初中物理九年级全一册《升华与凝华》探究式教学设计

初中物理九年级全一册《升华与凝华》探究式教学设计

  一、课程理念与课标分析

  本设计基于《义务教育物理课程标准（2022年版）》的核心素养导向，致力于在“物质”这一主题下，深化学生对物态变化这一核心概念的理解。课标明确要求，学生需“经历物态变化的实验探究过程，知道物质的升华和凝华，了解物态变化过程中的吸热和放热现象，能用物态变化知识说明自然界和生活中的有关现象”。这不仅是知识的传递，更是科学观念形成、科学思维发展、科学探究能力提升以及科学态度与社会责任感培养的综合性过程。

  升华与凝华，作为直接发生在固态与气态之间的物态变化，其过程往往不易被直接、连续地观测，从而成为学生认知中的难点与迷思概念高发区。传统的“告知-验证”式教学难以构建深刻理解。因此，本设计将以“证据导向的探究”与“模型构建与修正”为主线，通过精心设计的序列化实验、数字化传感器辅助以及真实情境的问题解决，引导学生主动建构概念，理解升华与凝华的条件、特点及其在自然界与技术中的应用，最终形成完整的物态变化认知模型，并体悟物质世界的变化之美与科学解释的力量。

  二、学情分析

  已有基础：九年级学生已经系统学习了熔化和凝固、汽化和液化四种物态变化，掌握了温度、热量、分子动理论等基础知识，具备了使用温度计、酒精灯等基本仪器的实验技能，并初步形成了“物态变化伴随着吸热与放热”的科学观念。他们的抽象逻辑思维能力正处于快速发展期，能够进行初步的归纳、推理和基于证据的论证。

  潜在困难与迷思：1.过程不可见性：升华和凝华过程（如碘、干冰）往往缺乏液态的中间态，与学生之前建立的“固-液-气”顺序变化经验模型冲突，容易产生认知困惑。2.现象混淆：易将凝华形成的“霜”“雾凇”与凝固形成的“冰”混淆；将升华现象（如樟脑丸变小）误认为是蒸发或直接“消失”。3.条件理解表面化：对“吸热”“放热”的条件理解停留在记忆层面，难以与具体的温度条件、环境能量交换建立动态联系。4.应用解释生硬：能背诵例子，但难以灵活运用概念解释复杂生活现象（如“人工降雨”中干冰的具体作用环节）。

  教学对策：针对以上学情，本设计将通过对比实验（如碘的升华与凝华vs.冰的熔化和凝固）、宏微结合（分子运动模拟动画）和工程实践任务（设计简易“人工造霜”装置），搭建认知脚手架，引导学生在冲突中修正模型，在应用中深化理解。

  三、学习目标

  基于核心素养，制定以下三维融合的学习目标：

  1.物理观念

  *能准确表述升华与凝华的概念，识别这两种物态变化，知道升华吸热、凝华放热。

  *能列举自然界和生活中升华与凝华的典型实例，并能用其初步解释相关现象。

  *能将六种物态变化进行系统整合，绘制出完整的物态变化关系图，形成结构化的知识网络。

  2.科学思维

  *通过对碘升华凝华实验的观察与描述，发展基于证据进行归纳推理的能力。

  *通过比较升华/凝华与熔化/凝固、汽化/液化的异同，运用对比、类比等思维方法，完善物态变化认知模型。

  *在分析“人工降雨”“舞台烟雾”等实际问题时，锻炼运用物理模型进行解释和设计的工程思维。

  3.科学探究

  *能在教师引导下，合作完成“碘的升华与凝华”探究实验，规范操作，客观记录现象。

  *能尝试提出关于影响升华快慢因素的猜想，并设计简单的对比实验进行初步验证。

  *能利用温度传感器等数字化工具，定量感知干冰升华过程中的剧烈吸热效应，体会技术对科学探究的支撑作用。

  4.科学态度与责任

  *通过欣赏雾凇、霜等自然现象，感受物质的形态之美，激发探索自然奥秘的好奇心。

  *在实验探究中养成实事求是、严谨细致的科学态度和合作交流的意识。

  *了解升华与凝华知识在食品保鲜（冷冻干燥）、医疗（低温手术）、航天（热防护）等领域的应用，认识科学技术对社会发展和人类生活的影响。

  四、教学重难点

  教学重点：升华和凝华的概念建立；升华吸热、凝华放热的特点及其在生活中的应用。

  教学难点：理解升华和凝华是固态与气态之间的直接转变，没有液态过程；运用升华和凝华知识解释复杂的自然与科技现象。

  突破策略：采用“实验震撼感知->慢过程放大观察->微观模型模拟->多情境迁移应用”的递进式策略。核心是通过碘的密闭管实验，可视化“消失”与“再生”的过程，强有力地证明物质没有消失，只是在固、气态间直接转换，从而从根本上突破难点。

