初中一年级科学（浙教版）《升华与凝华》深度学习教学设计

初中一年级科学（浙教版）《升华与凝华》深度学习教学设计

  一、设计思想与理论依据

  本教学设计以发展学生核心素养为根本导向，深度融合建构主义学习理论、现象教学法以及科学探究实践的理念。我们摒弃传统的、孤立的物质状态变化知识传授模式，致力于构建一个以学生为主体、以真实情境为锚点、以深度探究为主线的概念学习网络。我们坚信，学生对“升华”与“凝华”这两个直接发生在固态与气态之间的物态变化概念的理解，不应止步于识记定义与列举实例，而应深入到微观粒子运动的本质层面，并能运用这一概念模型解释复杂的自然现象、解决实际生活中的简单问题，进而体悟物质世界的统一性与变化性。本设计强调“感知现象-提出问题-建立模型-实验验证-迁移应用”的完整科学探究循环，注重引导学生从宏观辨识走向微观探析，从定性描述迈向定量思维（初步），在动手实验、合作研讨、论证推理中实现概念的自主建构与意义生成。同时，教学设计渗透STSE（科学、技术、社会、环境）教育思想，将学科知识与科技应用、社会生活、环境保护紧密联系，培养学生的科学态度与社会责任感。

  二、教学内容与学情分析

  （一）教学内容剖析

  “升华与凝华”是浙教版初中科学七年级上册第四章“物质的特性”中“物质的构成与变化”单元的关键组成部分。在此之前，学生已经系统学习了熔化、凝固、汽化、液化等发生在固态与液态、液态与气态之间的物态变化，初步建立了物态变化受温度影响、伴随着吸热或放热过程的宏观认知，并对物质由微粒构成、微粒在不停运动等微观图景有了基础了解。本节课的内容，实质上是将学生的物态变化知识体系从“三态六变”补充完整至完整的六种变化，是学生认知结构的一次重要同化与顺应过程。其教学价值不仅在于知识本身的完整性，更在于借助这两个相对“隐形”的变化过程，深化学生对物态变化本质的理解——即所有物态变化的微观实质都是构成物质的微粒间距离和排列方式的变化，以及能量转移（吸热或放热）在其中所起的关键驱动作用。教学重点在于引导学生通过实验观察和事实分析，自主归纳出升华与凝华的概念、条件（吸热与放热）及典型实例；教学难点在于从微观角度解释升华与凝华过程，并运用概念辨析复杂情境（如“樟脑丸变小”同时涉及升华与可能的熔化蒸发）中的主导变化过程。

  （二）学情现状研判

  七年级学生正处于从具体运算思维向形式运算思维过渡的关键期。他们的认知特点表现为：对直观、生动、新奇的现象充满好奇，具备一定的观察能力和动手操作意愿；能够进行简单的逻辑推理，但抽象概括、模型建构和系统分析的能力尚在发展中；已有知识结构中关于物态变化的前概念可能不够稳固，特别是对“状态”和“变化”的微观理解较为模糊。学生生活中可能接触过樟脑丸变小、冬天结霜、干冰制造“白雾”等现象，但大多未曾从科学角度进行系统观察与思考，甚至存在一些迷思概念（如认为“白雾”是二氧化碳气体本身）。因此，教学需提供强烈、可控的直观现象刺激，设计层层递进的问题链，引导学生从“看到什么”深入到“为什么会这样”，并适时借助多媒体动画等手段，将微观过程可视化，帮助学生跨越从宏观现象到微观本质的思维鸿沟。同时，通过小组合作探究，促进学生之间的思维碰撞，在交流与论证中修正和完善自己的概念体系。

  三、核心素养导向的教学目标

  基于上述分析，确立以下多维融合的教学目标：

  1.科学观念：通过实验观察与现象分析，能准确表述升华与凝华的概念，识别其发生的条件（吸热或放热），并能列举自然界和日常生活中的典型实例。构建完整的物态变化认知框架，理解六种变化之间的相互联系与区别。

  2.科学思维：发展基于证据的推理能力，能够从宏观实验现象推断物质状态的变化过程，并尝试从微粒运动的角度进行初步解释。通过比较、分类、归纳等方法，梳理升华、凝华与其他物态变化的异同。初步形成模型认知，能用粒子模型描述升华与凝华过程中的微观图景。

  3.探究实践：能够独立或合作完成“碘的升华与凝华”等基础实验，规范操作，细致观察，如实记录。能针对观察到的现象提出可探究的科学问题，并设计简单的实验方案进行验证。经历“提出问题-猜想假设-实验探究-结论分析”的基本探究过程。

