試誤理論下初中物理“升華和凝華”的實(shí)驗(yàn)探索

試誤理論源于桑代克的聯(lián)結(jié)理論，桑代克認(rèn)為學(xué)習(xí)的過(guò)程是一種漸進(jìn)地嘗試錯(cuò)誤的過(guò)程。該理論強(qiáng)調(diào)在“做中學(xué)”，即讓學(xué)生通過(guò)主動(dòng)嘗試，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、糾正錯(cuò)誤，進(jìn)而得出結(jié)論，提高處理和解決問(wèn)題的能力，使他們獲得的知識(shí)保存得更長(zhǎng)久、更深刻。本文基于試誤理論探索初中物理“升華和凝華”的實(shí)驗(yàn)，探討如何引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)探究方法，使他們經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程后形成求真務(wù)實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度。

一、問(wèn)題的提出

“升華和凝華”這節(jié)課要求學(xué)生探究物態(tài)變化，了解物態(tài)變化中的吸熱和放熱現(xiàn)象，并運(yùn)用物態(tài)變化知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。人教版初中物理八年級(jí)上冊(cè)第三章第4節(jié)“升華和凝華”的“想想做做”板塊提出“在試管中放少量碘，塞緊塞子后放入熱水中。當(dāng)固態(tài)的碘變?yōu)樽仙牡庹魵獠⒊錆M試管后，將試管從熱水中拿出，再放入涼水中，碘蒸氣又會(huì)變?yōu)楣虘B(tài)的碘?！边@一實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)雖然能夠展示升華和凝華現(xiàn)象，但存在以下問(wèn)題。

一是實(shí)驗(yàn)直觀性弱。由于試管尺寸小，只有部分碘單質(zhì)升華成淡紫色碘蒸氣，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。尤其是在碘蒸汽凝華成碘晶體時(shí)，只有前排學(xué)生能觀察到附著在試管壁內(nèi)的碘晶體，達(dá)不到鍛煉全體學(xué)生觀察能力的目的。

二是課堂氛圍低沉，不能引起學(xué)生共鳴。升華及凝華現(xiàn)象悄然發(fā)生，學(xué)生不能直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參與度不夠，導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到預(yù)期的課堂效果。

三是不符合“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的理念。碘單質(zhì)不易獲得，遠(yuǎn)離學(xué)生的實(shí)際生活，與《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》）指出的“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的理念不符，不利于學(xué)生將所學(xué)知識(shí)和實(shí)際生活聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)而解決實(shí)際問(wèn)題。

二、教材實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

在實(shí)際教學(xué)中，為克服教材“想想做做”板塊實(shí)驗(yàn)的弊端，筆者采取了以下措施。

（一）實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)

為解決實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯和直觀性弱的問(wèn)題，筆者首先采取了直接加熱法，將裝有碘單質(zhì)的錐形瓶固定在放有石棉網(wǎng)的鐵架臺(tái)上，點(diǎn)燃酒精燈進(jìn)行加熱。接著，學(xué)生觀察到錐形瓶中有淡紫色氣體產(chǎn)生，隨著持續(xù)加熱，顏色逐漸加深，直至變成紫黑色。最后，筆者熄滅酒精燈，將錐形燒瓶冷卻至室溫，學(xué)生觀察到紫色氣體逐漸消失，錐形瓶?jī)?nèi)壁有紫黑色晶體附著。由于酒精燈外焰溫度約為400℃～500℃，碘的熔點(diǎn)為113.5℃，沸點(diǎn)為184.3℃，因此在加熱過(guò)程中，如果加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)造成碘單質(zhì)熔化甚至沸騰的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為碘蒸汽是由碘單質(zhì)熔化成液態(tài)碘，再由液態(tài)碘汽化成碘蒸汽，造成學(xué)生認(rèn)知錯(cuò)誤。

