數字化創新實驗：探究碘的升華與凝華

教育部發布的《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》涵蓋中小學16個學科的900多項實驗與實踐活動。這些實驗活動均以現行的課程標準為依據，以各學科實驗裝備的配置參數和教材要求為參照標準，大多指向學科核心概念的構建、重要規律的認識和實驗技能與素養的培養。運用數字化傳感器技術對傳統實驗進行改進與創新，是落實國家數字化教育教學政策的具體行動，也是踐行新課程理念的重要內容。筆者在執教滬粵版《義務教育教科書 物理 八年級 上冊》第4.4節“升華和凝華”的過程中，借助溫度傳感器，運用控制變量法與轉換法思想，巧妙制作帶有橡膠塞、裝滿碘粒的玻璃小瓶，并將其作為參照對象，組裝了用于探究碘升華吸熱、凝華放熱的數字化實驗裝置。探究實踐證明，數字化創新實驗具有很好的教學價值與育人價值。

一、傳統實驗在學生思維能力培養上存在不足

“升華和凝華”一節的主要內容是探尋生活中的升華與凝華現象，其中活動1要求學生探究碘升華。教師利用酒精燈加熱蓋有玻璃片的燒瓶內的固態碘，讓學生先觀察其升華現象，再冷卻燒瓶，觀察玻璃片上的凝華現象（如圖1）。常規模式下，教師直接給出升華、凝華概念，接著帶領學生推出升華吸熱、凝華放熱結論，最后介紹干冰升華的應用——人工降雨。殊不知，這里有一系列問題沒有解決：“如何證明碘在固態與氣態之間的直接轉變”“升華真的吸熱嗎”“凝華真的放熱嗎”。有教師用保鮮膜包裹的碘顆粒開展對照實驗，“稱取兩份等量的碘顆粒，將其中一份包裹在保鮮膜中后投入左瓶內，將另一份直接倒入右瓶內”，由于保鮮膜的密閉性不好，受熱后的碘粒仍然可以升華“飛出”膜外，實驗對比效果不佳，可視性差；另外教師從數顯溫度計上采集變化的溫度數據，導致坐在教室后排的學生無法讀取數據^[1]。筆者發現目前已有關于升華吸熱特點的實驗探究，但還沒有關于凝華放熱現象的實驗探究活動。八年級學生對“熱傳遞過程總是伴隨著吸、放熱”并未建立明確的觀念，對于“用實驗證明升華確實吸熱”這樣的思維和實踐要求，難以邁上臺階。如何幫助學生順利地跨越思維的陡坡，達成預定的教學目標？筆者試圖借助數字技術破解難題。

二、改進實驗裝置開展數字化探究

（一）創新實驗設計方案

如何選擇科學的方法，設計有效的實驗方案，讓學生既能夠直接觀察碘的升華與凝華這種特有的物態變化過程，又能夠順利收集有效數據，參與分析論證，總結出升華吸熱與凝華放熱規律呢？筆者采用溫度傳感器來精確測量被測物體溫度，進行創新突破。首先，運用控制變量法思想，稱取質量相等的碘粒，通過改變碘粒放置空間的開放程度來改變物態變化的快慢；其次，運用轉換法將物態變化過程中的吸放熱特點轉化為比較在相同時間內物體溫度升高（或降低）的快慢（或變化量大小）；最后，運用觀察法查看整個實驗過程中是否有第三種物態變化發生。

（二）準備實驗材料與工具

準備帶有感溫桿的普通數字化溫度傳感器兩只（精度±0.１ ℃）、數據采集器、帶有數字化信息系統（DIS）軟件的筆記本電腦一臺、鐵架臺（帶單臂夾）兩副、帶橡膠塞的燒瓶兩個、封裝的碘粒試劑一瓶、藥匙一把、口服液玻璃小瓶兩支，以及透明水槽、托盤天平、電水壺、手電鉆（鉆頭直徑3 mm）、熱熔膠槍、計時器、桶裝水等。

