創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

胡瑩 蔣新

摘? ?要：受多種因素影響，“探究冰的熔化特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)效果不好，許多教師選用海波做實(shí)驗(yàn)。冰是生活中常見的物體，多數(shù)學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為冰吸熱就會(huì)熔化，吸熱溫度就會(huì)升高，因此“探究冰的熔化特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)是有必要做的。本次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)使用超小球形模具制作小冰粒，不用再碎冰，簡(jiǎn)單易操作;采用水浴法加熱或者空氣加熱，調(diào)整水浴法的水溫、使用純凈水或者自來水凍小冰粒，均可以調(diào)控實(shí)驗(yàn)時(shí)間;測(cè)量出的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，能夠觀察到冰的溫度從0 ℃以下逐漸上升，保持0 ℃一段時(shí)間不變后，溫度再次上升。

關(guān)鍵詞：冰;熔化;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）8-0049-4

“探究冰的熔化特點(diǎn)”是蘇科版八年級(jí)物理第二章第三節(jié)“熔化和凝固”中的重要實(shí)驗(yàn)[1]，冰的熔化在生活中比較常見，其熔化特點(diǎn)具有典型性，學(xué)生通過探究冰的熔化特點(diǎn)，總結(jié)歸納出晶體熔化的特點(diǎn)——熔化過程中，持續(xù)吸熱但溫度不變，降低了引入晶體概念的難度。但是，由于各種因素的影響，此實(shí)驗(yàn)一直較難成功，部分教師選擇海波、金屬鎵進(jìn)行替代實(shí)驗(yàn)[2]，或者播放實(shí)驗(yàn)視頻。

1? ? 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的困難

1.1? ? 制冰麻煩，過程繁瑣

為了均勻受熱，部分教師借助刨冰機(jī)將冰塊切碎，過程中碎冰已經(jīng)熔化，不能直接用于實(shí)驗(yàn)，需要二次冷凍，但是冷凍后碎冰又凍在了一起。制作過程麻煩，并且制不出較好的碎冰，得不出完整的溫度數(shù)據(jù)。

1.2? ? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯

冰的狀態(tài)變化應(yīng)該是固態(tài)—固液共存態(tài)—液態(tài)，但以往實(shí)驗(yàn)取出碎冰時(shí)，已經(jīng)是固液共存態(tài)，看不到全是固態(tài)時(shí)的冰。學(xué)生憑借生活經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，冰只要吸熱就會(huì)熔化，這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不僅沒有糾正學(xué)生錯(cuò)誤的前概念，反而給了有力的

證明，正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象應(yīng)該是冰達(dá)到熔點(diǎn)后才會(huì)熔化。

1.3? ? 測(cè)量的溫度數(shù)值不準(zhǔn)確

取出碎冰時(shí)已經(jīng)是固態(tài)共存態(tài)，溫度從0 ℃開始，測(cè)量不到0 ℃以下的溫度值;隨著冰繼續(xù)熔化，水逐漸增多，慢慢浸沒溫度計(jì)的玻璃泡，測(cè)量的溫度變成水的溫度，出現(xiàn)了“冰沒有完全熔化，溫度已經(jīng)升到0 ℃以上，并且會(huì)持續(xù)上升”的現(xiàn)象，看不到維持0 ℃一段時(shí)間不變。學(xué)生一直認(rèn)為物體吸熱，溫度就會(huì)升高，實(shí)際上冰在熔化過程中吸收熱量溫度是不變的，以往實(shí)驗(yàn)不能糾正學(xué)生錯(cuò)誤的前概念。

2? ? 冰的熔化實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)器材

超小球形模具，試管（直徑2 cm，長(zhǎng)度10 cm），紅水溫度計(jì)（-30 ℃～100 ℃），酒精溶液（濃度75%），小燒杯（50 mL），水，膠頭滴管，鐵架臺(tái)，石棉網(wǎng)。

（1）超小球形模具（圖1）用于制作球形小冰粒，一個(gè)模具有228個(gè)孔，每個(gè)小孔直徑為0.5 cm，直接注水冷凍成小冰粒，不需要再碎冰，減少了繁瑣程序和實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備時(shí)間。模具在淘寶上購買（搜索關(guān)鍵詞“超小球形模具”即可找到），10多塊錢一個(gè)模具，一次可以制作228個(gè)小冰粒，基本可以滿足一個(gè)班級(jí)分組實(shí)驗(yàn)。

（2）選擇直徑為2 cm、長(zhǎng)度為10 cm的試管裝小冰粒，既可使溫度計(jì)的玻璃泡與被測(cè)物體充分接觸，又不會(huì)因?yàn)楸＿^多而延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間。10 cm的長(zhǎng)度，可以使溫度計(jì)的刻度值在試管外側(cè)，避免液化形成的水滴附著試管壁，影響讀數(shù)。

（3）濃度75%的酒精溶液用于儲(chǔ)存冰粒。酒精的凝固點(diǎn)是-117 ℃，將75%的酒精溶液置于冷凍室降溫至-18 ℃左右，將裝冰粒的試管放入其中，使小冰粒維持低溫，以便課堂使用。

2.2? ? 制冰過程

膠頭滴管吸取自來水或者純凈水注入模具中，放入冷凍室冷凍，脫模裝入試管，就得到了小冰粒。以下細(xì)節(jié)需要注意：

（1）水不能注滿，避免冰粒太大;

（2）與小冰粒接觸的試管、酒精溶液和溫度計(jì)要提前放入冷凍室，避免冰粒接觸到溫度比自身高的物體而快速熔化;

（3）從模具背面擠出小冰粒，直接注入試管中，不用手觸碰冰粒，避免熔化;

