初中八年级物理上册《升华和凝华》同课异构高阶教学设计

初中八年级物理上册《升华和凝华》同课异构高阶教学设计

一、教学背景分析

（一）教材分析

本节课选自人教版八年级物理上册第三章第4节，属于“物态变化”知识体系的收官之作。教材在前三节系统讲授熔化、凝固、汽化、液化四种经典物态变化的基础上，引入升华与凝华这两种固态与气态之间的直接转化过程。本节内容不仅完善了物态变化的完整闭环，更将热学知识与生活现象、自然奇观紧密联结，体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。教材编排以碘的升华实验为核心载体，辅以樟脑丸变小、霜的形成、雾凇、雪景等实例，引导学生通过观察、推理建立物理观念。【非常重要】【高频考点】本节是初中热学部分的难点之一，因其过程不可见或变化缓慢，需借助宏观现象进行微观解释，对学生的抽象思维和模型建构能力提出了较高要求。

（二）学情分析

八年级学生平均年龄13至14岁，处于形式运算思维发展阶段，已具备一定的观察、比较、归纳能力。通过前三节的学习，学生已经掌握了温度、热量、物态变化的条件等基础知识，能够从分子动理论的视角初步理解熔化吸热、凝固放热、汽化吸热、液化放热的微观本质【基础】。然而，升华与凝华的过程在日常生活中虽不鲜见（如冰冻衣服变干、霜的形成），但学生往往未能将其准确定性为固态与气态的直接转化，容易与“先熔化再汽化”或“先液化再凝固”的间接过程混淆【难点】。此外，学生对“吸热”与“放热”的判断尚需强化，特别是在没有明显温度变化的情境下。跨学科视野要求本设计需融合化学中碘的物理性质、地理中云和降水的形成机制，帮助学生建立立体认知结构。

（三）课标要求

《义务教育物理课程标准（2022年版）》在“物质”主题下明确指出：通过实验探究物态变化过程，尝试将物态变化与生活实践相联系；能用水的三态变化解释自然界中的一些水循环现象，有节约用水的意识。针对升华和凝华，课标要求“知道升华和凝华现象，了解它们在实际生活中的应用”。本设计将课标要求拆解为可观测、可测量的行为目标，并借助同课异构的多条路径分别达成：实验探究构侧重科学探究能力，问题驱动构侧重科学推理与论证，跨学科实践构侧重模型建构与社会责任。

