物态变化实验装置的创新设计与教学应用

马利芳

摘   要：针对初中物理物态变化课堂教学中实验器材陈旧、实验器材不全、操作不便、实验现象的干扰因素多元、实验现象可视化不强、教师课堂讲实验、看实验等教学现状，研制、设计了一套素材来源生活化、演示操作便利化、实验现象可视化、控制调节微阶化的物态变化实验综合装置，助力推进课程标准的理念落地，提高物态变化课堂教学效果，优化初中物理课堂教学。

关键词：物态变化;实验装置;创新设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）4-0054-4

“物态变化”是“物质”主题下的四个内容结构之一，属于“物质”存在维度的“物质的形态及其变化”二级主题下的三级主题内容，其主要包括物质三态及其三态间的相互转化及自然界的水循環。《义务教育物理课程标准（2011年版）》对“物态变化”的教学要求是“经历物态变化的实验探究过程，了解物态变化过程中的吸热和放热过程，用物态变化的知识说明自然界和生活中的有关现象。”[1]课程标准强调用实验探究的方法学习物态变化，而且还要求知道相应的物态变化过程。

“物态变化”与自然现象和日常生活联系紧密，但初中生由于日常生活经验尚浅，液化、凝华等现象是他们生活中的盲点，也是学习的难点。

沪粤版初中物理教材按照“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念对“液化”现象的实验呈现如图1所示[2]。南方地区的一些教师因为教材呈现实验的实验效果欠理想、实验操作欠方便等原因而放弃实验，常常用动画、视频代替实验来组织教学，学生缺少了物态变化过程的直接感受和思维自主内化，大大降低了课堂教学效果，降低了物理课程的育人价值。为了增强学生对液化、凝华现象的直观认识，帮助学生增加“物态变化”相关的生活经验，突破学习难点和生活经验盲点，以初中物理沪粤版八年级上册物态变化“液化”实验观察（图1）为原型，进行物态变化实验综合优化设计，研制了一套实验素材来源生活化、演示操作便利化、实验现象可视化、控制调节微阶化的物态变化实验综合装置，助力推进课程标准的理念真实落地，助力提高物态变化课堂教学效果，化解物态变化教学盲点。

1    教材编制的物态变化教学实验的效果

“物态变化”是初中物理教学的基础内容，比较常见的配套实验器材有：石棉网、铁架台、烧杯、酒精灯、温度计等。面对社会的发展进步和技术的更新迭代，学校器材更换的周期则相对较长，实验器材老旧生锈、数量缺损等现象比较普遍。特别是对于南方地区，因南方的气候特征，干扰实验现象的因素偏多，导致物态变化实验做起来较麻烦，实验效果不佳。所以，初中物理配套的物态变化实验器材在教学中的局限性日渐突出，具体表现在以下几个方面：

（1）通常用的铁架台、石棉网、烧杯、酒精灯、温度计等仪器组装比较繁琐。

（2）实验室配置的演示温度计和学生温度计精确度不高，可视性差，温度变化小。温度计随时间变化快，不容易捕捉，来不及读数温度就变化了。

（3）酒精灯的加热效率低，调节控制难，比较费时。

（4）水的沸点高，比热容大，温度变化需要的热量多。水多了，用酒精灯加热的时间长;水少了，实验现象又不是很明显。如果教师不提醒，学生观察不到现象的变化，需要长时间保持高注意状态。气压对该实验存在一定的影响，所以实验教学存在较大的难度。

2    源自于生产实践活动的物态变化实验创新的思路

针对以上现状，遵循“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念，结合学情特点，将生活中的“煮酒”（蒸馏）工艺装置迁移到课堂教学中来，创设一个真实的日常生活情境（图2），让教学回归生活，回归技术应用，以研讨生活中的“煮酒”工艺来认识液化现象，学习“物质的形态及其变化”这一章节的知识。

用源于生活中的“煮酒”代替教材中的“烧水”，学生更感兴趣，积极性更高，课堂效果更好。用酒糟液体代替水，液化现象明显，实验时间短，避免影响课堂时间分配问题，教师动手实验的意愿更强。

生活中“煮酒”工艺用的煮锅、接缸不透明，无法观察实验现象，煮酒火炉也不能在课堂中使用。为了实现生活中的“煮酒”装置成为课堂中的“探究”器具，将生活中的日常现象转化为物理探究问题情境，必须进行二次加工改造和创新设计，目的就是体现装置简单化、操作方便化、情境真实化、过程可视化、印象深刻化。

