数字化创新实验：探究碘的升华与凝华

教育部发布的《中小学实验教学基本目录（2023年版）》涵盖中小学16个学科的900多项实验与实践活动。这些实验活动均以现行的课程标准为依据，以各学科实验装备的配置参数和教材要求为参照标准，大多指向学科核心概念的构建、重要规律的认识和实验技能与素养的培养。运用数字化传感器技术对传统实验进行改进与创新，是落实国家数字化教育教学政策的具体行动，也是践行新课程理念的重要内容。笔者在执教沪粤版《义务教育教科书 物理 八年级 上册》第4.4节“升华和凝华”的过程中，借助温度传感器，运用控制变量法与转换法思想，巧妙制作带有橡胶塞、装满碘粒的玻璃小瓶，并将其作为参照对象，组装了用于探究碘升华吸热、凝华放热的数字化实验装置。探究实践证明，数字化创新实验具有很好的教学价值与育人价值。

一、传统实验在学生思维能力培养上存在不足

“升华和凝华”一节的主要内容是探寻生活中的升华与凝华现象，其中活动1要求学生探究碘升华。教师利用酒精灯加热盖有玻璃片的烧瓶内的固态碘，让学生先观察其升华现象，再冷却烧瓶，观察玻璃片上的凝华现象（如图1）。常规模式下，教师直接给出升华、凝华概念，接着带领学生推出升华吸热、凝华放热结论，最后介绍干冰升华的应用——人工降雨。殊不知，这里有一系列问题没有解决：“如何证明碘在固态与气态之间的直接转变”“升华真的吸热吗”“凝华真的放热吗”。有教师用保鲜膜包裹的碘颗粒开展对照实验，“称取两份等量的碘颗粒，将其中一份包裹在保鲜膜中后投入左瓶内，将另一份直接倒入右瓶内”，由于保鲜膜的密闭性不好，受热后的碘粒仍然可以升华“飞出”膜外，实验对比效果不佳，可视性差；另外教师从数显温度计上采集变化的温度数据，导致坐在教室后排的学生无法读取数据^[1]。笔者发现目前已有关于升华吸热特点的实验探究，但还没有关于凝华放热现象的实验探究活动。八年级学生对“热传递过程总是伴随着吸、放热”并未建立明确的观念，对于“用实验证明升华确实吸热”这样的思维和实践要求，难以迈上台阶。如何帮助学生顺利地跨越思维的陡坡，达成预定的教学目标？笔者试图借助数字技术破解难题。

二、改进实验装置开展数字化探究

（一）创新实验设计方案

如何选择科学的方法，设计有效的实验方案，让学生既能够直接观察碘的升华与凝华这种特有的物态变化过程，又能够顺利收集有效数据，参与分析论证，总结出升华吸热与凝华放热规律呢？笔者采用温度传感器来精确测量被测物体温度，进行创新突破。首先，运用控制变量法思想，称取质量相等的碘粒，通过改变碘粒放置空间的开放程度来改变物态变化的快慢；其次，运用转换法将物态变化过程中的吸放热特点转化为比较在相同时间内物体温度升高（或降低）的快慢（或变化量大小）；最后，运用观察法查看整个实验过程中是否有第三种物态变化发生。

（二）准备实验材料与工具

准备带有感温杆的普通数字化温度传感器两只（精度±0.１ ℃）、数据采集器、带有数字化信息系统（DIS）软件的笔记本电脑一台、铁架台（带单臂夹）两副、带橡胶塞的烧瓶两个、封装的碘粒试剂一瓶、药匙一把、口服液玻璃小瓶两支，以及透明水槽、托盘天平、电水壶、手电钻（钻头直径3 mm）、热熔胶枪、计时器、桶装水等。

