九年级物理（沪科版）核心概念深度建构：升华与凝华现象的教学设计与实践

九年级物理（沪科版）核心概念深度建构：升华与凝华现象的教学设计与实践

  一、前端分析

  （一）教材内容分析与定位

  升华与凝华是物质状态变化的最后两个环节，与之前学习的熔化、凝固、汽化、液化共同构成了完整的物态变化体系。在沪科版九年级物理教材中，本课内容通常安排在物态变化章节的末尾，起着整合与深化认知的关键作用。教材通常通过观察碘的升华与凝华实验引入概念，并列举樟脑丸变小、霜的形成等生活实例。然而，传统处理方式往往停留在现象识别与概念记忆层面，对现象的微观机理、能量转化的定量分析、以及在复杂真实情境中的应用涉及不深。作为本领域的资深教师与课程设计专家，我认为必须突破教材的线性呈现，将本节内容置于更广阔的认知坐标系中：纵向上，向下衔接分子动理论与内能概念，向上为未来学习热力学定律埋下伏笔；横向上，与化学中的相变热、地理中的大气物理、工程中的制冷技术等建立有机关联。因此，本教学设计旨在以“升华与凝华”为锚点，构建一个多层次、跨学科的核心概念理解网络。

  （二）学情分析

  九年级学生正处于从具体运算阶段向形式运算阶段过渡的关键期。他们的抽象逻辑思维能力正在快速发展，但尚未完全成熟，对微观世界的想象和理解仍需依托直观现象和模型。通过前序学习，学生已经掌握了四种物态变化的概念，初步建立了“物态变化与温度、吸放热有关”的宏观认识，并对分子动理论有了基本了解。然而，普遍存在的认知难点在于：第一，容易混淆升华（凝华）与汽化（液化），尤其在涉及固态与气态直接转化的中间过程时；第二，对物态变化过程中的能量转移与转化的本质认识模糊，往往只能机械记忆“吸热”或“放热”；第三，缺乏将物理概念与真实世界复杂现象（如自然界的水循环全环节、现代科技应用）系统性关联的能力。此外，学生已具备一定的实验探究、小组合作和信息检索能力，为本课开展项目式、探究式学习提供了可能。

  （三）当代教育理念与课标要求映射

  本设计紧密对接《义务教育物理课程标准（2022年版）》的核心素养导向。在物理观念层面，致力于帮助学生完善“物质观”与“能量观”，理解物质形态在特定条件下可以逾越液态直接转换，并伴随显著的能量交换。在科学思维层面，重点培养模型建构与科学推理能力，引导学生从宏观现象推断微观本质，并运用概念解释和预测现象。在科学探究层面，超越验证性实验，设计开放度更高的探究任务，鼓励学生自主提出问题、设计方案并基于证据得出结论。在科学态度与责任层面，通过剖析人工降雨、食品冻干技术等案例，引导学生认识科学技术对社会发展和环境保护的双重影响，培养其社会责任感与工程伦理初识。同时，本设计深度融合STEM教育理念，将科学（S）探究、技术（T）应用、工程（E）设计与数学（M）建模有机整合。