  4.态度责任：激发对自然界物质变化奥秘的好奇心和探究热情，体验科学探究的乐趣与严谨。认识到科学知识对解释自然现象、指导生活实践的价值（如冷链运输、人工降雨等）。树立物质是运动的、变化是有规律的唯物主义观点，培养节能环保的意识（如讨论冰箱节能与霜的关系）。

  四、教学资源与材料准备

  1.演示实验材料：大号透明密封玻璃罩、干冰（固态二氧化碳）若干、热水一小杯、镊子、橡胶手套；樟脑丸（天然或合成）及放置数月后的对比样品；长期使用后的旧白炽灯泡（内壁有黑色钨凝华物）。

  2.分组探究材料（每组一套）：带铁架台的酒精灯（或恒温加热套）、石棉网、大号圆底烧瓶（或碘升华管）、碘粒少许、盛有冷水的烧杯（用于冷却烧瓶上部）、镊子、护目镜。

  3.辅助教学技术：多媒体课件（内含雪花形成、极光地区冰晶凝华、半导体工业升华提纯等视频或高清图片；物态变化微观粒子运动动画）；实物投影仪；交互式白板（用于学生概念图绘制展示）。

  4.学习工具单：包含“实验观察记录表”、“概念辨析挑战卡”、“生活中的升华与凝华现象调查表”。

  五、教学实施过程

  本教学过程设计为五个紧密衔接、螺旋上升的环节，预计用时两个标准课时（共90分钟）。

  第一环节：悬疑入境，问题驱动（预计用时：12分钟）

  教师活动：创设一连串富有冲击力和认知冲突的实物情境。

  首先，教师佩戴橡胶手套，用镊子取出一小块干冰置于透明密封玻璃罩内的培养皿中。接着，向玻璃罩底部缓缓倒入少量热水（注意安全，避免烫伤）。瞬间，玻璃罩内“白雾”翻涌，向下弥漫，宛如仙境，但玻璃罩外壁保持清晰。教师提问：“大家看到的这滚滚‘白雾’是什么？是二氧化碳气体吗？二氧化碳是无色无味的，我们能看到吗？”学生通常会被现象吸引并产生困惑。

  随后，教师展示新旧两个樟脑丸：一个全新、棱角分明；另一个是从衣柜中取出的、放置数月后明显变小、表面圆滑的旧丸。提问：“衣柜里的樟脑丸为什么会‘悄然消失’？它变成了什么？这个过程是熔化后蒸发，还是直接发生了变化？”

  最后，展示一个旧白炽灯泡，指向其内壁的黑色沉积物。提问：“灯泡发光时灯丝温度极高，这层黑色的物质是什么？它从哪里来？怎么到玻璃内壁上的？”

  学生活动：观察现象，被问题激发，展开初步思考和同伴间的短暂交流。基于已有知识（汽化、液化），他们可能对“白雾”成因有不同猜测（水蒸气？小水滴？），对樟脑丸的消失感到好奇，对灯泡变黑有所耳闻但不明原理。

  设计意图：利用干冰升华吸热使周围水蒸气液化形成“白雾”这一复杂且反直觉的现象（学生易将“白雾”误认为气体），以及生活中常见但机理不明的实例，制造强烈的认知冲突和探究欲望。这三个情境分别从“低温升华制造低温环境引发其他变化”、“固体直接消失”、“高温下固体直接转移”三个不同角度，指向了本节课的核心概念——固态与气态之间的直接转换，为后续探究提供了丰富的现实素材和明确的问题导向。

  第二环节：探究建构，概念生成（预计用时：30分钟）

  这是本节课的核心探究环节，分为演示实验引路和分组实验深化两步。

  步骤一：教师演示，聚焦概念

  教师回到干冰实验。引导学生仔细描述观察到的现象：干冰周围有大量白雾，白雾主要向下流动（因为二氧化碳密度比空气大，冷却的空气下沉）。进而通过系列追问引导学生思考：“玻璃罩内除了干冰，还有什么物质？（空气、水蒸气）”“白雾的温度感觉如何？（引导学生回忆或推测，很冷）”“白雾可能是二氧化碳气体吗？（回忆二氧化碳性质，无色，看不见）”“那它最可能是什么？（小水滴，即液态水）”“小水滴从何而来？（空气中的水蒸气遇冷液化）”“是什么让水蒸气遇冷？（周围温度降低）”“温度为什么降低？（有物体吸热）”“谁在吸热？（干冰）”“干冰吸热后发生了什么变化？（固体直接减少，但没有经过液态）”。通过这一逻辑链条，引导学生推理出：干冰（固态二氧化碳）在常温下直接变成了二氧化碳气体，这个过程吸收了热量，导致周围温度下降，从而使水蒸气液化。此时，教师揭示：这种固态直接变为气态的过程，叫做“升华”，升华过程需要吸热。