二、教学目标与核心素养

（一）物理观念

1.形成升华与凝华的准确概念：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。【基础】

2.确立升华吸热、凝华放热的能量观念，并能解释相关热现象。【重要】

3.完善物态变化体系，理解六种物态变化之间的本质区别与联系，构建“物态变化六环图”。【非常重要】

（二）科学思维

1.模型建构：运用分子动理论模型解释升华和凝华过程中分子间距、分子间作用力及能量的变化。【难点】

2.科学推理：通过观察碘的升华实验现象，推断固态碘并未经历液态阶段，培养基于证据的逻辑推理能力。

3.质疑创新：针对生活现象中易混淆的过程（如“冻干”“雾凇”），设计辨析性问题，发展批判性思维。

（三）科学探究

1.经历完整的碘升华实验探究过程：提出问题、猜想假设、设计实验、进行实验、收集证据、解释与结论、评估交流。【高频考点】

2.学会使用酒精灯加热、观察固态碘的变化、检验碘蒸气在冷表面凝华等基本操作，强化实验安全意识。

3.通过同课异构中不同实验方案（封闭试管法、烧杯热水法、对比实验法）的比较，体会实验方案优化的思路。

（四）科学态度与责任

1.通过欣赏雾凇、雪、霜等自然奇观，感受自然界物态变化之美，激发热爱自然、探索未知的情感。

2.通过分析舞台“烟雾”、干冰保鲜、人工降雨等技术应用，认识物理知识对社会发展的促进作用，树立科技强国信念。【热点】

3.在小组合作实验中养成严谨求实、合作分享的科学态度，并能用物理语言准确表达观察结果。

三、教学重难点

（一）教学重点

1.升华与凝华的概念及吸放热判断。【基础】【高频考点】

2.用分子动理论解释升华和凝华的微观机制。【重要】

3.碘升华实验的规范操作与现象分析。

（二）教学难点

1.理解固态与气态之间的直接转化，排除“中间必须经过液态”的错误前概念。【难点】

2.区分生活中相似的物态变化现象，如冰冻衣服变干（升华）与湿衣服变干（汽化）的本质差异。

3.将升华吸热、凝华放热应用于解释复杂情境（如人工降雨中干冰的作用分两步分析）。

四、教学方法与准备

（一）教法学法

教法上采用“同课异构”多路径并行呈现，分别以实验探究链、问题链、项目链为主线，融合讲授法、演示法、讨论法、支架式教学法。学法上引导学生采用观察记录、因果推理、小组辩论、概念图绘制等策略。本设计特别强调跨学科视角：引入化学学科中碘的特性、地理学科中水循环的环节，帮助学生从更高站位理解物态变化在自然系统中的普遍性。

（二）教学准备

1.教师准备：碘升华凝华演示器（大试管、酒精灯、铁架台、石棉网、烧杯、冷水）、干冰、樟脑丸、电热吹风机、实物展台、红外温度传感器、雾凇和雪的视频素材、舞台烟雾模拟装置、平板电脑用于实时投屏。

2.学生分组器材：每组碘晶体少许、具支试管、橡胶塞、冷玻璃片、酒精灯、火柴、火柴回收器、护目镜。

3.预习任务：拍摄生活中疑似升华或凝华的现象照片，上传班级学习平台。

五、教学实施过程（核心环节，占篇幅85%）

（一）同课异构第一构：实验探究型——在现象观察中建构概念

1.情境导入（3分钟）

教师手持一件刚从冷冻室取出的湿衣服，展示其已经冻硬，提问：“这件衣服若不晾晒，在北方寒冷的室外放置几天，它会变干吗？变干的过程中衣服一直处于0℃以下，液态水根本不会出现，水去哪里了？”学生基于生活经验回答“直接变成水蒸气了”。教师顺势引出：固态冰不经过液态直接变成气态水蒸气，物理学中称这种现象为升华。此时教师展示预习作业中优秀摄影作品——冬季室外冰冻的衣服变干，给予点赞。【基础】随后教师话锋一转：“升华是否必须有可见的液态阶段？让我们通过实验来证伪。”

2.新知探究（25分钟）

【实验1】碘的升华与凝华——封闭试管法（分组实验）

（1）猜想与假设：各组领取少量紫黑色碘晶体，观察其外观，记录颜色、状态。猜测加热后会变成什么颜色气体？玻璃片冷却后会出现什么？

（2）设计实验方案：小组讨论并绘制实验装置简图。教师引导：碘蒸气有毒，必须密封；如何快速冷却碘蒸气使其凝华？

（3）进行实验：学生用酒精灯外焰加热盛有碘晶体的具支试管底部，观察紫色碘蒸气的产生，并记录温度（可用红外温度传感器监测试管底部温度，显示未达到碘的熔点113.5℃）。随后将冷湿玻璃片盖在试管口，观察玻璃片上迅速析出的紫黑色针状晶体。【非常重要】【高频考点】

（4）证据与解释：各组汇报观察结果——加热时固态碘直接变成紫色气体，冷却时紫色气体直接变成固态碘，整个过程未见液态碘。由此得出：固态碘和气态碘可以直接相互转化，前者是升华，后者是凝华。

（5）评估交流：为何试管底部温度远低于碘的熔点，固态碘依然能变成气态？教师引入分子动理论：任何温度下固体表面都有少量分子逸出成为蒸气（蒸发），加热加速了这一过程，当蒸气遇到冷表面，分子动能减小，直接排列成固体。【难点】

【实验2】干冰升华可视化（教师演示+学生代表体验）

将一块干冰放入盛有热水的烧杯中，立即产生大量白雾。提问：“白雾是二氧化碳气体吗？为什么是白色？”学生辨析：二氧化碳气体无色，白雾是水蒸气液化形成的小水滴，干冰升华吸热使周围水蒸气温度降低液化。此环节不仅巩固升华吸热，同时复习液化。【重要】

