初中物理八年级上册“升华和凝华”核心素养导向下的思维型跨学科实践教学设计

初中物理八年级上册“升华和凝华”核心素养导向下的思维型跨学科实践教学设计

一、指导思想与理论依据

本教学设计严格遵循《义务教育物理课程标准（2022年版）》“核心素养导向”的课程理念，深度落实“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程基本理念。以科学思维培养为内核，以大概念统摄下的单元整体教学为架构，以思维型教学理论为课堂实施路径。本设计强调在真实问题情境中激发认知冲突，通过探究实践促使学生完成从经验性前概念向科学概念的进阶；运用“宏观现象—微观本质—符号表征—生活应用”四重表征教学范式，引导学生经历“观察与比较、分析与推理、抽象与概括、模型与论证”的完整科学思维链条。本课同时承担《物态变化》大单元收官之战的战略功能，着力帮助学生构建“物质三态在温度变化下相互转化且伴随吸放热”的统一认知模型，实现知识的结构化与思维的深度化，并首次系统引入跨学科实践（STEM教育）理念，将物理、化学、气象学、工程学有机融合，在解决真实问题中实现核心素养的全面落地。

二、教学背景分析

（一）课标分析【非常重要】

2022年版课标对本节内容的要求为：通过实验探究物态变化过程，知道升华和凝华现象，并能用分子动理论的观点解释；同时首次明确提出“列举生活中升华和凝华的实例”“探究并了解水循环过程中涉及的物态变化”。相较于旧版课标，新版强化了三点：一是强调“实验探究”而非单纯识记；二是要求从微观粒子视角解释宏观现象，实现宏微结合；三是将“水循环”作为全章综合性跨学科主题，升华和凝华是其关键闭环。课标在本节内容中承载着从“单一知识点”向“核心观念建构”转型的示范使命。

（二）教材分析【基础】

本节内容位于人教版（2024版）八年级上册第六章《物态变化》第4节。从纵向知识结构看，学生已完成熔化和凝固（固态与液态互变）、汽化和液化（液态与气态互变）的学习，掌握了物态变化的两对“互逆过程”及其吸放热规律。升华和凝华是物态变化体系的最后一块拼图，本节教学将六种物态变化整合为一张完整的“三角形相变图”，具有全章总结与认知升华的战略地位。从横向跨学科链接看，本节与化学学科“分子的热运动”“二氧化碳的性质”、地理学科“大气环流与水循环”、生物学科“蒸腾作用与生态系统水平衡”均存在强关联。新教材在本节新增了“干冰升华制造舞台效果”“二十四节气与霜降的科学解释”等真实情境素材，为跨学科实践提供了坚实载体。

（三）学情分析【难点】

已知分析：学生已掌握四种物态变化，具备“物态变化伴随吸放热”的认知基础；能识别固态、液态、气态的基本特征；具备初步的实验观察能力和从现象归纳结论的经验。生活经验中，绝大多数学生见过樟脑丸变小、霜的形成、雪人变瘦等现象，但存在严重的认知误区——【高频误区】认为“樟脑丸消失是熔化了”“霜是露水结冰了”“干冰的白雾是二氧化碳气体”。更深层次的认知冲突在于：学生潜意识中认为固态变气态必须经过液态（即先熔化后汽化），无法理解“直接转化”。这是本节【核心难点】之所在，必须通过精巧的实验设计与严密的逻辑推理予以破除。

认知发展需求：初二学生正处于皮亚杰形式运算阶段的初期，抽象逻辑思维开始占优势，但仍需具体经验支撑。分子动理论虽已接触，但用微观模型自主解释相变机理的能力尚弱，需要教师提供“宏观现象—微观粒子排列/运动”的可视化脚手架。

