《升华与凝华》探究式教学设计与实施-初中物理

《升华与凝华》探究式教学设计与实施——初中物理一、教学内容分析  本课内容隶属于初中物理“物态变化”主题，是学生在系统学习熔化、凝固、汽化、液化之后，对物态变化体系认知的最终闭环与完善。从《义务教育物理课程标准（2022年版）》来看，本节课的坐标在于构建完整的物质观与能量观。在知识技能图谱上，要求学生能识别升华和凝华现象，描述其过程特点（吸热与放热），并能在生活、自然和技术实例中加以辨析与应用，认知要求从“了解”迈向“理解”与“应用”。其承上启下作用至关重要：向上，为理解物质微观结构、内能变化奠定基础；向下，使六种物态变化形成一个逻辑自洽的系统，为学生建立系统的物质变化观念提供完整拼图。在过程方法路径上，课标强调“经历科学探究过程”。本节课的升华与凝华现象往往缓慢或不直观，这恰恰为设计间接观察、基于证据推理的科学探究活动提供了绝佳契机，引导学生学习如何通过观察“结果”来推断“过程”，发展科学论证能力。在素养价值渗透上，通过解释“人工造雪”、“碘锤实验”等现象，引导学生体会物理知识对技术进步与社会生活的深刻影响，培育科学探究精神与技术应用意识，实现“润物无声”的育人效果。  基于“以学定教”原则进行学情诊断：学生已掌握了四种物态变化，具备了初步的“物态变化伴随吸放热”观念，但对物态变化的微观本质理解尚浅。他们的已有基础是丰富的生活经验（如樟脑丸变小、霜的形成），但认知障碍在于这些现象往往被忽视或误解（如认为“白气”是汽化现象）。兴趣点则在于奇幻的“固体直接变气体”过程及其应用。教学关键在于将抽象过程具象化，并引导学生克服“眼见为实”的思维定势，学会依据证据进行逻辑推理。因此，过程评估设计将贯穿课堂：通过前置性问题“舞台上‘仙气’从何而来又去向何处？”探测前概念；在探究任务中，通过观察学生实验操作规范性、小组讨论中论点与论据的匹配度进行动态诊断。教学调适策略上，对抽象思维较弱的学生，提供更多视频慢放、动态微观模型动画等可视化支架；对思维活跃的学生，则引导其深入探讨“升华吸热能否用于制冷”等拓展性问题，实现差异化的学习支持。二、教学目标  知识目标：学生能够准确表述升华与凝华的概念，清晰区分其物质状态变化路径（固⇌气），并能结合实例说明升华吸热、凝华放热的特点。最终，能将六种物态变化整合进统一的认知框架，构建出完整且结构化的物态变化知识网络。  能力目标：通过碘的升华与凝华探究实验，学生能规范操作、细致观察，并依据实验现象（碘颗粒消失与再现、试管壁温度变化）进行合理推理，得出科学结论。进一步发展从具体现象中归纳普遍规律，并运用规律解释复杂生活现象的科学探究与逻辑推理能力。  情感态度与价值观目标：在小组合作探究中，学生能乐于分享观察发现，尊重同伴的异见，通过协商达成共识，体验科学探究中的协作乐趣。通过了解升华与凝华在科技（如航天器热防护）与生活中的应用，感受物理学的实用价值与创新魅力，激发持续探索物质世界的好奇心。  科学思维目标：重点发展“模型建构”与“科学推理”思维。引导学生将微观的分子运动模型与宏观的物态变化现象相联系，建构解释升华与凝华的物理模型。通过“现象推论验证”的问题链，训练基于有限证据进行合理猜想并设计检验方案的思维能力。  评价与元认知目标：引导学生在课堂小结阶段，使用自评量表回顾学习过程，评估自己对核心概念的理解程度及在小组活动中的贡献。鼓励学生提炼本节课的关键学习策略（如“如何观察不直接可见的过程”），并思考如何将这种策略迁移到未来的学习中去。