八年级物理升华凝华过程对比探究教学设计

八年级物理升华凝华过程对比探究教学设计

一、基础信息与设计理念

（一）课题基本信息

课题：八年级物理第三章物态变化第4节升华与凝华——基于过程的对比探究教学

学段学科：初中二年级物理

课时安排：1课时（45分钟）

课型定位：新授课（概念规律课）、实验探究课

（二）设计理念与核心素养导向

本设计深度契合《义务教育物理课程标准（2022年版）》理念，以培养物理核心素养为导向，确立“从生活走向物理，从物理走向社会”的基本理念。打破传统教学中将升华与凝华作为孤立知识点进行讲授的模式，创新性地采用“对比研究”的视角，将二者构建为一对相互关联的逆过程进行深度探究。教学实施过程中，强调学生的亲身体验与科学思维，通过精巧的对比实验设计和跨学科的资源整合，引导学生经历“观察现象—提出问题—大胆假设—实验验证—归纳结论—解释应用”的完整科学探究链条，不仅帮助学生深刻理解物态变化的本质，更着力发展其模型建构、科学推理及辩证思维能力，实现知识传授、能力培养与价值观塑造的有机统一。

二、教学内容深度解析与对比维度确立

【基础】本节内容在初中物理热学板块中占据承上启下的关键地位。升华与凝华是物态变化的四种形式中较为抽象、不易直接观察的两种，且在实际生活中现象丰富但易被忽视。教材通常将二者并列呈现，但本设计强化了二者的内在联系与区别，将其视为动态变化的两个方面。

【核心要点】为实现有效对比，确立三大核心对比维度：

1.过程方向的对比：物质从固态直接变成气态（升华）与从气态直接变成固态（凝华）是方向相反的两个过程。

2.吸放热规律的对比：升华过程需要吸收热量，凝华过程需要放出热量，这一规律是理解能量守恒的关键。

3.发生条件与现象的对比：升华通常发生在物质未达到熔点、从周围环境或自身吸热的情况下；凝华则需要气态物质遇冷，温度降至其凝华点以下。现象上，升华表现为固体直接“消失”或变小，凝华表现为气体中直接“长出”固态物质。

【难点定位】凝华现象的微观理解（气体分子遇冷直接排列成晶体的过程）以及用分子动理论解释宏观现象，是本节认知难点。【高频考点】利用升华吸热解释生活中降温的实例（如干冰人工降雨、制造舞台烟雾），以及用凝华放热解释自然现象（如霜、雾凇的形成），是各类考查的重点。

三、学情精准画像与教学应对策略

（一）学生已有知识基础

学生已完成固态、液态、气态三种状态的认识，学习了熔化和凝固、汽化和液化的概念，掌握了物态变化的基本定义及吸放热规律。具备了一定的实验观察能力和初步的探究意识。对生活中的“樟脑丸变小”、“冬天窗户上的冰花”等现象有感性认识，但缺乏系统的科学解释。

（二）潜在认知障碍与难点

1.过程的“直接性”混淆：学生容易将升华误解为“固态先熔化再汽化”，将凝华误解为“气态先液化再凝固”，忽略“直接”这一核心条件。

2.现象的观察局限：干冰（固态二氧化碳）升华产生的“白气”现象，学生常误以为是“二氧化碳气体”，实际是水蒸气液化形成的小水滴，这一本质辨析极为重要，是跨学科（物理与化学）知识融合的切入点。

