基于探究的初中科学教学设计：“升华与凝华”（七年级上册）

基于探究的初中科学教学设计：“升华与凝华”（七年级上册）一、教学内容分析  本节内容选自浙教版初中科学七年级上册第四章“物质的特性”，是继熔化、凝固、汽化、液化之后，对物态变化体系的最终完善。从《义务教育科学课程标准（2022年版）》看，本课处于“物质的结构与性质”主题下，要求学生“认识常见的物态变化现象，并用分子动理论的初步知识加以解释”，其认知要求从具体现象的“识别”上升到微观机理的“解释”。在单元知识链中，本节既是前几种物态变化的逻辑延续，也是构建完整物态变化认知模型（固态、液态、气态三者间六种相互转变）的关键拼图，起到了承上启下、整合体系的作用。课标蕴含的核心思想方法是“科学探究”与“模型建构”，本节课通过实验观察与推理分析，引导学生从宏观现象推断微观本质，正是将“探究”与“建模”思想落地为具体学习活动的典型载体。其素养价值不仅在于形成完整的物质变化观，更在于锤炼基于证据进行逻辑推理的科学思维，以及体会自然现象与科技、生活的紧密联系（如人工降雨、食品保鲜），培养学以致用的态度。  从学情角度看，七年级学生已具备前四种物态变化的直接经验（如冰融化、水沸腾）和相关知识储备，对“状态变化需吸放热”有初步认知。然而，升华与凝华现象在日常生活中虽存在（如樟脑丸变小、霜的形成），却因其过程相对缓慢或不常被关注，易成为学生的认知盲区。主要思维障碍在于：一是难以直接观察到“固态直接变气态”的瞬时过程，缺乏感性经验支撑；二是容易将凝华形成的“霜”“雾凇”与凝固形成的“冰”混淆。基于此，教学须创设直观、震撼的实验情境（如碘的升华与凝华、干冰实验）弥补直接经验不足。在过程评估中，将通过追问“你认为这个过程中物质跳过了什么状态？”、“霜和冰的形成原理一样吗？”等诊断性问题，动态探查学生的概念理解层次。针对不同层次学生，提供差异化的支持：为理解较快者设计拓展任务（如解释“灯泡变黑”现象）；为存在困难者提供可视化动画支架和具象化的生活类比（如“樟脑丸悄悄‘消失’了”），引导其从熟悉的生活现象切入。二、教学目标  知识目标：学生能准确表述升华与凝华的概念，明确其吸热与放热的特性，并能在六种物态变化的完整框架中准确定位二者；能列举至少三个生活中升华与凝华的真实例子，并能用概念进行初步解释，例如说明樟脑丸变小和霜的形成分别属于何种物态变化。  能力目标：通过对碘锤实验的观察、描述与推理，学生能发展“宏观辨识与微观探析”的能力，即从可见的形态变化推测不可见的分子的运动状态变化；初步学习基于实验现象，运用比较、归纳的方法得出结论的科学探究流程。  情感态度与价值观目标：在探究人工降雨原理等应用实例的讨论中，学生能体会到科学知识对解决实际问题的价值，激发对科学技术的亲近感与求知欲；在小组合作观察与讨论中，养成细致观察、尊重证据、倾听他人意见的科学交流习惯。  科学（学科）思维目标：重点发展学生的模型思维与推理思维。通过构建并完善“物态变化立方体”模型，将零散知识系统化；通过“观察现象提出假设寻找证据”的任务链，训练依据有限现象进行合理逻辑推理的思维能力。  评价与元认知目标：在课堂小结环节，引导学生利用概念图或思维导图对自己的知识结构化程度进行自评；通过“解释冬天窗户上的冰花在哪一面”等应用性问题，促使学生反思自己是否真正理解了概念的应用条件。三、教学重点与难点  教学重点：升华与凝华概念的理解及其在物态变化体系中的定位。确立依据在于，从课程标准看，这是构成“物质的特性”大概念的核心知识节点；从学科逻辑看，完整掌握六种物态变化是分析复杂自然现象（如云雨霜雪形成）的基础能力，在学业评价中常作为综合应用的起点。  