三、教学重点与难点  教学重点：升华与凝华概念的建立及其吸放热特点的探究。确立依据在于，这是完善物态变化系统认知的“最后一块拼图”，属于课标要求掌握的核心概念。从学科逻辑看，理解固气直接互变，是形成完整物质状态变化观念的关键。从中考考点分析，该知识点常以生活现象辨析和简单实验探究题形式出现，虽分值不高，但考察了学生知识体系的完备性和应用能力。  教学难点：对升华与凝华过程的微观解释及其在复杂情境中的现象识别。预设依据源于学情：首先，过程不直观，学生需克服“眼见为实”的经验依赖，进行抽象思维与逻辑推理，认知跨度大。其次，生活实例（如“雾凇”、“干冰造雾”）往往伴随多种物态变化交织，学生容易混淆，这是思维综合性的挑战。常见错误表现为将凝华形成的“霜”误认为凝固的“冰”，或将升华现象简单归为“消失”。突破方向在于强化探究实验的体验，并运用动态微观模型动画搭建认知桥梁。四、教学准备清单1.教师准备  1.1媒体与教具：多媒体课件（含物态变化关系图、生活现象图片集、微观分子运动动画）；实验演示视频（干冰升华、碘的升华与凝华慢放）。  1.2实验器材：碘升华与凝华演示实验装置（试管、橡胶塞、碘颗粒、热水、冷水）46套；干冰少许及相关安全防护用具；樟脑丸、旧灯管（有钨丝凝华）等实物。  1.3学习支持材料：分层学习任务单（含探究记录表、巩固练习）；课堂评价量规卡片。2.学生准备  复习熔化和凝固、汽化和液化知识；预习课本，并尝试列举12个疑似升华或凝华的生活现象。3.环境布置  教室座位调整为46人合作小组式；黑板划分出核心概念区、现象实例区、探究结论区。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与认知冲突：同学们，让我们一起来看一段魔术般的舞台表演视频。（播放干冰制造“仙气”缭绕又逐渐消失的场景）。这如梦似幻的“仙气”究竟是什么？它从何而来，又最终去了哪里？有没有同学注意到，干冰本身在这个过程中发生了什么变化？（稍作停顿，让学生思考）。大家可能会想到液化和汽化，但固体的干冰似乎直接“消失”在了空气中，这和我们之前学过的物态变化有点不一样，对吗？  1.1核心问题提出与路径规划：今天，我们就来揭开这个谜底，探究物质状态变化的另外两种神秘方式——升华和凝华。我们将化身科学侦探，首先通过一个关键实验寻找直接证据，然后结合微观模型理解其本质，最后用我们新建构的知识，去破解更多生活中的神奇现象。请大家带上好奇心和观察力，我们的探究之旅，现在开始！第二、新授环节任务一：【观察辨识：初探“固态直接变气态”之谜】  教师活动：首先，我们不急于定义。请大家观察我手中的这个小巧的实验装置（展示装有少量碘颗粒的密封试管）。现在，我将试管下部放入热水中加热。注意，我的操作是给试管底部加热，而碘颗粒在试管底部。请大家全神贯注地观察试管内壁，尤其是上方较冷的部分，告诉我你看到了什么。同时，也思考一下，底部的碘颗粒怎么样了？“同学们注意看，这白烟究竟是什么？是液体吗？”  学生活动：学生以小组为单位，近距离仔细观察实验。他们会发现：底部固态的碘颗粒逐渐减少，同时试管上方较冷的內壁上逐渐出现紫黑色的、有金属光泽的固体颗粒。学生进行小组讨论，描述并记录观察到的现象，尝试对“碘颗粒去哪了”、“壁上的固体是什么”做出初步猜想。  即时评价标准：1.观察是否全面、细致（不仅看底部，更关注上方内壁）。2.描述现象时语言是否准确、客观（如“紫黑色固体附着”而非“变脏了”）。3.