馬利芳

摘 ? 要：針對(duì)初中物理物態(tài)變化課堂教學(xué)中實(shí)驗(yàn)器材陳舊、實(shí)驗(yàn)器材不全、操作不便、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的干擾因素多元、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化不強(qiáng)、教師課堂講實(shí)驗(yàn)、看實(shí)驗(yàn)等教學(xué)現(xiàn)狀，研制、設(shè)計(jì)了一套素材來(lái)源生活化、演示操作便利化、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化、控制調(diào)節(jié)微階化的物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)綜合裝置，助力推進(jìn)課程標(biāo)準(zhǔn)的理念落地，提高物態(tài)變化課堂教學(xué)效果，優(yōu)化初中物理課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞：物態(tài)變化;實(shí)驗(yàn)裝置;創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2022）4-0054-4

“物態(tài)變化”是“物質(zhì)”主題下的四個(gè)內(nèi)容結(jié)構(gòu)之一，屬于“物質(zhì)”存在維度的“物質(zhì)的形態(tài)及其變化”二級(jí)主題下的三級(jí)主題內(nèi)容，其主要包括物質(zhì)三態(tài)及其三態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化及自然界的水循環(huán)。《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》對(duì)“物態(tài)變化”的教學(xué)要求是“經(jīng)歷物態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，了解物態(tài)變化過(guò)程中的吸熱和放熱過(guò)程，用物態(tài)變化的知識(shí)說(shuō)明自然界和生活中的有關(guān)現(xiàn)象?！盵1]課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)用實(shí)驗(yàn)探究的方法學(xué)習(xí)物態(tài)變化，而且還要求知道相應(yīng)的物態(tài)變化過(guò)程。

“物態(tài)變化”與自然現(xiàn)象和日常生活聯(lián)系緊密，但初中生由于日常生活經(jīng)驗(yàn)尚淺，液化、凝華等現(xiàn)象是他們生活中的盲點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

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(huì)”的課程理念對(duì)“液化”現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)如圖1所示[2]。南方地區(qū)的一些教師因?yàn)榻滩某尸F(xiàn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果欠理想、實(shí)驗(yàn)操作欠方便等原因而放棄實(shí)驗(yàn)，常常用動(dòng)畫(huà)、視頻代替實(shí)驗(yàn)來(lái)組織教學(xué)，學(xué)生缺少了物態(tài)變化過(guò)程的直接感受和思維自主內(nèi)化，大大降低了課堂教學(xué)效果，降低了物理課程的育人價(jià)值。為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)液化、凝華現(xiàn)象的直觀認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生增加“物態(tài)變化”相關(guān)的生活經(jīng)驗(yàn)，突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)和生活經(jīng)驗(yàn)盲點(diǎn)，以初中物理滬粵版八年級(jí)上冊(cè)物態(tài)變化“液化”實(shí)驗(yàn)觀察（圖1）為原型，進(jìn)行物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了一套實(shí)驗(yàn)素材來(lái)源生活化、演示操作便利化、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化、控制調(diào)節(jié)微階化的物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)綜合裝置，助力推進(jìn)課程標(biāo)準(zhǔn)的理念真實(shí)落地，助力提高物態(tài)變化課堂教學(xué)效果，化解物態(tài)變化教學(xué)盲點(diǎn)。

1 ? ?教材編制的物態(tài)變化教學(xué)實(shí)驗(yàn)的效果

“物態(tài)變化”是初中物理教學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，比較常見(jiàn)的配套實(shí)驗(yàn)器材有：石棉網(wǎng)、鐵架臺(tái)、燒杯、酒精燈、溫度計(jì)等。面對(duì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步和技術(shù)的更新迭代，學(xué)校器材更換的周期則相對(duì)較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)器材老舊生銹、數(shù)量缺損等現(xiàn)象比較普遍。特別是對(duì)于南方地區(qū)，因南方的氣候特征，干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的因素偏多，導(dǎo)致物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)做起來(lái)較麻煩，實(shí)驗(yàn)效果不佳。所以，初中物理配套的物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)器材在教學(xué)中的局限性日漸突出，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）通常用的鐵架臺(tái)、石棉網(wǎng)、燒杯、酒精燈、溫度計(jì)等儀器組裝比較繁瑣。

