張駿

物質(zhì)的熔化與凝固是平時(shí)生活中較為常見的物態(tài)變化現(xiàn)象，學(xué)生比較熟悉，但沒有深入了解，僅停留在感性認(rèn)知層面。教科書先大致比較冰和石蠟的熔化，試圖利用學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)，初步認(rèn)識(shí)到不同的固體，熔化的特點(diǎn)并非相同。在此基礎(chǔ)上，再以海波和松香為實(shí)驗(yàn)材料，記錄在熔化過程中兩者的溫度變化數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出熔化圖像，反映兩種固體在加熱時(shí)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，總結(jié)出晶體和非晶體熔化的規(guī)律，引出熔點(diǎn)、晶體和非晶體等概念。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題分析

教材中海波熔化的實(shí)驗(yàn)具體操作如下：把裝有海波的試管放在盛水的燒杯里，緩慢加熱，觀察海波狀態(tài)的變化（如圖1）。待溫度上升到40℃開始，每隔0.5分鐘記錄一次溫度，到海波完全熔化后再記錄幾次。該實(shí)驗(yàn)完成后，再將實(shí)驗(yàn)材料改為松香，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。

1、探究的材料選取不理想，實(shí)驗(yàn)操作繁瑣

海波是熱的不良導(dǎo)體，在水浴加熱的過程中，不同部位的海波溫度不一樣。若溫度計(jì)插入的位置不合適，便不能將熔化時(shí)的真實(shí)溫度測(cè)量出來。而且，當(dāng)海波開始熔化時(shí)，由于液態(tài)海波的形成，會(huì)產(chǎn)生了對(duì)流，使得還未熔化的海波迅速熔化，最終得不到晶體熔化時(shí)溫度保持不變的過程。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，溫度計(jì)和海波會(huì)黏在一起并凝固在試管中，若要將溫度計(jì)取出，則須對(duì)其進(jìn)行再次加熱，而且對(duì)海波的回收也要進(jìn)行再次加熱至熔化后倒入回收容器進(jìn)行回收。松香的熔化實(shí)驗(yàn)同樣存在著實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)器材清洗比較困難的情況。

2、實(shí)驗(yàn)的時(shí)間緊張，學(xué)生參與度低，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀察

在教學(xué)參考書中，“熔化與凝固”這一節(jié)課只安排了一個(gè)課時(shí)，為了順利完成教學(xué)任務(wù)，教師在實(shí)際操作過程中，會(huì)將海波、松香熔化的兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行：兩套試驗(yàn)儀器放在講臺(tái)的兩邊，每套儀器都請(qǐng)3個(gè)學(xué)生幫忙，1人報(bào)時(shí)，1人讀溫度計(jì)示數(shù)，1人在黑板上記錄數(shù)據(jù)。其余的同學(xué)在下面聽取匯報(bào)，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制兩個(gè)固體熔化的圖像，從圖像中找出相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，進(jìn)行比較后將其規(guī)律推廣到兩類不同的固體：晶體和非晶體。

從上述教學(xué)過程不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于海波和松香熔化實(shí)驗(yàn)的具體過程，能夠直接參與實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)生是很少的，而且對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，除了兩位讀取溫度數(shù)據(jù)的同學(xué)能夠觀察得到，其余學(xué)生由于位置的關(guān)系均無法觀察。觀察的困難必然導(dǎo)致學(xué)生對(duì)晶體熔點(diǎn)的理解不夠深入和透徹，使得學(xué)生在晶體達(dá)到熔點(diǎn)后能夠處于何種物態(tài)的判斷帶來困難。從培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)層面來看，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察能力也得不到培養(yǎng)和發(fā)展。