三、教学目标与核心素养映射

（一）物理观念（【基础】+【高频考点】）

1.知道升华是物质从固态直接变为气态的过程，凝华是物质从气态直接变为固态的过程；能准确识别生产和生活中的升华、凝华实例。

2.理解升华过程吸热、凝华过程放热，能运用这一原理解释干冰人工降雨、冰箱除霜、雾凇形成等自然现象。

3.构建完整的“物态变化六边形”知识体系，形成“物质三态在温度变化条件下相互转化，且转化过程伴随能量转移”的稳定物理观念。

（二）科学思维（【非常重要】+【难点】）

1.模型建构思维：运用“分子—分子间作用力—分子热运动”微观模型，解释升华和凝华的发生机制，实现从宏观现象到微观本质的思维跃迁。

2.推理论证思维：通过“碘的升华实验”排除“先熔化后汽化”的干扰路径，经历“观察现象—提出假设—设计验证—得出结论”的科学推理全流程。

3.批判性思维：能够识别生活中关于物态变化的错误说法（如“白雾是气体”），并基于证据进行辩驳与澄清。

（三）科学探究（【热点】+【必考实验】）

1.通过自主探究碘的升华与凝华实验，熟练使用酒精灯、烧杯、铁架台等仪器，掌握控制变量与对比观察的方法。

2.经历“干冰制造舞台烟雾”与“模拟人工降雨”的项目式学习，能在教师引导下设计简易实验方案，收集证据并解释现象。

3.通过“霜降的科学密码”跨学科实践活动，融合物理与节气文化，经历从自然观察到实验模拟再到原理归纳的完整探究链。

（四）科学态度与责任

1.体会物理学的神奇与美妙，激发探索自然奥秘的好奇心与求知欲。

2.认识物态变化知识在农业生产（防霜冻）、气象干预（人工降雨）、现代科技（冷链运输）中的重要应用，增强科学技术社会与环境（STSE）意识。

3.通过干冰实验安全教育，建立规范的实验操作意识与风险防范意识。

四、教学重难点定位

（一）教学重点【必考】

升华与凝华的基本概念及条件判定；升华吸热、凝华放热在生活中的典型应用。

（二）教学难点【核心难点】

1.认知层面：理解“直接”转化，排除“中间态”干扰。学生潜意识受日常经验影响，认为固体变气体必然经过液体阶段，必须通过实验证据彻底破除这一思维定势。

2.思维层面：从分子动理论视角解释相变过程，建立宏微关联的思维习惯。

3.应用层面：复杂情境（如舞台烟雾是液化而非升华本身）中的物态变化辨析与综合判断。

五、教学流程图（结构化概述）

本课以“触霜疑霜—探霜知霜—用霜悟霜—思霜链世”为主线，按照“现象悬疑—实验解谜—微观揭秘—技术转化—文化升华”的认知逻辑，设计五个进阶环节。全程贯穿“科学思维”与“探究实践”双螺旋结构，每一个知识点的得出均遵循“情境触发—问题驱动—实验求证—模型解释—迁移应用”的思维型课堂范式。

六、教学实施过程（核心篇幅）

（一）课前准备与前置学习

1.教师准备：碘升华演示仪（碘锤）每两人一套；干冰（固态二氧化碳）每小组约50g；保温桶；易拉罐；食盐；温度计；烧杯；热水；冷水；黑色背景板；气雾枪；热成像仪（选配）；分子动理论动态交互课件；二十四节气之“霜降”纪录片片段；智慧中小学教育平台前置任务包。

2.学生前置任务：拍摄“身边的物态变化”照片，重点关注冬季车窗冰花、冰箱冷冻室、樟脑丸、久置的白炽灯泡等；查阅资料了解二十四节气中“霜降”的气候特征与农事活动；复习分子动理论的三条基本内容。

（二）第一环节：惊奇导入·触霜疑霜——从节气文化中锁定科学问题

【课堂起始】教师并未直接板书课题，而是关闭教室部分灯光，仅保留讲台照明。大屏幕上呈现一幅极具东方美学的画面：深秋清晨，草木凋零，枯叶上铺满一层洁白的冰晶。配乐为古琴曲《梧叶舞秋风》。画面上方出现两个书法字体：“霜降”。【情境浸润】

