让“物质熔化和凝固”实验真正成为学生的随堂实验

2009-05-25张仪成

物理教学探讨 2009年4期

张仪成

摘要：本文介绍了对“物质熔化和凝固”实验部分教学探索的心得，总结了以往对实验弃而不做的原因，分析了该实验在本节课中的重要作用和地位，并且提出了将本课实验改作随堂实验的改进办法与操作步骤。

关键词：弃而不做；再认识；随堂实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2009)4(S)-0021-2

实验探究是“科学”课堂的重要组成部分，让学生通过对实验的设计、操作和分析培养学生的思维能力，提高学生的技能水平，是“科学”教学的重要手段。然而，面对许多随堂实验在多种不利因素下产生局限性时，老师们不得不舍本逐末，寻找其他替代的方法。就“物质熔化和凝固”的实验教学而言，普遍存在如下两种现象：①日常教学用“嘴巴实验”或“媒体实验”代替。②公开课，基于本演示实验现象可见度差，可以自圆其说的特点，用“演示实验”配合多媒体进行。

1 实验弃而不做有多方面的原因

（1）核心问题是晶体熔化实验很难成功。

教材或教参对实验的说明是这样的：

①华师大版：实验药品是冰，冰块初始温度低于-10℃，冰块敲碎放入100ml烧杯中,杯口用泡沫塑料板做盖,中间开孔插入酒精温度计,整个装置放入冷冻室降温，取出后放入双层保温瓶备用,冰块开始熔化后用玻璃棒在冰块周围搅动。没有安排非晶体熔化实验。②浙教版：晶体熔化实验药品是海波，水浴法缓慢加热，酒精灯用小火焰，也可以用60℃水作热源。非晶体熔化实验药品是松香。

针对上述说明多次实验结果如下：华师大版(七年级下)冰的熔化实验基本能成功，但冰块是在试管中利用外面的热水加热的，不容易观察到冰何时开始熔化成水，实验现象不够明显，也有熔距（温度区间）。然而由于条件制约只能做演示实验。浙教版（七年级上）海波熔化过程中温度要变化，而且耗时较长，到下课海波也没凝固。松香加热到90℃时，仍是胶体，再加热，耗时太长，温度高，温度计量程不够，也比较危险。

（2）教材把物质凝固的知识放在相对次要的位置上来对待,叙述也比较简略，没有安排凝固实验，有些教材也没有给出凝固图像。

（3）本节内容教参中安排为1课时。由于熔化实验完成时间约20玬in，因此要完成本节内容的全部教学任务显然不可能。

（4）在不做实验前提下，只要适度增加习题练习就不影响知识目标的落实，也可对付试题的评价。

2 新课程理念下对实验的再认识

（1）本节内容的技能目标是：在老师的指导下完成晶体熔化图像的描绘，能根据图像叙述晶体和非晶体的特点。过程与方法是：通过学生实验和教师指导实验，培养学生初步的观察能力和分析能力、概括能力，初步学会运用比较方法进行科学探究，以及善于应用知识解决实际问题的能力、知识迁移能力。

（2）这节课的特点是十分重视科学实验方法的教育，显然在新课程理念下用“媒体实验”及“嘴巴实验”不能实现上述目标，应把它改成学生分组实验。

（3）本实验是首次让学生完成比较完整的实验。它对了解科学探究和初步学会一些实验技能，逐步了解常用仪器具有不可替代的作用。

（4）理论分析实验难成功的原因。纯物质晶体实际是多种物质的混合物（即含杂质成分），对这种所谓的纯物质晶体而言，其固体实质就是“固溶体”，液体实质就是“溶液”。因此,这种晶体的整个熔化（或凝固）过程是在一定的温度区间（熔距）中进行的。原因是“成分”这个因素起了作用。先熔化的是那些具有较低熔点的杂质，并将较多的高熔点元素排向与液体接触界面上的剩余固体中，结果导致纯晶体物质进一步熔化必须在更高的温度下才能进行。同时在加热中若内外温差太大（过热），造成向外吸收能量速率大于晶体结构转变所需能量速率，使包围在温度计液泡周围的熔液稍微吸热而升温。在此前提下即使是纯晶体物质熔化温度也会上升。可见，对于这类 “固溶体”晶体其熔化和凝固都具有一定的温度区间（熔距）的，实验室配备的海波熔距一般在1℃～2℃之间，在这个温度区间中，晶体都是处于固、液共存状态的。前述中海波熔化过程温度要变化的原因就是如此。

晶体熔液在熔点处要想发生凝固就必须要有一定的温度差，即具有所谓的“过冷度”。“过冷度”越大转变的动力也越大。显然，只有在保持着这个温度差的条件下，转变才是可以持续进行下去的。如果转变进行到某个程度，晶体仍处于固、液共存的状态时，原来保持着的温度差消失了，那么状态的转变过程也将停止下来，结果成了固、液共存状态。如果转变的“过冷度”大到超过了某个临界值，虽然此时的热力学自由能差也极大，但是转变的动力学条件却极度恶化到阻止了正常的固、液转化过程，结果也将形成了所谓的“过冷液体”。前述中海波凝固时就会出现过冷现象，到下课也没凝固的原因就是如此。

3 实验改正及随堂分组实验的操作

3.1 海波熔化

（1）装置如图1所示。

（2）药品：

状海波20g；46℃温水两瓶（普通保温瓶）。

（3）说明：

①实验耗时约13min。②试管外的温水中悬挂另一支温度计，其目的是控制内外温差在4 ℃～7 ℃之间，这是实验成功的关键。③酒精灯加热到水温54 ℃时停止加热。由于装置的余热，水温还会上升到约55 ℃，这样就避免了由于供热速度太快而造成熔化过程恒温时间较短的弊端。④在水温自然下降到52 ℃时，海波熔化基本结束，然后再点燃酒精灯到实验结束。⑤温度计不碰管壁和管底。⑥点燃酒精灯加热约2min前，海波中温度计示数不变。⑦其中搅拌是关键，应特别提醒。（见下述方法④）

（4）方法：

①课前准备好装置并加入海波。②上课铃声响时向烧杯倒入270ml的热水（需助手配合）。③引入新课至开始实验不超6min（此时海波在预热），到开始实验时海波温度达到40℃左右，水温42 ℃左右。④每组四人分工如下：一人负责计时（每1min报1次）；一人负责读试管内海波温度（每1min读1次）；一人负责看烧杯内水温，水温达到54℃熄灭酒精灯，当试管内壁刚出现液体时，立即拿起玻璃棒不停地搅拌，直到试管内海波全部熔化；一人记录实验数据，完成表格，还要观察水温下降到52℃时，又要点燃酒精灯，加热到实验结束。