小组讨论时，猜想是否有观察到的现象作为依据。  形成知识、思维、方法清单：★核心现象：加热时，固态碘没有经过液态，直接变成了紫黑色的碘蒸气（此过程为升华）；碘蒸气遇到冷的试管壁，没有经过液态，直接变回了固态碘（此过程为凝华）。▲关键提示：实验成功的关键在于提供“冷热温差”，创造凝华条件。◈学科方法：科学探究始于仔细、有目的的观察。对于无法直接观察的过程，我们可以通过观察其“起始状态”和“最终状态”，并寻找变化条件，来推理中间过程。任务二：【概念建构：定义升华与凝华】  教师活动：基于大家精彩的观察和描述，我们现在可以给这两种神奇的变化“命名”了。谁能尝试根据碘的变化路径，用自己的话说说什么叫升华？什么叫凝华？“很好，他抓住了‘直接’这个关键词！那么，谁能从物质状态（固、液、气）的角度，更精确地描述这两种变化？”教师在学生表述基础上，引导完善并板书严谨定义：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。并强调“直接”二字的含义——没有液态这个中间环节。  学生活动：学生基于实验观察，尝试用自己的语言概括升华与凝华过程。通过同伴补充和教师引导，逐步修正表述，最终形成规范的科学概念。并在学习任务单上完成概念填空，强化记忆。  即时评价标准：1.归纳概念时，是否能准确关联实验现象。2.表述是否突出“直接”这一核心特征。3.能否清晰区分升华与凝华的路径方向。  形成知识、思维、方法清单：★核心概念1：升华——物质从固态直接变为气态。★核心概念2：凝华——物质从气态直接变为固态。◈易错点辨析：“直接”意味着不经过液态。例如冰冻的衣服变干，是冰升华为水蒸气，而不是先熔化成水再蒸发。▲思维进阶：定义是对一类现象共同本质特征的抽象概括，是科学表达的基础。任务三：【规律探究：揭秘过程中的能量“暗流”】  教师活动：回顾前知：熔化、汽化要吸热；凝固、液化要放热。那么，升华和凝华呢？让我们回到碘实验。请大家触摸一下刚才凝华发生了的试管上部内壁区域，感觉如何？“是不是有点凉？这凉意从何而来？”引导学生推理：能量不会无缘无故产生或消失。凝华得到的固态碘，其内能比气态时低，这部分减少的内能以热量的形式释放了出来，使管壁变凉，所以凝华放热。反之，升华要吸热。我们可以用生活中的例子来验证：干冰升华时周围温度急剧下降，可用于保鲜；冬天玻璃上的冰花（凝华形成）会使室内稍微暖和一丁点（释放的微热）。  学生活动：学生触摸试管壁，感受温度变化。结合教师引导，运用能量观念进行推理：物质从无序程度高的气态变为有序程度高的固态，需要释放能量，故凝华放热；反之，升华需吸收能量。小组讨论并列举支持该规律的更多生活实例。  即时评价标准：1.能否将触觉感受（温度变化）与能量转移建立联系。2.推理过程是否逻辑自洽，能否运用“能量守恒”观念。3.举例是否恰当，能否合理解释。  形成知识、思维、方法清单：★核心规律1：升华过程需要吸收热量。★核心规律2：凝华过程会放出热量。◈观念整合：将能量观念融入物态变化，形成统一认知：任何从有序到无序（固→液→气）的变化都吸热；反之（气→液→固）都放热。▲应用联想：升华吸热有制冷作用（干冰保鲜、人工降雨）；凝华放热在特定条件下可被利用（如雪的形成对局部气候的微弱影响）。任务四：【模型深化：打开微观世界的“盲盒”】  教师活动：宏观现象背后是微观粒子的“舞蹈”。（播放物质三态分子运动模拟动画）。在固态，分子紧密排列，振动；加热后，获得能量的分子振动加剧，直至某些分子能直接挣脱周围所有分子的束缚，飞离固体表面，成为气体分子，这就是升华的微观本质。