（2）實(shí)驗(yàn)室配置的演示溫度計(jì)和學(xué)生溫度計(jì)精確度不高，可視性差，溫度變化小。溫度計(jì)隨時(shí)間變化快，不容易捕捉，來(lái)不及讀數(shù)溫度就變化了。

（3）酒精燈的加熱效率低，調(diào)節(jié)控制難，比較費(fèi)時(shí)。

（4）水的沸點(diǎn)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(shí)間長(zhǎng);水少了，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象又不是很明顯。如果教師不提醒，學(xué)生觀察不到現(xiàn)象的變化，需要長(zhǎng)時(shí)間保持高注意狀態(tài)。氣壓對(duì)該實(shí)驗(yàn)存在一定的影響，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在較大的難度。

2 ? ?源自于生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)的物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的思路

針對(duì)以上現(xiàn)狀，遵循“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課程理念，結(jié)合學(xué)情特點(diǎn)，將生活中的“煮酒”（蒸餾）工藝裝置遷移到課堂教學(xué)中來(lái)，創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的日常生活情境（圖2），讓教學(xué)回歸生活，回歸技術(shù)應(yīng)用，以研討生活中的“煮酒”工藝來(lái)認(rèn)識(shí)液化現(xiàn)象，學(xué)習(xí)“物質(zhì)的形態(tài)及其變化”這一章節(jié)的知識(shí)。

用源于生活中的“煮酒”代替教材中的“燒水”，學(xué)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(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，避免影響課堂時(shí)間分配問(wèn)題，教師動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的意愿更強(qiáng)。

生活中“煮酒”工藝用的煮鍋、接缸不透明，無(wú)法觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，煮酒火爐也不能在課堂中使用。為了實(shí)現(xiàn)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(xiàn)象轉(zhuǎn)化為物理探究問(wèn)題情境，必須進(jìn)行二次加工改造和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，目的就是體現(xiàn)裝置簡(jiǎn)單化、操作方便化、情境真實(shí)化、過(guò)程可視化、印象深刻化。

3.1 ? ?選用實(shí)驗(yàn)器材

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

（2）選用數(shù)顯溫度計(jì)代替實(shí)驗(yàn)室常用的玻璃溫度計(jì)，數(shù)顯溫度計(jì)精確度高，可視度高，方便讀數(shù)，方便操作。

（3）“接缸”選用自制有機(jī)玻璃透明柱體、內(nèi)盤(pán)有玻璃導(dǎo)管的冷卻罐，透明度高，可視性強(qiáng)，現(xiàn)象明顯。冷卻罐蓋上安裝數(shù)顯溫度計(jì)，顯示冷卻罐內(nèi)的溫度變化，可視度高。在冷卻罐中增加透明螺旋導(dǎo)流內(nèi)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(xiàn)象，液化過(guò)程明了、簡(jiǎn)單。

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

經(jīng)過(guò)二次改造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將“煮鍋”部分設(shè)計(jì)為加熱系統(tǒng)，“接缸”部分設(shè)計(jì)為冷卻系統(tǒng)，再用導(dǎo)流管將兩部分裝置組合，既可以進(jìn)行物態(tài)變化單一現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行物態(tài)變化綜合現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的利用率和效率。二次創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置加熱時(shí)間快，可視度高，溫度調(diào)控便利、準(zhǔn)確，精確度高，實(shí)驗(yàn)效果好。有助于學(xué)生觀察物質(zhì)三態(tài)變化的溫度變化，有助于學(xué)生理解液化放熱現(xiàn)象，有助于學(xué)生描繪溫度-時(shí)間坐標(biāo)圖，有助于學(xué)生歸納液體沸騰的特點(diǎn)，使物態(tài)變化問(wèn)題化抽象為形象、化抽象為具體。物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新裝置設(shè)計(jì)如圖 3 所示。

3.2 ? ?構(gòu)建兩個(gè)系統(tǒng)

