物態(tài)變化實驗裝置的創(chuàng)新設計與教學應用

馬利芳

摘 ? 要：針對初中物理物態(tài)變化課堂教學中實驗器材陳舊、實驗器材不全、操作不便、實驗現象的干擾因素多元、實驗現象可視化不強、教師課堂講實驗、看實驗等教學現狀，研制、設計了一套素材來源生活化、演示操作便利化、實驗現象可視化、控制調節(jié)微階化的物態(tài)變化實驗綜合裝置，助力推進課程標準的理念落地，提高物態(tài)變化課堂教學效果，優(yōu)化初中物理課堂教學。

關鍵詞：物態(tài)變化;實驗裝置;創(chuàng)新設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）4-0054-4

“物態(tài)變化”是“物質”主題下的四個內容結構之一，屬于“物質”存在維度的“物質的形態(tài)及其變化”二級主題下的三級主題內容，其主要包括物質三態(tài)及其三態(tài)間的相互轉化及自然界的水循環(huán)?！读x務教育物理課程標準（2011年版）》對“物態(tài)變化”的教學要求是“經歷物態(tài)變化的實驗探究過程，了解物態(tài)變化過程中的吸熱和放熱過程，用物態(tài)變化的知識說明自然界和生活中的有關現象。”[1]課程標準強調用實驗探究的方法學習物態(tài)變化，而且還要求知道相應的物態(tài)變化過程。

“物態(tài)變化”與自然現象和日常生活聯系緊密，但初中生由于日常生活經驗尚淺，液化、凝華等現象是他們生活中的盲點，也是學習的難點。

滬粵版初中物理教材按照“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念對“液化”現象的實驗呈現如圖1所示[2]。南方地區(qū)的一些教師因為教材呈現實驗的實驗效果欠理想、實驗操作欠方便等原因而放棄實驗，常常用動畫、視頻代替實驗來組織教學，學生缺少了物態(tài)變化過程的直接感受和思維自主內化，大大降低了課堂教學效果，降低了物理課程的育人價值。為了增強學生對液化、凝華現象的直觀認識，幫助學生增加“物態(tài)變化”相關的生活經驗，突破學習難點和生活經驗盲點，以初中物理滬粵版八年級上冊物態(tài)變化“液化”實驗觀察（圖1）為原型，進行物態(tài)變化實驗綜合優(yōu)化設計，研制了一套實驗素材來源生活化、演示操作便利化、實驗現象可視化、控制調節(jié)微階化的物態(tài)變化實驗綜合裝置，助力推進課程標準的理念真實落地，助力提高物態(tài)變化課堂教學效果，化解物態(tài)變化教學盲點。

1 ? ?教材編制的物態(tài)變化教學實驗的效果

“物態(tài)變化”是初中物理教學的基礎內容，比較常見的配套實驗器材有：石棉網、鐵架臺、燒杯、酒精燈、溫度計等。面對社會的發(fā)展進步和技術的更新迭代，學校器材更換的周期則相對較長，實驗器材老舊生銹、數量缺損等現象比較普遍。特別是對于南方地區(qū)，因南方的氣候特征，干擾實驗現象的因素偏多，導致物態(tài)變化實驗做起來較麻煩，實驗效果不佳。所以，初中物理配套的物態(tài)變化實驗器材在教學中的局限性日漸突出，具體表現在以下幾個方面：

（1）通常用的鐵架臺、石棉網、燒杯、酒精燈、溫度計等儀器組裝比較繁瑣。

（2）實驗室配置的演示溫度計和學生溫度計精確度不高，可視性差，溫度變化小。溫度計隨時間變化快，不容易捕捉，來不及讀數溫度就變化了。

（3）酒精燈的加熱效率低，調節(jié)控制難，比較費時。

（4）水的沸點高，比熱容大，溫度變化需要的熱量多。水多了，用酒精燈加熱的時間長;水少了，實驗現象又不是很明顯。如果教師不提醒，學生觀察不到現象的變化，需要長時間保持高注意狀態(tài)。氣壓對該實驗存在一定的影響，所以實驗教學存在較大的難度。

2 ? ?源自于生產實踐活動的物態(tài)變化實驗創(chuàng)新的思路

針對以上現狀，遵循“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念，結合學情特點，將生活中的“煮酒”（蒸餾）工藝裝置遷移到課堂教學中來，創(chuàng)設一個真實的日常生活情境（圖2），讓教學回歸生活，回歸技術應用，以研討生活中的“煮酒”工藝來認識液化現象，學習“物質的形態(tài)及其變化”這一章節(jié)的知識。

用源于生活中的“煮酒”代替教材中的“燒水”，學生更感興趣，積極性更高，課堂效果更好。用酒糟液體代替水，液化現象明顯，實驗時間短，避免影響課堂時間分配問題，教師動手實驗的意愿更強。

