核心素养视域下初中物理九年级《升华与凝华》跨学科实践教学设计

核心素养视域下初中物理九年级《升华与凝华》跨学科实践教学设计

  一、设计思想与理论依据

  本教学设计立足于《义务教育物理课程标准（2022年版）》的核心素养导向，以“从生活走向物理，从物理走向社会”为基本理念，深度整合“物质”“运动与相互作用”及“能量”三大主题。针对“升华与凝华”这一特定物态变化内容，教学设计超越传统知识讲授框架，致力于构建一个以学生为中心、以真实问题为驱动、以跨学科实践为路径的深度学习场域。设计思想植根于建构主义学习理论，认为知识是学习者在一定的情境下，借助教师和同伴的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的。因此，本设计着力创设从宏观现象感知到微观机理探究，再到跨学科综合应用的完整认知链条。

  理论层面，本设计深度融合“项目式学习（PBL）”与“STEM/STEAM”教育理念。将物理学的核心概念（升华、凝华、分子动理论）置于一个真实、复杂且具有挑战性的问题情境中（如人工降雨原理、食品冷冻干燥技术、文化遗产保护中的温湿度控制），引导学生像科学家一样思考，像工程师一样实践。教学过程强调科学探究的完整过程：从观察现象、提出问题、进行猜想、设计实验、获取证据、分析论证、到评估交流，并最终将形成的物理观念应用于解释自然现象和解决实际问题。同时，有机融入化学（物质结构）、地理（大气环流、气候）、工程学（热工设计）、乃至艺术（舞台效果设计）等多学科视角，打破学科壁垒，培养学生综合运用知识解决复杂问题的关键能力与高阶思维，实现物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四大核心素养的协同发展。

  二、教材与学情分析

  （一）教材分析

  “升华与凝华”在沪科版初中物理教材体系中，位于“热学”板块，是继熔化、凝固、汽化、液化之后学习的最后两种物态变化。教材内容通常从生活实例（如樟脑丸变小、冬天结霜）引入概念，通过碘的升华与凝华实验进行验证，并简要说明其吸放热特点及应用。其地位具有承上启下的关键作用：“承上”在于它是物态变化体系的最后一块拼图，完善了物质三态六变的完整图景，要求学生能够辨析和区分六种变化；“启下”在于它为理解更复杂的热学现象（如云、雨、雪、雹的形成）奠定了直接基础，也是学习分子动理论的重要实证。然而，传统教材处理往往侧重于概念识记和现象罗列，对现象的微观解释不够深入，缺乏与现代科技、工程实践及跨学科问题的深度链接，未能充分展现其作为解释世界和改造世界工具的价值。

  （二）学情分析

  教学对象为九年级学生，其认知与能力发展具有以下特点：

  认知基础：学生已经系统学习了温度、热量、内能以及熔化、凝固、汽化、液化四种物态变化，初步掌握了科学探究的基本环节和实验观察方法，对运用分子动理论解释宏观热现象有了一定的经验。这为学习升华与凝华提供了必要的知识储备和方法论准备。

  认知障碍：升华与凝华现象在日常生活中虽存在，但往往不如熔化和汽化那样直观和常见（例如凝华成霜常在夜间无观察条件下发生），学生缺乏丰富的直接经验积累，容易产生认知陌生感。同时，物质不经过液态直接实现固气转换，违背了部分学生“固态→液态→气态”的线性思维定势，理解上存在抽象性困难。在微观层面，理解升华需要固体分子直接获得足够能量挣脱所有邻近分子的束缚，其所需的能量跨度比熔化或汽化更大，这对学生的抽象思维能力提出了更高要求。

  兴趣与发展需求：九年级学生思维活跃，求知欲强，不满足于对现象的简单知晓，渴望了解现象背后的本质及其在高端科技中的应用。他们已具备初步的信息检索、团队合作和项目实践能力，但综合运用多学科知识解决开放性问题的经验尚显不足。因此，教学设计必须提供富有挑战性的任务和贴近科技前沿的情境，以激发其深层学习动机，满足其能力跃升的内心需求。