為了避免在直接加熱過(guò)程中出現(xiàn)碘熔化或沸騰的現(xiàn)象，筆者采用了水浴加熱法代替直接加熱法。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)為100℃，低于碘單質(zhì)的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。因此，在演示實(shí)驗(yàn)中，可以呈現(xiàn)出明顯的碘的升華和凝華現(xiàn)象，而不會(huì)出現(xiàn)碘單質(zhì)熔化或沸騰現(xiàn)象。

（二）實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

在實(shí)際教學(xué)中，為了避免實(shí)驗(yàn)裝置氣密性差，造成有毒碘蒸汽泄漏，危害學(xué)生身體健康的問(wèn)題，筆者從實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性出發(fā)，對(duì)密封的碘錘進(jìn)行直接加熱。這種方式雖然可以避免有毒的碘蒸汽泄漏，但由于碘錘體積小、儲(chǔ)存的碘單質(zhì)有限，實(shí)驗(yàn)直觀性弱，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。

筆者采取多種方法改進(jìn)了碘的升華和凝華的實(shí)驗(yàn)，但碘的升華和凝華演示實(shí)驗(yàn)不符合明顯直觀、實(shí)驗(yàn)安全可靠的要求，不符合《新課標(biāo)》倡導(dǎo)的探究式教學(xué)法。因此，在教學(xué)中，筆者基于試誤理論，對(duì)升華和凝華的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

三、試誤理論下關(guān)于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思考

（一）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)要求

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生犯錯(cuò)在所難免，完全規(guī)避錯(cuò)誤是不現(xiàn)實(shí)的，因此教師要善于利用試誤理論。試誤是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的必經(jīng)之路，能幫助學(xué)生得到自我滿足，達(dá)到“做中學(xué)”的目的。根據(jù)《新課標(biāo)》和實(shí)際教學(xué)的需要，筆者對(duì)升華和凝華的實(shí)驗(yàn)展開(kāi)以下思考。

一是讓學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)探究的艱辛。教師可以讓學(xué)生自主參與實(shí)驗(yàn)，用以代替演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)自主觀察物態(tài)之間的變化，能夠培養(yǎng)迎難而上、主動(dòng)探索的精神。

二是確保實(shí)驗(yàn)安全，遠(yuǎn)離有毒物品。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生用安全可靠的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生避免接觸有毒物品，以確保他們的身體健康。

三是貼近生活，激發(fā)探究欲望。教師應(yīng)利用貼近學(xué)生實(shí)際生活的材料開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，以現(xiàn)實(shí)生活為基點(diǎn)，進(jìn)行物理知識(shí)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，使他們樂(lè)于探索。

四是積極試誤，培養(yǎng)批判性思維。學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷嘗試的過(guò)程，教師要引導(dǎo)學(xué)生糾正錯(cuò)誤，而不是規(guī)避錯(cuò)誤。在教學(xué)中，教師要善于設(shè)置陷阱，再及時(shí)點(diǎn)撥學(xué)生，促使學(xué)生自主思考，培養(yǎng)其批判性思維。

（二）更換實(shí)驗(yàn)材料

為了讓學(xué)生體驗(yàn)探究過(guò)程、掌握探究方法、培養(yǎng)探究能力，筆者聯(lián)想到用生活中的樟腦丸代替碘進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這既能避免學(xué)生接觸有毒物品，保護(hù)他們的身體健康，又貼近實(shí)際生活，增強(qiáng)物理與生活的聯(lián)系。

（三）實(shí)驗(yàn)探究

1.試誤一：重現(xiàn)樟腦丸的消失。首先，筆者引導(dǎo)學(xué)生制訂計(jì)劃，鼓勵(lì)他們采取直接加熱法，將樟腦丸研磨成粉放入錐形瓶，并將橡膠塞塞住瓶口，再將錐形瓶固定在放有石棉網(wǎng)的鐵架臺(tái)上，點(diǎn)燃放置在將石棉網(wǎng)下方的酒精燈，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在用酒精燈加熱錐形瓶時(shí)觀察到樟腦丸粉末逐漸消失，最終熔化成無(wú)色液體。在繼續(xù)加熱后，無(wú)色液體開(kāi)始沸騰。熄滅酒精燈并將錐形瓶冷卻至室溫后，大量白色晶體附著在錐形瓶?jī)?nèi)壁。學(xué)生由此得出結(jié)論：凝華的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但在加熱的過(guò)程中卻出現(xiàn)了樟腦丸熔化和沸騰的現(xiàn)象，與假設(shè)不符。