师：同学们，就在上周，我们刚刚度过了秋季的最后一个节气——霜降。古人说“气肃而凝，露结为霜矣”。霜究竟是怎样的物质？它是从何而来的？真的是“露水结冰”形成的吗？

【问题链驱动】教师随即出示两个透明易拉罐，罐内均盛有冰块。一个易拉罐静置桌面，无明显变化；另一个易拉罐则向冰层上均匀撒入食盐，搅拌后静置。三十秒后，撒盐的易拉罐外壁迅速泛起一层白色的霜花，在黑色背景板映衬下格外清晰；而未撒盐的易拉罐外壁仅有水珠，无霜。【实验反差】【非常重要】

师：同一个教室，同一批冰块，同样的易拉罐，为什么一个“披霜”，一个“出汗”？霜究竟是从罐子里“渗出来”的，还是从空气中“变出来”的？

【思维冲突】学生基于前概念纷纷猜测。有学生认为是冰块里的水渗出来了；有学生认为是空气里的水蒸气遇冷凝固；也有学生回忆起小学科学课提到霜是“水蒸气直接变成的”。教师不急于评判，而是引导学生设计对照实验：如何证明霜不是来自罐内？学生提议：如果在密封罐内放干燥剂，排除水汽来源，依然能结霜，则证明霜来自空气。教师肯定这一科学假设思路，但告知本节课将用更经典的实验聚焦核心问题——物质能否不经过液态，直接在固、气之间“穿梭”？由此引出课题，板书：

初中物理八年级上册“升华和凝华”核心素养导向下的思维型跨学科实践教学设计

（三）第二环节：实验建模·探霜知霜（一）——碘的升华凝华实验：确立核心概念【必做实验】【重中之重】

1.观察与描述：每两位学生获得一支密封的“碘锤”（锥形玻璃管内装有少量紫黑色碘颗粒，密封无渗漏）。学生通过放大镜仔细观察碘锤内部状态，记录：室温下碘为固态颗粒，玻璃壁洁净，无液态痕迹。

2.探究与推理【难点突破】

师：如何让固态碘“跑到”玻璃壁的上部和顶端的冷处？可以用哪些方法加热？

学生根据前四节经验迅速提出：用酒精灯直接加热、用热水水浴加热。教师指导学生采用水浴加热法（约85℃热水），将碘锤下端浸入热水中。观察要点：【非常重要】是否出现液态碘？学生全神贯注观察：随着热水加热，碘锤下端紫黑色颗粒明显减少，同时上端冷壁处开始析出闪亮的紫黑色晶体，中间区域并无棕色液体聚集。整个过程学生肉眼未见液态碘。

师：碘从下端的固态，变成了上端的固态。它“飞”过去的过程中，是什么状态？

生：气态！我们看到了紫色的蒸气！

师：这个过程中，碘是经历了“固态→液态→气态→固态”吗？你的证据是什么？

【高阶思维追问】学生陷入沉思。教师引导学生关注关键证据：如果经历了液态，玻璃壁上应该留有流动的液痕，且液态碘是深棕色流动体，而本实验中玻璃壁始终光洁，无液体残留。同时，碘的熔点约为113.7℃，热水的最高温度仅85℃，尚未达到碘的熔点。因此，碘不可能先熔化——这是“直接转化”的铁证！【科学推理】【高频考点】

学生豁然开朗。教师顺势给出升华与凝华的定义，并引导学生用符号完成状态变化表达：

升华：固态（碘）→气态（碘蒸气）（吸热）

凝华：气态（碘蒸气）→固态（碘）（放热）

1.拓展与求证【逆向思维】

将加热后的碘锤从热水中取出，迅速放入盛有冷水的烧杯中。观察发现：玻璃壁上的紫黑色晶体迅速增厚、变多，紫色蒸气快速消退。学生自主归纳：凝华放热。至此，升华与凝华概念的建立，不是依靠教师灌输，而是学生基于实证、经历完整科学论证过程的产物。