  二、教学目标

  （一）物理观念与知识深度理解目标

  1.能准确表述升华与凝华的概念，能列举至少五个生活中的典型实例，并能清晰区分其与熔化-凝固、汽化-液化过程的条件与现象差异。

  2.从分子动理论角度，初步建构升华与凝华的微观物理图像，理解该过程是物质分子间作用力与分子热运动剧烈程度矛盾运动的结果。

  3.掌握升华吸热、凝华放热的规律，并能将其纳入到完整的物态变化吸放热框架中，能定性分析相关过程中的能量流向。

  （二）科学思维与探究能力高阶目标

  4.能基于观察到的异常或复杂现象（如“干燥的雪”直接消失、寒冷窗户上冰花的形态差异），提出与升华、凝华相关的可探究科学问题。

  5.经历“假设-方案设计-实验/观察-证据分析-结论评估”的完整探究循环，重点提升控制变量、转化观察（如利用有色气体显现升华）和基于模型进行推理论证的能力。

  6.初步学习运用概念图、思维导图等工具，自主建构涵盖六种物态变化的系统知识网络，体现各变化间的联系与区别。

  （三）科学态度、责任与跨学科实践目标

  7.通过了解我国在人工影响天气（如碘化银人工降雨防雹）和航天器热控制（如升华散热技术）领域的成就，增强科技自信与国家认同感。

  8.在小组合作完成“设计一个基于升华/凝华原理的创意产品模型”项目任务中，体验工程设计的迭代与优化过程，培养协作沟通与创新实践能力。

  9.能够从物理视角审视环境问题（如讨论“干冰用于舞台效果与碳排放”的矛盾），形成初步的辩证思维和可持续发展的观念。

  三、教学重难点

  （一）教学重点

  1.升华与凝华概念的建立及其吸放热特性的理解。

  2.运用升华与凝华知识解释相关自然现象和科学技术应用。

  3.建立完整、动态的物态变化认知体系。

  （二）教学难点

  1.概念辨析难点：在缺乏明显液态阶段的现象中（如冰冻衣物变干），准确判断是升华而非先熔化后汽化。

  2.微观机理理解难点：想象并理解固体分子如何不经过液态阶段直接挣脱彼此束缚成为气体分子，以及气体分子如何直接排列成有序的固体结构。

  3.综合应用与建模难点：在真实、复杂的情境（如分析一个地区冬季霜、雾、露、雪的形成条件序列）中，综合运用多种物态变化知识进行系统分析和模型建构。

  四、教学资源与环境

  （一）实验材料与数字化资源

  1.分组探究材料：碘锤（密封管装碘颗粒）、盛有热水的烧杯、盛有冰水混合物的烧杯、干冰（固态二氧化碳，置于专用保温盒中，操作戴厚手套）、温水、气球、金属勺、樟脑丸（现代合成替代品）、久置的冰冻食物（展示冻干现象）、黑色卡纸。

  2.教师演示与微观模拟资源：高精度慢动作视频（展示霜的形成过程、干冰升华的“白雾”流动）；3D互动分子运动模拟软件（可动态调节温度、分子间作用力参数，观察物态变化）；“物态变化全景图”动态概念图软件。

  3.环境与安全设备：通风良好的实验室、护目镜、手套、灭火毯。强调干冰（-78.5℃）不可用手直接触摸，防止冻伤；碘蒸气微量有毒，实验后及时密封。

  （二）学习环境设计

  采用“中心-卫星”式布局。教室中心为集体讨论与演示区，周边设置多个功能化学习站：“微观探秘站”（配有平板电脑运行模拟软件）、“生活现象解析站”（提供各种实物与图片卡片）、“工程技术应用站”（提供案例资料与简单制作材料）、“创意设计工坊”。学生以4-5人异质小组为单位，在不同阶段轮换或聚焦于不同学习站，进行协作探究与项目工作。

  五、教学过程

  第一阶段：情境创设与问题生成（时长：约15分钟）

  （一）认知冲突导入

    教师不直接提及课题，而是播放两段精心剪辑的对比视频。第一段：一块冰在盘中逐渐融化成水，最后蒸发殆尽。第二段：在严寒的雪原上，堆积的雪堆在没有明显融化成水迹的情况下，体积日渐缩小直至消失；同时，在寒冷清晨的窗户玻璃上，出现了精美而冰冷的冰花，但室内并无明显水汽凝结成水的过程。

    师生活动：教师提问：“请对比两段视频中物质消失或形成的方式，有哪些根本性的不同？第二个视频中的雪去了哪里？窗花又是从何而来，为何不像露珠那样先变成水？”引导学生讨论，聚焦于“是否经过液态”这一关键区别点。学生可能提出“直接变成气”或“直接变成冰”的初步想法，但表述不精确。

  （二）任务驱动与问题清单化

    教师提出核心驱动任务：“大自然和科技世界中，存在着许多这样‘跨越液态’的魔术。今天，我们将化身‘物态侦探’，揭开这些魔术背后的科学原理，并尝试利用它们创造价值。”随后，各小组在“生活现象解析站”观察教师提供的实物（久置变小的樟脑丸、冻干水果、有白色霜花的冷冻食品袋）和图片（雾凇、灯泡变黑、宇航员太空作业时特殊服装的描述），利用“问题风暴”法，将观察到的疑惑和想探究的问题写在小组海报上。典型问题可能包括：“樟脑丸是怎么‘飞’走的？”“冻干食品为什么能保持形状又容易复水？”“雾凇和冰柱形成原理一样吗？”“灯泡里的钨丝为什么会变细，内壁为什么会变黑？”

  第二阶段：探究建构与模型初现（时长：约40分钟）

  （一）实验探究Ⅰ：碘的升华与凝华

    这是对教材经典实验的深化设计。学生分组领取碘锤（密封玻璃管，内有少量碘颗粒）。首先观察常温下碘的状态和颜色。然后，将碘锤的一端浸入盛有热水的烧杯中进行微热，观察被加热部位碘的变化；接着，迅速将碘锤移开并观察其冷却端（或浸入冰水混合物中冷却）。