（三）組裝實驗裝置

1.瓶塞打孔與藥品投放

首先在兩橡膠塞上各打直徑約為3 mm的小孔，接著用質量相等的碘粒分別裝滿兩支口服液小瓶（以能蓋上瓶塞為宜），將其中一支帶蓋（起密封作用）的玻璃小瓶輕放進一燒瓶（以下簡稱“密閉碘粒燒瓶”）內，然后將第二支玻璃小瓶中的碘粒全部倒入另一燒瓶（以下簡稱“開放碘粒燒瓶”）中，并將帶蓋的空玻璃小瓶也放入其中。用帶孔的橡膠塞分別塞住燒瓶口，將普通數字化溫度傳感器的感溫桿分別插入橡膠塞中，調節感溫桿頭位置，將其放置于燒瓶口下方相同的深度處備用（如圖2）。

2.搭建鐵架臺及數字化平臺

首先取帶有單臂夾的兩副同型號的鐵架臺，并排置于帶有底座的長方形免漆板前，將透明水槽放在鐵架臺兩底座上，分別旋轉單臂夾上蝶形螺絲固定兩燒瓶的頸部，調節單臂夾高度，使兩燒瓶懸空于水槽內等高處；然后用數據線連接溫度傳感器與采集器，用串口線連接采集器與電腦；最后用熱熔膠槍將溫度傳感器、數據采集器分別固定在免漆板上，搭建實驗平臺（如圖3）。

（四）實驗探究過程

1.探究碘升華的特點

（1）實驗演示步驟

第一步，打開電腦中的DIS軟件，新建工作界面，點擊“顯示”，讀出兩只燒瓶中的初始溫度（實驗室溫度）約11.0 ℃。

第二步，點擊桌面右上角圖標，彈出“新建”菜單，依次點擊桌面“自動識別”與“采集參數”按鈕，設定采集時間為10分鐘。

第三步，用電水壺把水燒開，將其緩緩倒入透明水槽中，用水浴法均勻地加熱兩燒瓶。點擊電腦溫度軟件界面上“開始”按鈕，進入“實時記錄”模式，繼續加熱兩只燒瓶，直到溫度上升至65 ℃以上，再點擊“停止”按鈕，結束數據采集（如圖4）。

筆者讓學生使用計時器計時，每隔5秒記錄一次兩燒瓶的溫度值，觀察并比較兩燒瓶溫度的變化，收集整理數據（見表1），運用Excel軟件畫出溫度與加熱時間（-）圖像（如圖5）。

（2）實驗現象與結論

在整個加熱過程中，兩燒瓶內溫度傳感器的示數一直在增大，說明兩燒瓶均從水槽內的熱水中吸熱升溫。學生發現開放碘粒燒瓶內部開始彌漫著紫紅色的氣態碘，且燒瓶內部顏色逐漸加深，由原來的紫紅色變成深紫色，但始終未見液態碘。由此可見，碘顆粒直接由固態變成氣態，發生了升華現象，然而放有密閉碘粒的燒瓶內物質顏色幾乎沒有變化。為什么開放碘粒燒瓶的溫度始終比密閉碘粒燒瓶的溫度升高得要慢一些呢？筆者帶領學生分析：由于開放碘粒燒瓶內的碘粒升華較快，需要吸收一部分熱量，導致其升溫較慢；而密閉碘粒燒瓶中的碘粒被密閉在小瓶內，其內部幾乎沒有剩余空間，這會大幅減緩升華現象發生，導致小瓶內碘粒需要從燒瓶中吸收的熱量大幅減小，使其升溫較快。學生分析數據，發現相同時間內，開放碘粒燒瓶的溫度比密閉碘粒燒瓶的溫度升高得要慢一些，故升華必吸熱。