3.微观机制的理解障碍：难以从分子排列方式和分子间作用力的角度理解物态变化的本质，对凝华结晶过程缺乏直观想象。

（三）教学应对策略

1.对比策略：全程贯穿对比，从定义、吸放热、现象、实例等方面构建对比表格，让学生在比较中深化理解。

2.可视化策略：利用放大镜、视频慢放、显微镜下的晶体生长影像等手段，将微观的、快速的凝华过程可视化。

3.实验重构策略：摒弃传统的演示实验，设计分组探究实验，让每个学生都能亲手触摸干冰、观察碘的升华与凝华，增强体验感。

四、教学目标分层设定（基于核心素养）

（一）物理观念

【重要】1.能准确说出升华和凝华的定义，明确其区别于其他物态变化的“直接性”特征。

2.理解并记住升华过程需要吸热，凝华过程需要放热，并能从能量角度解释相关现象。

3.建立“物质三态在一定条件下可以相互转化，且转化伴随能量转移”的物质观和能量观。

（二）科学思维

【非常重要】1.模型建构：运用分子动理论模型，尝试用示意图表示出固态物质直接变成气态（分子间距急剧增大、克服束缚）和气态直接变成固态（分子受冷、间距急剧减小、形成有序结构）的微观过程。

2.科学推理：能够根据实验现象（如温度变化、状态变化）推理出吸放热关系。能够通过对比分析，归纳升华与凝华的异同点。

3.质疑创新：能够对生活中似是而非的现象（如“白气”的本质）提出质疑，并通过实验和理性分析寻求真相。

（三）科学探究

1.问题与证据：能基于观察和体验，提出关于升华凝华的可探究问题（如：碘升华需要什么条件？）。能设计简单的实验方案，规范操作，准确记录现象，并基于证据得出结论。

2.解释与合作：能对实验现象进行合理解释，并与同学交流探究结果。在分组实验中乐于合作，共同完成探究任务。

（四）科学态度与责任

1.激发对自然界中物态变化奥秘的好奇心和探索欲。

2.形成严谨认真、实事求是的科学态度，认识到物理知识在生活、生产及环境保护（如人工降雨、舞台效果、冰箱除霜）中的广泛应用价值，增强社会责任感。

五、教学重难点的确立与突破方案

（一）教学重点

1.升华与凝华的基本概念及吸放热规律。【高频考点】

2.通过实验探究归纳升华与凝华过程的特征。

（二）教学难点

1.理解升华和凝华的“直接性”，以及干冰升华“白气”的本质。【难点】

2.用分子动理论初步解释升华和凝华现象。

（三）突破方案设计

1.针对难点一（直接性）：采用“过程追踪法”。在碘的升华实验后，立即引导学生思考：“如果在试管中收集到的紫色碘蒸气，我们不加热而是冷却它，会发生什么？”随即进行凝华实验，让学生亲眼看到碘蒸气不经过液态，直接变成固态碘晶体附着在玻璃片上。通过这一完整、可逆的对比实验链条，直观呈现“直接”二字。针对干冰的“白气”，设计“干冰入水”对比实验，并用燃着的木条或澄清石灰水去检验“白气”上方气体的性质，证实“白气”并非二氧化碳气体。

2.针对难点二（微观机制）：采用“模型模拟法”。课前让学生准备大小不同的豆子（代表分子）和胶泥。课堂上，让学生用豆子模拟固态（排列紧密整齐）、液态（间距稍大、可滑动）、气态（间距极大、无规则运动）。然后，通过“加热固态”（快速振动，部分豆子逃离）模拟升华；“冷却气态”（豆子运动减慢，在玻璃片上形成有序排列）模拟凝华。将抽象概念具象化。

六、教学准备与资源整合

（一）实验器材准备（分组实验，4人一组）

1.核心器材：试管、试管夹、酒精灯、火柴、烧杯、石棉网、铁架台（带铁夹）、玻璃片、滴管。

2.实验物质：碘的晶体（少量，置于密闭试管中）、干冰（固态二氧化碳，保温桶盛装）、热水、冷水。

3.辅助器材：放大镜、温度计、黑色背景板、手电筒、香、澄清石灰水、燃着的木条、护目镜、手套。

4.跨学科素材：显微镜下水的凝华（雪花形成）过程视频、干冰人工降雨动画演示、冰箱制冷原理图。

（二）教学环境准备

实验室或常规教室配备移动式实验台，确保每组学生都能安全进行酒精灯操作。多媒体教学系统，用于播放视频和展示图片。

七、【核心环节】教学实施过程全景呈现（约3500字）

（一）创设情境，激趣导入——对比观察，引出课题（约3分钟）

教师活动：展示两幅极具视觉冲击力的图片——一幅是冬季树枝上洁白晶莹的“雾凇”奇观，另一幅是舞台上如梦似幻的“烟雾”效果。随后，播放两段简短视频：一段是北方寒冬晾晒的湿衣服直接结成冰，但一段时间后冰衣服竟然变干了（冰的升华）；另一段是从冰箱冷冻室取出的冻肉，表面迅速结起一层白霜（水蒸气的凝华）。

