2.1 大气的组成和垂直分层（情境教学设计）地理人教版必修第一册

该高中地理教学设计聚焦“大气的组成和垂直分层”核心知识，以“格莱舍的气球之旅”真实历史事件导入，通过其高空昏迷与温度异常现象，串联大气组成（成分及作用、变化及影响）和垂直分层（划分依据、各层特点）两大板块，搭建问题驱动的学习支架。 本资料以情境主线贯穿教学，结合图示分析法与任务驱动法，通过干洁空气成分图、垂直分层气温变化图培养综合思维，以二氧化碳增加、臭氧层空洞案例强化人地协调观，用格莱舍探险案例提升地理实践力，帮助学生系统掌握知识，助力教师构建逻辑清晰、生动高效的课堂。

第二章 地球上的大气 第一节 大气的组成和垂直分层（教学设计） 年级 高一年级 科目 地理 课题 第1节　大气的组成和垂直分层 课时安排 1课时 教材分析 本节是人教版必修第一册第二章“地球上的大气”的开篇第一节。在第一章学习了地球的宇宙环境、太阳对地球的影响、地球的圈层结构之后，本章将视角转向覆盖地球最外部的圈层——大气圈。本节内容由两大板块构成：大气的组成（干洁空气的成分与作用、水汽与杂质的分布与作用、大气成分的变化及影响）和大气的垂直分层（划分依据、对流层、平流层、高层大气的主要特点）。教材遵循由静态到动态、由组成到结构的认知逻辑：先分析大气由哪些物质组成及各自的作用；再从垂直方向上将大气划分为三个层次，逐层分析其温度变化规律、运动特征及与人类活动的关系。 教学地位：本节是第二章的起始课，大气的组成与垂直分层是理解后续“大气受热过程”“大气运动”“天气与气候”等内容的基础，具有重要的奠基作用。 学情分析 知识储备：学生在初中物理和化学课程中已学习过空气的组成（氮气、氧气、二氧化碳等），对大气的基本成分有一定了解，但对各成分的具体作用、大气成分的时空变化缺乏系统认识；学生对“越往高处越冷”有生活体验，但对大气垂直分层的具体划分、各层特征及原因缺乏深入理解。能力储备：学生具备一定的读图分析能力，但对于大气垂直分层图中气温随高度变化的曲线解读需要进一步指导。情感态度：学生对高空探险、大气污染等话题有较高的关注度，这为大气组成与垂直分层的教学提供了良好的情感基础。 教学目标 1.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。 2.核心素养导向教学目标：区域认知、综合思维：通过阅读干洁空气成分示意图，说出氮、氧、二氧化碳、臭氧等主要成分的体积分数及作用；通过阅读大气垂直分层和气温变化图，描述对流层、平流层、高层大气的温度变化规律、运动特征及与人类活动的关系。地理实践力：运用大气垂直分层图，解释格莱舍高空探险中遭遇的缺氧、低温等现象。人地协调观：通过了解大气成分的变化（二氧化碳体积分数增加、臭氧层空洞）及影响，认识人类活动对大气成分的影响，树立保护大气环境的意识。 教学重难点 重点：①大气主要成分及其作用；②大气垂直分层及各层的主要特点。难点：①对流层气温随高度降低的原因、平流层气温随高度升高的原因；②逆温现象的形成与影响。 教学方法 情境贯穿法：以“格莱舍的气球之旅”为全课情境主线，用两个核心问题串联整节课。图示分析法：通过干洁空气成分图、大气垂直分层和气温变化图、二氧化碳体积分数变化图等，将抽象的大气组成与垂直结构可视化。任务驱动法：围绕“格莱舍为何昏迷→大气由什么组成”和“格莱舍发现了什么→大气如何分层”两大任务展开教学。小组合作讨论法：组织学生讨论雾霾天气的影响、分析逆温现象等，培养合作探究能力。 