教学难点：一是理解升华与凝华过程中物质的中间状态缺失，即“直接变化”；二是辨析凝华（如霜）与凝固（如冰）产物的异同。难点成因在于，该过程抽象，无法直接观察分子运动；且学生易受“水先液化再凝固成霜”等前概念干扰。突破方向在于，利用碘实验提供直观证据，并设计对比性问题链，引导学生进行深度辨析。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含物态变化关系动画、生活实例图片、课堂任务与习题）；板书设计预案（左侧用于构建概念图，右侧用于列举实例与要点）。1.2实验器材：碘升华凝华演示实验装置（碘锤、酒精灯、铁架台、石棉网）23套；干冰少许及相关安全防护用具（厚手套、镊子）；盛有热水的烧杯一个（用于干冰实验）。1.3学习材料：分层学习任务单（含基础观察记录表和拓展推理问题）；当堂巩固练习卷。2.学生准备  复习熔化、凝固、汽化、液化知识；预习课本本节内容，并尝试在生活中寻找一个疑似升华或凝华的例子。3.环境布置  学生分组（46人一组），便于实验观察与讨论；确保演示实验台位于教室中央，各角度可见。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与认知冲突：教师展示一段短视频：舞台上烟雾缭绕的“仙境”效果，或从冰箱刚拿出的冷冻食品包装袋周围冒出“白气”。紧接着，出示两张图片：一是长期放置的樟脑丸越来越小，二是寒冬清晨窗户玻璃上美丽的冰花。“同学们，舞台上的‘仙气’、樟脑丸的‘消失’、窗户上的冰花，这些现象背后，是我们已经学过的熔化、凝固、汽化或液化吗？好像有点对不上号。”2.核心问题提出与路径明晰：“看来，物质的状态变化，还藏着我们没发现的‘秘密通道’。今天，我们就来做一回科学侦探，通过实验去寻找证据，揭开这两种神秘变化——‘升华’和‘凝华’的面纱。我们将先从最直观的实验观察开始，总结特点，下定义，然后再用这个新知识去破解刚才那些生活谜题。”第二、新授环节  本环节采用探究序列任务驱动，引导学生主动建构概念。任务一：初探“消失”与“重现”的碘教师活动：首先进行安全提示：“接下来我们要用酒精灯加热一种叫碘的物质，请大家观察时保持安全距离，认真看碘发生了什么变化。”教师组装并展示碘锤（内装有少量碘颗粒的密闭玻璃管）。先请学生观察常温下碘锤的状态（紫色颗粒）。然后，用酒精灯微微加热碘锤底部有碘颗粒的部位。“大家盯紧碘颗粒和它上方的玻璃壁，看看谁的眼神最犀利，能捕捉到每一个细微变化。”加热片刻后，停止加热，将碘锤静置冷却，继续引导学生观察冷却过程中的变化。学生活动：学生以小组为单位，近距离有序观察实验。他们需要完成学习任务单上的基础记录：1.加热时，碘颗粒（固态）发生了什么变化？（变小/消失）同时，玻璃壁上有何出现？（紫色晶体）2.冷却时，玻璃壁上的物质有何变化？下方原碘颗粒处又有何变化？小组内讨论所见现象，尝试用语言描述这个“固态→…→固态”的奇特过程。即时评价标准：1.观察是否全面、细致（能否同时关注加热部位和远离加热部位的玻璃壁）。2.描述现象是否客观、准确（避免使用“升华了”等未学术语，而是描述“固态碘减少，玻璃壁上出现固体”）。3.小组讨论时，能否倾听并整合不同组员的观察发现。形成知识、思维、方法清单：★现象特征：加热时，固态碘没有经过液态，直接变成了紫色蒸气（此蒸气可见）；蒸气在冷的玻璃壁上直接变成了固态碘晶体。▲实验方法论：研究不易直接观察的过程，可通过设计实验，让其结果（产物）变得可见，从而反推过程。★核心启发：物质在固态和气态之间，可以实现“直接”转化，无需经过液态这个“中转站”。这是我们之前知识体系里的一个空缺。