（四）第二环节：实验建模·探霜知霜（二）——干冰系列实验：深化能量观与应用观【热点】【跨学科】

1.干冰的升华与“白雾”谜团【难点辨析】

教师出示保温桶中取出的干冰（白色块状物），请学生代表上讲台观察其状态，并用温度计快速测量其表面温度（约-78.5℃）。干冰在常温下剧烈“冒烟”。教师追问：这白色的烟雾是二氧化碳气体吗？学生根据已有知识认为二氧化碳无色无味，而眼前是白色雾状，存在认知冲突。

【解惑】教师将干冰放入气球并扎紧，气球迅速鼓起且内部无色透明——证明二氧化碳确实是无色气体。那么白雾是什么？学生经过讨论，结合汽化液化知识得出：白雾是空气中的水蒸气遇冷液化成的小水珠，悬浮在空中形成的。【高频易错】教师强调：干冰升华是吸热过程，导致周围空气温度骤降，使水蒸气液化——这既是升华吸热的证据，也是“直接”应用的典型案例。

1.模拟舞台效果【工程实践】

小组合作：在大烧杯底部放入适量干冰，缓缓倒入少量热水。瞬间，大量白雾喷涌而出，如仙境瀑布倾泻讲台。学生欢呼，教师引导学生用物理语言描述整个过程：干冰升华（吸热）→周围空气降温→水蒸气液化（放热）→形成白雾。此处【重要考点】：舞台上的“云雾”本质不是升华，而是升华吸热导致的液化现象。

1.模拟人工降雨【STEM整合】

教师出示改装版矿泉水瓶：瓶盖打孔插入吸管，瓶内放入干冰和少量水，密闭后挤压瓶身。吸管顶端喷出含大量凝结核的冷气流，正对酒精灯火焰上方，火焰摇曳并伴有微小爆鸣声。该实验模拟了云层中干冰撒播后，超低温使水蒸气迅速凝华成冰晶，冰晶下落遇暖融化形成降雨的完整链。【跨学科实践】学生结合地理所学“大气降水”知识，理解物理规律在气象干预中的应用。

1.易拉罐制霜【回归导入实验】

基于刚才撒盐制霜的成功经验，学生分组测量易拉罐外壁温度变化。数据表明：加食盐的冰水混合物温度可达-10℃至-15℃，远低于空气露点，空气中水蒸气直接在罐壁凝华成霜。【首尾呼应】学生终于可以自信地回答：霜不是来自罐内，更不是露水凝固，而是水蒸气的凝华现象。至此，导入环节的科学问题得到完整解答。

（五）第三环节：微观揭秘·用霜悟霜——分子动理论的模型解释【宏微结合】【素养高阶】

1.可视化建模

教师播放三维动画：在正常温度下，固态水分子排列整齐，仅在平衡位置附近振动；气态水分子高速运动、间距极大。当温度骤降，气态水分子的动能急剧减小，分子间作用力重新占据主导，将无序飞行的水分子“捕获”并排列成有序的晶体结构——凝华。【非常重要】反之，固态碘分子获得能量，挣脱晶格束缚，直接跃迁为自由气态分子——升华。

1.思维升维

学生用“分子视角”重新解释本节课所有实验：碘升华是固态碘分子直接飞出成为碘分子；干冰升华是二氧化碳分子从晶格中直接逃逸；霜的形成是水蒸气分子直接“排队”嵌入冰晶晶格。从宏观现象到微观机制，学生完成了物理观念的深度内化。