  五、教学策略与方法

  本设计采用探究式教学法为主，融合情境教学法、讨论法和项目式学习（PBL）元素。

  *主导策略：问题链驱动探究。通过“樟脑丸为何变小？”“‘雪’为何不化而消失？”等一连串真实问题，引发认知冲突，驱动学生主动探究。

  *辅助策略：数字化实验（DIS）赋能。利用温度传感器实时测量干冰升华时环境的温度骤降，将“吸热”这一抽象概念转化为直观、精确的数据曲线，增强证据的说服力。

  *组织策略：小组合作与全班研讨相结合。在实验探究、案例分析环节进行小组协作，在概念形成、系统整合环节进行全班深度研讨。

  *评价策略：嵌入式评价与表现性评价并行。通过课堂提问、实验操作观察进行过程性评价；通过概念图绘制、现象解释报告进行终结性表现评价。

  六、教学准备

  1.教师准备：

  *演示实验器材：大型碘升华与凝华演示装置（带可控温加热板）、干冰若干、热水、棉手套、镊子、烧杯、表面皿、温度传感器（DIS系统）、投影装置。

  *多媒体资源：升华与凝华微观机理动画、雾凇/霜/雪的形成过程纪录片片段、航天器烧蚀防热层原理示意图、3D打印（SLA技术）原理短片。

  *教学课件：精心设计的PPT，包含问题情境、实验步骤指引、关键现象图片、对比表格、结构化板书框架。

  *学习任务单：包含预习问题、实验记录表、案例分析模板、概念图绘制区、分层巩固练习。

  2.学生准备（分组，4-6人一组）：

  *分组实验器材：碘升华管（密封有少量碘粒的透明玻璃管）、酒精灯（或热水杯）、铁架台、石棉网、湿抹布、护目镜。

  *辅助材料：记录本、笔。

  七、教学过程实施

  第一环节：创设情境，激疑引思（预计时间：8分钟）

  教师活动：

  1.现象展示一：出示一块旧的樟脑丸（卫生球），提问：“大家观察，这块樟脑丸和新的相比有什么不同？（变小了）它去哪了？是熔化了吗？还是蒸发了？”引导学生回顾已有知识，发现矛盾（常温下，樟脑丸熔点远高于室温，不易熔化；它本是固体，蒸发是液体特性）。

  2.现象展示二：播放一段延时摄影短片：在寒冷冬季，堆放的雪堆在没有阳光直射、温度始终低于0℃的情况下，体积逐渐减小直至消失，地面却是干燥的。提问：“雪没有融化成水，那它如何‘消失’的？”

  3.提出核心问题：“这些现象，用我们学过的四种物态变化都无法完美解释。物质是否可以不经过液态，直接在固态和气态之间相互转化呢？今天，我们就一起来侦查这‘消失’与‘重生’的秘密。”

  学生活动：

  *观察现象，积极思考。

  *基于已有知识尝试解释，产生认知冲突。

  *明确本节课要探究的核心问题。

  设计意图：从学生熟悉又困惑的生活现象入手，制造强烈的认知冲突，有效激发探究欲望，并直指本节课的核心概念——固气直接转换，为后续探究奠定心理和思维基础。

  第二环节：实验探究，建构概念（预计时间：25分钟）

  活动一：侦查“消失”的碘——升华现象的探究

  教师活动：

  1.介绍“侦查对象”与“工具”：出示碘升华管，说明管内封有少量固态碘粒，处于完全密封状态。

  2.提出“侦查任务”：“请各组安全地、缓慢地加热碘升华管（或用热水温热），仔细观察管内的碘发生了什么变化？注意观察部位：原来的碘粒处，以及玻璃管的内壁（尤其是冷端）。”

  3.指导实验与安全提示：强调酒精灯使用安全（或用热水替代），佩戴护目镜，加热要均匀缓慢。巡视指导，提醒学生多角度观察、及时记录。

  4.引导汇报与聚焦：待各组观察到明显现象后，组织汇报。聚焦关键描述：“固态碘粒是否变为了液态碘？”“是否有紫色气体出现？”“紫色物质最终在哪里重新出现？”