3.1    选用实验器材

（1）“煮锅”选用透明玻璃杯体的电加热壶，可视性强，容量灵活，现象变化效果明显，尤其方便观察沸腾前后气泡的大小和数量变化。

（2）选用数显温度计代替实验室常用的玻璃温度计，数显温度计精确度高，可视度高，方便读数，方便操作。

（3）“接缸”选用自制有机玻璃透明柱体、内盘有玻璃导管的冷却罐，透明度高，可视性强，现象明显。冷却罐盖上安装数显温度计，显示冷却罐内的温度变化，可视度高。在冷却罐中增加透明螺旋导流内管，做成冷却系统，冷水降温，加快液化速度，便于观察液化现象，液化过程明了、简单。

（4）“火炉”选用电加热器，电加热器的功率大，加热时间快，操作方便，加热温度方便微调微控，可弥补实验室酒精灯加热温度难调控的不足，提高了课堂时间利用效率。

经过二次改造与创新设计，将“煮锅”部分设计为加热系统，“接缸”部分设计为冷却系统，再用导流管将两部分装置组合，既可以进行物态变化单一现象实验，也可以进行物态变化综合现象实验，提高实验设计的利用率和效率。二次创新设计的实验装置加热时间快，可视度高，温度调控便利、准确，精确度高，实验效果好。有助于学生观察物质三态变化的温度变化，有助于学生理解液化放热现象，有助于学生描绘温度-时间坐标图，有助于学生归纳液体沸腾的特点，使物态变化问题化抽象为形象、化抽象为具体。物态变化实验创新装置设计如图 3 所示。

3.2    构建两个系统

物态变化实验创新装置由两部分组成，一部分是加热系统，另一部分是冷却系统。各部分组成部件名称如图3标示，各部分组成部件的制作流程如下：

（1）加热系统：①给电加热壶加热底座安装微调控制开关（也可以安装限流控制开关）。其作用是通过电路中的电流来控制电加热器的加热功率，从而控制电加热壶内液体的温度不至于太高。②选择加热容器。选用高度为20 cm的透明电加热壶杯体。③安装数显温度计和蒸汽导流管。在加热容器盖上钻两个小孔，一个小孔便于安装数显温度计，观察液体温度，另一个小孔安装蒸汽导流管，导管使用铜管。铜管易弯曲，方便安装，且铜为热的良导体，温度升高快，液体不至于在导流管中就被液化了。

（2）冷却系统：将冷却罐固定在底座上。内层弯管上端与导流管连通，下端为出酒口，是酒蒸气形成米酒的主要通道，酒蒸气的液化就发生在管道中。管道外盛的冷却液为冷水，上端为冷水进水口，下端为热水出水口。在上端进水口附近开一小孔，安装数显温度计，用于观察水的温度变化。底端出酒口放置承接酒的带盖透明容器。

物态变化实验创新装置既可以用于初中物理物态变化演示实验，也可以用于初中物理物态变化学生实验，既可以分开使用也可以组合使用。分开使用时，其中的加热系统装置可用来探究水的沸腾现象、熔化现象、凝固现象、升华现象。综合起来使用时，可以探究水循环现象、液化现象、凝华现象。部分内容教学应用具体示例如下：

示例一  探究水的沸腾现象

在电加热壶中加入适量热水或冷水，盖好盖子，打开控制开关，给电加热器通电。引导学生观察壶中水沸腾前后气泡大小、多少和水面声音的变化，通过数显温度计观察壶中水温变化，重点引导学生观察沸腾前后水的温度和气泡大小的变化，并记录观察的现象。对比沸腾前后水的温度随时间变化的特点，根据实验数据描绘温度-时间坐标图;分析水沸腾前后气泡的变化特征，归纳水沸腾时的特点。

“探究水的沸腾现象”实验观察的重点是气泡大小和多少的变化、温度的变化、水声响度的变化。难点是辨不清气泡的变化，因为气泡大小变化时间过短，观察者反应不过来;其次是温度计示数不稳定、不方便读取。