物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(diào)控制開(kāi)關(guān)（也可以安裝限流控制開(kāi)關(guān)）。其作用是通過(guò)電路中的電流來(lái)控制電加熱器的加熱功率，從而控制電加熱壺內(nèi)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(shù)顯溫度計(jì)和蒸汽導(dǎo)流管。在加熱容器蓋上鉆兩個(gè)小孔，一個(gè)小孔便于安裝數(shù)顯溫度計(jì)，觀察液體溫度，另一個(gè)小孔安裝蒸汽導(dǎo)流管，導(dǎo)管使用銅管。銅管易彎曲，方便安裝，且銅為熱的良導(dǎo)體，溫度升高快，液體不至于在導(dǎo)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(nèi)層彎管上端與導(dǎo)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(jìn)水口，下端為熱水出水口。在上端進(jìn)水口附近開(kāi)一小孔，安裝數(shù)顯溫度計(jì)，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(shí)驗(yàn)創(chuàng)新裝置既可以用于初中物理物態(tài)變化演示實(shí)驗(yàn)，也可以用于初中物理物態(tài)變化學(xué)生實(shí)驗(yàn)，既可以分開(kāi)使用也可以組合使用。分開(kāi)使用時(shí)，其中的加熱系統(tǒng)裝置可用來(lái)探究水的沸騰現(xiàn)象、熔化現(xiàn)象、凝固現(xiàn)象、升華現(xiàn)象。綜合起來(lái)使用時(shí)，可以探究水循環(huán)現(xiàn)象、液化現(xiàn)象、凝華現(xiàn)象。部分內(nèi)容教學(xué)應(yīng)用具體示例如下：

示例一 ?探究水的沸騰現(xiàn)象

在電加熱壺中加入適量熱水或冷水，蓋好蓋子，打開(kāi)控制開(kāi)關(guān)，給電加熱器通電。引導(dǎo)學(xué)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(guò)數(shù)顯溫度計(jì)觀察壺中水溫變化，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)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(xiàn)象。對(duì)比沸騰前后水的溫度隨時(shí)間變化的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪溫度-時(shí)間坐標(biāo)圖;分析水沸騰前后氣泡的變化特征，歸納水沸騰時(shí)的特點(diǎn)。

“探究水的沸騰現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)觀察的重點(diǎn)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(diǎn)是辨不清氣泡的變化，因?yàn)闅馀荽笮∽兓瘯r(shí)間過(guò)短，觀察者反應(yīng)不過(guò)來(lái);其次是溫度計(jì)示數(shù)不穩(wěn)定、不方便讀取。

物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)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(guò)程前后氣泡停留時(shí)間長(zhǎng)，氣泡大小變化的時(shí)間長(zhǎng)，有效規(guī)避了氣泡大小變化時(shí)間太短暫而反應(yīng)不過(guò)來(lái)的問(wèn)題，規(guī)避了溫度計(jì)讀數(shù)不方便的麻煩，規(guī)避了現(xiàn)象可視度不強(qiáng)的弊端，學(xué)生能直接觀察到反映沸騰本質(zhì)屬性的現(xiàn)象，有利于學(xué)生建構(gòu)和理解相關(guān)概念。

示例二 ?探究液化現(xiàn)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(kāi)控制開(kāi)關(guān)，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(lái)。引導(dǎo)學(xué)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(shí)觀察和記錄冷卻罐中數(shù)顯溫度計(jì)的變化即水溫變化，觀察螺旋導(dǎo)流內(nèi)管中的現(xiàn)象變化。

幾秒鐘后，酒糟液體溫度逐漸升高，到達(dá)沸點(diǎn)開(kāi)始沸騰，導(dǎo)流管中的氣體增加，螺旋導(dǎo)流內(nèi)管的氣體開(kāi)始液化，冷卻罐內(nèi)的溫度發(fā)生變化。隨著時(shí)間的增加，冷卻罐中水的溫度迅速升高，數(shù)顯溫度計(jì)示數(shù)變大，螺旋導(dǎo)流內(nèi)管中的液體越來(lái)越多。記錄觀察到的現(xiàn)象和溫度變化，歸納液化概念和放熱規(guī)律。