提问引导：“同学们，湿衣服结冰后变干，冰直接变成了什么？冻肉表面的白霜，又是从哪里来的？这个过程和我们之前学过的汽化、液化一样吗？它们之间又有着怎样微妙而神奇的联系？今天，就让我们像科学家一样，通过对比探究的方式，一起走进这个神秘的物质变化世界，揭开升华与凝华的真面目。”

学生活动：观看图片视频，产生认知冲突与好奇心，积极思考，进入学习状态。

设计意图：选取生活中常见但易被误解的现象，利用对比手法设置悬念，激发探究欲望，自然引出课题，并点明“对比研究”的视角。

（二）初步体验，感性认知——触摸干冰，感知冷热（约5分钟）

【基础操作】教师从保温桶中取出适量干冰，分发给各小组（强调必须戴手套或用镊子，严禁直接接触，以防冻伤）。

教师指导：“请大家在安全的前提下，用镊子夹取一小块干冰，放在玻璃片上，仔细观察它的外观。然后用手指隔着玻璃片感受一下它的温度。最后，向干冰上滴一滴水，看看会发生什么神奇的现象。”

学生活动：分组操作，观察并记录。发现干冰呈白色块状，不像冰那样湿润；隔着玻璃感到刺骨的寒冷；水滴在干冰上后，干冰剧烈翻滚，周围产生大量“白气”，水滴迅速冷却甚至结冰。

【非常重要】教师追问：“干冰周围涌现的大量‘白气’是什么？是二氧化碳气体吗？”（引导学生观察“白气”的形态——它是飘浮在空中的细小水滴，下沉，与空气的颜色不同）。指导学生点燃一根火柴，用镊子小心地将燃着的木条伸到“白气”上方，观察火焰是否熄灭。（火焰熄灭，证明“白气”上方主要是不支持燃烧的二氧化碳气体，而“白气”本身并非二氧化碳。）

师生共同得出结论：干冰（固态二氧化碳）在常温下极易升华，变成看不见的二氧化碳气体。这个过程需要吸收大量的热，使周围空气温度急剧下降，空气中的水蒸气遇冷液化成大量小水滴，就形成了我们看到的“白气”。而干冰本身直接变成了气体，并没有经过液态。

设计意图：通过触觉、视觉等多感官体验，让学生对升华吸热建立深刻的感性认识。通过燃烧实验辨析“白气”本质，解决本课最大难点，培养学生的证据意识和科学质疑精神。此为“感知升华”环节。

（三）核心实验，对比探究——碘的升华与凝华（约15分钟）

【非常重要】此环节是本课的核心，旨在通过同一个实验对象（碘），完成升华与凝华两个方向的连续、对比探究。

1.碘的升华实验探究

教师布置任务：“现在，请各小组利用提供的碘晶体、试管、酒精灯等器材，设计实验证明碘可以由固态直接变成气态，并判断这个过程是吸热还是放热。”

学生分组讨论并设计实验方案。教师巡视指导，提示安全使用酒精灯的方法，强调观察重点：试管底部碘晶体的变化、试管壁上有无液态物质出现、温度计的示数变化。

学生分组实验：

将少量紫黑色碘晶体放入试管底部。

用试管夹夹持试管，在酒精灯上微微加热试管底部（使用外焰）。

同时，将一支温度计的玻璃泡置于试管口附近（不接触固体碘），观察温度变化。

仔细观察试管底部和试管壁。

实验现象记录：加热后，试管底部紫黑色碘晶体减少，同时试管内出现越来越多的紫色碘蒸气。整个过程中，试管壁上没有出现任何液态碘。温度计示数升高（证明热量传递给了碘）。