（4）每個(gè)試管裝30粒小冰粒，大約3 g，既能使被測(cè)物體與溫度計(jì)的玻璃泡充分接觸，又不會(huì)使實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng);

（5）裝好小冰粒，將裝置再次放進(jìn)冷凍室，維持低溫;

（6）課前將小冰粒裝置放在低溫的酒精溶液中，維持小冰粒的溫度在-15 ℃左右，以便課堂使用。

2.3? ? 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置有兩種可供選擇，第一種裝置跟課本一致，采用水浴法加熱（圖2）;第二種裝置采用空氣加熱（圖3），裝置更加簡(jiǎn)單，在裝小冰粒的試管口塞一個(gè)橡膠塞，用于固定溫度計(jì)，實(shí)驗(yàn)中用兩根手指捏住試管口，不要觸碰試管其他部位，防止熔化加快。

2.4? ? 實(shí)驗(yàn)過程

“熔化和凝固”一課按照教材安排應(yīng)該在9月下旬施教，此季節(jié)溫度在26 ℃左右，教學(xué)時(shí)采用空氣加熱。小冰粒裝置從低溫酒精溶液中取出發(fā)到學(xué)生手中，溫度大概在-10 ℃左右，學(xué)生搖晃試管能夠聽到沙沙的聲音，同時(shí)可以看到完全固態(tài)的小冰粒;溫度逐漸上升，試管中并沒有出現(xiàn)液態(tài)的水;當(dāng)溫度達(dá)到0 ℃，發(fā)現(xiàn)試管中逐漸出現(xiàn)水，慢慢地水逐漸增多，冰逐漸減少，但是溫度計(jì)示數(shù)一直維持0 ℃不變;當(dāng)冰粒消失完全變成水后，溫度計(jì)示數(shù)開始上升。表1是課堂中記錄的一組數(shù)據(jù)。

9月下旬，同時(shí)用自來水凍冰粒做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短，但仍能維持0 ℃一段時(shí)間不變，即熔點(diǎn)沒有改變，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

12月初，嘗試再做冰的熔化實(shí)驗(yàn)，仍采用空氣加熱的方法，發(fā)現(xiàn)需要30 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。這是因?yàn)榇思竟?jié)氣溫較低，并且空氣的導(dǎo)熱性也比較差。于是嘗試使用水浴法加熱，小冰粒裝置從-18 ℃的低溫酒精溶液中取出，發(fā)給學(xué)生，組裝好器材開始記錄，一般從-7 ℃開始記錄，學(xué)生同樣可以觀察到冰的狀態(tài)從固態(tài)變成固液共存態(tài)最后變成液態(tài)，溫度從0 ℃以下上升至0 ℃，然后保持0 ℃較長(zhǎng)時(shí)間不變，最后再逐漸上升，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水浴法的水溫控制在10 ℃，水量控制在50 mL，并且是純凈水凍的冰粒，整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間可以控制在10 min以內(nèi)。

同時(shí)用自來水凍冰粒做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間再次縮短，但仍可以維持0 ℃一段時(shí)間不變，如表4所示。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：自來水凍冰粒，會(huì)縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，但不會(huì)改變冰的熔點(diǎn)。 課堂教學(xué)中，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，教師利用溫度傳感器測(cè)量冰的溫度。溫度傳感器既能顯示溫度，又能直接繪制溫度變化的圖像，節(jié)省人力，又比較直觀，如圖4所示。最后，將傳感器繪制的圖像與學(xué)生繪制的圖像（圖5）進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出冰熔化的特點(diǎn)。觀察圖像還會(huì)發(fā)現(xiàn)，冰吸熱升溫要比水快，為講授初三的“比熱容”打下基礎(chǔ)。

3? ? 實(shí)驗(yàn)反思

科學(xué)思維教育在物理教育中處于非常重要并且核心的地位，科學(xué)思維主要包括科學(xué)推理、科學(xué)論證、模型建構(gòu)、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[3]， “探究冰的熔化特點(diǎn)”改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，可以有效提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

（1）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后提升了學(xué)生的科學(xué)推理能力。改進(jìn)后的冰的熔化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，學(xué)生能夠觀察到冰熔化前、熔化時(shí)、熔化后的溫度及狀態(tài)的變化。對(duì)于得到的溫度數(shù)據(jù)，學(xué)生分析發(fā)現(xiàn)冰熔化前吸熱溫度升高，熔化時(shí)吸熱溫度不變，熔化后吸熱溫度繼續(xù)升高，進(jìn)而推理出晶體的熔化特點(diǎn)，在這個(gè)過程中提升了學(xué)生的科學(xué)推理能力。

（2）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后提升了學(xué)生的科學(xué)論證能力。學(xué)生一直認(rèn)為冰吸熱就會(huì)熔化，吸熱溫度就會(huì)升高，但是分析實(shí)驗(yàn)得到的冰熔化的溫度數(shù)據(jù)和圖像，發(fā)現(xiàn)與自己的認(rèn)知相沖突，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)面前，學(xué)生修正了自己的錯(cuò)誤前概念，得到正確的冰的熔化特點(diǎn)，在這個(gè)過程中提升了學(xué)生的科學(xué)論證能力。

（3）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后提升了學(xué)生的模型建構(gòu)能力。學(xué)生通過探究冰的熔化特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)操作和體驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立晶體和非晶體的物質(zhì)模型，在這個(gè)過程中提升了學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

（4）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后提升了學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力。通過對(duì)比自來水和純凈水凍冰粒進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，拓展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑意識(shí);通過選用小冰粒而不是冰塊進(jìn)行冰的熔化實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)創(chuàng)新的重要性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]彭前程.談對(duì)“學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)及物理學(xué)科核心素養(yǎng)”的理解[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017，46（10）：1-4.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）