基于情境體驗的初中物理“溫度與物態(tài)變化” 單元教學設計

一、單元教學設計背景

“溫度與物態(tài)變化”是初中物理熱學部分的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)教學往往側重于知識的灌輸，學生被動接受，缺乏主動探究的熱情和深入理解的興趣。為了改變這一現(xiàn)狀，本單元教學設計引入“自制冰淇淋”的情境，讓學生在親身體驗中學習物理知識，提升實踐能力和科學思維。

二、教學目標

1.理解溫度的概念，學會使用溫度計測量溫度；掌握常見物質的三種物態(tài)及其相互轉化的條件和規(guī)律；了解物態(tài)變化在生活中的應用。

2.通過自制冰淇淋的過程，培養(yǎng)觀察能力、實驗操作能力和數(shù)據(jù)分析能力；運用控制變量法探究物態(tài)變化的影響因素，提高科學探究能力。

3.通過物理實驗，培養(yǎng)合作精神和創(chuàng)新意識；體會物理知識與生活的緊密聯(lián)系，增強將物理知識應用于生活實踐的意識。

三、教學重難點

1.教學重點

溫度的測量和物態(tài)變化的規(guī)律；晶體和非晶體熔化、凝固過程的特點；影響蒸發(fā)快慢的因素。

2.教學難點

理解物態(tài)變化過程中的能量變化；用分子動理論解釋物態(tài)變化現(xiàn)象。

四、教學方法

情境教學法、實驗探究法、小組合作學習法、講授法。

五、教學過程

1.情境導入

在教學伊始，教師通過多媒體平臺展示各類精美絕倫、色彩斑斕且造型誘人的冰淇淋圖片，同時播放一系列制作冰淇淋的視頻片段。緊接著，教師順勢提出問題：“我們能否憑借自身的力量制作出美味可口的冰淇淋呢？而在這一制作過程中，又會與哪些深奧的物理知識產(chǎn)生緊密的關聯(lián)呢？”引出本單元主題——“溫度與物態(tài)變化”。

教師繼續(xù)深入講解自制冰淇淋背后蘊含的基本物理原理。從理論層面來看，這一過程主要是巧妙地利用了物質的熔化和凝固特性。物質在特定的溫度條件下，會在液態(tài)與固態(tài)這兩種狀態(tài)之間發(fā)生有序的轉變。精準地控制溫度這一關鍵物理量，就能夠實現(xiàn)對物質狀態(tài)變化的有效掌控，從而使冰淇淋制作過程中的各種混合物在液態(tài)與固態(tài)之間自如切換。

隨后，教師為每個小組發(fā)放一套簡單卻頗具代表性的材料，包括新鮮的牛奶、潔白的糖、晶瑩的鹽、冰塊以及密封性能良好的密封袋等。學生以小組為單位，親自動手嘗試初步制作冰淇淋，感受溫度變化對物質狀態(tài)所產(chǎn)生的深刻影響。他們能夠目睹冰塊在周圍環(huán)境溫度的作用下，逐漸從固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)，也就是發(fā)生熔化現(xiàn)象。與此同時，牛奶與其他成分混合而成的混合物則在溫度變化的驅動下，慢慢從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)，即發(fā)生凝固現(xiàn)象。這一系列直觀的現(xiàn)象，為學生后續(xù)深入探究溫度與物態(tài)變化的理論知識奠定了堅實的感性基礎。

2.溫度與溫度計

教師從理論層面深入講解溫度的概念。溫度，從本質上講，是表征物體冷熱程度的一個物理量，它反映了物體內(nèi)部分子熱運動的劇烈程度。在日常生活中，存在著諸多常見的溫度現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都與溫度這一物理量息息相關。例如，人體正常體溫維持在37℃左右，這一特定的溫度對于維持人體正常的生理機能起著至關重要的作用；水在標準大氣壓下的沸點為100℃，當達到這一溫度時，水會從液態(tài)急劇轉變?yōu)闅鈶B(tài)，發(fā)生劇烈的汽化現(xiàn)象；冰的熔點則是0℃，在這一溫度下，冰會從固態(tài)開始轉變?yōu)橐簯B(tài)。教師通過對這些生活中常見溫度現(xiàn)象的介紹，能夠幫助學生更好地理解溫度這一抽象概念在實際生活中的具體體現(xiàn)。