小组汇报与讨论：学生汇报实验现象，并基于现象推断——碘受热后由固态直接变成了气态，这是升华现象；加热表明这个过程需要吸收热量。教师追问：“你们如何确定没有经过液态？”学生回答：“因为没看到任何液态物质出现。”

2.碘的凝华实验探究（对比研究）

教师引导：“刚才我们让碘从固态变成了气态，实现了升华。现在，我们能否不借助任何化学变化，让这些紫色的碘蒸气重新变回固态？请大家思考方法，并尝试操作，看看谁能让碘蒸气‘结晶’。”

学生再次实验：移开酒精灯，停止加热。学生发现紫色蒸气逐渐变淡。教师启发：“怎样才能让它更快地变回固态？”学生自然想到降温。教师提供冷水、玻璃片等材料。

学生进行凝华实验：

用冷水浸湿的玻璃片，盖在盛有碘蒸气的试管口（或直接用冷玻璃片靠近试管上部）。

观察现象：紫色的碘蒸气遇到冷的玻璃片，迅速在其内表面析出紫黑色、有金属光泽的碘晶体（针状或片状）。

用手触摸试管壁和玻璃片，感受温度变化。

实验现象记录：冷玻璃片上迅速长出固态碘晶体，此过程未经过液态。接触玻璃片感觉较热。

小组汇报与讨论：学生汇报现象，并推断——碘蒸气遇冷后直接由气态变成了固态，这是凝华现象；过程中感觉到热，表明凝华放热。

【难点攻克】教师结合现象，强化升华和凝华的“直接性”，并引导学生从分子动理论角度思考：加热时，碘分子获得能量，运动加剧，挣脱固体分子间作用力的束缚，直接扩散到空间，这是升华。遇冷时，碘分子失去能量，运动减慢，分子间作用力将它们拉拢在一起，直接形成有规则的晶体结构，这是凝华。

设计意图：通过同一个物质的连续可逆实验，构建出最直观、最深刻的对比学习情境。学生在动手操作、观察现象、推理判断中，自主建构了升华与凝华的概念，掌握了吸放热规律，并初步运用微观模型进行解释，有效突破了教学重难点，培养了科学探究和科学思维能力。

（四）归纳总结，构建模型——对比分析，内化知识（约7分钟）

教师引导学生，以小组为单位，根据刚才的实验过程和结果，从多个维度对升华和凝华进行对比归纳，并尝试用示意图或简短文字构建出二者的微观模型。

【重要】教师组织全班交流，逐步形成系统化的知识结构：

过程方向对比：升华（固态→气态）与凝华（气态→固态），方向相反，互为逆过程。

吸放热规律对比：升华吸热，凝华放热。这是能量守恒的体现。从分子动理论看，升华是分子克服引力做功、内能增加的过程；凝华是分子势能减小、内能减少并释放能量的过程。

发生条件对比：升华通常在温度升高或压强降低时发生（固体获得能量）；凝华通常在温度降低（气体遇冷）或压强增大时发生。

现象特征对比：升华表现为固体直接变小、消失；凝华表现为气体中直接“生长”出固体。

学生利用教师提供的豆子、胶泥等材料，在背景板上展示自己构建的微观模型。一组学生用豆子紧密排列表示固态，用豆子稀疏且运动表示气态，中间用箭头连接，并标注“吸热”和“放热”。

教师对学生的模型给予肯定和指导，并补充自然界中精美的凝华现象（如雪花、霜），播放显微镜下雪花生长的视频，加深学生对“直接结晶”过程的直观感受。

设计意图：引导学生在充分体验和探究的基础上，进行理性归纳和抽象建模，将感性认识上升为理性认识，完成知识的系统化、结构化，实现深度学习。

（五）迁移应用，走向生活——解释现象，拓展视野（约10分钟）

【高频考点应用】教师呈现一系列生活、生产及自然现象，要求学生以小组为单位，选择其中1-2个现象，运用今天所学的升华和凝华知识进行解释，并在全班分享。现象库包括：

1.人工降雨的秘密：播放干冰人工降雨的动画。提问：“干冰被飞机撒入云层后，发生了什么物态变化？这个过程吸热还是放热？最终雨滴是如何形成的？”（引导学生分析：干冰升华吸热→使云中温度急剧下降→水蒸气凝华成小冰晶或液化成小水滴→小冰晶下落熔化或小水滴合并变大→形成降雨。这个过程涉及升华吸热、凝华放热和熔化。）

