识的理解;另一方面帮助学生掌握分析问题的一般思路和方法,并迁移应用到新的学习情境中;此外,还有助于培养学生的观察能力和地理思维能力,使学生能够审视并探究身边的自然环境。
2.关于思考题“为什么平流层适合飞机飞行”和“无线电通信利用了哪层大气的特性”,要引导学生将大气的垂直分层特点与人类活动有机结合。对这些问题的回答可以看出学生灵活运用知识的能力。鲍姆加特纳配备的特制宇航服充分考虑了该层大气的温度、密度、压力、组成等特点,在学习平流层内容时可与教材篇首情境设计的问题相呼应。
3.教师可以通过提问某些现象出现在特定大气层的原因,以及大气层的某些特点对人类及其活动产生的影响等,鼓励学生带着问题积极主动地探究,在探究中感悟研究大气层的意义。例如,流星体是来自太空的石块或金属块,我们看到的流星划过夜空其实是流星体进入高层大气时燃烧所留下的灼热气体,所以高层大气保护了地球表面免遭大部分流星体的侵袭。高层大气也是自然界最壮观的景象-极光出现的地方,教师可以展示相关图片和视频等资料激发学生兴趣,应注意只关注现象本身,不必涉及过深的科学知识。又如,无线电波可以借助地面和电离层之间的多次反射而实现远距离传输,因而我们可以接收到几百千米外的电台信号。电离层与太阳活动有着密切的关系。当太阳活动剧烈时,会增加射向地球的带电粒子流,使电离层状态发生剧烈变化。这一原理也可以用来解释第一章所学的太阳活动对地球的影响。
4.教学中可适当穿插“大气探索者的故事”,即人们对大气层由地面至高空的探索历程,说明人类充分利用大气的垂直分层特点因地制宜地开展活动,大大拓展了人类活动的生存空间和影响范围。另外,人类对大气层的探索依然有许多空白领域。随着科技的发展,探测步伐加快,未来人类对大气层的内部结构将有更全面的了解,大气与人类的联系也必将愈加密切。教师要鼓励学生树立远大理想,将来为拓展人类对自然环境的认识贡献自己的力量。
三、归纳大气的垂直分层特点和差异
归纳教材图文信息,引导学生从高度范围、气温特点和成因、气流运动、自然现象、人类活动等方面列表比较(表2-1)。
表2-1 大气的垂直分层特点
| 大气垂直分层 | 高度范围 | 气温特点和成因 | 气流运动 | 自然现象 | 人类活动 |
| 对流层 | |||||
| 平流层 | |||||
| 高层大气 |
【自学窗:全球合作保护臭氧层】
本自学窗供学生自学。除阅读图像和文字材料外,教师可以引导学生查阅“臭氧空洞”被探测发现的科学历程,认识“臭氧空洞”对生命健康和地理环境带来的不利影响,理解通过全球合作成功解决“臭氧空洞”问题的必要性,树立全球合作意识。
评价建议
一、评价目标
根据教学目标,参照学业质量标准,可制定本节评价目标(表2-2)。
表2-2 第二章第二节教学与评价目标
| 评价目标 | 水平1 | 水平2 | 水平3 | 水平4 |
| 说明大气的组成，说明部分大气成分与生产、生活的联系 | 能说出大气的部分组成及作用 | 能准确说出大气的主要组成及含量,并说明大气主要成分的作用 | 能准确说明大气的主要成分、含量及作用。并能结合具体案例说明人类活动与大气组成之间的相互关系 | |
| 说明大气的垂直分层,及其与生产、生活的联系 | 能说出大气的垂直分层名称，并从气温、大气运动状况等角度说明各层特点 | 能从与大气有关的现象入手,分析大气的垂直分层及其与人类活动的关系 | 能在真实案例和问题情境中应用大气垂直分层特点的知识解释人类活动与大气现象的密切联系 | |
