物理是一门以实验为基础的学科，实验在物理教学中有着非常重要的作用。它可以帮助学生通过观察现象解决思维疑点、突破思维难点，提高学生的学习兴趣，激发学生的学习积极性和探究欲，促进学生思维品质的提升与良好思维习惯的养成，同时也有助于教师在教学中突破重难点内容
［1］。大多数教材中在“对流”一节内容的呈现方式上，主要通过图片的形式呈现，辅以教师讲解或简单的演示实验，学生主要通过听讲或观察现象来理解对流的形成条件和成因。
1 各版本教材教学中存在的问题
华东师大版教材中关于“风的形成”只有一句话：风是空气的水平流动形成的。这种缺乏实验支撑的讲授式教学，难以帮助学生建立对对流条件与成因的感性认知，导致学生难以理解对流产生的条件和成因，更无法理解风形成的原理和本质问题。因这部分知识太过抽象，学生在认知过程中存在思维障碍。浙教版和人教版教材中均安排了实验。浙教版实验通过倒置的烧杯内蚊香烟气的流动演示空气对流；人教版实验利用酒精灯上方小风车的转动来研究风的形成。尽管这两种版本通过简单实验辅助教学，但笔者通过实际操作与分析，发现其设计仍存在一定局限性。
1.1 低现象，疑结论
按浙教版教材中提供的装置进行教学时，由于烧杯内空间小，短时间内烟迅速充满整个烧杯，而且烟是灰白色的，学生无法根据现象得出相应结论，或仅能观察到可见度较低的现象。人教版教材中风车转动的原理存在解释上的模糊性：风车转动究竟是由热空气上升引起的气流驱动，还是酒精灯火焰燃烧生成的气体直接冲击所致。由于实验现象可见度低和原理阐释不清，学生往往难以得出完整的结论，甚至可能形成错误认知。
1.2 短时间，少对比
学生在观看实验演示时，主要面临两个问题：一是烟雾在短时间内迅速充满整个烧杯；二是实验没有设置一定的对比条件，如对酒精灯火焰大小、距离远近或冷热环境等变量的比较。观察时间不足与对比维度缺失，会导致实验结论不可靠，即确定性低。
1.3 多浅层，少深层
由于上述原因，学生对实验呈现的知识只能是机械、浅层的记忆和理解。这种教学方式无法引导学生运用分析、评价与创造等高阶思维，从而难以真正理解大气环流的原理与本质，更无法深度理解风形成的机制。
2 各改进实验的优缺点
针对教材实验存在的不足，部分研究者在分析装置缺陷的基础上，进行了改进与创新。在一定程度上，这些优化设计方案突出了教学重点、突破了认知难点。
蔡世娟
［2］的实验改进装置设计了左右加热条件的对比，并可通过艾叶烟的流动方向判断风的流动方向。缺点是仅实现左右加热与中间区域的对比，缺乏同一管道内不同温度的对比；小风车的利用率不高，只研究小风车转动与否，没有把风车的转速与对流强度联系起来；对风形成的内在机理，即高低气压差导致空气流动的原理，在实验中未能得到深入揭示。
黄其梅
［3］设计的实验改进装置优点：数字传感器的示数显示加热温度的高低，就将定性实验变成定量探究；通过艾叶烟的流动方向可判断风的流动方向，且在上方也装有一个小风车。缺点：装置内的温度高低不能改变，仅能进行加热与否的对比；小风车利用率不高，未将风车的转速与对流强度联系起来；对风的形成原理未挖掘透。
张彩琴
［4］设计的实验改进装置优点：相较于前两种装置增加了更多对比维度，如加热片之间的功率对比以及加热片加热后与冰袋之间的温差对比；在空气流动的可视化方面，除烟的运动方向外，还在连通管内加了彩条以增强观察效果。缺点：未配置小风车，即未凭借小风车的转动来加深学生的理解；烟的流动效果欠佳，特别是连通管内彩条的运动效果不好；未对连通管内空气水平运动的机理进行研究。
3 装置的设计
装置材料：玻璃管3根、90°弯接2个、温度传感器1只、风轮1个、铁架台1台、小手电筒3个、30 W的电烙铁电热丝2根和60 W的电烙铁电热丝1根、导线和胶布若干、热熔胶枪1把、热熔胶若干、“彩烟”若干、餐巾纸若干、打火机1个、75 mm PVC管1根，电吹风1个，手机1部，手机垫1个。
装置结构：如
图1所示，“大气环流”实验装置由3个部件组成。第一个是3根玻璃管，其中2根竖直放置，1根水平放置。第二个是3台加热器，左竖直管内放置30 W和60 W加热器各1台，右竖直管中放置1台加热器。第三个是3个手电筒，竖直玻璃管上各安装一个手电筒，水平管下方安装一个，目的是更好地显示烟的流动路径。在竖直玻璃管的其中一端上方放置一个可转动的小风车，同时在管口处安装有数字传感器的测温探头。
4 装置的制作步骤
4.1 大气环流装置的制作
（1） 在2个90°弯接的下面分别用热熔胶枪各打1个洞，要求洞的大小刚好能让导线通过。
（2） 分别用导线把30 W和60 W的电热丝串联起来，且下端用胶布绑在一起；先将导线从左边玻璃管中穿入，再从弯接打好的洞中穿出，随即在导线末端串联2个开关，目的是分别控制电热丝的通断；右边玻璃管中只放1根30 W的电热丝，操作过程同上。
（3） 在玻璃管与90°弯接处用热熔胶连接并固定，让其形成U字形结构。