  三、教学目标

  基于核心素养导向，结合教材与学情分析，确立以下三维融合的教学目标：

  （一）物理观念

  1.通过观察丰富的实验与生活现象，能准确识别升华和凝华现象，并能列举生活中的典型实例。

  2.理解升华需要吸热、凝华需要放热的能量转换关系，并能在能量守恒的视角下，将其与其他四种物态变化进行整合，形成完整的物态变化能量观。

  3.初步运用分子动理论，尝试解释升华和凝华发生的微观机理，建立宏观现象与微观粒子运动的初步联系。

  （二）科学思维

  1.模型建构：能够运用“物态变化模型”对物质状态转换的条件（温度、吸放热）和方向进行系统分析与归类。

  2.科学推理：能基于观察到的现象（如“雪人变小”“窗上冰花”）进行合理推理，提出其可能涉及升华或凝华过程的假设。

  3.质疑创新：在分析人工降雨、冻干食品等案例时，能对技术原理提出自己的见解，并思考其在其他领域（如医药、航天）的创新应用可能性。

  （三）科学探究

  1.问题：能在教师创设的情境中，自主发现并提出与升华、凝华相关的可探究物理问题。

  2.证据：能设计简单的实验（如探究樟脑球质量减少的条件、模拟霜的形成）来验证猜想，并正确使用测量工具（如电子天平、温度传感器）收集数据。

  3.解释与交流：能基于实验证据，通过分析、比较、归纳得出升华和凝华的概念及特点，并以书面或口头形式清晰、逻辑地表达自己的探究过程和结论，能对他人的探究报告进行评估与反思。

  （四）科学态度与责任

  1.通过了解我国在人工影响天气（如北京冬奥会保障）、航天食品技术（冻干技术）等领域取得的成就，增强科技自信与民族自豪感。

  2.认识到正确运用物态变化知识（如冷链物流、文物保护）对社会生产和生活的重要性，初步树立将科学服务于人类可持续发展的责任感。

  3.在跨学科项目实践中，体验团队协作的重要性，养成严谨认真、实事求是的科学态度和勇于探索、敢于创新的精神。

  四、教学重点与难点

  （一）教学重点

  1.升华和凝华的概念建立，及其吸热、放热的特点。

  2.运用升华和凝华知识解释相关自然现象和现代技术应用。

  （二）教学难点

  1.从微观分子运动的角度理解升华和凝华过程的发生机制。

  2.在复杂的真实情境中，综合辨析多种物态变化交织的过程（如云、雨、雪、雹的形成）。

  3.跨学科实践项目中，物理原理与工程、地理等学科知识的有效融合与创新应用。

  五、教学策略与方法

  为突破重难点，达成高阶教学目标，本设计采用多元化、整合性的教学策略与方法：

  1.情境创设与问题驱动策略：以“冬奥会滑雪场如何人工造雪？”、“‘嫦娥’探月工程中航天食品如何长期保鲜？”等国家重大工程或科技前沿问题作为导入和贯穿主线，激发兴趣，引出核心学习任务。

  2.探究式学习与可视化教学法：设计递进式的学生分组实验。从定性观察碘的升华凝华，到定量探究樟脑球在密闭与开放环境下质量变化的对比实验，利用高灵敏度传感器测量过程中温度的变化，将不可见的吸放热过程数据化、图像化。借助多媒体动画，动态模拟固体分子直接挣脱成为气体分子的过程，破解微观理解难点。

  3.跨学科项目式学习（PBL）法：围绕“设计一个基于升华/凝华原理的科技产品解决实际问题”的核心项目，如“家庭节能除湿方案”、“小型舞台烟雾模拟装置”、“果蔬保鲜新方案设计”等。学生以小组为单位，经历“选题调研→原理分析→方案设计→模型制作（或模拟仿真）→测试优化→成果展示”完整流程，过程中需主动整合物理、化学、工程、环境科学等知识。