任务二：构建概念——命名与定义教师活动：基于实验现象，教师引导提炼：“谁能用最简洁的语言概括，我们刚才看到物质发生了哪两种‘直接’的变化？”根据学生回答，板书关键词：固态→气态；气态→固态。进而引出科学命名：“科学家们给这两种直接变化起了名字：物质从固态直接变成气态叫‘升华’，从气态直接变成固态叫‘凝华’。”随即追问：“回顾熔化、汽化吸热，凝固、液化放热的规律，谁能推理一下，升华和凝华是吸热还是放热过程？理由是什么？”（引导从加热促升华、降温促凝华反推）。学生活动：学生尝试用自己的话给这两种变化命名。根据实验条件（加热促升华，冷却促凝华）和已有知识规律，推理得出：升华需要吸热，凝华需要放热。并尝试完整表述升华与凝华的定义及其吸放热情况。即时评价标准：1.能否从“直接变化”这一核心特征上理解概念。2.推理吸放热时，逻辑是否清晰，是否建立了与新实验现象及旧知识的联系。形成知识、思维、方法清单：★升华定义：物质从固态直接变为气态的过程，需要吸热。★凝华定义：物质从气态直接变为固态的过程，需要放热。★思维方法：类比推理。将新现象（升华/凝华）纳入已知的规律框架（物态变化伴随吸放热）中进行一致性检验与推断。任务三：完善模型——拼上最后的拼图教师活动：教师在黑板上或利用课件，展示之前学过的固态、液态、气态三态及四类变化关系图（不完整）。“现在，我们发现了物质状态变化的‘快捷方式’。请各位‘建筑师’，动手在你们任务单的示意图上，补全这两条‘快捷通道’，画出完整的物态变化关系图，并标上每种变化的名称和吸放热情况。”巡视指导，关注学生标注的准确性。学生活动：学生个人动手绘制完整的物态变化关系图（通常为六箭头三角形或六边形模型）。这是一个重要的知识结构化活动。绘制后，同桌间相互检查，查漏补缺。即时评价标准：1.关系图是否完整、准确（六种变化无遗漏，箭头方向正确）。2.标注（名称、吸放热）是否清晰无误。形成知识、思维、方法清单：★知识体系：完整的物态变化包括六种：熔化（固→液，吸热）、凝固（液→固，放热）、汽化（液→气，吸热）、液化（气→液，放热）、升华（固→气，吸热）、凝华（气→固，放热）。★模型价值：利用模型可以将零散知识系统化、可视化，便于记忆和理解复杂关系。任务四：概念辨析——霜是冰吗？教师活动：出示霜和冰的图片。“冬天，地面上的霜和树枝上的冰，看起来都是白色固体，它们形成的物态变化一样吗？请运用今天所学和之前的知识，小组讨论并给出你的判断和理由。”教师深入小组，聆听讨论焦点，适时点拨：“思考的起点是：形成霜和冰之前，水分别处于什么状态？（气态vs.液态）”学生活动：学生小组展开激烈讨论。他们需要调动知识：冰是水（液态）凝固形成的；霜是水蒸气（气态）凝华形成的。通过辨析初始状态的不同，区分这两种看起来相似但本质不同的现象。即时评价标准：1.讨论是否紧扣“初始物态”这一关键区别点。2.最终结论是否清晰，并能用准确的术语解释。形成知识、思维、方法清单：★关键辨析：霜、雪、雾凇是凝华现象（气态→固态）；冰、冰柱是凝固现象（液态→固态）。★易错点提醒：判断物态变化类型，关键看变化前后物质的状态，而不是只看变化后的产物形态。▲思维深化：科学认识要求我们透过表面相似性（都是白色固体），看到本质差异性（形成过程不同）。任务五：应用解密——破解导入谜题教师活动：“现在，让我们带上‘升华’和‘凝华’这副新眼镜，重新审视课堂开始时那些神秘现象。”逐一回放导入情境：“1.樟脑丸‘消失’了？2.舞台‘仙气’（干冰升华吸热使周围水蒸气液化）。3.窗户上的冰花。请选择12个，用今天所学的知识进行解释。”为学有余力的小组提供干冰在热水中迅速升华产生大量白雾（主要是水蒸气液化所致）的拓展观察。