生活中“煮酒”工藝用的煮鍋、接缸不透明，無法觀察實驗現象，煮酒火爐也不能在課堂中使用。為了實現生活中的“煮酒”裝置成為課堂中的“探究”器具，將生活中的日?，F象轉化為物理探究問題情境，必須進行二次加工改造和創(chuàng)新設計，目的就是體現裝置簡單化、操作方便化、情境真實化、過程可視化、印象深刻化。

3.1 ? ?選用實驗器材

（1）“煮鍋”選用透明玻璃杯體的電加熱壺，可視性強，容量靈活，現象變化效果明顯，尤其方便觀察沸騰前后氣泡的大小和數量變化。

（2）選用數顯溫度計代替實驗室常用的玻璃溫度計，數顯溫度計精確度高，可視度高，方便讀數，方便操作。

（3）“接缸”選用自制有機玻璃透明柱體、內盤有玻璃導管的冷卻罐，透明度高，可視性強，現象明顯。冷卻罐蓋上安裝數顯溫度計，顯示冷卻罐內的溫度變化，可視度高。在冷卻罐中增加透明螺旋導流內管，做成冷卻系統(tǒng)，冷水降溫，加快液化速度，便于觀察液化現象，液化過程明了、簡單。

（4）“火爐”選用電加熱器，電加熱器的功率大，加熱時間快，操作方便，加熱溫度方便微調微控，可彌補實驗室酒精燈加熱溫度難調控的不足，提高了課堂時間利用效率。

經過二次改造與創(chuàng)新設計，將“煮鍋”部分設計為加熱系統(tǒng)，“接缸”部分設計為冷卻系統(tǒng)，再用導流管將兩部分裝置組合，既可以進行物態(tài)變化單一現象實驗，也可以進行物態(tài)變化綜合現象實驗，提高實驗設計的利用率和效率。二次創(chuàng)新設計的實驗裝置加熱時間快，可視度高，溫度調控便利、準確，精確度高，實驗效果好。有助于學生觀察物質三態(tài)變化的溫度變化，有助于學生理解液化放熱現象，有助于學生描繪溫度-時間坐標圖，有助于學生歸納液體沸騰的特點，使物態(tài)變化問題化抽象為形象、化抽象為具體。物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置設計如圖 3 所示。

3.2 ? ?構建兩個系統(tǒng)

物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置由兩部分組成，一部分是加熱系統(tǒng)，另一部分是冷卻系統(tǒng)。各部分組成部件名稱如圖3標示，各部分組成部件的制作流程如下：

（1）加熱系統(tǒng)：①給電加熱壺加熱底座安裝微調控制開關（也可以安裝限流控制開關）。其作用是通過電路中的電流來控制電加熱器的加熱功率，從而控制電加熱壺內液體的溫度不至于太高。②選擇加熱容器。選用高度為20 cm的透明電加熱壺杯體。③安裝數顯溫度計和蒸汽導流管。在加熱容器蓋上鉆兩個小孔，一個小孔便于安裝數顯溫度計，觀察液體溫度，另一個小孔安裝蒸汽導流管，導管使用銅管。銅管易彎曲，方便安裝，且銅為熱的良導體，溫度升高快，液體不至于在導流管中就被液化了。

（2）冷卻系統(tǒng)：將冷卻罐固定在底座上。內層彎管上端與導流管連通，下端為出酒口，是酒蒸氣形成米酒的主要通道，酒蒸氣的液化就發(fā)生在管道中。管道外盛的冷卻液為冷水，上端為冷水進水口，下端為熱水出水口。在上端進水口附近開一小孔，安裝數顯溫度計，用于觀察水的溫度變化。底端出酒口放置承接酒的帶蓋透明容器。

物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置既可以用于初中物理物態(tài)變化演示實驗，也可以用于初中物理物態(tài)變化學生實驗，既可以分開使用也可以組合使用。分開使用時，其中的加熱系統(tǒng)裝置可用來探究水的沸騰現象、熔化現象、凝固現象、升華現象。綜合起來使用時，可以探究水循環(huán)現象、液化現象、凝華現象。部分內容教學應用具體示例如下：

示例一 ?探究水的沸騰現象

在電加熱壺中加入適量熱水或冷水，蓋好蓋子，打開控制開關，給電加熱器通電。引導學生觀察壺中水沸騰前后氣泡大小、多少和水面聲音的變化，通過數顯溫度計觀察壺中水溫變化，重點引導學生觀察沸騰前后水的溫度和氣泡大小的變化，并記錄觀察的現象。對比沸騰前后水的溫度隨時間變化的特點，根據實驗數據描繪溫度-時間坐標圖;分析水沸騰前后氣泡的變化特征，歸納水沸騰時的特點。

“探究水的沸騰現象”實驗觀察的重點是氣泡大小和多少的變化、溫度的變化、水聲響度的變化。難點是辨不清氣泡的變化，因為氣泡大小變化時間過短，觀察者反應不過來;其次是溫度計示數不穩(wěn)定、不方便讀取。