  4.思维建模与对比归纳法：引导学生绘制“物态变化思维导图”或“概念关系图”，将六种变化按吸放热、温度条件、微观机制进行系统对比与整合，构建结构化知识网络。针对难点现象（如霜、雾凇、冰雹形成），采用“过程分解法”，一步步剖析其中涉及的多重物态变化序列。

  六、教学准备

  （一）教师准备

  1.实验器材：碘锤、密封玻璃管、酒精灯、铁架台、石棉网；樟脑球、精密电子天平、小型密闭容器与开放容器、数据采集器、温度传感器；干冰、热水、棉手套；大型玻璃罩、冰块、食盐（模拟霜的形成）。

  2.多媒体资源：自制或精选的升华凝华微观机理动画；人工降雨、冻干技术、芯片制造中的蚀刻工艺、极地科考中冰芯研究等视频资料；交互式白板课件，包含动态物态变化关系图。

  3.项目学习资源包：提供项目选题指南、相关技术参数参考、安全操作规范、项目计划书模板、评价量规等。

  （二）学生准备

  1.预习教材相关内容，观察并记录生活中疑似升华或凝华的现象（拍照或文字描述），并提出一个问题。

  2.按异质分组原则，组建4-5人的项目学习小组，推选组长，初步讨论项目意向。

  3.复习分子动理论的基本内容及熔化、汽化的吸热特点。

  七、教学实施过程（详细阐述）

  本教学实施过程计划由四个核心阶段构成，共计三个标准课时，并延伸至课外项目实践。

  第一阶段：情境锚定，问题生成（约25分钟）

  核心活动一：震撼现象，激活前概念

  教师演示“消失的冰块”实验：将一块固态的干冰（固体二氧化碳）置于垫有毛巾的托盘上，不经过液态，直接冒出大量白雾并逐渐“消失”。引导学生观察并思考：“这块‘冰’真的消失了吗？它变成了什么？这个过程与熔化有什么不同？”白雾是什么？是气体吗？（此处埋下伏笔，白雾实为空气中水蒸气遇冷液化形成的小水滴，干冰本身升华成无色二氧化碳气体）。通过强烈的视觉对比，打破学生“固态必先变液态”的思维定势，引发认知冲突。

  核心活动二：联系冬奥，提出驱动性问题

  播放北京冬奥会张家口赛区利用人工造雪技术保障赛事的高清视频片段。提出本单元的核心驱动性问题：“在气温高于0℃时，如何能‘无中生有’地造出大量的雪？”引导学生从“雪是什么？”（固态水）、“自然雪如何形成？”（水蒸气凝华成冰晶）等基础问题开始思考。进而将大问题分解为若干子问题：1.水蒸气直接变成冰晶需要什么条件？（温度极低、有凝结核）2.如何在空中创造这样的条件？3.这个过程能量如何变化？从而自然引出对“凝华”及其条件的探究需求。同时，也可逆向提问：“储存的雪在阳光下慢慢变小，但地面并不潮湿，这又是为什么？”引出“升华”。

  核心活动三：生活观察站，初步归纳概念

  各小组展示课前收集的生活现象图片或描述（如：久放的樟脑丸变小、冬天室外冰冻的衣服变干、窗玻璃上的冰花、树挂雾凇等）。小组内进行初步讨论和分类：哪些可能是固体直接变气体？哪些可能是气体直接变固体？教师板书学生的猜想实例。在此基础上，教师给出“升华”和“凝华”的科学术语定义，并引导学生用自己的语言进行复述。目标是在具体现象与抽象概念间建立第一次连接。

  第二阶段：实验探究，建构概念（约45分钟）

  核心活动一：定性观察——碘的升华与凝华

  学生分组进行教材经典实验：观察密封碘锤（或碘锤在烧杯中微微加热）中碘的状态变化。要求详细记录加热过程中碘锤内固体碘的变化（是否熔化成液态？）、紫色气体的出现情况；停止加热并冷却后，碘锤内壁上的变化。重点强调实验安全（碘蒸气有毒，装置需密封或通风良好）。通过实验，学生直观看到固态碘直接变成紫色碘蒸气，碘蒸气又直接凝华成固态碘晶体附着在冷壁上的全过程。讨论得出结论：升华（由固态直接变为气态）和凝华（由气态直接变为固态）是真实存在的物态变化。