反之，气体分子失去能量，运动减慢，直接在特定位置“定居”下来，排列成固体，就是凝华。“大家看，分子就像一群调皮的孩子，获得能量就‘跳’出去，失去能量就‘坐’下来，整个过程可能跳过‘液态’这个中间的‘游乐场’阶段。”  学生活动：学生观看动画，将宏观的“固体减少、气体出现/气体减少、固体出现”与微观的“分子挣脱束缚/分子规则排列”联系起来。尝试用微观模型解释为什么升华吸热（分子挣脱束缚需要能量）、凝华放热（分子规则排列释放能量）。  即时评价标准：1.能否将宏观现象与微观动画描述对应。2.能否用微观粒子运动解释吸放热的原因。3.是否建立起“宏观微观”相结合的物理思维方式。  形成知识、思维、方法清单：★微观本质：升华是固体分子吸收足够能量，直接克服分子间作用力变为气体分子的过程；凝华则是气体分子失去能量，直接转化为固体分子的过程。◈学科思维：物理学的“宏微结合”思想——宏观现象是微观粒子集体行为的体现。理解微观机制，能更深刻地把握宏观规律。▲认知支架：动态模型是将抽象思维可视化的有力工具，有助于理解不可直接观察的过程。任务五：【系统整合：构建物态变化“全景图”】  教师活动：现在，我们手中已经有了全部六种物态变化的“拼图”。请大家以小组为单位，在白板上画出物质三态（固、液、气）之间的关系图，用箭头标出所有可能的变化，并在每个箭头上注明变化名称及吸放热情况。“看看哪个小组的‘地图’最清晰、最完整？想想，这张图里还蕴含着哪些对称美和能量流转的规律？”  学生活动：小组合作，回忆并整合旧知（熔化、凝固、汽化、液化）与新知（升华、凝华），共同绘制物态变化全景图。进行小组间展示交流，互相评价、补充。从图中总结规律，如“互逆过程吸放热相反”、“气态为变化枢纽”等。  即时评价标准：1.关系图是否完整、准确，箭头方向及名称无误。2.吸放热标注是否正确。3.小组合作是否高效，每位成员是否参与贡献。4.能否从图中提炼出系统性的规律。  形成知识、思维、方法清单：★知识体系：完整的物态变化六边形（或三角形）关系图，明确固态、液态、气态两两之间均可直接互变。◈系统思维：将零散知识整合进一个结构化、可视化的系统，便于记忆、提取和应用。这是构建学科大概念（如“物质与能量”）的重要步骤。▲美学与规律：物理规律往往具有对称性与统一性（如互逆过程能量流转相反），感受科学之美。任务六：【迁移应用：破解生活与科技中的现象谜题】  教师活动：现在，我们是掌握了新武器的“现象侦探”。请看一组图片和问题：1.衣柜里的樟脑丸为什么会越来越小？2.寒冬早晨，窗玻璃上的“冰花”长在室内还是室外？为什么？3.用久的白炽灯灯壁为什么会发黑？4.（拓展）宇航服如何利用升华吸热原理为宇航员调节体温？“挑战升级：人工降雨中，干冰或碘化银扮演了什么角色？这里包含了几种物态变化？”  学生活动：学生应用本节所学概念与规律，独立思考后小组讨论，对各个现象进行辨析和解释。对于复杂问题（如人工降雨），分析其中可能涉及的多种物态变化顺序。尝试用规范、科学的语言陈述解释过程。  即时评价标准：1.解释是否准确应用了升华/凝华概念及吸放热规律。2.对于复杂现象，分析是否全面，能否厘清多个过程的先后顺序。3.语言表达是否清晰、有条理。  形成知识、思维、方法清单：★典型实例：樟脑丸变小（升华）、霜/雪/冰花形成（凝华）、灯壁变黑（钨丝升华后凝华）、干冰保鲜/人工降雨（升华吸热）。◈应用思维：将物理原理应用于分析和解决实际问题，是物理学习的最终落脚点。