教育部發(fā)布的《中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本目錄（2023年版）》涵蓋中小學(xué)16個(gè)學(xué)科的900多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐活動(dòng)。這些實(shí)驗(yàn)活動(dòng)均以現(xiàn)行的課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，以各學(xué)科實(shí)驗(yàn)裝備的配置參數(shù)和教材要求為參照標(biāo)準(zhǔn)，大多指向?qū)W科核心概念的構(gòu)建、重要規(guī)律的認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能與素養(yǎng)的培養(yǎng)。運(yùn)用數(shù)字化傳感器技術(shù)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，是落實(shí)國家數(shù)字化教育教學(xué)政策的具體行動(dòng)，也是踐行新課程理念的重要內(nèi)容。筆者在執(zhí)教滬粵版《義務(wù)教育教科書 物理 八年級(jí) 上冊》第4.4節(jié)“升華和凝華”的過程中，借助溫度傳感器，運(yùn)用控制變量法與轉(zhuǎn)換法思想，巧妙制作帶有橡膠塞、裝滿碘粒的玻璃小瓶，并將其作為參照對象，組裝了用于探究碘升華吸熱、凝華放熱的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置。探究實(shí)踐證明，數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)具有很好的教學(xué)價(jià)值與育人價(jià)值。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在學(xué)生思維能力培養(yǎng)上存在不足

“升華和凝華”一節(jié)的主要內(nèi)容是探尋生活中的升華與凝華現(xiàn)象，其中活動(dòng)1要求學(xué)生探究碘升華。教師利用酒精燈加熱蓋有玻璃片的燒瓶內(nèi)的固態(tài)碘，讓學(xué)生先觀察其升華現(xiàn)象，再冷卻燒瓶，觀察玻璃片上的凝華現(xiàn)象（如圖1）。常規(guī)模式下，教師直接給出升華、凝華概念，接著帶領(lǐng)學(xué)生推出升華吸熱、凝華放熱結(jié)論，最后介紹干冰升華的應(yīng)用——人工降雨。殊不知，這里有一系列問題沒有解決：“如何證明碘在固態(tài)與氣態(tài)之間的直接轉(zhuǎn)變”“升華真的吸熱嗎”“凝華真的放熱嗎”。有教師用保鮮膜包裹的碘顆粒開展對照實(shí)驗(yàn)，“稱取兩份等量的碘顆粒，將其中一份包裹在保鮮膜中后投入左瓶內(nèi)，將另一份直接倒入右瓶內(nèi)”，由于保鮮膜的密閉性不好，受熱后的碘粒仍然可以升華“飛出”膜外，實(shí)驗(yàn)對比效果不佳，可視性差；另外教師從數(shù)顯溫度計(jì)上采集變化的溫度數(shù)據(jù)，導(dǎo)致坐在教室后排的學(xué)生無法讀取數(shù)據(jù)^[1]。筆者發(fā)現(xiàn)目前已有關(guān)于升華吸熱特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)探究，但還沒有關(guān)于凝華放熱現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。八年級(jí)學(xué)生對“熱傳遞過程總是伴隨著吸、放熱”并未建立明確的觀念，對于“用實(shí)驗(yàn)證明升華確實(shí)吸熱”這樣的思維和實(shí)踐要求，難以邁上臺(tái)階。如何幫助學(xué)生順利地跨越思維的陡坡，達(dá)成預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)？筆者試圖借助數(shù)字技術(shù)破解難題。

二、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置開展數(shù)字化探究

（一）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

如何選擇科學(xué)的方法，設(shè)計(jì)有效的實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生既能夠直接觀察碘的升華與凝華這種特有的物態(tài)變化過程，又能夠順利收集有效數(shù)據(jù)，參與分析論證，總結(jié)出升華吸熱與凝華放熱規(guī)律呢？筆者采用溫度傳感器來精確測量被測物體溫度，進(jìn)行創(chuàng)新突破。首先，運(yùn)用控制變量法思想，稱取質(zhì)量相等的碘粒，通過改變碘粒放置空間的開放程度來改變物態(tài)變化的快慢；其次，運(yùn)用轉(zhuǎn)換法將物態(tài)變化過程中的吸放熱特點(diǎn)轉(zhuǎn)化為比較在相同時(shí)間內(nèi)物體溫度升高（或降低）的快慢（或變化量大小）；最后，運(yùn)用觀察法查看整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中是否有第三種物態(tài)變化發(fā)生。

（二）準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料與工具

準(zhǔn)備帶有感溫桿的普通數(shù)字化溫度傳感器兩只（精度±0.１ ℃）、數(shù)據(jù)采集器、帶有數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）軟件的筆記本電腦一臺(tái)、鐵架臺(tái)（帶單臂夾）兩副、帶橡膠塞的燒瓶兩個(gè)、封裝的碘粒試劑一瓶、藥匙一把、口服液玻璃小瓶兩支，以及透明水槽、托盤天平、電水壺、手電鉆（鉆頭直徑3 mm）、熱熔膠槍、計(jì)時(shí)器、桶裝水等。