（三）组装实验装置

1.瓶塞打孔与药品投放

首先在两橡胶塞上各打直径约为3 mm的小孔，接着用质量相等的碘粒分别装满两支口服液小瓶（以能盖上瓶塞为宜），将其中一支带盖（起密封作用）的玻璃小瓶轻放进一烧瓶（以下简称“密闭碘粒烧瓶”）内，然后将第二支玻璃小瓶中的碘粒全部倒入另一烧瓶（以下简称“开放碘粒烧瓶”）中，并将带盖的空玻璃小瓶也放入其中。用带孔的橡胶塞分别塞住烧瓶口，将普通数字化温度传感器的感温杆分别插入橡胶塞中，调节感温杆头位置，将其放置于烧瓶口下方相同的深度处备用（如图2）。

2.搭建铁架台及数字化平台

首先取带有单臂夹的两副同型号的铁架台，并排置于带有底座的长方形免漆板前，将透明水槽放在铁架台两底座上，分别旋转单臂夹上蝶形螺丝固定两烧瓶的颈部，调节单臂夹高度，使两烧瓶悬空于水槽内等高处；然后用数据线连接温度传感器与采集器，用串口线连接采集器与电脑；最后用热熔胶枪将温度传感器、数据采集器分别固定在免漆板上，搭建实验平台（如图3）。

（四）实验探究过程

1.探究碘升华的特点

（1）实验演示步骤

第一步，打开电脑中的DIS软件，新建工作界面，点击“显示”，读出两只烧瓶中的初始温度（实验室温度）约11.0 ℃。

第二步，点击桌面右上角图标，弹出“新建”菜单，依次点击桌面“自动识别”与“采集参数”按钮，设定采集时间为10分钟。

第三步，用电水壶把水烧开，将其缓缓倒入透明水槽中，用水浴法均匀地加热两烧瓶。点击电脑温度软件界面上“开始”按钮，进入“实时记录”模式，继续加热两只烧瓶，直到温度上升至65 ℃以上，再点击“停止”按钮，结束数据采集（如图4）。

笔者让学生使用计时器计时，每隔5秒记录一次两烧瓶的温度值，观察并比较两烧瓶温度的变化，收集整理数据（见表1），运用Excel软件画出温度与加热时间（-）图像（如图5）。

（2）实验现象与结论

在整个加热过程中，两烧瓶内温度传感器的示数一直在增大，说明两烧瓶均从水槽内的热水中吸热升温。学生发现开放碘粒烧瓶内部开始弥漫着紫红色的气态碘，且烧瓶内部颜色逐渐加深，由原来的紫红色变成深紫色，但始终未见液态碘。由此可见，碘颗粒直接由固态变成气态，发生了升华现象，然而放有密闭碘粒的烧瓶内物质颜色几乎没有变化。为什么开放碘粒烧瓶的温度始终比密闭碘粒烧瓶的温度升高得要慢一些呢？笔者带领学生分析：由于开放碘粒烧瓶内的碘粒升华较快，需要吸收一部分热量，导致其升温较慢；而密闭碘粒烧瓶中的碘粒被密闭在小瓶内，其内部几乎没有剩余空间，这会大幅减缓升华现象发生，导致小瓶内碘粒需要从烧瓶中吸收的热量大幅减小，使其升温较快。学生分析数据，发现相同时间内，开放碘粒烧瓶的温度比密闭碘粒烧瓶的温度升高得要慢一些，故升华必吸热。