  5.引导归纳：根据学生汇报，板书关键词：固态碘->（加热）->紫色碘蒸气->（遇冷）->固态碘。明确告知：物质从固态直接变成气态的过程，叫做升华。

  学生活动：

  *小组合作，安全进行实验操作。

  *全神贯注观察，记录现象：固态碘粒逐渐减少，同时出现弥漫的紫色蒸气，随后在玻璃管较冷的内壁上凝结出针状、有金属光泽的固态碘晶体。

  *小组讨论，形成描述：碘没有经过液态，直接变成了气态，气态的碘又直接变成了固态。

  *汇报观察结果，在教师引导下形成对“升华”现象的初步概括。

  活动二：感受“寒冷”的升华——干冰实验与数字化感知

  教师活动：

  1.引入新“演员”：展示干冰（固态二氧化碳），介绍其特性（温度极低，-78.5℃）。

  2.演示实验1：戴手套取一小块干冰置于表面皿上，让学生观察其表面现象（大量白雾，但干冰本身不融化出液体）。强调白雾不是二氧化碳气体（无色），而是空气中的水蒸气遇冷凝华成的小冰晶或液化成的小水珠。

  3.演示实验2（DIS实验）：将温度传感器探头悬于盛有干冰的烧杯口上方，连接电脑投影。向烧杯中缓缓倒入少量热水。引导学生观察：a)现象：“沸腾”般的剧烈白雾；b)数据：温度传感器读数急剧下降。提问：“温度为什么骤降？能量去哪了？”

  4.建立联系：解释干冰在常温常压下会迅速升华，升华过程需要从周围环境吸收大量的热，导致环境温度急剧降低。因此，升华过程是吸热过程。

  学生活动：

  *观察干冰的“白雾”现象，理解其本质。

  *观看DIS实验，观察现象与实时温度曲线的对应关系。

  *思考并回答：温度下降是因为干冰升华时从空气中吸热。从而建立“升华吸热”的直观体验和数据支撑。

  活动三：定义凝华，完善关系

  教师活动：

  1.逆向提问：“在碘的实验中，紫色碘蒸气在冷管壁上重新变成固态碘，这对应着什么过程？”引导学生类比：气态变液态是液化，那么气态直接变固态呢？

  2.引出概念：物质从气态直接变成固态的过程，叫做凝华。

  3.追问能量：“凝华过程，是吸热还是放热？请结合我们之前学过的知识（液化放热、凝固放热）进行推理。”引导学生从“物态变化中，分子排列趋于有序会释放能量”的角度进行推理。

  4.确认结论：凝华过程是放热过程。

  5.系统整合：带领学生在黑板上共同绘制完整的物态变化六角图，明确升华（吸热）与凝华（放热）的位置，并总结“吸热”与“放热”的规律。

  学生活动：

  *通过类比推理，得出“凝华”概念。

  *运用已有观念（分子动理论、能量观）推理得出“凝华放热”。

  *参与构建完整的物态变化关系图，从系统上把握六种变化及其能量关系。

  设计意图：这是本节课的核心探究环节。通过碘管的实验，以无可辩驳的证据让学生“看见”固气直接转换，建构核心概念；通过干冰和DIS实验，将抽象的“吸热”可视化、数据化，深化理解；最后通过类比推理和系统整合，完成概念网络的建构，形成结构化知识。

  第三环节：深化理解，解析自然（预计时间：15分钟）

  教师活动：

  1.案例解析——自然界中的凝华：展示雾凇、霜、窗玻璃上冰花的精美图片。提问：“它们分别是如何形成的？与雪（凝固）有何区别？”引导学生分析：这些都是在温度极低（低于0℃）时，空气中的水蒸气直接凝华成固态冰晶附着在物体表面。播放雾凇形成过程的微观模拟动画。

  2.案例解析——生活中的升华：回到课前的樟脑丸、防蛀球。解释其利用升华特性，使气味分子持续散发。再举例：冬季结冰的湿衣服也能慢慢变干（冰的升华）；久放的冻肉会变轻（冰晶升华，即“冷冻脱水”）。