二、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)措施

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的以上問題，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了以下改進(jìn)。首先，將實(shí)驗(yàn)材料由海波和松香分別替換成常見的冰塊和石蠟，便于學(xué)生課后進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn);其次，利用DISLab系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，得到物質(zhì)熔化的溫度—時(shí)間圖像，并在實(shí)驗(yàn)過程中利用投屏軟件放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;最后，利用帶顯示器的便攜式溫度傳感器，讓學(xué)生在課外自行探究和驗(yàn)證常見物質(zhì)的熔化特點(diǎn)。具體操作如下：

1、基于DISLab系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)桌面上放置兩個(gè)鐵架臺(tái)，選擇直徑適當(dāng)?shù)脑嚬軆芍В荒芴?xì)，以免實(shí)驗(yàn)過程時(shí)間過短，不利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。將盛水量和裝石蠟量均為約三分之一的兩個(gè)試管分別固定在鐵架臺(tái)上。取兩個(gè)溫度傳感器，固定在試管中，并調(diào)整其位置，使探頭的能夠處在實(shí)驗(yàn)材料的中間位置，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其中，在石蠟中的溫度傳感器探頭固定時(shí)，可在將石蠟加熱熔化的過程中將其固定好，再讓其自然冷卻，這樣可以確保探頭處于最佳測(cè)量位置。將溫度傳感器與DISLab數(shù)據(jù)采集器連接，并把數(shù)據(jù)采集器連上計(jì)算機(jī)，讓測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)通過DISLab系統(tǒng)中的通用軟件進(jìn)行處理。

圖2實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上圖的設(shè)計(jì)連接好實(shí)驗(yàn)裝置，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，將課前準(zhǔn)備的冷凍成塊狀的飽和濃鹽水，從保溫杯中取出放在燒杯中，作為冷卻媒介，將試管中的純凈水冷凍成固體。冷凍完成后，接下來便可以進(jìn)行熔化實(shí)驗(yàn)。為避免熔化的時(shí)間過短，溫度數(shù)據(jù)采集不充分，可準(zhǔn)備兩燒杯，一杯裝溫水，一杯裝開水，將裝有冰和石蠟的兩試管分別放在其中進(jìn)行水浴加熱。

打開DISLab系統(tǒng)，開始熔化實(shí)驗(yàn)，溫度傳感器會(huì)采集冰和石蠟熔化溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)的通用軟件會(huì)將數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理，得到兩者的熔化溫度—時(shí)間曲線圖，如圖所示：

圖3冰塊熔化溫度—時(shí)間曲線圖圖4石蠟熔化溫度—時(shí)間曲線圖

通過以上系統(tǒng)生成的圖像對(duì)比，學(xué)生可以比較明顯地看出兩種物質(zhì)在熔化過程中具有不同的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行分析，尋找出兩種物質(zhì)各自的熔化特點(diǎn)，最終通過分析，總結(jié)出晶體與非晶體熔化的特點(diǎn)。

2、利用投屏軟件，放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在操作實(shí)驗(yàn)的過程中，利用蘋果手機(jī)自帶的屏幕鏡像功能，打開手機(jī)的視屏拍攝功能，結(jié)合電腦端AirPlay程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)投屏功能。使用Airplay技術(shù)將手機(jī)畫面投屏后，只需找個(gè)好角度對(duì)準(zhǔn)學(xué)生需觀察的部分實(shí)驗(yàn)器材即可，這樣全班學(xué)生都能很清楚地通過教室大屏幕觀察固體熔化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖5投屏裝置結(jié)構(gòu)圖

以上投屏裝置的正常使用，需要讓教室電腦和手機(jī)連接的是同一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，如果教室沒有實(shí)現(xiàn)無線覆蓋，可以通過安裝USB隨身wifi，把電腦端的互聯(lián)網(wǎng)連接轉(zhuǎn)換成wifi信號(hào)，然后將手機(jī)再連接該信號(hào)。其中，手機(jī)的類型并不局限于筆者使用的ios操作系統(tǒng)的蘋果手機(jī)，Android操作系統(tǒng)的手機(jī)同樣也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)投屏功能，如在Android操作系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備端和電腦端同時(shí)下載希沃授課助手，點(diǎn)擊里面的對(duì)應(yīng)的功能，便可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)投屏。