学生活动：学生运用新知进行解释。例如：樟脑丸升华成气体散发；冰花是室内水蒸气遇到冰冷的玻璃凝华而成。观察干冰实验的小组需更仔细地分析其中涉及的升华（干冰）和液化（周围水蒸气）等多种变化。即时评价标准：1.解释是否准确应用了升华或凝华概念。2.对于复杂现象（如干冰实验），能否初步分析其中包含的多种物态变化。形成知识、思维、方法清单：★生活实例：升华实例：樟脑丸变小，碘升华，干冰（固态二氧化碳）人工降雨中干冰升华吸热等。凝华实例：霜、雪、雾凇的形成，冬天室内窗户上的冰花，用久了的灯泡变黑（钨丝升华后凝华）。★科学应用：人工降雨中，利用干冰升华吸热或碘化银微粒促进凝华，是科学知识服务于生产的典型例子。第三、当堂巩固训练  基础层（全体必做）：1.判断：卫生球（樟脑丸）时间长了会变小，这是升华现象。（）2.选择：下列现象中属于凝华的是（）A.河水结冰B.叶片上的露珠C.树枝上的雾凇D.壶口冒“白气”。  综合层（多数完成）：3.解释现象：冬天，戴眼镜的同学从室外进入温暖的室内，眼镜片会变模糊，但稍等一会儿又清晰了。请分析其中涉及到的物态变化（提示：考虑眼镜片温度和水蒸气的状态变化）。4.情境推理：北方寒冷的冬天，晾在室外的湿衣服会结冰，但最终也能变干。请分析衣服变干的过程中，冰经历了哪些物态变化？  挑战层（选做）：5.开放探究：查阅资料或结合所学，简述人工降雨中“干冰”或“碘化银”是如何发挥作用的，其中主要包含了哪些物态变化原理？  反馈机制：基础题通过集体问答快速反馈；综合题通过小组互评、教师投影典型答案（正确与有瑕疵的）进行讲评，重点分析思维过程；挑战题作为课后延伸兴趣点，鼓励学生在班级科学角展示研究成果。第四、课堂小结  知识整合：“来，哪位同学能用一句话概括升华和凝华最特别的地方？”（固态气态直接变）。引导学生以小组为单位，用一分钟时间，绘制本节课核心概念的关键词思维导图（中心词：升华与凝华，分支：定义、特点、实例、在物态变化图中的位置等），并请一组代表展示分享。  方法提炼：“今天我们是如何认识这两种看不见直接过程的变化的？”（通过实验观察结果反推过程、类比推理吸放热、用模型整合知识）。强调“观察推理建模”的探究路径。  作业布置与延伸：“课后，请完成作业单上的分层练习。必做部分是巩固我们今天的基础概念。选做部分有两个方向：一是当一回‘生活观察员’，用手机拍下或画下你发现的升华凝华现象；二是‘小小科学家’，尝试解释为什么冬天室内开暖气时，窗户上的冰花通常出现在玻璃的哪一面？这和我们今天学的知识有什么关系？下节课我们来分享大家的发现。”六、作业设计基础性作业（必做）1.完成课本本节后的基础练习题。2.列举出3个生活中升华的例子和3个凝华的例子，并简要说明判断理由。3.画出完整的物态变化关系图，并标注所有变化的名称及吸放热情况。拓展性作业（建议完成）4.（情境应用题）阅读关于“钨丝灯泡”和“碘钨灯”的简短资料，分析普通白炽灯泡用久后变黑的原因，并说明碘钨灯为何能延长寿命？（涉及钨的升华与凝华）5.观察与记录：在未来三天内，留意天气预报和早晨的温度，尝试寻找并记录一次霜或露的形成，分析其形成需要的天气条件。探究性/创造性作业（选做）6.微型项目：设计一个简单的家庭小实验，演示或说明升华或凝华现象（需确保安全、可行，并可拍照或录制短视频记录过程）。7.跨学科联系：查阅古诗文或成语，找出哪些诗句中可能隐含了升华或凝华现象（如“胡天八月即飞雪”），并尝试从科学角度进行解读。七、本节知识清单及拓展★升华：物质从固态直接变成气态的过程。核心理解在于“直接”，跳过了液态中间阶段。记忆技巧：“升”有向上、消失的意味，如卫生球“升”华不见了。