接下來，教師展示一系列不同類型的溫度計，包括在科學實驗中廣泛應用的實驗室溫度計、用于測量人體體溫的體溫計以及日常生活中用于測量環(huán)境溫度的寒暑表等。教師詳細講解這些溫度計的結構、原理、量程和分度值。從結構上看，溫度計通常由玻璃泡、毛細管、刻度標尺等部分組成。其原理主要是基于液體的熱脹冷縮性質，當溫度發(fā)生變化時，溫度計內(nèi)部的液體體積會相應地膨脹或收縮，從而在毛細管中上升或下降，通過刻度標尺就可以讀出對應的溫度值。不同類型的溫度計由于其應用場景的差異，具有不同的量程和分度值。例如，實驗室溫度計的量程通常較寬，能夠測量較大范圍的溫度變化，其分度值相對較小，能夠較為精確地測量溫度。體溫計的量程則一般在35℃至42℃之間，主要是為了適應人體體溫的測量范圍，其分度值通常為0.1℃，以便更精準地測量人體體溫的微小變化；寒暑表的量程則主要覆蓋日常生活中的常見環(huán)境溫度范圍，分度值相對較大，能夠滿足日常環(huán)境溫度測量的需求。

在學生對溫度計的理論知識有了初步了解之后，教師組織學生進行溫度計的使用實驗。學生使用溫度計分別測量教室、熱水、冷水等不同環(huán)境或物體的溫度，并認真記錄測量數(shù)據(jù)。在實驗過程中，教師巡視指導，及時發(fā)現(xiàn)并糾正學生的錯誤操作。例如，部分學生可能在使用溫度計測量液體溫度時，沒有將溫度計的玻璃泡完全浸沒在液體中，導致測量結果不準確；或者在讀取溫度計示數(shù)時，視線沒有與溫度計內(nèi)的液柱上表面相平，從而產(chǎn)生讀數(shù)誤差等。教師針對這些常見的錯誤操作進行耐心細致的糾正，并再次強調(diào)正確操作的要點，確保學生能夠熟練掌握溫度計的使用方法。

在學生完成實驗測量后，教師隨即組織開展小組討論，主題聚焦于溫度計使用過程中的關鍵注意事項以及提升溫度測量準確性的有效方法。討論期間，學生踴躍發(fā)言，各抒己見，從多種維度全面總結溫度計的正確使用要點。在測量液體溫度時，需保證溫度計的玻璃泡完整地浸沒于被測液體之中，同時避免與容器壁和底部發(fā)生接觸，以此確保測量結果能精準反映液體的真實溫度；讀取示數(shù)階段，要求觀測者的視線務必與溫度計內(nèi)液柱的上表面保持齊平，防止因視角偏差而導致讀數(shù)失準；在實施測量前，必須預先仔細觀察溫度計的量程與分度值，以便挑選出適配的測量工具。針對如何增強溫度測量的精確性，學生提出了一系列頗具建設性的見解，其中涵蓋進行多次測量并取其平均值以降低偶然誤差的影響，以及在測量進程中竭力減少熱量的無端散失等切實可行的舉措。借助此次小組討論，學生對溫度計的使用方法不僅有了更深刻的領悟，其合作交流能力與科學探究精神亦得到了充分的培育與提升，為今后的科學學習與實踐活動筑牢了堅實的基礎。

3.物態(tài)變化的探究

（1）熔化與凝固

教師以自制冰淇淋的過程為切入點，提出問題：“在自制冰淇淋時，冰的熔化和牛奶混合物的凝固有什么特點呢？”引導學生深入開展探究實驗。

學生以小組形式分別針對晶體（如冰）與非晶體（如石蠟）開展熔化實驗。實驗進行時，學生運用溫度計精準測定物質于加熱期間的溫度變動狀況，同時嚴謹?shù)赜涗浵鄳臅r間與溫度數(shù)據(jù)，并依據(jù)所獲數(shù)據(jù)繪制熔化曲線。從理論層面剖析，晶體內(nèi)部的原子、分子或者離子于空間呈現(xiàn)出規(guī)律性的周期性排列形式，這種規(guī)整的結構致使晶體在熔化進程中遵循特定的規(guī)律。對晶體予以加熱時，晶體自外界汲取熱量，溫度逐步上升，待達到晶體的熔點之際，晶體便開啟熔化程序，此過程中即便持續(xù)吸收熱量，溫度卻維持恒定，直至晶體徹底熔化完成，溫度才會再度升高。其緣由在于熔點狀態(tài)下，晶體所吸收的熱量被用于瓦解其內(nèi)部的晶格構造，促使固態(tài)向液態(tài)發(fā)生轉變，而非用于提升溫度。與之相對，非晶體內(nèi)部的微粒排列呈無序狀態(tài)，在加熱進程中，非晶體從固態(tài)演變?yōu)橐簯B(tài)屬于漸進式過渡，不存在特定的熔點，伴隨熱量的吸收，溫度持續(xù)攀升。