| 体会保护大气环境的重要性 | 能够意识到大气的组成对自然环境和人类活动的重要性。了解主要大气环境问题形成的原因和产生的影响 | 能够结合具体案例理解大气环境问题的解决措施, 能够说明其中的原理 | 能够结合当地实际情况,说明主要存在的大气环境问题及影响, 并分析形成的原因 | 能够结合当地实际情况,说明主要存在的大气环境问题及影响,并分析形成的原因,提出可能的解决措施 |
二、评价建议
1.本节内容在知识层面要求学生能够说明大气的组成、垂直分层和特点,及其与生产、生活的联系。认知测评不能过度重视知识的记忆,而要关注对知识的理解过程。例如,在评价学生是否掌握对流层大气的特点时,不能仅以罗列教材中相应的要点作为唯一标准,而要关注学生是否能在知识要点间架构联系,构建因果关系,并用语言缜密地表达。
2.在教学评价中还要注重对学生认知方法和思维水平的评价。教师可以通过设计问题链评价学生思维的深刻性和全面性。例如,平流层大气的气温分布特点是什么?这样的分布特点对气流运动状况产生了怎样的影响?引发了哪些自然现象?它们对人类活动产生了哪些影响?再如,教师可以组织探究活动让学生分析某一大气成分变化的原因和产生的影响,评价时关注学生分析问题的全面性:原因分析是否考虑其他自然环境要素和人类活动;影响领域是否既有对自然环境的影响,又有对人类生产、生活和人体健康的影响;影响的地域尺度是否涉及地方、区域以及全球。此外,教师可以提供丰富多样的资料,包括文字、图片及视频等素材,引导学生从中获取有效信息并进行加工处理,在此过程中着重对其信息处理能力加以评估。教师也可以提出具有挑战性的任务。例如,让学生独立或合作探究提出探测大气层的地理实践活动,并对其设想的活动方案进行表现性评价。
3.情感态度价值观评价要放在具体情境中进行。例如教师呈现优良天气和重污染天气对比资料时,评价学生保护大气环境的意识和态度。在具体的课堂互动交流中,通过设计能让学生深刻思考大气环境与人类活动关系的问题,以此评价学生的人地协调观的水平。
三、评价示例(以教材中活动为例)
活动:了解大气含氧量减少对人体产生的影响(材料略)
1.归纳两个国家共同的地形特点。推测这两个国家中长跑运动员成绩优异的原因。(据原题概括)
对本活动中学生的表现评价可参考表2-3。
表2-3 活动表现评价及样例
| 水平 | 表现 | 样例 |
| 水平1 | 说出地形以高原为主;单一地从地形角度作出推测 | 地形平坦开阔,便于人们奔跑 |
| 水平2 | 能从地形、大气密度和大气含氧量之间的关系加以推测 | 大气密度随着海拔增加而减小,所以高原地区的大气密度相对较小,每立方米空气中的氧气分子数较少,人体吸入的氧气量也相对较少。适当的缺氧环境有利于激发运动员的运动潜力 |
| 水平3 | 能从地形、大气密度以及人体生理机能等角度准确推测 | 由于大气密度随着海拔增加而减小,所以高原地区的大气密度相对较小,每立方米空气中的氧气分子数较少,人体吸入的氧气量也相对较少。因此,高海拔地区的训练对运动员的身体各项机能要求较高,如导致血管变大变粗,提高运动员对氧气的充分利用等,从而能较平原地区更容易取得优异成绩 |
2.略。
3.参照表2.2(教材中)推测运动员在更高海拔训练反而达不到理想成绩的原因。(据原题概括)
对本活动中学生的表现评价可参考表2-4。
表2-4 活动表现评价及样例
| 水平 | 表现 | 样例 |
| 水平1 | 仅注意到更高海拔处大气含氧量的下降,不能说明达不到理想成绩的原因 | 海拔越高,大气中含氧量越低 |
|
水平2 |
能结合含氧量的下降分析达不到理想成绩的原因 | 在更高海拔处训练,空气越来越稀薄,含氧量急剧下降,超过了人体的耐受力,反而使运动员的整体表现下降 |