筆者引導(dǎo)學(xué)生思考“樟腦丸為什么會(huì)出現(xiàn)熔化和沸騰的現(xiàn)象”這一問(wèn)題。經(jīng)初步查證，學(xué)生發(fā)現(xiàn)樟腦丸之所以熔化是里面的萘在起作用，萘的熔點(diǎn)為80.5℃，沸點(diǎn)為217.9℃，凝固點(diǎn)為80.5℃。于是，他們對(duì)樟腦丸熔化和沸騰進(jìn)行了如下猜想：一是酒精燈外焰溫度過(guò)高，高于萘的熔點(diǎn)及沸點(diǎn)；二是樟腦丸中的其他物質(zhì)導(dǎo)致熔化和沸騰現(xiàn)象。對(duì)于第一種猜想，學(xué)生決定用水浴加熱法代替直接加熱法，并用溫度計(jì)監(jiān)測(cè)水溫，將水浴溫度控制在80.5℃以下。如果猜想正確，他們就可以在實(shí)驗(yàn)中觀察到樟腦丸在加熱過(guò)程中逐漸消失，并未出現(xiàn)熔化或沸騰現(xiàn)象。對(duì)于第二種猜想，學(xué)生決定提純樟腦丸中的萘，并將提純后的萘再次加熱。如果猜想正確，他們就可以在實(shí)驗(yàn)中觀察到樟腦丸逐漸消失，在此過(guò)程中并未出現(xiàn)熔化或沸騰現(xiàn)象。

基于以上解決方案，學(xué)生開(kāi)始了實(shí)驗(yàn)。針對(duì)猜想一，他們先將研磨成粉的樟腦丸放置在錐形瓶中并用橡膠塞封住瓶口，采用水浴加熱法，用溫度計(jì)監(jiān)測(cè)水溫，控制水浴溫度在80.5℃以下，發(fā)現(xiàn)樟腦丸在消失過(guò)程中并未出現(xiàn)熔化和沸騰的現(xiàn)象。當(dāng)酒精燈熄滅，錐形瓶冷卻至室溫后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有大量白色晶體附著在錐形瓶?jī)?nèi)壁。然后，針對(duì)猜想二，他們將研磨成粉末的樟腦丸放置在錐形瓶中并用橡膠塞封住瓶口，在加熱后將附著在錐形瓶?jī)?nèi)壁上的白色晶體用刷子刷下來(lái)，對(duì)得到的白色晶體再次進(jìn)行加熱，重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)提純的萘依舊出現(xiàn)熔化和沸騰的現(xiàn)象?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)，學(xué)生得出第一種猜想是正確的，樟腦丸在直接加熱過(guò)程中出現(xiàn)熔化和沸騰現(xiàn)象是因?yàn)榧訜釡囟雀哂谳恋娜埸c(diǎn)和沸點(diǎn)，致使萘熔化甚至沸騰。

2.試誤二：區(qū)分真假樟腦丸。樟腦丸分為天然樟腦丸與化學(xué)合成樟腦丸，天然樟腦丸是從樟科植物樟樹(shù)的根、干、枝、葉中提煉而來(lái)；化學(xué)合成樟腦丸即“假樟腦”，主要成分是萘或?qū)Χ缺?，從石油、煤焦油中提煉而?lái)。天然樟腦丸與化學(xué)合成樟腦丸對(duì)比如下（表1）。

我國(guó)將對(duì)二氯苯列入第六類有毒物，明確規(guī)定用于防蟲(chóng)的產(chǎn)品嚴(yán)禁添加對(duì)二氯苯，而萘則在世界衛(wèi)生組織的2B類致癌物清單中。基于安全考慮，筆者引導(dǎo)學(xué)生辨別實(shí)驗(yàn)中的樟腦丸屬于哪一種樟腦丸。學(xué)生將用于實(shí)驗(yàn)的樟腦丸投入水中，發(fā)現(xiàn)它們沉入水中，且在水浴加熱過(guò)程中發(fā)生熔化的溫度大約在80℃，由此判斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的樟腦丸是含萘的化學(xué)合成樟腦丸。