教学过程 教学内容 教师活动 设计思路 情境导入 【课件呈现】 英国气象学家格莱舍是历史上首位进入平流层的人。1862年9月，格莱舍与飞行员驾驶热气球升空，目标是探索高空大气。格莱舍带了温度计、气压计、几只鸽子和一个疑问：高空的大气，和地面一样吗？ 气球从地面升起，穿过云层，一路攀升至约11000米。6000米处，鸽子飞不动了。8800米处，格莱舍突然昏迷。飞行员双手冻僵，用牙齿咬住绳索拉动阀门，紧急迫降。 教师引导： 格莱舍的冒险，带回了改写人类对天空认知的数据。今天，让我们跟随格莱舍的气球，从地面到万米高空，认识我们头顶的大气。 以“格莱舍的气球之旅”这一真实历史事件导入，用惊险的探险故事吸引学生注意力。“高空的大气和地面一样吗”这一核心疑问贯穿全课，自然引出两个核心问题，形成清晰的任务驱动链条。 一、格莱舍为何昏迷？——大气的组成 【课件呈现】 格莱舍在8800米突然昏迷，鸽子在6000米就飞不动了。为什么？高空和地面的空气，到底有什么不同？要回答这个问题，我们首先要知道——低层大气由什么组成？ 1、大气的组成成分 【讲解+读图】 教师讲解：低层大气（25千米以下）主要由干洁空气、水汽和杂质组成。展示“干洁空气成分的体积分数（25千米以下）”图，引导学生读图分析： ①氮气（N₂） ：体积分数约78%，是地球上生物体的基本元素。 ②氧气（O₂） ：体积分数约21%，是生物维持生命活动的必需物质。 ③二氧化碳（CO₂） ：是植物光合作用的原料，同时能吸收地面辐射，对地面起保温作用。 ④臭氧（O₃） ：吸收太阳辐射中的紫外线，使地表生物免受伤害。 ⑤水汽和杂质：成云致雨的必要条件；杂质可作为水汽的凝结核。 【情境回扣】 现在我们知道，格莱舍昏迷是因为高空氧气不足；鸽子飞不动也是因为缺氧。地面上氧气充足，到8800米就不行了——高空和地面的空气，确实不一样。 【生活链接】 适当的缺氧环境有利于激发运动员潜能——埃塞俄比亚、肯尼亚的高原长跑运动员成绩优异。平原运动员到海拔1800—2400米的高原进行训练，正是利用了这一原理。2、大气组成成分的变化 【讲解+读图分析】 教师设问：大气组成是否稳定不变？ 学生回答后，教师讲解：地球大气距地表85千米以下的气体成分一般分为两类——定常成分（氮、氧、氩等，各成分间大致保持固定比例）和可变成分（水汽、二氧化碳、臭氧和碳、硫、氮的化合物等，比例因时因地变化）。 ① 二氧化碳体积分数的变化 展示“二氧化碳体积分数的变化”图。 设问：在过去80万年间，大气中二氧化碳体积分数经历了怎样的变化？ 学生读图回答：过去80万年变化相对平缓；但从1740年到2011年，短短不到300年的时间里，二氧化碳体积分数增加了40%。 教师引导：二氧化碳增加的主要原因是化石燃料的大量燃烧和森林的砍伐。二氧化碳增加会加剧温室效应，导致全球变暖。 ② 臭氧的变化 展示“臭氧层空洞”相关图片。 教师讲解：使用冰箱、空调等制冷设备所释放出大量的氟氯烃（氟利昂） ，导致臭氧浓度下降，形成臭氧层空洞。 设问：臭氧层空洞会带来哪些危害？ 学生回答后教师总结：射向地面的紫外线增多——危害人体健康（增加皮肤癌、白内障患者，削弱免疫力）；破坏生物生长繁殖（农产品减产及品质下降）；影响气候变化。 【讲解+小组讨论】 教师讲解：由于自然和人为原因，大气中增加了许多新的组成成分，主要包括气溶胶和污染气体。 用格莱舍昏迷和鸽子飞不动两个具体情节，制造认知冲突，引出“大气成分”的学习。 通过读图归纳，帮助学生系统掌握干洁空气的成分与作用。情境回扣让学生将刚学的大气成分知识应用到格莱舍案例中，强化知识迁移能力。