（三）組裝實(shí)驗(yàn)裝置

1.瓶塞打孔與藥品投放

首先在兩橡膠塞上各打直徑約為3 mm的小孔，接著用質(zhì)量相等的碘粒分別裝滿兩支口服液小瓶（以能蓋上瓶塞為宜），將其中一支帶蓋（起密封作用）的玻璃小瓶輕放進(jìn)一燒瓶（以下簡稱“密閉碘粒燒瓶”）內(nèi)，然后將第二支玻璃小瓶中的碘粒全部倒入另一燒瓶（以下簡稱“開放碘粒燒瓶”）中，并將帶蓋的空玻璃小瓶也放入其中。用帶孔的橡膠塞分別塞住燒瓶口，將普通數(shù)字化溫度傳感器的感溫桿分別插入橡膠塞中，調(diào)節(jié)感溫桿頭位置，將其放置于燒瓶口下方相同的深度處備用（如圖2）。

2.搭建鐵架臺(tái)及數(shù)字化平臺(tái)

首先取帶有單臂夾的兩副同型號(hào)的鐵架臺(tái)，并排置于帶有底座的長方形免漆板前，將透明水槽放在鐵架臺(tái)兩底座上，分別旋轉(zhuǎn)單臂夾上蝶形螺絲固定兩燒瓶的頸部，調(diào)節(jié)單臂夾高度，使兩燒瓶懸空于水槽內(nèi)等高處；然后用數(shù)據(jù)線連接溫度傳感器與采集器，用串口線連接采集器與電腦；最后用熱熔膠槍將溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器分別固定在免漆板上，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖3）。

（四）實(shí)驗(yàn)探究過程

1.探究碘升華的特點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)演示步驟

第一步，打開電腦中的DIS軟件，新建工作界面，點(diǎn)擊“顯示”，讀出兩只燒瓶中的初始溫度（實(shí)驗(yàn)室溫度）約11.0 ℃。

第二步，點(diǎn)擊桌面右上角圖標(biāo)，彈出“新建”菜單，依次點(diǎn)擊桌面“自動(dòng)識(shí)別”與“采集參數(shù)”按鈕，設(shè)定采集時(shí)間為10分鐘。

第三步，用電水壺把水燒開，將其緩緩倒入透明水槽中，用水浴法均勻地加熱兩燒瓶。點(diǎn)擊電腦溫度軟件界面上“開始”按鈕，進(jìn)入“實(shí)時(shí)記錄”模式，繼續(xù)加熱兩只燒瓶，直到溫度上升至65 ℃以上，再點(diǎn)擊“停止”按鈕，結(jié)束數(shù)據(jù)采集（如圖4）。

筆者讓學(xué)生使用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，每隔5秒記錄一次兩燒瓶的溫度值，觀察并比較兩燒瓶溫度的變化，收集整理數(shù)據(jù)（見表1），運(yùn)用Excel軟件畫出溫度與加熱時(shí)間（-）圖像（如圖5）。

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

在整個(gè)加熱過程中，兩燒瓶內(nèi)溫度傳感器的示數(shù)一直在增大，說明兩燒瓶均從水槽內(nèi)的熱水中吸熱升溫。學(xué)生發(fā)現(xiàn)開放碘粒燒瓶內(nèi)部開始彌漫著紫紅色的氣態(tài)碘，且燒瓶內(nèi)部顏色逐漸加深，由原來的紫紅色變成深紫色，但始終未見液態(tài)碘。由此可見，碘顆粒直接由固態(tài)變成氣態(tài)，發(fā)生了升華現(xiàn)象，然而放有密閉碘粒的燒瓶內(nèi)物質(zhì)顏色幾乎沒有變化。為什么開放碘粒燒瓶的溫度始終比密閉碘粒燒瓶的溫度升高得要慢一些呢？筆者帶領(lǐng)學(xué)生分析：由于開放碘粒燒瓶內(nèi)的碘粒升華較快，需要吸收一部分熱量，導(dǎo)致其升溫較慢；而密閉碘粒燒瓶中的碘粒被密閉在小瓶內(nèi)，其內(nèi)部幾乎沒有剩余空間，這會(huì)大幅減緩升華現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致小瓶內(nèi)碘粒需要從燒瓶中吸收的熱量大幅減小，使其升溫較快。學(xué)生分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相同時(shí)間內(nèi)，開放碘粒燒瓶的溫度比密閉碘粒燒瓶的溫度升高得要慢一些，故升華必吸熱。

2.探究碘凝華的特點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)演示步驟

第一步，在前述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，向水槽中倒入冷水，使兩燒瓶逐漸降溫。

第二步，學(xué)生繼續(xù)使用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，每隔5秒記錄一次兩燒瓶的溫度值，觀察并比較兩燒瓶溫度的變化，收集整理數(shù)據(jù)（見表2）。