2.探究碘凝華的特點

（1）實驗演示步驟

第一步，在前述實驗基礎上，向水槽中倒入冷水，使兩燒瓶逐漸降溫。

第二步，學生繼續使用計時器計時，每隔5秒記錄一次兩燒瓶的溫度值，觀察并比較兩燒瓶溫度的變化，收集整理數據（見表2）。

第三步，借助Excel生成溫度與冷卻時間（-）圖像（如圖6）。

（2）實驗現象與結論

添加冷水后，電腦界面上的溫度示數均在減小，說明兩燒瓶均向水槽中的冷水放熱降溫。學生發現，開放碘粒燒瓶內部彌漫著的深紫色氣態碘逐漸變得“毛茸茸”，并黏附在燒瓶內壁，但始終未見液態碘。由此推定，碘蒸氣直接變成碘粉末，發生了凝華現象。整個過程中，為何開放碘粒燒瓶溫度比密閉碘粒燒瓶的溫度降低得也要慢一些呢？這是由于開放碘粒燒瓶內的碘粒發生凝華，放出一部分熱量，導致其降溫較慢；同樣密閉碘粒燒瓶中被小瓶密閉的碘粒本身就是固態，基本沒有凝華現象發生，說明碘粒沒有向燒瓶中放出更多的熱量，這也是密閉碘粒燒瓶內部降溫較快的原因。

學生觀察圖6中溫度-時間（-）圖像并進行實驗數據分析，論證了碘凝華放熱的觀點的科學性，還發現在相同時間內，開放碘粒燒瓶內的溫度比密閉碘粒燒瓶的溫度降低得慢一些，這正好佐證了凝華放熱的結論正確性。

（五）總結：創新點與結論

創新點：使用帶蓋的口服液玻璃小瓶中裝滿碘粒（密閉碘粒燒瓶）作為對照組進行實驗。學生觀察實驗現象，分析數據，在交流合作、分組討論中得出結論：升華吸熱，凝華放熱。

三、實驗評價與經驗總結

（一）實驗具有創新性

筆者組裝新的實驗裝置，將數字化傳感器系統與傳統實驗深度融合。運用控制變量法思想，在控制其他因素完全相同的基礎上，用帶蓋的口服液玻璃小瓶裝滿碘粒，可以有效阻止碘粒在加熱過程中出現明顯的升華現象；將實驗器材固定在自制免漆板支架上，具有很強的可視性，刺激學生感官，激發學習興趣；在實驗過程中使用熱水加熱升溫或冷水吸熱降溫時，可以運用轉換法思想，觀察與記錄兩燒瓶內溫度傳感器示數，反映燒瓶內碘粒發生物態變化時溫度變化的特點。實驗增強了學生的證據意識，提升了學生的科學推理能力。學生借助技術手段觀察、思考，提升了科學探究能力與科學思維能力。該實驗教學具有一定的創新性，成果獲得科技創新省級獎項。

（二）實驗具有普適性

筆者組裝實驗裝置，其中大部分器材取自生活中常用的材料與實驗室現有器材。整個裝置成本低廉，制作簡xyUTG87gawHUYDKfg861r9uRKBYleVUWZLM9S0wHYr0=單，操作便捷，既可用于課堂演示又可供學生實驗（由于碘有毒，一般不允許學生組裝）。在探究實驗過程中，抽象概念在數字化情境中被直觀呈現，降低了學生思維的臺階。

（三）實驗具有科學性

朱正元教授指出，教師制作物理演示教具一定要做到“簡單、明了、尺寸夠大”^[2]。筆者制作新裝置，利用多媒體展示溫度傳感器的示數，體現了實驗可視化的優點，凸顯“高見度、強視覺”的感官沖擊力，同時收集大量的實驗數據支持學生對實驗進行定量分析，打破了傳統實驗無法提供直接證據來實施論證的桎梏。運用控制變量法、轉換法與觀察法有效訓練了學生的科學思維能力。設計制作科學合理的新教具，使實驗變得快捷、可靠，為學生順利得出正確的實驗結論提供了技術支撐和科學依據，提高了實驗教學實效。

注：本文系安徽省基礎教育教學成果培育項目“信息化賦能創造教育20年研究與實踐”（編號：CG49）、廬江縣教育規劃課題“‘雙減’背景下農村初中科技創新教育實踐策略研究”（編號：LJG202301）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 蔡麗.碘錘實驗教學的改進與反思[J].教育研究與評論（中學教育教學），2020（6）：88-90.

[2] 李先全.深度挖掘演示實驗資源 精準整合科學探究策略：以“物體的內能”演示實驗教學為例[J].物理教學探討，2022（4）： 14-16.

（作者系安徽省廬江縣龍橋鎮初級中學高級教師）

責任編輯：祝元志