高原训练的生活链接体现“学习对生活有用的地理”的理念。 通过二氧化碳和臭氧两个案例，让学生认识大气成分的动态变化及其对人类生存环境的影响。强调人类活动对大气成分的改变，呼应“人地协调观”核心素养。 二、格莱舍发现了什么？——大气的垂直分层 【课件呈现】 格莱舍昏迷不仅是因缺氧而呼吸困难——到了8800米，温度降到-20℃。苏醒后，格莱舍检查了温度计的数据，发现高空气温并非一直下降，在约11000米处，温度反而开始升高。为什么？ 【设问】 大气从地面到高空，温度到底如何变化？可以分成几层？ 1、划分依据 【讲解+读图】 教师讲解：地球大气从地面向上可延伸到数千千米高空；根据温度、运动状况和密度，大气自下而上可以划分为对流层、平流层、高层大气。展示“大气垂直分层和气温变化图”，引导学生观察气温曲线的变化。 2、对流层 【讲解+读图】 教师讲解：对流层是大气圈的最底层，集中了大气圈质量的3/4和几乎全部的水汽、杂质，与人类的关系最密切。 对流层的主要特点： ① 气温随高度增加而减小——地面是对流层大气的主要直接热源。 ② 空气对流运动显著——气温上冷下热，热空气上升，冷空气下沉。 ③ 天气现象复杂多变——对流运动显著 + 集中了几乎全部水汽和杂质。 ④ 对流层高度随纬度和季节变化——低纬度17~18千米，中纬度10~12千米，高纬度8~9千米；夏季较厚，冬季较薄。  【情境回扣】 格莱舍从地面飞到11000米，穿越了整个对流层，在8800米处温度已降至-20℃——这就是对流层“气温随高度升高而降低”的体现。 3、平流层 【讲解+读图】 教师讲解：平流层位于对流层之上，是飞机飞行的高度层。 平流层的主要特点： ①气温随高度升高而升高——在20—25km范围内，臭氧层大量吸收太阳紫外线，使大气增温。 ②空气以水平运动为主——气温上热下冷，不易产生对流。 ③天气晴朗，适合航空飞行——水汽和杂质含量极少。 【情境回扣】 格莱舍在约11000米处记录到气温不再下降反而升高——他到达了平流层的底部。他发现温度的“反常”变化，正是平流层与对流层最本质的区别。格莱舍因此成为人类历史上首位进入平流层的人。4、高层大气 【讲解+读图】 教师讲解：高层大气是地球大气的上界。 高层大气的主要特点： ① 气温随高度升高先降低后又持续上升。 ② 气压低，空气密度小。 ③ 容易受太阳风影响出现极光。 ④ 有若干电离层，能反射无线电波，适于无线电通信。 教师补充讲解：研究电离层对通信、广播、全球导航和制导、雷达探测等有重要意义。短波通过电离层反射式传输，用功率很小的发射机就可实现数百千米甚至越洋通信。 回扣情境：鲍姆加特纳跳伞过程中穿越了对流层和平流层，最终在平流层中打开降落伞——并未进入高层大气，但仍处于大气层中。 用格莱舍的温度数据制造认知冲突——“温度反而升高”这一反常现象，自然引出大气垂直分层。 明确划分依据，建立三层结构的基本框架。 对流层是与人类关系最密切的大气层。四个特点的归纳条理清晰。情境回扣让学生理解格莱舍遭遇低温的具体原因。 平流层的特点与对流层形成鲜明对比。通过回扣格莱舍的发现，将平流层知识应用于解释真实问题。 高层大气是大气垂直分层的最高层，电离层对无线电通信的重要性是本节的延伸拓展。 课堂演练 低层大气是由干洁空气和少量水汽、杂质组成。下表为干洁空气成分的体积分数（25千米以下）统计表。据此完成下面小题。 成分 氮气 氧气 二氧化碳 氩气 其他 体积分数 78% 21% 0.038%（变动） 0.93% 0.032% 1．