  3.挑战性任务——分析“人工降雨”：提供资料：人工降雨常用飞机播撒干冰或碘化银。提出问题链：“干冰在云层中起什么作用？（升华吸热，急剧降温）”“降温导致了什么？（使云中水蒸气、过冷水滴迅速凝华或凝固成冰晶）”“碘化银的作用是什么？（作为凝结核，促进水蒸气凝华）”。引导学生绘制人工降雨中物态变化的流程图。

  4.概念图绘制（个人/小组活动）：要求学生在学习任务单上，以“升华与凝华”为中心，绘制包含定义、特点（吸放热）、实例（自然/生活/科技）、易混现象辨析的概念图。

  学生活动：

  *分析图片和动画，用凝华知识解释霜、雾凇的形成。

  *列举并理解生活中的升华实例。

  *小组讨论，分析人工降雨中各环节的物态变化，绘制流程图。

  *独立或合作绘制概念图，进行知识内化和结构化。

  设计意图：将新建构的概念应用于解析复杂的真实情境，从解释简单现象到分析系统工程（人工降雨），逐步提升思维深度和知识迁移能力。概念图绘制是有效的元认知工具，帮助学生梳理知识脉络。

  第四环节：拓展迁移，聚焦科技（预计时间：10分钟）

  教师活动：

  1.科技前沿——航天热防护：展示航天器返回舱的图片，指出其表面有特殊的“烧蚀防热层”。简要解释：返回舱与大气摩擦产生极高热量，烧蚀材料会通过升华等物态变化，在此过程中吸收并带走巨额热量，从而保护舱体。升华，在这里扮演了“自我牺牲”的冷却卫士角色。

  2.科技前沿——3D打印（SLA）：播放一段光固化（SLA）3D打印技术的原理动画。解释：液态的光敏树脂在特定波长激光照射下，发生聚合反应（类似凝固）变成固态；而对于打印支撑结构，有时会使用一种特殊材料，打印完成后通过加热直接升华消失，留下干净的作品。升华技术实现了复杂结构的无残留支撑。

  3.科学精神升华：总结指出，从美丽的自然奇观到高精尖的航天科技，背后都离不开基本的物理原理。鼓励学生保持对身边现象的好奇，用科学的眼光去发现、去解释，未来甚至可以去创新应用。

  学生活动：

  *聆听并思考，了解升华原理在尖端科技中的关键应用。

  *感受物理知识与现代科技的紧密联系，体会科学原理的巨大价值。

  *激发科技兴趣与创新意识。

  设计意图：将知识视野从课本、生活引向科技前沿，展示物理原理的强大应用价值，体现科学的时代性，培养学生的科技情怀和创新志向，落实科学态度与社会责任的核心素养。

  第五环节：评价反馈，分层巩固（预计时间：12分钟）

  教师活动：

  1.课堂小结（学生主导）：邀请2-3名学生分享自己绘制的概念图，并简要总结本节课的收获。教师进行点评和补充。

  2.形成性评价练习（学习任务单上）：

  *基础层：判断与填空。如：“衣柜里的樟脑丸变小是升华现象。（）”“升华过程需要（）热。”

  *理解层：现象解释。如：“解释‘下雪不冷化雪冷’和‘霜前冷，雪后寒’的谚语中所含的物态变化及吸放热原理。”

  *应用层：简单设计。如：“请利用升华吸热的原理，设计一个简易的保鲜运输箱方案（说明主要材料和工作原理）。”

  3.布置分层作业：

  *必做作业：完成练习册相关基础题；查找并记录至少三个生活中课本未提及的升华或凝华实例，并尝试解释。

  *选做作业（二选一）：a)撰写一篇小短文《假如世界没有凝华》，畅想对自然和人类生活的影响。b)利用家庭条件（在家长指导下），尝试完成“制造人工霜”的小实验（将冰块和盐混合放在金属易拉罐外壁，观察现象），并写出实验报告。

  学生活动：

  *参与课堂小结，分享学习成果。

  *在规定时间内完成课堂练习，进行自我检测。

  *记录作业要求。

  设计意图：通过学生主导的小结和分层练习，及时评估学习效果。分层作业尊重学生差异，兼顾巩固与拓展，将探究延伸至课外，联系生活与想象，保持学习热情。

  八、板书设计（提纲式）

  主标题：升华与凝华

  一、概念

  *升华：物质从固态直接变成气态。（吸热）

  *凝华：物质从气态直接变成固态。（放热）

  二、关键实验现象

  *碘管实验：固态碘->（热）->紫色碘蒸气->（冷）->固态碘

  *干冰实验：固态CO₂-