學生借助對實驗數(shù)據(jù)的深度剖析，細致比對晶體與非晶體在熔化過程中的異同之處。他們歸納得出晶體熔化的必備條件為達到熔點并且持續(xù)吸熱，其特性表現(xiàn)為具備固定熔點且在吸熱時溫度保持穩(wěn)定；非晶體熔化的特性則是缺乏固定熔點，吸熱期間溫度持續(xù)上升。按照相同的思路，學生繼續(xù)開展晶體和非晶體的凝固實驗，進一步深入探究凝固過程的規(guī)律特性。在凝固過程中，晶體的凝固點與熔點數(shù)值相同，當溫度降低至凝固點時，晶體開始凝固，釋放熱量但溫度維持不變，直至完全凝固之后溫度才會繼續(xù)下降；非晶體在凝固時同樣不存在固定的凝固點，伴隨溫度的降低逐步從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)，且在釋放熱量的過程中溫度持續(xù)降低。經(jīng)由這一連串的實驗探究活動，學生從理論與實踐兩個維度深入領悟了熔化和凝固這兩種物態(tài)變化的特征與規(guī)律。

（2）汽化與液化

教師展示生活中的汽化現(xiàn)象，如濕衣服在陽光下逐漸晾干，水在加熱時沸騰產(chǎn)生大量水蒸氣等，提出問題：“汽化有哪些方式？影響汽化快慢的因素有哪些？”這些生活中的常見現(xiàn)象為學生提供了豐富的感性素材，引導他們深入思考汽化這一物理過程背后的理論機制。

學生分組進行探究實驗，深入探究影響蒸發(fā)快慢的因素，包括液體溫度、液體表面積、液體表面上方空氣流速等。從理論上講，液體溫度越高，分子熱運動越劇烈，具有足夠動能脫離液體表面進入氣相的分子就越多，蒸發(fā)就越快；液體表面積越大，處于液體表面的分子數(shù)量就越多，能夠蒸發(fā)的分子也就越多，蒸發(fā)速度也就越快；液體表面上方空氣流速越大，從液體表面逸出的分子就越容易被帶走，使得液體表面附近的蒸汽壓降低，從而促進液體的蒸發(fā)。學生通過設計對比實驗，分別改變液體溫度、表面積和空氣流速等因素，觀察并記錄實驗現(xiàn)象，從而得出影響蒸發(fā)快慢的結論。

同時，學生還觀察水的沸騰現(xiàn)象，記錄水沸騰時的溫度變化，并繪制沸騰曲線。水的沸騰是一種劇烈的汽化現(xiàn)象，從理論上分析，當液體內(nèi)部和表面同時發(fā)生汽化時就會出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。水在沸騰過程中，達到沸點后繼續(xù)吸熱，但溫度保持不變。這是因為在沸點時，水內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡，氣泡上升過程中不斷膨脹，破裂釋放出大量水蒸氣，此時水吸收的熱量用于使液態(tài)水轉變?yōu)闅鈶B(tài)水蒸氣，而不是用于升高溫度。教師講解液化的概念和方法，如降低溫度、壓縮體積等。從理論層面來看，降低溫度可以使氣體分子的熱運動減緩，分子間的距離減小，從而使氣體液化；壓縮體積則是通過增大氣體的壓強，使氣體分子間的距離減小，進而實現(xiàn)液化。教師通過實驗演示，如將水蒸氣通入冷的容器中觀察液化現(xiàn)象，讓學生直觀地理解液化過程。通過這些實驗探究和理論講解，學生全面深入地理解了汽化和液化這兩種物態(tài)變化的原理、條件和特點。

4.升華與凝華

教師展示生活中的升華和凝華現(xiàn)象，如碘在加熱時直接從固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，霜在寒冷的冬夜直接在物體表面由氣態(tài)水蒸氣形成固態(tài)冰晶等，引導學生從理論層面分析這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和條件。

進行碘升華實驗，在實驗過程中，學生觀察碘在加熱時，固態(tài)碘直接跳過液態(tài)階段變?yōu)闅鈶B(tài)碘，這一過程中沒有出現(xiàn)液態(tài)碘的中間態(tài)。從理論上講，升華是物質從固態(tài)直接轉變?yōu)闅鈶B(tài)的過程，這一過程需要吸收熱量，并且物質在固態(tài)時具有較高的蒸氣壓，在外界條件滿足時，就能夠直接從固態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)。當氣態(tài)碘冷卻時，又會直接從氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，這就是凝華現(xiàn)象。凝華是升華的逆過程，需要放出熱量，氣態(tài)物質在特定條件下，分子間距離減小，直接形成固態(tài)物質。通過碘升華實驗，學生能夠更加直觀地感受升華和凝華這兩種物態(tài)變化的獨特性，加深對其理論知識的理解。