3、借助便攜式溫度傳感器，學(xué)生課后進(jìn)行自行探究

通過以上信息技術(shù)協(xié)助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，非常的高效化和智能化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)的缺點(diǎn)，但同時(shí)也淡化了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的參與感。學(xué)生缺少了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的體驗(yàn)體會(huì)過程，無法親自動(dòng)手實(shí)踐去創(chuàng)造、觀察和體會(huì)物理現(xiàn)象，沒有了施展的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，不利于學(xué)生觀察能力和動(dòng)手實(shí)踐能力的提高。

為了彌補(bǔ)這樣的缺憾，筆者在完成該堂課的教學(xué)任務(wù)后，借助便攜式溫度傳感器（如圖6），讓學(xué)生放學(xué)回家后自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證課堂上探究的晶體和非晶體的熔化特點(diǎn)。便攜式溫度傳感器，集成了數(shù)字顯示屏，具有良好的線性和靈敏度，而且體積小，便于使用，打破了傳統(tǒng)溫度測(cè)量的局限性，為實(shí)驗(yàn)的開展提供了寬松的環(huán)境，讓學(xué)生可以更加順利的開展自主探究實(shí)驗(yàn)，能夠在鞏固課堂知識(shí)的同時(shí)，也能夠讓學(xué)生的主體意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)在主動(dòng)探究過程中得以發(fā)揮，提高實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)的質(zhì)量。

三、小結(jié)和反思

日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能為學(xué)生提供知識(shí)本源認(rèn)知的最優(yōu)化情境，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)展示物理現(xiàn)象和過程，不但可以使學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象及過程產(chǎn)生必要的感性認(rèn)識(shí)，還能提高學(xué)生的專注度，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然而在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，偶爾會(huì)存在實(shí)驗(yàn)操作耗時(shí)耗力，現(xiàn)象不易觀察，數(shù)據(jù)處理繁瑣，測(cè)量誤差大，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率低下，這樣不僅會(huì)影響學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象和規(guī)律的深人理解，還會(huì)影響教師的課程設(shè)計(jì)思路和教學(xué)過程。如在完成上述教學(xué)過程后，剩余的課堂教學(xué)時(shí)間已不足以支持再去完成凝固實(shí)驗(yàn)。因此，很多老師就在教學(xué)設(shè)計(jì)的過程中把與凝固相關(guān)的知識(shí)放在次要的位置，也不會(huì)安排與熔化實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的凝固實(shí)驗(yàn)，也就沒有了通過實(shí)際測(cè)量得出的與熔化圖像對(duì)稱的凝固圖像，全憑學(xué)生通過凝固是熔化的逆過程來推理。

本文教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，是現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合的嘗試，通過DISLab系統(tǒng)來協(xié)助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，操作便捷、測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)過程中以投屏軟件放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，便于學(xué)生觀察熔化過程中的物態(tài)變化，最后DISLab系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)還可以“數(shù)形結(jié)合”，以圖象的形式呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，讓學(xué)生能夠?qū)深惒煌奈镔|(zhì)熔化的溫度特性進(jìn)行比較分析，總結(jié)出物質(zhì)的熔化規(guī)律。

當(dāng)然，現(xiàn)代信息技術(shù)的引入，能夠讓課堂實(shí)驗(yàn)高效率、智能化，能夠迅速得出物理規(guī)律，但也淡化了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的過程，缺失了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的操作體驗(yàn)感，這些是在將現(xiàn)代信息技術(shù)與課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合的過程中需要注意的地方，筆者在本節(jié)課后為學(xué)生設(shè)計(jì)的自主探究環(huán)節(jié)，便是為降低其負(fù)面影響所作出的嘗試，供大家參考。

（作者單位：浙江省杭州市杭州英特外國語學(xué)校）