  接着，分析樟脑丸和旧灯泡现象。对于樟脑丸，引导学生推理：如果在衣柜密闭空间内闻到气味（樟脑气体），但从未看到液态樟脑，说明它很可能直接变成了气体。对于灯泡，引导学生思考：高温钨丝直接变成了钨蒸气，蒸气遇到较冷的玻璃壁，又直接变成了固态钨附着在上面。教师揭示：这种气态直接变为固态的过程，叫做“凝华”，凝华过程会放出热量。

  步骤二：分组实验，亲历探究

  教师提出：“我们能否在实验室里，用一种更可控的物质，亲眼目睹并证实升华和凝华过程？”引出碘的升华与凝华实验。

  学生活动（分组进行）：

  1.观察与记录：观察碘粒在常温下的状态（紫黑色有金属光泽的固体）。

  2.实验操作：在教师指导下，将少量碘粒放入干燥的圆底烧瓶底部。用铁架台固定好烧瓶，在烧瓶底部用酒精灯缓缓加热（或使用恒温加热套，温度控制在碘的升华点114℃左右，避免过高）。同时，在烧瓶的上部外壁用沾有冷水的湿毛巾包裹或放置一个装有冷水的烧杯进行冷却。强调安全规范：佩戴护目镜，加热时不要直视瓶口，保持通风。

  3.现象观察：学生将观察到烧瓶底部固态碘逐渐减少，同时烧瓶内充满紫红色的碘蒸气（颜色较淡，需仔细观察），随后在烧瓶上部冷却的内壁上，逐渐出现紫黑色、有光泽的针状或片状晶体。

  4.记录与推理：在“实验观察记录表”上绘制实验装置图，记录加热前、加热中、冷却后的现象。重点分析：“加热时，固态碘发生了什么变化？（升华成碘蒸气）”“冷却的烧瓶壁上出现了什么？（固态碘）”“它是由什么直接变成的？（碘蒸气）”“这个过程是凝华吗？（是）”。小组讨论并尝试用“吸热”、“放热”来描述这两个过程。

  5.概念生成：各小组汇报观察结果和结论。师生共同提炼升华与凝华的完整定义：物质从固态直接变成气态的过程叫升华，升华吸热；物质从气态直接变成固态的过程叫凝华，凝华放热。教师板书核心概念，并引导学生将其纳入之前学习的物态变化总图中，形成完整的“物态变化六角图”。

  设计意图：演示实验重在教师引导下的逻辑推理，将复杂的干冰现象拆解，直指升华概念的本质。分组实验则让学生亲身经历完整的、可控的升华与凝华过程，从现象观察到数据（现象）记录，再到分析推理，完全由学生主体完成，极大地增强了探究的体验感和概念建构的牢固性。碘实验现象明显、过程清晰，是建立概念最经典的探究活动。

  第三环节：模型深化，微观阐释（预计用时：15分钟）

  概念建立后，教学需向纵深发展，从宏观描述进入微观解释，从现象认知上升到模型认知。

  教师活动：播放或展示物质三态及变化过程中微粒排列、间距、运动剧烈程度变化的动态模型动画。重点聚焦升华与凝华过程：在升华时，固体内部的微粒，获得足够能量（吸热）后，剧烈运动到能够直接挣脱周围微粒的束缚，离开固体表面，成为自由运动的气体微粒，微粒间距离急剧增大。在凝华时，气体微粒运动速度减慢（放热），彼此间距离减小，当作用力增强到一定程度时，便直接有序排列成固态结构。

  教师提出高阶思维问题，引导学生应用微粒模型进行解释：“1.为什么升华需要吸热？吸的热量用来做什么？（提供能量，使微粒运动加剧，克服相互作用力）”“2.用微粒观点，如何解释碘实验中，固体碘出现在烧瓶上部冷却位置，而不是底部？（碘蒸气分子在上升过程中遇到冷壁，动能减小，相互结合直接形成固体）”“3.比较升华与熔化、凝华与凝固，在微粒运动的变化上有何异同？（相同点：状态变化都涉及微粒能量和排列的改变；不同点：升华/凝华跳过了液态的中间阶段，微粒从高度有序的固态排列直接变为极度无序的气态，或反之，变化更为剧烈）”。

  学生活动：观看动画，结合之前的知识，尝试用语言描述升华和凝华过程中微粒发生的变化。小组讨论教师提出的问题，并进行全班分享。在教师指导下，尝试用示意图或语言在笔记本上描绘升华与凝华的微观过程。