（4） 在竖直玻璃管上方各固定一个手电筒，用于光照处理。同样，在水平玻璃管的下方也固定一个手电筒。
（5） 在竖直玻璃管的上方固定一个风轮和一个温度传感器的探头（此探头与下面的温度传感器的主机相连，能直接通过探头探测温度，并在主机上实时显示温度），用于观察风的形成及温度的变化情况。
（6） 适当倒一部分“彩烟”到餐巾纸上，并用手把它团成一个条状，备用。
4.2 风形成装置的制作
如
图2所示，将手机、PVC管（长30 cm，厚75 mm）和吹风机放置待用。
5 装置的演示过程
5.1 对流实验的演示过程
（1） 打开左边30 W电热丝的开关，温度传感器显示温度持续上升；随后观察到左管上方风轮开始缓慢转动并逐渐加速，最终达到一定的转速。
（2） 同时打开左边60 W电热丝的开关（左管总功率达90 W），温度示数进一步升高，风轮转速显著加快。该现象初步说明温度越高对流越剧烈，也能初步解释为什么赤道地区对流层比两极地区对流层要更厚的原因。
（3） 打开3个小手电筒，在右侧冷的玻璃管管口处点燃“彩烟”，可以看到“彩烟”从右玻璃管口吸入，经水平管从左管流出。水平管内烟雾从右向左流动，说明对流时热空气上升、冷空气下沉。
（4） 把“彩烟”移至左管上方，可以看到“彩烟”不会向下吸入，反而会向上冲。再次说明热空气是上升的。
（5） 断开左边所有电热丝开关，打开右边的电热丝开关，同样将“彩烟”伸入玻璃管中，此时“彩烟”流动方向刚好相反。再次对比说明热空气上升、冷空气下沉。
（6） 打开所有的开关，再把水平玻璃管上方的橡皮塞打开，则“彩烟”从此口伸入，可以看到左右玻璃管都有“彩烟”冒出，但左管逸出量明显多于右管，因为左管加热共有90 W，右管只有30 W。由此说明，同纬度地区的温度差越大，对流运动越剧烈。
虽然实验已初步看到风的形成方向（如步骤3的水平管中的现象），说明风是从右向左流动，但无法说明风是从高气压流向低气压，因此可补充一个风形成实验。
5.2 风形成的原因及本质的演示过程
（1） 把PVC管水平放置在地面上。
（2） 把手机放在手机垫上（靠近吹风机），调节手机垫高度使手机刚好放在PVC管的中央位置。
（3） 打开手机上的Phyphox软件，找到原始传感器模块下的压力，点击进入压力测试界面，再点右上的开始按钮；用吹风机向着手机方向吹，可以看到曲线急速上升（表明此地的压强较大）。
（4） 将手机放在PVC管的左侧，同样用刚才的吹风机朝着同方向吹，可以发现压强曲线与刚才比呈急速下降趋势（表明此地的压强比刚才的测量量要小，但曲线的压强比吹风机不吹时即1标准大气压要大）。
（5） 分析数据，得出结论：风是空气的水平运动，从气压高的地方流向气压低的地方。
6 实验注意点
（1） 温度传感器的探头要放在玻璃管口处；风轮的位置要进行一定的调整，否则转动不顺利。
（2） 电热丝加热器的功率要适宜，太小会影响实验效果，太大会导致玻璃管破裂；手电筒最好用白光。
（3） 在用吹风机吹风时，最好用冷风，热风可能会影响实验结论，即两边离吹风机的距离不等，会让学生误以为是温度高低的不同导致气压的不同。
7 实验创新点
（1） 现象非常明显，特别是“彩烟”、风轮、传感器的加入，使得探究对流方向、对流强度等变得可探究化、可视化，变不能探究为可探究，变不能对比为可对比。
（2） 材料易得，成本低。整套装置只用了3支玻璃管、3台加热器等器材，虽然都是生活中的常见器材，但具有天然亲和力，且实验探究价值高。
（3） 操作方便、简单。操作只需按几个开关及加入“彩烟”，就可以探究对流及风的一系列实验，利于师生在课堂上操作演示及探究。
（4） 用数字化技术进行探究，特别是Phyphox软件的应用，实现了实验的可视化，结论一目了然，真正做到了知其然更知其所以然，填补了教材的空缺。
8 结语
在物理教学中，教师要努力做到“三做”实验：多做、真做和巧做。当学生碰到疑难点、困惑点时，教师要适时、适切地呈现实验，用实验特有的高见度现象，帮助学生解决思维难点，提高其学习兴趣和积极性
［5］。在实验演示时，教师不要直接将创新实验摆上来，而是要让学生一步步地观看实验现象，引发疑惑，从而启发其利用疑难点进行改进和创新。针对教材实验的现象不明显、时间短、无法对比等缺点，教师应让学生大胆地进行改进和创新。在这一过程中，易于激发学生的高阶思维，引发其认知冲突和批判性思维，有助于实现实验装置的进阶改进、逐步完善；学生能体会到物理学习的乐趣并收获实验成功的喜悦感，从而会对对流原理和成因及风的形成和本质问题理解得更深入、更透彻。在物理教学中，让创新实验与课堂深度融合，能够充分发挥实验的价值，解构错误概念，辨析相似概念，聚焦高阶思维，促进深度学习
［6］。
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