物态变化实验创新装置由于壶中水的深度高、透明度好，电加热的控制便利性和加热效率高、速度快，壶中水沸腾过程前后气泡停留时间长，气泡大小变化的时间长，有效规避了气泡大小变化时间太短暂而反应不过来的问题，规避了温度计读数不方便的麻烦，规避了现象可视度不强的弊端，学生能直接观察到反映沸腾本质属性的现象，有利于学生建构和理解相关概念。

示例二  探究液化现象

在电加热壶中加入适量酒糟液体或水，盖好盖子，给冷却罐中加入适量冷水。打开控制开关，电加热器通电，给酒糟液体或水加热，控制温度让酒蒸气或水蒸气先慢慢汽化出来。引导学生观察电加热壶中酒糟液体或水的温度变化及液面变化，同时观察和记录冷却罐中数显温度计的变化即水温变化，观察螺旋导流内管中的现象变化。

几秒钟后，酒糟液体温度逐渐升高，到达沸点开始沸腾，导流管中的气体增加，螺旋导流内管的气体开始液化，冷却罐内的温度发生变化。随着时间的增加，冷却罐中水的温度迅速升高，数显温度计示数变大，螺旋导流内管中的液体越来越多。记录观察到的现象和温度变化，归纳液化概念和放热规律。

“探究液化现象”实验观察的重点是气体液化变成液体的过程及放热的规律，难点是气体变成液体的过程。

物态变化实验创新装置利用导流内管的长度显示气体变成液体的过程，并延长液化变化的滞留时间，方便学生观察与反应，再用数显温度计直观反映液化后的温度变化，有效规避了内隐过程，克服实验观察的难点，成功显化液化放热的内隐过程。

物态变化实验创新装置设计的教学活动过程，学生能清晰感知气体变成液体的过程和温度的变化，即能清晰感知反映液化概念本质属性的现象，能准确将新思维线索与思维图式同化或顺应成自己以后的经验和认知，形成稳定新认知，实现高效实验建构概念。特别是源于生产工艺的装置，更能激发学生的学习兴趣和探究动机，更能催生深刻的思维活动，有助于学生深度学习目标的达成，有助于提升物理学科的育人价值。

示例三  探究升华现象

在电加热壶中加入适量的樟脑丸，盖好盖子。闭合控制开关，调节温控开关，控制电加热壶的温度不过高，观察壶内樟脑丸的大小变化及电加热壶温度的高低变化。记录观察的现象，归纳相关概念和规律。

“探究升华现象”实验观察的重点是观察固态物体的大小变化和气体的产生，难点是可视化的固体的升华过程和时间长度控制。

物态变化实验创新装置利用限流控制键微调温度变化，让体积比较大的樟脑丸几个月的长时间的升华过程在课堂上短时间内发生，且樟脑丸的大小变化现象明显，固体直接变成气体的升华过程时间适中。实验现象成功引起学生视觉冲击，探究思维交锋，引发学生创新思维和深度思维，有效提高课堂教学效果。

示例四  探究凝华现象

在电加热壶中加入适量的樟腦丸，盖好盖子，给冷却罐加入冷水。闭合控制开关，调节温控开关，控制电加热壶的温度不过高，观察壶内樟脑丸的大小变化、导流内管的现象和冷却罐中螺旋导流内管中的现象。记录观察的现象，归纳凝华概念和放热规律。

“探究凝华现象”实验观察的重点是观察新固体的产生和凝华温度的控制，难点是可视化的凝华温度的控制和凝华时间长度的控制。

物态变化实验创新装置利用导流内管的长度优势及冷却罐的冷水温度调节便利，控制凝华发生的温度和时间，使凝华现象明显产生，产生新固体的大小、数量适中，方便观察，利用数显温度计直观方便显示温度，变疑难为简易。物态变化实验创新装置操作方便、现象明显，可视化程度高，可与厂配实验装置互补。

物态变化实验创新装置突破了实验操作复杂、物态变化过程时间短暂、温度变化不可视的疑难与不足，可视化物态变化的内隐变化过程，外显吸热、放热现象，延长物态变化过程的时间，提升了物态变化的课堂教学效果，激发了学生深度学习的兴趣，降低了学生学习的架构难度。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012：1.

[2]华东地区初中物理教材编写组.义务教育教科书物理八年级上册[M].广州：广东教育出版社，上海：上海科学技术出版社，2012：91-92.

（栏目编辑    刘   荣）