  设计意图：此环节旨在突破教学难点，将宏观的热量吸收/释放与微观的粒子动能增减、相互作用力变化联系起来，使学生对物态变化的理解从现象层面深入到本质层面。通过比较性问题，促使学生将新旧知识（升华与熔化、凝华与凝固）进行深度联结和结构化，完善其物质微粒观和能量观，实现认知的升华。

  第四环节：迁移应用，联通生活（预计用时：20分钟）

  知识的意义在于解释世界和解决问题。本环节设计多层次的应用活动，将概念与广阔的自然、科技、生活背景相连。

  活动一：现象辨析擂台

  教师利用课件展示一系列现象图片或短视频，学生以小组为单位进行“概念辨析挑战”，判断其中主要涉及哪种物态变化，并简要说明理由。案例如下：

  1.寒冬，窗户玻璃内侧出现的“冰花”。（凝华：室内水蒸气遇到冰冷的玻璃直接凝华成固态冰晶。）

  2.用久的日光灯管两端发黑。（凝华：灯丝钨在高温下升华，钨蒸气在温度相对较低的灯管两端内壁凝华。）

  3.衣柜里的卫生球（萘球）越来越小。（升华。）

  4.舞台上利用干冰制造云雾缭绕的效果。（升华吸热，使水蒸气液化。）

  5.冬天，室外冰冻的衣服也能慢慢变干。（冰的升华。）

  6.半导体工业中，利用升华法提纯硅、砷化镓等材料。（升华后冷凝/凝华，分离杂质。）

  活动二：STSE深度讨论

  教师提出两个具有现实意义的讨论题，引导学生进行更深入的思考和价值判断：

  1.科技应用：展示冷链运输中使用干冰保鲜的图片。提问：“干冰相比普通冰砖，在保鲜运输中有何优势？（升华吸热温度更低，且无液态水残留，清洁；升华产生的二氧化碳气体还能抑制微生物生长。）其原理是什么？”

  2.生活智慧与环保：展示冰箱结霜的图片。提问：“冰箱冷冻室为什么会结霜？（凝华：开门时进入的暖湿空气遇到低温内壁，水蒸气凝华成霜。）霜层过厚有什么危害？（影响制冷效率，耗电增加。）这给我们什么生活启示？（定期除霜，节能环保；尽量减少开门次数和时间。）”

  学生活动：积极参与擂台赛，运用概念进行辨析，在争论中深化理解。针对STSE问题，结合已有经验和新学知识，展开小组讨论，形成观点并进行陈述。

  设计意图：“现象辨析擂台”旨在检验和巩固学生对概念的应用能力，特别是区分易混淆的过程（如升华与蒸发、凝华与凝固）。STSE讨论则将科学知识置于真实的社会、技术、环境背景中，使学生体会到科学的实用价值，并培养其运用科学思维分析和解决实际问题的能力，以及节能环保的责任意识。

  第五环节：总结反思，评价拓展（预计用时：13分钟）

  1.结构化总结：教师不直接复述知识点，而是引导学生共同构建本节课的思维导图或概念图。中心主题为“升华与凝华”，分支包括：定义、条件（吸放热）、微观本质、典型实验（碘实验）、自然实例（霜、雪、雾凇）、生活实例（樟脑丸、灯泡变黑）、科技应用（干冰冷藏、升华提纯）、与其它物态变化的关系等。请学生代表在交互白板上绘制，其他同学补充完善。

  2.多元评价：

  *过程性评价：教师根据学生在实验操作、观察记录、小组讨论、课堂发言等方面的表现，给予即时、具体的口头评价。

  *学习成果评价：布置分层作业：

    基础性作业：完成课后练习，绘制完整的物态变化关系图，并各列举3个升华和凝华的实例。

    探究性作业（二选一）：

      (1)【家庭小实验】在家寻找一个小密封袋，放入少量卫生球碎片，挤出空气后密封。每天观察并拍照记录其大小变化，一周后写一份简短的观察报告，解释现象。

      (2)【调查研究】查阅资料，了解“人工降雨”中除了常用干冰（升华吸热），还有使用碘化银等物质作为凝华核促使水蒸气凝华成冰晶的原理。写一篇300字左右的科学短文进行介绍。

  3.反思与展望：教师引导学生回顾最初的三个悬疑情境，现在能否清晰解释？学习过程中最大的收获或仍存在的疑惑是什么？最后，教师以简短的话语总结：“今天我们认识了物质世界中‘隐形’的舞者——升华与凝华，它们让物质在固态与气态之间自如穿梭。正是这些变化，塑造了雪花的美景，保障了食物的新鲜，也驱动着科技的进步。保持观察与思考，你会发现科学无处不在。”以此升华课堂情感，留下余味。

  设计意图：