第三步，借助Excel生成溫度與冷卻時(shí)間（-）圖像（如圖6）。

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

添加冷水后，電腦界面上的溫度示數(shù)均在減小，說明兩燒瓶均向水槽中的冷水放熱降溫。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，開放碘粒燒瓶內(nèi)部彌漫著的深紫色氣態(tài)碘逐漸變得“毛茸茸”，并黏附在燒瓶內(nèi)壁，但始終未見液態(tài)碘。由此推定，碘蒸氣直接變成碘粉末，發(fā)生了凝華現(xiàn)象。整個(gè)過程中，為何開放碘粒燒瓶溫度比密閉碘粒燒瓶的溫度降低得也要慢一些呢？這是由于開放碘粒燒瓶內(nèi)的碘粒發(fā)生凝華，放出一部分熱量，導(dǎo)致其降溫較慢；同樣密閉碘粒燒瓶中被小瓶密閉的碘粒本身就是固態(tài)，基本沒有凝華現(xiàn)象發(fā)生，說明碘粒沒有向燒瓶中放出更多的熱量，這也是密閉碘粒燒瓶內(nèi)部降溫較快的原因。

學(xué)生觀察圖6中溫度-時(shí)間（-）圖像并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，論證了碘凝華放熱的觀點(diǎn)的科學(xué)性，還發(fā)現(xiàn)在相同時(shí)間內(nèi)，開放碘粒燒瓶內(nèi)的溫度比密閉碘粒燒瓶的溫度降低得慢一些，這正好佐證了凝華放熱的結(jié)論正確性。

（五）總結(jié)：創(chuàng)新點(diǎn)與結(jié)論

創(chuàng)新點(diǎn)：使用帶蓋的口服液玻璃小瓶中裝滿碘粒（密閉碘粒燒瓶）作為對照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)，在交流合作、分組討論中得出結(jié)論：升華吸熱，凝華放熱。

三、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（一）實(shí)驗(yàn)具有創(chuàng)新性

筆者組裝新的實(shí)驗(yàn)裝置，將數(shù)字化傳感器系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)深度融合。運(yùn)用控制變量法思想，在控制其他因素完全相同的基礎(chǔ)上，用帶蓋的口服液玻璃小瓶裝滿碘粒，可以有效阻止碘粒在加熱過程中出現(xiàn)明顯的升華現(xiàn)象；將實(shí)驗(yàn)器材固定在自制免漆板支架上，具有很強(qiáng)的可視性，刺激學(xué)生感官，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；在實(shí)驗(yàn)過程中使用熱水加熱升溫或冷水吸熱降溫時(shí)，可以運(yùn)用轉(zhuǎn)換法思想，觀察與記錄兩燒瓶內(nèi)溫度傳感器示數(shù)，反映燒瓶內(nèi)碘粒發(fā)生物態(tài)變化時(shí)溫度變化的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，提升了學(xué)生的科學(xué)推理能力。學(xué)生借助技術(shù)手段觀察、思考，提升了科學(xué)探究能力與科學(xué)思維能力。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的創(chuàng)新性，成果獲得科技創(chuàng)新省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。

（二）實(shí)驗(yàn)具有普適性

筆者組裝實(shí)驗(yàn)裝置，其中大部分器材取自生活中常用的材料與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材。整個(gè)裝置成本低廉，制作簡xyUTG87gawHUYDKfg861r9uRKBYleVUWZLM9S0wHYr0=單，操作便捷，既可用于課堂演示又可供學(xué)生實(shí)驗(yàn)（由于碘有毒，一般不允許學(xué)生組裝）。在探究實(shí)驗(yàn)過程中，抽象概念在數(shù)字化情境中被直觀呈現(xiàn)，降低了學(xué)生思維的臺(tái)階。

（三）實(shí)驗(yàn)具有科學(xué)性

朱正元教授指出，教師制作物理演示教具一定要做到“簡單、明了、尺寸夠大”^[2]。筆者制作新裝置，利用多媒體展示溫度傳感器的示數(shù)，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)可視化的優(yōu)點(diǎn)，凸顯“高見度、強(qiáng)視覺”的感官?zèng)_擊力，同時(shí)收集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量分析，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法提供直接證據(jù)來實(shí)施論證的桎梏。運(yùn)用控制變量法、轉(zhuǎn)換法與觀察法有效訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維能力。設(shè)計(jì)制作科學(xué)合理的新教具，使實(shí)驗(yàn)變得快捷、可靠，為學(xué)生順利得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論提供了技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)效。

注：本文系安徽省基礎(chǔ)教育教學(xué)成果培育項(xiàng)目“信息化賦能創(chuàng)造教育20年研究與實(shí)踐”（編號(hào)：CG49）、廬江縣教育規(guī)劃課題“‘雙減’背景下農(nóng)村初中科技創(chuàng)新教育實(shí)踐策略研究”（編號(hào)：LJG202301）的階段性研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡麗.碘錘實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)與反思[J].教育研究與評(píng)論（中學(xué)教育教學(xué)），2020（6）：88-90.

[2] 李先全.深度挖掘演示實(shí)驗(yàn)資源 精準(zhǔn)整合科學(xué)探究策略：以“物體的內(nèi)能”演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例[J].物理教學(xué)探討，2022（4）： 14-16.

（作者系安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)高級(jí)教師）

責(zé)任編輯：祝元志