25千米以下干洁空气中体积分数最大的是（   ） A．氧气 B．氩气 C．氮气 D．二氧化碳 2．下列关于低层大气的叙述正确的是（   ） A．氩气是生物维持生命活动必需的物质 B．氧气是植物进行光合作用的基本原料 C．二氧化碳对地球上生命活动影响不大 D．水汽和杂质在天气变化中扮演重要角色 【答案】1．C 2．D 【详解】1．根据表格数据，25千米以下干洁空气中，氮气体积分数为78%，远高于氧气、氩气、二氧化碳等其他成分，因此体积分数最大的是氮气，C正确。 2．氧气才是生物维持生命活动必需的物质，不是氩气，A错误； 二氧化碳是植物光合作用的基本原料，不是氧气，B错误； 二氧化碳是光合作用的原料，还能吸收地面辐射产生温室效应，对地球生命活动和气候影响很大，C错误； 水汽是降水的原料，杂质是水汽凝结的凝结核，二者是成云致雨的必要条件，因此在天气变化中扮演重要角色，D正确。 2024年9月14日，在重庆沙坪坝区气象观测站，一只1600克探空气球携带CYDT—1型臭氧探空传感器平稳升上天空，用于准确获取臭氧在大气中的垂直分布特征及其变化趋势。下图为“大气垂直分层示意图”。据此完成下面小题。 3．探空气球从地面上升到30千米处，所经历的温度变化是 A．一直升高 B．先降后升 C．持续降低 D．先升后降 4．假设在下列各地同时释放探空气球，并以同样的速度上升，最先测得平流层数据的是（   ） A．海口（20°N） B．广州（23°N） C．上海（30°N） D．北京（40°N） 5．图中①、②、③、④各层（   ） A．①是对流层，大量臭氧吸收紫外线 B．②是平流层，大气能见度低 C．③是高层大气，天气变化剧烈 D．④有电离层，影响无线电通信 【答案】3．B 4．D 5．D 【详解】3．探空气球从地面上升到30千米处，会经过对流层（①）和平流层（②的下部），对流层（0-12km）气温随高度升高而降低；平流层（12-50km）气温随高度升高而升高（因为臭氧吸收紫外线增温），所以从地面到30千米处，温度变化是先降后升，B正确。 4．平流层的底部高度（对流层顶高度）随纬度升高而降低，低纬度对流层顶高度约17-18km，中纬度约10-12km，高纬度约8-9km，所以四地中北京（40°N）纬度最高，对流层顶最低，气球最先进入平流层，最先测得平流层数据，D正确。 5．①层（0-12km）为对流层，臭氧主要在平流层，A错误； ②（12-50km）是平流层，大气以平流运动为主，能见度高，B错误； ③属于高层大气（中间层），但天气变化剧烈的是对流层（①），C错误； ④属于高层大气（热层），存在电离层，能反射无线电波，影响无线电通信，D正确。 平流层独特的物理性质是影响民航客机飞行选择的重要因素。下图示意某民航客机在某次航班飞行中所处海拔的变化情况（此次航班主要在平流层底部飞行，整个飞行过程均在北半球完成）。据此完成下面小题。 6．平流层大气有利于民航客机飞行的条件有（   ） ①大气对流运动显著，天气晴朗 ②大气以水平运动为主，大气稳定 ③臭氧层吸收紫外线，温度高 ④几乎无水汽、杂质，大气能见度高 A．①② B．①③ C．③④ D．②④ 7．该客机的大致飞行方向是（   ） A．向北飞行 B．向西飞行 C．向东飞行 D．向南飞行 8．该客机飞行4小时后，其经过的大气层大气物理性质的变化是（   ） A．气温降低 B．水汽含量增多 C．臭氧含量增多 D．氧气含量降低 【答案】6．D 7．A 8．A 【详解】6．对流运动显著是对流层特征，平流层以水平运动为主，对流弱，①错误。 