  核心活动二：定量探究——升华的吸热与质量变化

  此实验为改进与深化实验。每组提供两个相同的精密电子天平、两个相同的小容器（一个密闭，一个开放）、两颗质量相近的樟脑球。将一颗樟脑球放入开放容器置于天平A上，另一颗放入密闭容器置于天平B上，记录初始质量。将两组装置同时放置于通风条件一致的窗台或指定区域。静置15-20分钟（期间可进行其他讲解或讨论）后，再次读取质量。

  引导学生对比分析数据：开放容器中的樟脑球质量显著减少，而密闭容器中的质量几乎不变。提出问题：1.减少的质量去哪里了？（樟脑升华成气体扩散到空气中）2.密闭容器中质量为何不变？（升华后的气体被封闭在容器内，系统总质量守恒）3.这个过程中，樟脑球和周围环境的温度会如何变化？引出对能量变化的探究。

  教师演示或学生利用温度传感器测量干冰升华时周围空气的温度变化。数据采集器实时显示温度迅速下降，直观证明升华过程需要从周围环境吸收大量热量，具有致冷效应。由此建构关键知识：升华吸热，有制冷作用；凝华放热。

  核心活动三：微观探秘——可视化理解机理

  播放精心制作的微观模拟动画。对比熔化（固体分子在平衡位置振动加剧，结构松散）、汽化（液体表面分子挣脱束缚逸出）与升华（固体内部的分子直接获得足够能量，挣脱所有相邻分子的束缚，成为自由气体分子）。强调升华所需的能量通常比熔化加上汽化之和还要多，因此条件更为“苛刻”。同样，动画展示气体分子在温度降低时运动减慢，当碰到足够冷的固体表面时，可能直接失去能量，规则排列在表面上，形成凝华。通过可视化手段，将抽象的分子运动具体化，帮助学生从本质上理解宏观现象的成因。

  第三阶段：迁移应用，跨学科整合（约50分钟）

  核心活动一：自然现象解密工坊

  提供多个自然现象案例包，小组任选其一进行合作分析与解密，并向全班汇报。

  *案例A：“云、雨、雪、雹”的形成：结合地理知识，分析大气中水循环的物态变化链条。重点剖析雪和霜的形成是凝华，而“白气”、“雾”、“露”是液化，“冰雹”核心是凝固。

  *案例B：行星探索中的“极冠”：展示火星极冠照片。分析其主要成分（干冰和水冰）随季节变化（升华与凝华）对火星大气和气候的影响。

  *案例C：文化遗产保护：讲解为什么博物馆库房要严格控制温湿度。过于干燥会导致某些含水文物（如木质、纸质）内部水分升华，造成开裂；过于潮湿则可能引起凝华结霜或促进霉菌生长。

  此活动旨在训练学生在复杂情境中辨析和串联多种物态变化的能力。

  核心活动二：高新技术应用分析

  教师主讲与视频辅助结合，深入剖析2-3个高科技应用背后的物理原理。

  1.食品工业：冷冻干燥（FD）技术。播放冻干食品制作流程视频。详细解释：先将食品急速冷冻（凝固），然后在真空环境下加热，使冰直接升华为水蒸气抽出。对比传统晒干（汽化）和烘干（汽化），分析冻干技术能最大限度保持食品色、香、味、形及营养成分的原因（低温、无液态水参与、避免高温破坏）。

  2.舞台艺术与消防：干冰（固体CO₂）的应用。分析舞台“云雾”效果成因：干冰升华吸热，使周围空气温度骤降，空气中水蒸气液化形成细小水珠（即白雾）。对比消防用干冰灭火器原理：窒息作用（CO₂气体覆盖）和冷却作用（升华吸热）。