3.試誤三：“天然樟腦丸的升華和凝華”實(shí)驗(yàn)。雖然含萘的化學(xué)合成樟腦丸可以完成升華和凝華的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，但出于安全考慮，筆者決定讓學(xué)生改用天然樟腦丸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。天然樟腦丸中樟腦的熔點(diǎn)為178℃～179℃，沸點(diǎn)為209℃，為避免直接加熱溫度過(guò)高，造成樟腦丸熔化和沸騰，學(xué)生決定采用水浴加熱法進(jìn)行加熱，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在用水浴加熱法進(jìn)行加熱時(shí)，學(xué)生觀察到樟腦丸粉末逐漸消失，但是持續(xù)加熱，并未出現(xiàn)樟腦丸的熔化和沸騰現(xiàn)象。在熄滅酒精燈后，他們發(fā)現(xiàn)大量白色晶體附著在錐形瓶?jī)?nèi)壁。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，未有刺激性氣味，取而代之的是一股香味。學(xué)生由此得出結(jié)論：天然樟腦丸進(jìn)行水浴加熱法可代替碘完成升華和凝華的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象明顯，安全可靠，操作性強(qiáng)。

4.試誤四：直接加熱法下“真假樟腦丸”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比。對(duì)于“天然樟腦丸與化學(xué)合成樟腦丸在直接加熱法下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否相同”這一問(wèn)題，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)對(duì)比如下（表2）。

（四）啟示

在“碘的升華和凝華”演示實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，獲得升華和凝華的知識(shí)，但過(guò)程較為乏味，學(xué)生的參與度不高。在“樟腦丸的升華和凝華”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、糾正錯(cuò)誤，進(jìn)而掌握知識(shí)。由此可見(jiàn)，“樟腦丸的升華和凝華”實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了學(xué)生的成長(zhǎng)，教師應(yīng)根據(jù)該次實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，組織開(kāi)展更多的實(shí)驗(yàn)。具體而言，教師可以引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)。

一是基于試誤過(guò)程，開(kāi)展探究性實(shí)驗(yàn)。教師不急于呈現(xiàn)知識(shí)，而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析、猜想、假設(shè)和驗(yàn)證，讓學(xué)生親身實(shí)踐，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。二是基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開(kāi)展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。教師可以將知識(shí)和鑒別方法教授給學(xué)生，讓學(xué)生采取相應(yīng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，獲得知識(shí)。

四、試誤理論下實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的意義

首先，筆者突破傳統(tǒng)用碘來(lái)進(jìn)行升華和凝華實(shí)驗(yàn)的局限性，將生活中樟腦丸的升華和凝華現(xiàn)象運(yùn)用到課堂中，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，既對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，又讓學(xué)生經(jīng)歷試誤過(guò)程，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。

其次，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者不拘泥于教材，力爭(zhēng)貼近生活，這符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?！罢聊X丸的升華和凝華”實(shí)驗(yàn)不僅使學(xué)生掌握了升華與凝華的相關(guān)知識(shí)，而且教會(huì)他們鑒別天然樟腦丸與化學(xué)合成樟腦丸，讓學(xué)生能夠在實(shí)際生活中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，提高了學(xué)生適應(yīng)社會(huì)的能力。

最后，《新課標(biāo)》強(qiáng)調(diào)要“注重采用探究式的教學(xué)方法”，課本中碘的實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到教學(xué)目的，但探究性并不突出?！罢聊X丸的升華和凝華”實(shí)驗(yàn)更符合《新課標(biāo)》的這一要求，筆者通過(guò)探究式教學(xué)，促進(jìn)了學(xué)生的全面發(fā)展。

（作者單位：四川省成都市武侯高級(jí)中學(xué)）