2.探究碘凝华的特点

（1）实验演示步骤

第一步，在前述实验基础上，向水槽中倒入冷水，使两烧瓶逐渐降温。

第二步，学生继续使用计时器计时，每隔5秒记录一次两烧瓶的温度值，观察并比较两烧瓶温度的变化，收集整理数据（见表2）。

第三步，借助Excel生成温度与冷却时间（-）图像（如图6）。

（2）实验现象与结论

添加冷水后，电脑界面上的温度示数均在减小，说明两烧瓶均向水槽中的冷水放热降温。学生发现，开放碘粒烧瓶内部弥漫着的深紫色气态碘逐渐变得“毛茸茸”，并黏附在烧瓶内壁，但始终未见液态碘。由此推定，碘蒸气直接变成碘粉末，发生了凝华现象。整个过程中，为何开放碘粒烧瓶温度比密闭碘粒烧瓶的温度降低得也要慢一些呢？这是由于开放碘粒烧瓶内的碘粒发生凝华，放出一部分热量，导致其降温较慢；同样密闭碘粒烧瓶中被小瓶密闭的碘粒本身就是固态，基本没有凝华现象发生，说明碘粒没有向烧瓶中放出更多的热量，这也是密闭碘粒烧瓶内部降温较快的原因。

学生观察图6中温度-时间（-）图像并进行实验数据分析，论证了碘凝华放热的观点的科学性，还发现在相同时间内，开放碘粒烧瓶内的温度比密闭碘粒烧瓶的温度降低得慢一些，这正好佐证了凝华放热的结论正确性。

（五）总结：创新点与结论

创新点：使用带盖的口服液玻璃小瓶中装满碘粒（密闭碘粒烧瓶）作为对照组进行实验。学生观察实验现象，分析数据，在交流合作、分组讨论中得出结论：升华吸热，凝华放热。

三、实验评价与经验总结

（一）实验具有创新性

笔者组装新的实验装置，将数字化传感器系统与传统实验深度融合。运用控制变量法思想，在控制其他因素完全相同的基础上，用带盖的口服液玻璃小瓶装满碘粒，可以有效阻止碘粒在加热过程中出现明显的升华现象；将实验器材固定在自制免漆板支架上，具有很强的可视性，刺激学生感官，激发学习兴趣；在实验过程中使用热水加热升温或冷水吸热降温时，可以运用转换法思想，观察与记录两烧瓶内温度传感器示数，反映烧瓶内碘粒发生物态变化时温度变化的特点。实验增强了学生的证据意识，提升了学生的科学推理能力。学生借助技术手段观察、思考，提升了科学探究能力与科学思维能力。该实验教学具有一定的创新性，成果获得科技创新省级奖项。

（二）实验具有普适性

笔者组装实验装置，其中大部分器材取自生活中常用的材料与实验室现有器材。整个装置成本低廉，制作简xyUTG87gawHUYDKfg861r9uRKBYleVUWZLM9S0wHYr0=单，操作便捷，既可用于课堂演示又可供学生实验（由于碘有毒，一般不允许学生组装）。在探究实验过程中，抽象概念在数字化情境中被直观呈现，降低了学生思维的台阶。

（三）实验具有科学性

朱正元教授指出，教师制作物理演示教具一定要做到“简单、明了、尺寸够大”^[2]。笔者制作新装置，利用多媒体展示温度传感器的示数，体现了实验可视化的优点，凸显“高见度、强视觉”的感官冲击力，同时收集大量的实验数据支持学生对实验进行定量分析，打破了传统实验无法提供直接证据来实施论证的桎梏。运用控制变量法、转换法与观察法有效训练了学生的科学思维能力。设计制作科学合理的新教具，使实验变得快捷、可靠，为学生顺利得出正确的实验结论提供了技术支撑和科学依据，提高了实验教学实效。

注：本文系安徽省基础教育教学成果培育项目“信息化赋能创造教育20年研究与实践”（编号：CG49）、庐江县教育规划课题“‘双减’背景下农村初中科技创新教育实践策略研究”（编号：LJG202301）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 蔡丽.碘锤实验教学的改进与反思[J].教育研究与评论（中学教育教学），2020（6）：88-90.

[2] 李先全.深度挖掘演示实验资源 精准整合科学探究策略：以“物体的内能”演示实验教学为例[J].物理教学探讨，2022（4）： 14-16.

（作者系安徽省庐江县龙桥镇初级中学高级教师）

责任编辑：祝元志