（六）第四环节：辨析内化·用霜悟霜——易错情境专题攻坚【高频考点】【必考题型】

本环节采用“真相与谣言”判断抢答形式，教师出示真实生活照片，学生运用本节课知识辨析。

1.樟脑丸变小甚至消失：是升华。并非熔化，因为常温远低于樟脑的熔点。

2.冰冻的衣服在寒冬变干：是升华。冰直接变成水蒸气。

3.北方冬天窗玻璃上的冰花（窗花）：是凝华。室内水蒸气遇冷玻璃直接凝华成冰晶，在玻璃内测。

4.灯泡用久发黑：钨丝升华变细，钨蒸气在冷泡壁上凝华成黑色钨膜。【高频压轴题】

5.雪人“瘦了”却没留水渍：升华。

6.舞台白雾：干冰升华吸热导致的水蒸气液化，白雾是液态小水滴，不是二氧化碳，也不是凝华。

7.霜降时霜的形成：凝华。

8.人工降雪：撒播干冰，干冰升华吸热，使云层中水蒸气直接凝华成冰晶或过冷水滴冻结。

学生辩论热烈，尤其在辨析“白雾”“白气”的本质时，教师引导学生从颜色（白色不透明）、形态（飘浮）、成因（遇冷）进行综合分析，彻底扫清“雾=气态”的顽固前概念。

（七）第五环节：思维整合·思霜链世——构建物态变化大概念模型【单元收官】【非常重要】

1.六边形拼图

师生共同回顾六种物态变化：熔化、凝固、汽化、液化、升华、凝华。教师引导学生画出完整的“物态变化三角图”，三个顶点分别标注固态、液态、气态，每一条边标注变化名称及吸放热方向。学生发现：固态和气态之间确实存在两条“直达高速路”——升华和凝华，无需经由液态中转。

1.大概念统摄

师：所有的物态变化，本质上都是在改变什么？

生：分子的排列情况和运动剧烈程度。

师：驱动这种改变的根本原因是什么？

生：吸热或放热，也就是能量的转移。

板书最上方呈现核心观念：物质的状态在温度变化时发生转化，每一次转化都伴随着能量的吸收或释放。至此，全章知识不再是零散的碎片，而是凝聚成一个具有高度解释力的统一模型。

1.跨学科升华——水循环中的升华凝华

播放微视频：青藏高原冰川的升华、北极极地冰晶的凝华、云层中冰晶的增长机制。学生绘制“基于物态变化的地球水循环系统图”，标注出蒸发、液化、凝华、升华、熔化、凝固等全部环节，并尝试解释为什么水循环是地球生命系统的重要引擎。此举将物理学科知识升华为对地球家园的系统认知，培育科学态度与社会责任。

（八）第六环节：课堂评价与即时反馈【基础落实】【高频考点】

1.概念辨析填空（全员动笔，同桌互批）

（1）物质从固态______变为气态叫升华，这个过程需要______热。

（2）物质从气态直接变为固态叫______，这个过程需要______热。

（3）干冰是固态的______，利用它升华______热，可以完成______和______等任务。

（4）冬天，戴眼镜的人从室外进入室内，眼镜片变模糊是______现象；北方的窗花是______现象。

2.真题改编【2024·南京】

下列关于物态变化的说法正确的是（）

A.霜的形成是凝固现象

B.雾的形成是汽化现象

C.干冰制造舞台烟雾是升华现象

D.用久的灯泡内壁发黑是先升华后凝华的结果

答案：D【辨析】C项错误：烟雾是液化而非升华本身。

3.开放性思维题（课后延续）

你能否设计一个简易装置，利用升华或凝华的知识为校园的小菜园预防霜冻？请画出草图并简要说明原理。

七、板书设计（结构化生成）

左侧区域：碘锤实验现象板画（固态碘→紫色蒸气→固态碘），旁边标注升华（吸热）、凝华（放热）定义。

中间区域：六种物态变化完整关系图（三角形相变图），各边标注吸放热方向。

右侧区域：生活实例照片磁贴+微观解释关键词，按“升华”与“凝华”两栏归类。

底栏：【核心观念】状态变化⇋能量转移。

八、作业与拓展学习设计

（一）基础巩固类（必做）

完成学案中“升华和凝华”针对性训练，包括选择题、填空题、简答题共12题，覆盖全部【高频考点】。

（二）实践探究类（选做，二选一）

1.家庭小实验：制霜挑战赛。利用冰箱、易拉罐、冰块、食盐等材料，设计对比实验探究影响凝华速度的因素（如湿度、温差、凝结核），拍摄过程视频并撰写实验报告。

2.跨学科项目：“二十四节气中的物态变化”。从立春到大寒，每个节气选取一个典型的物态变化现象（如惊蛰对流、小暑蒸发、寒露液化、霜降凝华、大雪凝固、大寒升华），制作图文科普手账或微纪录片。【STEM】【跨学