    关键性提问与引导：

    1.“加热时，你看到碘熔化成紫色的液体了吗？还是直接出现了什么？”（引导学生描述出现紫色气体，未见液态。）

    2.“冷却时，紫色气体去哪了？在冷的管壁上出现了什么？是液态的碘吗？”（引导学生描述紫色晶体直接附着，未见液滴流下。）

    3.“用手触摸加热部位和冷却部位外壁，感受温度变化，这说明了什么能量过程？”（关联吸热与放热。）

    学生记录现象，小组讨论后尝试用自己的语言描述这个过程。教师引入科学术语“升华”与“凝华”，并板书定义，强调“直接”二字。学生修正自己的描述，形成初步概念。

  （二）实验探究Ⅱ：干冰的升华及其应用探究

    这是一个更具开放性和震撼感的探究活动。教师演示并强调安全规范后，分发给每组一小块干冰（置于隔热垫上）。

    探究活动A：观察升华。将干冰放在黑色卡纸上，安静观察。学生将看到干冰周围有大量“白雾”向下流动，但干冰本身在逐渐变小，无任何液体残留。提问：“‘白雾’是二氧化碳气体吗？”（学生可能误认为是。）引导学生用气球套住干冰块，气球迅速鼓起，说明无色无味的二氧化碳气体进入了气球。那么“白雾”是什么？学生通过讨论和实验（将干冰放入温水中，产生更剧烈的“白雾”），结合之前学过的液化知识，推理出“白雾”是空气中的水蒸气遇冷（由升华吸热造成）液化形成的小水珠。这一过程澄清了关键误解。

    探究活动B：感受升华吸热。用金属勺轻轻按压干冰，感受其极低的温度。将干冰附近放置的温度计示数变化记录下来。定量或定性地理解升华是强烈的吸热过程。

    探究活动C：创意应用初探。提供温水、不同形状的容器等，让学生自主设计，利用干冰升华制造特定的“云雾”效果，并思考其舞台应用原理。

  （三）微观模型建构（突破难点）

    学生进入“微观探秘站”。利用3D分子模拟软件，选择一种晶体模型（如碘）。首先观察常温下分子的振动。然后，通过滑块逐步增加系统的能量（相当于加热）。学生观察并描述：分子振动加剧，但尚未达到脱离固定位置、发生流动（熔化）的程度；部分处于表面或晶格缺陷处的、具有足够动能的分子，直接克服周围分子的束缚，挣脱出去，成为自由运动的气体分子——这就是升华的微观图像。反之，降低能量（相当于冷却），气体分子运动减慢，当与冷表面碰撞时，可能直接将动能转移给表面，并在表面分子引力的作用下，直接固定排列在晶格位置上，形成固体——这就是凝华。通过可视化模型，将宏观的“直接变化”与微观的“跨越液态相”联系起来，有效破解难点。

  第三阶段：深化理解与跨学科融合（时长：约35分钟）

  （一）概念的系统化与结构化

    全体回到中心区。教师引导学生回顾已学的六种物态变化。利用“物态变化全景图”软件，以水为例，动态展示其在不同温度、压力条件下，固、液、气三态之间通过六种路径相互转化的全过程。重点突出升华和凝华是连接固、气两态的“快捷通道”。学生以小组为单位，在白板上绘制自己的物态变化概念图或思维导图，要求体现变化名称、方向、条件（吸放热）、实例、微观本质关键词。各组进行展示交流，相互评价、补充和完善，最终在教师指导下形成班级共识的、结构良好的知识网络图。

  （二）解释复杂自然现象

    教师呈现一组进阶性案例，要求学生综合运用知识进行解释。

    1.基础案例：解释樟脑丸防虫、冬天冰冻衣服变干、灯泡发黑（钨丝升华后凝华）等现象。

    2.综合案例：分析“霜”的形成。展示不同形态霜（窗花、地面霜、雾凇）的图片。提问：“霜是水蒸气凝华形成的。这与露、雾、雪的形成有何异同？需要哪些气象条件（温度、湿度）？”引导学生构建“夜间地面辐射降温，近地面空气温度降至0℃以下，其中水蒸气直接凝华在草木、地面等物体上形成霜”的物理模型，并与露（水蒸气液化）、雾（液化，悬浮空中）、雪（高空水蒸气凝华或小水滴凝固后降落）进行对比分析。