▲科技链接：物理学是技术创新的源泉，了解升华与凝华在航天、气象等领域的应用，体会科学技术社会（STS）的紧密联系。第三、当堂巩固训练  基础层（全员必做）：1.判断下列现象所属的物态变化：①衣柜里的卫生球消失；②寒冬，树枝上出现的雾凇；③冬天，室外冰冻的衣服变干。2.填空题：升华需要____热，凝华需要____热。人工降雨时向云层撒干冰，是利用干冰____时____热，使空气温度降低。  综合层（大多数学生完成）：3.解释现象：为什么说“下雪不冷化雪冷”？请从物态变化及吸放热的角度加以说明。4.分析实验：在封闭的玻璃瓶内放入少量萘丸（卫生球主要成分），一段时间后萘丸变小，瓶内壁出现一些晶体。解释整个过程中发生的物态变化，并说明哪个过程吸热，哪个过程放热。  挑战层（学有余力选做）：5.项目思考：请设计一个简单的家庭实验方案，证明升华吸热有制冷作用。列出所需材料、步骤及预期观察到的现象。6.跨学科联系：查阅资料，了解我国古代“硝石制冰”的技术，尝试从物理学的角度解释其原理。  反馈机制：基础题通过集体问答、手势反馈（如举牌）快速统计正确率；综合题选取不同解法的学生上台讲解或展示任务单，教师点评思维亮点与规范性；挑战题成果可作为课后拓展作业，在班级墙报或下节课初进行简短分享，激发探究热情。“第3题很多同学抓住了‘下雪是凝华放热，化雪是熔化吸热’这个关键，分析得很到位！我们不仅要知其然，还要知其所以然。”第四、课堂小结  知识整合：同学们，今天我们共同完成了一次完整的科学探究。现在，请大家闭上眼睛，回顾一下：我们是从哪个有趣的问题开始的？我们通过什么关键实验获得了证据？我们得出了哪两个核心概念和规律？它们如何融入我们原有的物态变化版图？“哪位同学愿意当一回小老师，用最简洁的语言为我们梳理一下这节课的探索之路？”鼓励学生用思维导图关键词或流程图进行总结。  方法提炼：在这条探索之路上，我们用到了哪些科学方法？（观察、推理、建模、整合）。最重要的是，我们学会了如何探究一个“看不见”的过程——通过观察起始与最终状态，结合条件变化，进行逻辑推理，并用微观模型加以解释。这是一种非常重要的科学思维能力。  作业布置与延伸：今天的作业是分层的，请各位同学根据自己情况选择完成（展示分层作业要求）。最后，留给大家一个思考题：地球两极的冰川在气候变化中，其升华过程对全球水平面有何影响？这与冰熔化造成的影响一样吗？我们下节课开始前可以简单交流。“希望大家带着物理的眼光，去发现和解释更多身边的世界之谜。下课！”六、作业设计  基础性作业（必做）：  1.整理课堂笔记，完整绘制物态变化关系图，并标注所有变化名称及吸放热情况。  2.完成课本本节后“动手动脑学物理”中的基础练习题。  3.列举至少3个生活中观察到的升华或凝华现象，并简要说明判断依据。  拓展性作业（建议大多数学生完成）：  4.情境探究：冬天，戴眼镜的同学从室外进入温暖的室内时，眼镜片会变模糊（出现小水珠）；而从室内到室外时，镜片有时会出现一层薄霜。请分析这两种现象分别涉及哪些物态变化？并解释其发生需要的条件。  5.微型调查：通过网络或访谈，了解“干冰”在食品保鲜、舞台效果、物流运输等领域的具体应用实例，写一篇不超过200字的简要报告，重点说明其利用了升华的什么特点。  探究性/创造性作业（选做）：  6.家庭实验与记录：尝试完成巩固训练中“挑战层”第5题设计的家庭实验，用手机拍摄关键步骤和现象，并撰写一份简单的实验报告（包括目的、材料、过程、现象、结论与反思）。  