物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置由于壺中水的深度高、透明度好，電加熱的控制便利性和加熱效率高、速度快，壺中水沸騰過程前后氣泡停留時間長，氣泡大小變化的時間長，有效規(guī)避了氣泡大小變化時間太短暫而反應不過來的問題，規(guī)避了溫度計讀數不方便的麻煩，規(guī)避了現象可視度不強的弊端，學生能直接觀察到反映沸騰本質屬性的現象，有利于學生建構和理解相關概念。

示例二 ?探究液化現象

在電加熱壺中加入適量酒糟液體或水，蓋好蓋子，給冷卻罐中加入適量冷水。打開控制開關，電加熱器通電，給酒糟液體或水加熱，控制溫度讓酒蒸氣或水蒸氣先慢慢汽化出來。引導學生觀察電加熱壺中酒糟液體或水的溫度變化及液面變化，同時觀察和記錄冷卻罐中數顯溫度計的變化即水溫變化，觀察螺旋導流內管中的現象變化。

幾秒鐘后，酒糟液體溫度逐漸升高，到達沸點開始沸騰，導流管中的氣體增加，螺旋導流內管的氣體開始液化，冷卻罐內的溫度發(fā)生變化。隨著時間的增加，冷卻罐中水的溫度迅速升高，數顯溫度計示數變大，螺旋導流內管中的液體越來越多。記錄觀察到的現象和溫度變化，歸納液化概念和放熱規(guī)律。

“探究液化現象”實驗觀察的重點是氣體液化變成液體的過程及放熱的規(guī)律，難點是氣體變成液體的過程。

物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置利用導流內管的長度顯示氣體變成液體的過程，并延長液化變化的滯留時間，方便學生觀察與反應，再用數顯溫度計直觀反映液化后的溫度變化，有效規(guī)避了內隱過程，克服實驗觀察的難點，成功顯化液化放熱的內隱過程。

物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置設計的教學活動過程，學生能清晰感知氣體變成液體的過程和溫度的變化，即能清晰感知反映液化概念本質屬性的現象，能準確將新思維線索與思維圖式同化或順應成自己以后的經驗和認知，形成穩(wěn)定新認知，實現高效實驗建構概念。特別是源于生產工藝的裝置，更能激發(fā)學生的學習興趣和探究動機，更能催生深刻的思維活動，有助于學生深度學習目標的達成，有助于提升物理學科的育人價值。

示例三 ?探究升華現象

在電加熱壺中加入適量的樟腦丸，蓋好蓋子。閉合控制開關，調節(jié)溫控開關，控制電加熱壺的溫度不過高，觀察壺內樟腦丸的大小變化及電加熱壺溫度的高低變化。記錄觀察的現象，歸納相關概念和規(guī)律。

“探究升華現象”實驗觀察的重點是觀察固態(tài)物體的大小變化和氣體的產生，難點是可視化的固體的升華過程和時間長度控制。

物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置利用限流控制鍵微調溫度變化，讓體積比較大的樟腦丸幾個月的長時間的升華過程在課堂上短時間內發(fā)生，且樟腦丸的大小變化現象明顯，固體直接變成氣體的升華過程時間適中。實驗現象成功引起學生視覺沖擊，探究思維交鋒，引發(fā)學生創(chuàng)新思維和深度思維，有效提高課堂教學效果。

示例四 ?探究凝華現象

在電加熱壺中加入適量的樟腦丸，蓋好蓋子，給冷卻罐加入冷水。閉合控制開關，調節(jié)溫控開關，控制電加熱壺的溫度不過高，觀察壺內樟腦丸的大小變化、導流內管的現象和冷卻罐中螺旋導流內管中的現象。記錄觀察的現象，歸納凝華概念和放熱規(guī)律。

“探究凝華現象”實驗觀察的重點是觀察新固體的產生和凝華溫度的控制，難點是可視化的凝華溫度的控制和凝華時間長度的控制。

物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置利用導流內管的長度優(yōu)勢及冷卻罐的冷水溫度調節(jié)便利，控制凝華發(fā)生的溫度和時間，使凝華現象明顯產生，產生新固體的大小、數量適中，方便觀察，利用數顯溫度計直觀方便顯示溫度，變疑難為簡易。物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置操作方便、現象明顯，可視化程度高，可與廠配實驗裝置互補。

物態(tài)變化實驗創(chuàng)新裝置突破了實驗操作復雜、物態(tài)變化過程時間短暫、溫度變化不可視的疑難與不足，可視化物態(tài)變化的內隱變化過程，外顯吸熱、放熱現象，延長物態(tài)變化過程的時間，提升了物態(tài)變化的課堂教學效果，激發(fā)了學生深度學習的興趣，降低了學生學習的架構難度。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012：1.

[2]華東地區(qū)初中物理教材編寫組.義務教育教科書物理八年級上冊[M].廣州：廣東教育出版社，上海：上?？茖W技術出版社，2012：91-92.

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）