  （三）跨学科视野下的科技应用剖析

    学生进入“工程技术应用站”，分组研究不同主题的案例资料包。

    A组：人工影响天气中的凝华核。研究碘化银（AgI）等物质为何可以作为人工降雨（雪）的“种子”。从化学晶体结构（与冰晶相似，可充当凝华核心）和物理学（促进水蒸气凝华成冰晶，下落过程中可能融化为雨）两个角度分析。了解我国在此领域的应用规模与效果，讨论其科学性与潜在环境影响。

    B组：航天热控制与升华散热。研究航天器在太空中如何散热。介绍升华散热器：特定固体材料在真空低压环境下极易升华，升华过程大量吸热，从而带走设备热量，升华后的气体排放到太空。分析其与常规辐射、对流散热的区别与优势。

    C组：食品冻干技术。深入剖析冻干食品的制作过程：快速冷冻（凝固）→真空环境下加热（冰直接升华）。从物理角度解释升华条件（低压加速升华），从生物学和营养学角度分析该技术为何能最大程度保持食物色、香、味、形及营养成分。

    各组汇报研究成果，其他组提问。教师总结升华与凝华技术在解决工程问题时体现出的“跨越相态”的独特优势。

  第四阶段：迁移应用与创新实践（项目式学习，可作为课后延伸或下节课内容，时长建议：课内20分钟启动+课外完成）

  （一）项目任务发布

    任务：以“巧用升华或凝华，创意解决生活小问题”为主题，设计一个创意产品或解决方案，并制作简易模型或详细方案图。

    可选方向参考：

    1.设计一个基于干冰升华吸热的便携式、应急食品冷藏装置。

    2.设计一个利用特定材料凝华放热原理的“自发热”护具或保暖贴（反向思维）。

    3.设计一个艺术装置，利用升华与凝华原理（如樟脑丸在特定形状容器中凝华）创作可变化的“晶体画”。

    4.为一个高山科考站设计一套收集空气中水（通过促进凝华）的方案。

  （二）工程设计流程引导

    学生进入“创意设计工坊”，以小组为单位开展项目。

    1.定义问题与需求分析：明确要解决的问题、用户需求、环境限制。

    2.原理研究与方案构思：选择是利用升华还是凝华，查阅资料选择合适材料，设计工作原理图。

    3.模型制作与测试：利用简单材料制作原型或绘制详细结构图，进行可行性分析。

    4.评估与展示：准备项目海报和3分钟演讲，阐述原理、设计亮点及潜在改进。

  第五阶段：总结反思与评价反馈（时长：约10分钟）

  （一）概念梳理与反思

    教师引导学生以“我今天解开了……的奥秘”、“我惊奇地发现……”、“我仍然疑惑的是……”为开头，进行一句话总结分享。教师随后用精炼的语言，将升华与凝华的概念、条件、能量特点、微观本质、应用价值串联起来，形成一个完整的认知闭环，并点明其在物质科学体系中的重要地位。

  （二）多维评价设计

    1.过程性表现评价：通过课堂观察记录学生在提问、实验操作、小组讨论、汇报中的参与度、思维深度和合作精神。

    2.概念图评价：对学生绘制的概念图进行评价，关注其系统性、准确性和关联性。

    3.项目成果评价：使用量规对项目方案的科学性、创新性、可行性和展示效果进行评价。

    4.简短检测反馈：设计3-5道层次分明的检测题（从现象识别到综合解释），当堂或课后完成，以诊断核心概念掌握情况。

  六、教学评价设计

  （一）表现性评价量规（用于项目学习）

    科学原理应用（40%）：方案是否准确、巧妙地运用了升华或凝华原理，并能合理解释能量过程。

    创新性与实用性（30%）：设计是否具有新颖性，是否切实解决了某一实际问题或创造了独特价值。

    方案完整性（20%）：设计图纸或模型是否清晰，是否考虑了材料、结构、安全等基本要素。

    团队协作与展示（10%）：小组成员分工是否合理，配合是否默契，展示是否清晰、有说服力。

  （二）概念理解诊断题样例

    1.（基础识别）下列现象中，属于凝华的是（）。A.露珠形成B.湿衣服变干C.冰雪消融D.窗上出现冰花

    2.（过程分析）冬季，存放蔬菜的地窖里常放几桶水，可以防止蔬菜冻坏。请用物态变化及吸放热原理解释：当窖内温度过低时，桶里的水会发生什么变化？此过程对窖内温度有何影响？

    3.（综合应用）在北方寒冷的冬天，有时会出现“雾凇”和“雨凇”两种景观。雾凇