2.舞台上的“云雾”仙境：提问：“舞台上如梦似幻的烟雾是如何快速产生的？这些烟雾是二氧化碳气体吗？”（干冰升华吸热，使空气中的水蒸气液化形成小水滴。）

3.灯炮为什么会变黑？展示长时间使用的白炽灯泡（或卤素灯）图片，观察灯泡内壁靠近灯丝处发黑的现象。提问：“黑色物质是什么？它是怎么形成的？”（灯丝是钨，高温下钨升华成钨蒸气，关灯后温度降低，钨蒸气在温度较低的灯泡内壁上凝华成固态钨颗粒。）

4.樟脑丸的“消失”与“衣柜里的香味”：提问：“放在衣柜里的樟脑丸（萘或樟脑）为什么过一段时间就变小甚至不见了？衣柜里为什么会有香味？”（樟脑丸升华变成气态的樟脑分子，扩散到空气中。）

5.寒冬的冰花与霜的形成：展示美丽的窗花和地面上的白霜图片。提问：“冰花和霜是水凝固形成的吗？它们通常出现在什么天气条件下？”（是空气中的水蒸气在极冷的夜晚，直接凝华成固态的冰晶，附着在窗户或地面上。这个过程放热，通常发生在晴朗寒冷的夜晚，因为地表辐射冷却强烈。）

6.冷冻食品的“冻伤”：展示冰箱里存放时间较久的冻肉，表面有干燥和白色斑点。提问：“为什么冻肉表面会变干、发白？”（冰箱内温度较低，食品表面的冰晶直接升华成水蒸气，被冰箱的冷空气带走，导致食品表面脱水干燥。同时，这些水蒸气可能在冰箱的蒸发器上凝华成霜。）

各小组积极讨论，选派代表发言，运用本节课的术语进行解释。教师对学生的解释进行点评和修正，特别强调现象中可能涉及的多个物态变化过程的辨析。

设计意图：将所学知识应用于解释丰富多彩的真实世界，是物理学习的最终归宿。通过此环节，学生体会到物理知识就在身边，增强学习的兴趣和成就感。同时，综合运用升华、凝华以及已学的熔化、汽化、液化等知识分析问题，提升了知识的整合与迁移应用能力，回应了高频考点要求。

（六）课堂小结与学习评价（约3分钟）

1.学生自主小结：请学生用一句话概括今天最大的收获，可以是知识的、方法的或情感态度的。

2.教师总结升华：今天我们通过对比探究的方式，不仅认识了升华和凝华这对神秘的好兄弟，更重要的是，我们经历了“观察现象—大胆猜想—实验验证—解释应用”的科学探究过程，学会了用对比的眼光、联系的观点看待物理规律。物质三态的变化，背后是分子运动和能量的变化，这扇通往微观世界的大门，正等待大家继续探索。

3.过程性评价：教师对各小组在实验中的合作情况、探究深度、汇报表现给予简短点评和鼓励。

八、板书设计（框架式，实施时书写）

八年级物理第4节升华与凝华（对比探究）

一、定义对比

升华：物质从固态直接变成气态的过程。（吸热）

凝华：物质从气态直接变成固态的过程。（放热）

关键：直接（不经过液态）

二、实验对比（碘）

加热碘：碘晶体→紫色碘蒸气（吸热、升华）

冷却碘蒸气：紫色碘蒸气→碘晶体（放热、凝华）

三、微观解释对比

升华：分子获得能量，挣脱束缚，间距变大。

凝华：分子失去能量，受引力约束，排列有序。

四、生活应用对比

升化吸