【实验3】樟脑丸的升华（课外实验短视频播放）

展示一颗樟脑丸放在通风处一周前后质量对比，验证升华现象缓慢但持续发生。

3.总结提升（5分钟）

师生共同绘制物态变化六环图，将升华、凝华填入固态与气态之间的双向箭头，并标注吸热、放热。教师强调：固态→气态（吸热），气态→固态（放热）。学生完成概念辨析题：下列现象哪些是升华？哪些是凝华？——霜、雾凇、冬天玻璃窗内的冰花、灯泡用久变黑、雪人变小。【高频考点】

4.反馈检测（7分钟）

（1）基础检测：用一句话解释“舞台上的烟雾”是如何形成的。

（2）进阶检测：小组辩论——人工降雨中，播撒干冰和播撒碘化银的原理是否相同？引导学生分别从升华吸热降温（干冰）和凝华结晶核（碘化银）两个角度作答，渗透同课异构的思维延伸。【热点】

（二）同课异构第二构：问题驱动型——在逻辑思辨中升华认知

1.情境导入（4分钟）

呈现一组矛盾现象：冬天室内温度20℃，室外-5℃，玻璃窗上出现了冰花；同一扇窗，夏天室内开空调，玻璃窗外侧出现小水珠。提出问题串：

问题1：冰花出现在玻璃的内侧还是外侧？为什么？

问题2：冰花的形成经历了哪几种物态变化？有人认为是先液化再凝固，有人认为是直接凝华，哪种正确？证据是什么？

问题3：如果冬天用湿抹布擦拭玻璃内侧，冰花会暂时消失，这又涉及什么物态变化？

以问题链驱动思维冲突，激发探究动机。

2.新知探究（24分钟）

【环节1】现象归类与概念初建

学生分组讨论上述问题，结合生活经验提出假设。教师提供微视频资源：显微镜下霜的晶体结构，呈现六角形枝状，与水相似但与冰有差异。引导学生阅读教材，明确霜是空气中的水蒸气遇到0℃以下物体直接凝华而成，不经历液态。【基础】

【环节2】论证与反驳——冰花成因辨析

教师展示模拟实验：将金属片置于冰箱冷冻室充分冷却后取出，迅速放入盛有温水的烧杯上方，观察金属片表面出现的白霜。实验证明：水蒸气遇到冷表面可直接凝华。学生以此为依据，反驳“先液化再凝固”的错误观点，建立凝华概念。【难点】

【环节3】微观模型类比

教师利用宏观模型辅助推理：磁钉模拟水分子，低温下分子排列整齐（固态），高温下分子四处散开（气态）。当气态分子快速撞上极冷表面时，来不及排列成液态就被“冻结”在固态位置上，从而形成凝华。学生用身体动作模拟分子运动状态，加深理解。

【环节4】升华的逆向推理

从凝华反推升华：既然气态可以直接成固态，那么固态是否也能直接成气态？学生列举冰冻衣服、樟脑丸、陈旧碘盐等实例，并设计简单的验证方案（用塑料袋密封樟脑丸，观察袋内壁是否有晶体）。【重要】

3.总结提升（6分钟）

以问题收敛：水蒸气变成霜、雾凇、冰花都是凝华现象，需要遇冷放热；固态碘、干冰、樟脑丸、冰冻衣服变干都是升华现象，需要吸热。教师补充升华在工业中的应用：冷冻干燥技术保存食品和药品，升华吸热制冷原理。【热点】学生绘制本节的思维导图（课后完善），要求包含概念、实例、能量、微观解释四个维度。