  3.微电子制造：气相沉积与刻蚀。简介在芯片制造中，利用某些固体材料升华成气体，再使其在硅片表面凝华形成超薄膜层（气相沉积）；或利用某些气体在等离子态下与硅片表面物质反应生成易升华物质离开（干法刻蚀）。体现物理学是高端制造业的基石。

  通过此环节，让学生深刻感受到物理知识的巨大应用价值，拓宽科技视野。

  核心活动三：跨学科实践项目启动与中期指导

  公布项目式学习核心任务：“基于升华或凝华原理，设计并优化一个解决实际问题的方案或模型。”提供参考方向：①节能型家用除湿/空气净化方案；②低成本小型舞台特效装置；③针对特定果蔬的保鲜包装设计；④模拟自然霜冻对植物影响的研究装置等。

  各小组在课后进行初步选题调研和方案构思。在本课时，小组进行第一次中期汇报，简要阐述项目选题、拟应用的物理原理、初步设计思路以及需要的支持。教师和其他小组进行质询，提出改进建议。教师提供必要的技术咨询和安全指导。此环节将学习从课堂延伸到课外，真正实现学以致用、创以致用。

  第四阶段：总结反思，评价提升（约30分钟）

  核心活动一：知识体系结构化建构

  引导学生以小组为单位，共同绘制一幅“物态变化全景图”。要求图中必须包含：六种变化的名称、变化方向、发生条件（温度、吸放热）、典型实例、简要微观解释。鼓励使用创意图形和符号。完成后进行小组间巡展互评。教师最终展示一个优化的思维导图模型，帮助学生完善自己的知识网络，从整体上把握物态变化的规律。

  核心活动二：核心概念辨析与巩固练习

  设计一组概念辨析题和情境应用题，通过课堂抢答、小组竞赛或独立思考后全班讲解的方式进行。

  *辨析题示例：“冰冻衣服变干”和“湿衣服晾干”物态变化相同吗？“窗上的冰花”和“窗上的水珠”形成原因相同吗？

  *应用题示例：解释“库房常用电灯照射存放精密仪器的木箱防止受潮”的原理（利用钨丝升华后在冷处凝华？不对！主要是利用灯泡发热使空气温度升高，降低相对湿度，防止水蒸气液化或凝华。此题专门用于破除常见误区）。

  通过及时反馈与纠正，深化对概念本质的理解。

  核心活动三：项目成果展示与多元化评价

  在约定的课外时间（如一周后），举行项目成果展示会。各小组通过实物模型、设计图纸、PPT演示、视频记录等多种形式展示最终成果。评价采用多元主体参与的方式：

  1.小组自评：依据评价量规，反思项目过程中的得失、贡献度与合作情况。

  2.小组互评：其他小组从科学性、创新性、实用性、展示效果等方面进行打分和提问。

  3.教师评价：综合过程性表现（实验报告、中期汇报、参与度）和终结性成果，依据核心素养发展水平进行综合评价。

  展示与评价过程本身即是深度学习、交流碰撞、共同提升的过程。

  核心活动四：教学总结与素养升华

  教师进行总结性陈述，强调升华与凝华不仅是完善了物态变化的知识拼图，更是我们理解自然奥秘、推动技术创新的重要钥匙。从古代“积雪浮云端”的凝华诗意，到现代人工影响天气的凝华科技，人类一直在学习、利用和模仿自然。鼓励学生保持对生活现象的好奇心，运用所学的物理观念和科学思维去探索更广阔的世界，立志用科学服务社会，承担起时代赋予的责任。最后，可以留下一个开放性思考题：“如果利用升华吸热特性设计一个无需插电的沙漠冷藏箱，你将从哪些方面进行考虑？”将思考延续到课堂之外。

  八、板书设计

  （主板书区域）

  主题：升华与凝华

  一、概念

    升华：物质从固态直接变为气态。实例：樟脑丸变小、干冰消失、冰冻衣物变干。

    凝华：物质从气态直接变为固态。实例：霜、雾凇、窗上冰花、碘蒸气凝华。

  二、条件与特点

    升华：吸热→