7.创意设计：假如你是一位科幻作家或产品设计师，请基于“升华”或“凝华”的原理，构思一个未来科技产品或一个科幻故事片段，并简要说明其科学原理。七、本节知识清单及拓展  ★1.升华的定义：物质从固态直接变成气态的过程。关键在“直接”，不经过液态中间态。例如：碘颗粒加热变碘蒸气、干冰（固态二氧化碳）常温下变成二氧化碳气体、冰冻的衣服变干、樟脑丸变小。  ★2.凝华的定义：物质从气态直接变成固态的过程。同样强调“直接”。例如：寒冬窗户上的冰花、树挂（雾凇）、霜的形成、用久的白炽灯内壁变黑（钨丝升华后凝华）。  ★3.升华的吸热规律：升华过程需要吸收热量。这是因为固体分子要直接挣脱束缚变为气体分子，必须从外界获得能量。应用实例：干冰用于人工降雨（升华吸热使云层降温）、食品保鲜和舞台效果（制冷、造雾）。  ★4.凝华的放热规律：凝华过程会放出热量。这是因为气体分子规则排列成固体时，分子势能减少，能量以热的形式释放。例如：下雪时（凝华过程）天气并不像雪融化时那么冷，因为凝华会释放少量热。  ◈5.物态变化系统图：物质三态（固、液、气）之间共有六种相互变化。固态与气态之间可直接互变（升华与凝华），无需以液态为中介。构建完整的物态变化关系图是系统性掌握本章知识的关键。  ◈6.微观解释（宏微结合）：升华的微观实质是固体分子吸收足够能量后，直接克服分子间作用力飞散成为气体分子；凝华则是气体分子失去能量，运动减慢，直接在物体表面规则排列成为固体。这是理解吸放热本质的基础。  ▲7.易混淆现象辨析：  “白气”或“雾”：通常是小水滴（液态），是液化现象，不是凝华（固态），也不是水蒸气（水蒸气无色不可见）。  灯壁变黑：是先升华（钨丝变钨蒸气）后凝华（钨蒸气在灯壁凝华成固态钨），是两种变化的组合。  冰花位置：通常在窗玻璃的室内一侧，因为室内水蒸气遇到冰冷的玻璃（温度低于0℃）直接凝华而成。  ▲8.科技与生活拓展：  人工降雨：向云层撒干冰（升华吸热，使水蒸气凝华成冰晶）或碘化银（作为凝华核，促进水蒸气凝华）。  航天应用：某些航天器利用特定材料在高温下升华吸热，带走热量，起到热防护作用（烧蚀材料）。  古代智慧：“硝石制冰”利用了硝酸钾溶于水吸热的原理（主要是溶解吸热，非升华），但体现了对吸热降温原理的早期应用。八、教学反思  （一）目标达成度评估：本节课预设的知识与能力目标达成度较高。通过碘实验的直观观察和层层递进的任务链，绝大多数学生能准确说出升华与凝华的定义及吸放热特点，并能解释基础生活现象。从课堂提问和巩固训练反馈看，学生对“直接”二字的理解较为到位，能够有效区分液化与凝华产生的不同现象（如“白气”与“霜”）。情感目标方面，小组合作探究氛围积极，学生在解释科技应用时表现出浓厚兴趣。科学思维目标中的“宏微结合”和“基于证据推理”是长期培养过程，本节课通过动画模型和实验推理环节做了有效渗透，但部分学生从现象到微观模型的自主迁移能力仍有待后续课程强化。  （二）核心环节有效性分析：导入环节的“干冰造雾”视频成功制造认知冲突，迅速聚焦了学生注意力。“当时有学生小声说‘是变成气了吧？’，这正是我想要的思维起点。”新授环节的六个任务构成了一个相对完整的探究循环。其中，任务一（碘实验）是概念建立的基石，学生观察的专注度直接决定了后续建构的质量。任务四（微观模型）是难点突破的关键支架，动态动画有效化解了抽象性。任务六（迁移应用）是检验学习效果和培养应用能力的试金石，学生在分析“人工降雨”时的热烈讨论，表明他