4.反馈检测（6分钟）

（1）实时投票：推送四张图片（窗花、雪人变小、灯丝变黑、冰棍包装袋上的白粉），判断哪些是凝华，哪些是升华。全班正确率达到90%以上。

（2）书面表达：用“先……后……”句式描述人工降雨中干冰的工作过程，必须包含“升华吸热”“凝华”“液化”三个术语。

（三）同课异构第三构：跨学科实践型——在真实项目中统摄迁移

1.情境导入（5分钟）

播放纪录片片段：青藏高原冰川表面为何会出现“冰塔林”？为何有些极地科考队员的衣服“冻干”而不是晾干？展示来自地理学科的疑问：云中的冰晶与雪花的形成有何区别？教师宣布本节课的项目任务：以“物态变化侦察员”的身份，解密自然奇观和现代科技中的升华与凝华，最终制作一期校园科普长廊展板。

2.新知探究（26分钟）

【子项目1】化学视角：碘的升华凝华条件优化

学生分组探究“影响碘升华快慢的因素”。方案包括：改变酒精灯加热时间、改变碘颗粒大小、在试管不同位置加热等。学生发现碘升华并非只在熔点发生，任何温度都有升华，只是速率不同。将实验数据绘制成简图，解释“为什么灯泡用久会发黑”——钨丝高温升华，遇冷玻璃凝华。【高频考点】

【子项目2】地理视角：云、雾、霜、雪的形成机制

教师提供气象学示意图：高空温度低，水蒸气直接凝华成冰晶，冰晶合并下落过程中若经过暖层则融化形成雨，若全程低温则形成雪。学生利用本节课所学的凝华放热解释：凝华过程释放潜热，减缓气温下降速度，影响云层发展。此处为跨学科思维生长点。【重要】

【子项目3】环境视角：干冰舞台烟雾的安全与环保

角色扮演：学生分为“特效师”“安全员”“环保志愿者”。特效师陈述干冰烟雾原理；安全员强调干冰温度极低（-78.5℃），不可直接触碰，且二氧化碳浓度过高会导致缺氧；环保志愿者对比液氮烟雾与干冰烟雾的碳排放差异，提出使用建议。此环节将物理知识与社会责任感深度融合。【热点】

3.总结提升（7分钟）

各项目组汇总发现，形成本组对升华和凝华的完整解释。教师进一步统摄：无论是微观的碘分子，还是宏观的水循环，乃至工业生产中的冻干技术，其底层逻辑都是分子在固态和气态之间的跃迁，伴随能量的吸收与释放。学生完成跨学科概念图，将物理“物态变化”与化学“物质性质”、地理“水循环”联结。

4.反馈检测（7分钟）

（1）项目成果初展：每组绘制一幅“升华与凝华跨界联系图”，包含至少三个学科的现象，并用物理原理解释。教师巡视指导，选取典型作品投屏点评。

（2）开放性试题：2022年北京冬奥会人工造雪系统利用高压将水打成微小液滴，在冷空气中迅速凝固成冰晶。请从物态变化角度分析，此过程是凝固而非凝华，为什么？如果要实现“人工造霜”，你认为需要什么条件？此题旨在辨析凝固与凝华的本质区别，检验学生高阶思维。【难点】

六、板书设计

（主板书区）

第三章第4节升华和凝华

一、升华：固态→气态，吸热

实例：碘加热、冰冻衣服变干、樟脑丸变小、干冰

二、凝华：气态→固态，放热

实例：霜、雾凇、窗花、灯泡变黑

三、微观解释：分子间距急剧增大/减小，需克服/释放分子力做功

四、物态变化六环图（含六种变化箭头及吸放热）

（副板书区）

易错辨析：

1.“白气”不是气体，是小水滴

2.雾凇是凝华，不是凝固

3.干冰“烟雾”是液化辅助现象，升华是原因

七、作业设计

（一）基础巩固作业

1.完成教材《动手动脑学物理》第3、4题。

2.家庭小实验：将冰块放入密封袋中，置于冷冻室，一周后观察质量变化并解释。（提示：冰能否升华？）

（二）拓展提升作业

1.查阅资料：冻干食品的制作流程，说明每一个步骤对应的物态变化，并绘制流程图。【热点】

2.撰写一篇300字左右的科普短文，主题三选一：《霜是从天上掉下来的吗》《舞台烟雾背后的物理魔法》《灯泡变黑之谜》。

（三）跨学