“探究液化現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)觀察的重點(diǎn)是氣體液化變成液體的過(guò)程及放熱的規(guī)律，難點(diǎn)是氣體變成液體的過(guò)程。

物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新裝置利用導(dǎo)流內(nèi)管的長(zhǎng)度顯示氣體變成液體的過(guò)程，并延長(zhǎng)液化變化的滯留時(shí)間，方便學(xué)生觀察與反應(yīng)，再用數(shù)顯溫度計(jì)直觀反映液化后的溫度變化，有效規(guī)避了內(nèi)隱過(guò)程，克服實(shí)驗(yàn)觀察的難點(diǎn)，成功顯化液化放熱的內(nèi)隱過(guò)程。

物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新裝置設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)過(guò)程，學(xué)生能清晰感知?dú)怏w變成液體的過(guò)程和溫度的變化，即能清晰感知反映液化概念本質(zhì)屬性的現(xiàn)象，能準(zhǔn)確將新思維線索與思維圖式同化或順應(yīng)成自己以后的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知，形成穩(wěn)定新認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)高效實(shí)驗(yàn)建構(gòu)概念。特別是源于生產(chǎn)工藝的裝置，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究動(dòng)機(jī)，更能催生深刻的思維活動(dòng)，有助于學(xué)生深度學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成，有助于提升物理學(xué)科的育人價(jià)值。

示例三 ?探究升華現(xiàn)象

在電加熱壺中加入適量的樟腦丸，蓋好蓋子。閉合控制開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)溫控開(kāi)關(guān)，控制電加熱壺的溫度不過(guò)高，觀察壺內(nèi)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(xiàn)象，歸納相關(guān)概念和規(guī)律。

“探究升華現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)觀察的重點(diǎn)是觀察固態(tài)物體的大小變化和氣體的產(chǎn)生，難點(diǎn)是可視化的固體的升華過(guò)程和時(shí)間長(zhǎng)度控制。

物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新裝置利用限流控制鍵微調(diào)溫度變化，讓體積比較大的樟腦丸幾個(gè)月的長(zhǎng)時(shí)間的升華過(guò)程在課堂上短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，且樟腦丸的大小變化現(xiàn)象明顯，固體直接變成氣體的升華過(guò)程時(shí)間適中。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象成功引起學(xué)生視覺(jué)沖擊，探究思維交鋒，引發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維和深度思維，有效提高課堂教學(xué)效果。

示例四 ?探究凝華現(xiàn)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(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)溫控開(kāi)關(guān)，控制電加熱壺的溫度不過(guò)高，觀察壺內(nèi)樟腦丸的大小變化、導(dǎo)流內(nèi)管的現(xiàn)象和冷卻罐中螺旋導(dǎo)流內(nèi)管中的現(xiàn)象。記錄觀察的現(xiàn)象，歸納凝華概念和放熱規(guī)律。

“探究凝華現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)觀察的重點(diǎn)是觀察新固體的產(chǎn)生和凝華溫度的控制，難點(diǎn)是可視化的凝華溫度的控制和凝華時(shí)間長(zhǎng)度的控制。

物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新裝置利用導(dǎo)流內(nèi)管的長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)及冷卻罐的冷水溫度調(diào)節(jié)便利，控制凝華發(fā)生的溫度和時(shí)間，使凝華現(xiàn)象明顯產(chǎn)生，產(chǎn)生新固體的大小、數(shù)量適中，方便觀察，利用數(shù)顯溫度計(jì)直觀方便顯示溫度，變疑難為簡(jiǎn)易。物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新裝置操作方便、現(xiàn)象明顯，可視化程度高，可與廠配實(shí)驗(yàn)裝置互補(bǔ)。

物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新裝置突破了實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、物態(tài)變化過(guò)程時(shí)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(nèi)隱變化過(guò)程，外顯吸熱、放熱現(xiàn)象，延長(zhǎng)物態(tài)變化過(guò)程的時(shí)間，提升了物態(tài)變化的課堂教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生深度學(xué)習(xí)的興趣，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的架構(gòu)難度。

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（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）