实验证据：碘锤加热实验。★凝华：物质从气态直接变成固态的过程。记忆技巧：“凝”有凝结、聚集之意，气体直接“凝”成固体。实验证据：碘锤冷却时蒸气在冷壁变固体碘。★吸放热规律：升华吸热，凝华放热。推理逻辑：加热促进升华（提供热量），冷却促进凝华（带走热量）。这是物态变化能量守恒特性的体现。★完整物态变化体系：掌握固、液、气三态之间六种双向变化（熔化/凝固、汽化/液化、升华/凝华）的名称、方向及吸放热，构建系统知识网络。▲升华实例：樟脑丸、碘、干冰（固态CO₂）在常温常压下易升华；冷冻干燥食品（升华脱水）；严寒冰雪“sublimation”（科学术语）。▲凝华实例：霜、雪、雾凇是空气中水蒸气遇冷凝华而成；冬天室内窗花（水蒸气遇冷玻璃凝华）；用久灯泡内壁变黑（钨丝升华后凝华）。★关键辨析点：区分“凝华成霜”与“凝固成冰”。关键在于变化前物质的状态：气态（水蒸气）→固态是凝华；液态（水）→固态是凝固。★科学探究方法：对于难以直接观测的过程（如分子运动），可通过设计巧妙的实验，让过程的结果（新物质出现、旧物质消失）变得明显，从而推断过程本身。这是重要的间接研究思想。▲科技应用链接：人工降雨。干冰升华吸热使云层降温，促进水蒸气凝华（或液化）；碘化银作为凝华核，吸引水蒸气直接凝华成冰晶。了解科学原理如何服务社会。★易错警示：1.误认为“白气”是水蒸气（水蒸气不可见，“白气”是小水滴，属液化现象）。2.误认为所有“结冰”都是凝固（霜、雾凇是凝华）。八、教学反思  （一）目标达成度分析：本节课预设的知识与能力目标基本达成。通过碘锤实验的直观冲击和层层递进的任务链，绝大多数学生能准确表述升华与凝华概念，并能在关系图中准确定位。当堂巩固练习的基础题正确率较高，表明核心知识得到落实。在“解释窗户冰花”的综合应用中，约70%的学生能清晰指出是凝华现象并关联室内外温差，体现了初步的应用能力。情感目标在“人工降雨”讨论环节有明显体现，学生眼神中流露出对科学力量的惊叹。然而，科学思维目标中的“模型自觉运用”稍显不足，部分学生在遇到新情境问题时，仍习惯性搜寻记忆点而非主动调用物态变化模型进行推理，这说明模型的内化需要更长时间的反复训练。  （二）教学环节有效性评估：导入环节的“认知冲突”设计成功激发了探究欲。“从冰箱拿出的冰淇淋袋子冒‘白气’，这个我们学过，是液化。那樟脑丸消失呢？这还真把我问住了！”这种真实困惑的代入感迅速抓住了学生注意力。新授环节的五个任务构成了坚实的认知支架。任务一（碘实验）是无可替代的感性支柱；任务二、三（命名、建模）实现了从感性到理性的飞跃；任务四（辨析霜与冰）是深化理解的催化剂；任务五（解密导入）则完成了学习闭环，让学生体验了学以致用的成就感。“注意，我们观察的是碘锤壁上的变化，不是直接看碘颗粒。”这类及时的观察指导对保证探究有效性至关重要。当堂巩固的分层设计照顾了差异，但在有限课堂时间内，对挑战题（人工降雨原理）的讨论未能充分展开，稍显遗憾。  （三）学生表现深度剖析：课堂中，学生呈现出明显的思维分层。约30%的“领先者”能迅速抓住“直接变化”本质，在任务四、五中扮演了解释者角色；约60%的“跟进者”通过实验观察和小组成员的互相启发，能顺利建构概念并完成应用；仍有约10%的“困惑者”对于“直接”二字的理解存在障碍，容易将“干冰升华产生白雾”这一复杂现象简单地全部归结为升华。针对后者，需要在后续课程中，通过更多的生活化类比（如“就像魔法传送，不用经过中间站”）和个别化的图示演示来强化理解。小组合作总体有效，但存在个别小组“能者代劳”现象，后续需设计更具结构性的小组角色任务（如记录员、发言人、质疑员）。  （四）教学策略得失与改进：本次