平流层大气水平运动，气流平稳，飞机颠簸少，②正确。 臭氧层吸热使平流层上热下冷，并非整体温度高，且温度高不是利于飞行的核心条件，③错误。 平流层水汽、尘埃极少，无云雨，能见度好，④正确。 7．北半球纬度越高，对流层顶海拔越低，平流层底部适宜飞行高度也越低；图中客机飞行海拔持续下降，说明飞机由低纬飞向高纬，即向北飞行，A正确，D错误； 向东或向西飞行纬度变化不大，对流层厚度变化小，BC错误。 8．飞机全程海拔持续下降，从高空平流层逐步靠近对流层；平流层海拔越高气温越高，向下飞行海拔降低，气温随之降低，A正确。 平流层几乎无水汽，水汽集中在下方对流层，飞机缓慢下降，水汽只会小幅增加，并非主要变化，且不是该过程核心特征，B错误。 臭氧集中在平流层中上部，飞机向下飞行，远离臭氧层，臭氧含量不断减少，C错误。 大气密度随海拔降低而变大，氧气浓度上升，D错误。 如图示意南极布伦特冰架上的哈雷站7月和1月，低层大气平均气温随高度变化。据此完成下面小题。 9．澳大利亚航空于2017年开通了全球第一条南极航线，飞机在万米高空巡游，乘客可隔着玻璃俯瞰南极大陆。有关飞机所在大气层的特点叙述正确的是（   ） A．该层大气以平流运动为主 B．该层大气的主要组成成分是氮气和氧气 C．存在一定厚度电离层，利于通信 D．气温随高度升高而降低 10．1月份，哈雷站对流层上界高度约为（   ） A．1.5km B．8.5km C．12.5km D．22.5km 【答案】9．A 10．B 【详解】9．观察图中气温随高度变化曲线：1月：在0~8.5km，气温随高度升高而降低（对流层），7月：在0~1.5km，气温随高度升高而升高（逆温层，属于对流层底部），在1.5km~6km，气温明显随高度升高而降低（对流层）；飞机在10km（万米）高空，属于平流层，该层大气以平流运动为主，A正确； 氮气和氧气主要集中在对流层，平流层中臭氧含量相对较高，B错误； 电离层分布在高层大气（60km以上），不在万米高空，C错误； 平流层的气温特点是随高度升高而升高（臭氧吸收紫外线），D错误。 10． 结合图中“1月”的气温曲线：在0km到大约8.5km之间，气温随高度升高而降低，这符合对流层气温变化规律，在8.5km以上，大气平均温度随高度升高而升高，不符合对流层气温变化规律，所以1月份哈雷站对流层上界的高度约为8.5km，B正确，ACD错误。 本环节主要设置较为经典的题型进行当堂考核，检验学生对知识的掌握和运用能力（设计时长6分钟） 板书设计 教学反思 本节课以“格莱舍的气球之旅”为情境主线贯穿全课，两个核心问题（为何昏迷→大气的组成；发现了什么→大气的垂直分层）逻辑清晰，层层递进。从教学效果看，以1862年格莱舍高空探险的真实历史事件导入，惊险的故事情节迅速吸引了学生的注意力；“8800米缺氧昏迷”和“11000米温度异常”两个关键节点自然引出了大气的组成与垂直分层两大板块；高原训练的生活链接增强了知识的应用价值；课堂思考三题回扣格莱舍情境，有效检验了学生运用所学知识分析真实案例的能力。但教学中仍存在不足：一是格莱舍时代对大气成分的认识有限，教学中需注意区分“格莱舍的发现”与“现代科学认知”，避免学生产生误解；二是情境中的“鸽子飞不动”可作为导入的趣味点，但不宜过度展开；三是对流层高度随纬度变化的规律可通过具体数据（如北京约12km、赤道约17km）帮助学生建立直观认知；四是大气成分的变化（CO₂增加、臭氧层空洞）内容相对独立，可适当精简，突出重点。 公司2 / 18 学科网（北京）股份有限公司 $