5.物態(tài)變化在生活中的應用

教師組織學生分組討論物態(tài)變化在生活中的廣泛應用的，如冰箱制冷原理是利用制冷劑的汽化和液化。從理論角度分析，冰箱中的制冷劑在蒸發(fā)器中汽化時吸收熱量，使冰箱內(nèi)部溫度降低，氣態(tài)制冷劑被壓縮機壓縮后，在冷凝器中液化放出熱量，從而實現(xiàn)熱量從冰箱內(nèi)部向外部的轉移，達到制冷的目的；人工降雨則是利用干冰的升華，干冰升華時從周圍環(huán)境中吸收大量熱量，使空氣中的水蒸氣迅速降溫凝結成水滴或冰晶，當水滴或冰晶足夠大時就會降落形成降雨；冬天窗戶上的冰花是室內(nèi)水蒸氣遇冷直接凝華形成的固態(tài)冰晶。

每個小組選擇一個應用實例進行詳細分析，小組成員共同協(xié)作，制作展示海報。在制作海報的過程中，學生深入挖掘應用實例背后的物態(tài)變化原理、過程和作用，運用文字、圖表、圖片等多種形式將其呈現(xiàn)出來。然后在課堂上進行展示和講解，其他小組可以進行提問和評價。通過這一過程，學生不僅加深了對物態(tài)變化在生活中應用的理解，還提高了團隊協(xié)作能力、表達能力和批判性思維能力。

教師總結物態(tài)變化在生活中的廣泛應用，強調(diào)物理知識對改善生活和推動科技發(fā)展的重要性。從宏觀層面來看，物態(tài)變化的知識在眾多領域都有著不可或缺的作用，如在能源領域，利用物質的物態(tài)變化可以實現(xiàn)能量的儲存和轉換；在材料科學領域，通過控制物質的物態(tài)變化可以制備具有特殊性能的材料；在氣象學領域，研究物態(tài)變化有助于更好地理解天氣變化規(guī)律等。

6.單元復習與總結

教師引導學生回顧本單元所學的知識，包括溫度的概念、溫度計的使用、物態(tài)變化的六種形式（熔化、凝固、汽化、液化、升華、凝華）及其規(guī)律、物態(tài)變化過程中的能量變化等。從理論體系的角度出發(fā)，溫度作為一個基本物理量，是理解物態(tài)變化的基礎，溫度計則是測量溫度的工具，通過對溫度計的正確使用，能夠準確地獲取物質在物態(tài)變化過程中的溫度信息。物態(tài)變化的六種形式各自具有獨特的條件、特點和規(guī)律，如熔化和凝固與物質的熔點和凝固點相關，汽化和液化與溫度、壓強等因素密切相關，升華和凝華則是物質在固態(tài)和氣態(tài)之間的直接轉變。在物態(tài)變化過程中，伴隨著能量的吸收或釋放，如熔化、汽化、升華過程需要吸收熱量，而凝固、液化、凝華過程則需要放出熱量。

教師組織學生進行知識框架的構建，以思維導圖的形式呈現(xiàn)本單元的知識體系。學生以小組為單位，共同梳理本單元的知識點，將溫度與物態(tài)變化的各個方面知識有機地聯(lián)系起來，形成一個完整的知識網(wǎng)絡。小組之間相互交流和完善，在交流過程中，學生可以從其他小組的思維導圖中獲取新的思路和啟發(fā)，進一步優(yōu)化自己的知識框架。

教師通過典型例題和練習題，對學生的知識掌握情況進行檢測和鞏固。典型例題涵蓋了本單元的重點知識和易錯點，如溫度計讀數(shù)的正誤判斷、物態(tài)變化過程的判斷與分析、物態(tài)變化過程中能量變化的計算等。練習題則根據(jù)不同的知識點和難度層次進行設計，讓學生在練習過程中進一步加深對知識的理解和運用。針對學生在練習過程中存在的問題，教師進行集中講解和輔導，幫助學生解決疑惑，確保學生能夠扎實地掌握本單元的物理知識。

六、教學反思

通過“自制冰淇淋中的物理奧秘”這一情境體驗式的單元教學設計，學生的學習積極性得到了顯著提高。在實驗探究過程中，學生能夠親身體驗物理知識的產(chǎn)生和應用過程，加深了對溫度與物態(tài)變化的理解。然而，在教學過程中也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，如部分學生在實驗操作時不夠熟練，影響了實驗進度和數(shù)據(jù)的準確性；在小組討論中，個別學生參與度不高，存在“搭便車”的現(xiàn)象。在今后的教學中，教師需要加強學生實驗技能的訓練，提前做好小組分工和組織工作，確保每個學生都能積極參與到教學活動中來，進一步提升教學效果。

（作者單位：山東省濟南槐蔭中學）

編輯：曾彥慧