改进并完善“熔化和凝固”实验

湖北省襄阳五中附属初级中学(441070) 薛 鸣 湖北省襄阳市教育装备中心(441027) 邱 娟

物理是一门以实验为基础的学科。实验是构建知识体系的基础和依据,也是培养物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四位一体的重要环节。教材中有一些由于受到时间、场地、设备的限制无法当堂展示的实验,或者现象不太明显的实验,教师通常会选择播放视频给学生。对于这类实验我们必须要引起重视,要深入思考如何完善实验过程才能更好地为教学服务,如何突破这些实验的局限性。本文以人教版物理8年级上册第3章“物态变化”第2节“熔化和凝固”为例,剖析突破常规实验的局限性对教学过程的促进作用。

1 改进并完善实验是教学过程的需要

“熔化和凝固”一节以最常见的冰熔化成水的例子引入,介绍了熔化和凝固的定义,以海波和石蜡为例,提出问题:不同物质在熔化过程中温度的变化规律是否相同?从二者熔化过程中温度和状态变化的规律得出固体可以分为晶体和非晶体,从而介绍晶体和非晶体的区别,以及熔化吸热、凝固放热在生活中的应用。

这节课的知识点以介绍为主,难点在于实验的呈现。这节课只有1个课时,如果加上课堂演示实验,我们往往需要2个课时。教材只重点突出了海波和石蜡的熔化实验,对于凝固实验只字未提,而在教学过程中以“凝固是熔化的逆过程”,建议同学们采用实验推理的方法得出自己的结论。从课时安排上,这确实是最优解,但从教学效果上看,学生对于凝固过程的温度变化和对应的状态变化是心存疑虑的,没有实验作支撑,结论往往是难以让人信服的。

教参在凝固实验这一块是以课外活动形式给出建议:取半个易拉罐,内装2/3的冰与1/3的食盐的混合物;选择管径稍细的试管,管内盛少许水,其高度刚刚淹没温度计的玻璃泡即可;把该试管埋入易拉罐的冰与食盐混合物中,再将温度计插入试管的水中,就能观察到水凝固过程中温度保持0℃不变的现象。这个方法很好,既探究了晶体凝固过程中的温度和状态的变化规律,又加深了学生对混合盐水凝固点较低的认识。如果用这个实验直接探究物质凝固过程的特点,那么就会出现2个弊端:①混合盐水的凝固点较低这个知识点必须是讲完凝固点之后学生才能理解的,用来直接探究物质在凝固过程中温度的变化规律不合适;②前面探究海波和石蜡的熔化过程,如果没有对应的凝固过程,而是换一种物质观察凝固现象,会让学生质疑海波和石蜡凝固过程中是否有特殊性。

综合这2点看,如果能够把海波和石蜡熔化后对应的凝固实验呈现出来,并提供有力的数据支撑,那么整个教学过程就会更连贯,也更具有说服力,既加深学生对2种物质熔化和凝固过程的印象,又能通过实验现象的对比更深刻地理解晶体和非晶体的区别。所以从教学设计的角度来看,完善实验过程是必须而且重要的,既突出了教学的完整性,又能强化教学效果。

2 改进并完善实验是培养学生科学思维和科学探究能力的有效途径

2022版《新课标》提出核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。《新课标》突出了探究实验的重要性,尤其提出了跨学科实践。“跨学科实践”包含了“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”3个二级主题,说明我们平时教学中的实验可以取之于生活。这就要求我们平时就要将教材吃透,全面掌握学生的学情,结合实际情况制定合理的实验方案;我们也要鼓励学生观察、发现生活中与我们书本知识相关的现象,运用物理知识来解释其中的原因,尝试运用科学的探究方法分析问题,最终解决问题,也就是《新课标》提出的从生活走向物理,从物理走向生活。

2.1 考虑实验的可操作性和现象的直观性

在完善实验过程中我们应该如何突破传统实验的局限性?又该如何在创新实验的基础上把握教材的全局性呢?首先,完善实验必须考虑实验的可操作性和现象的直观性。“熔化和凝固”实验有以下弊端:

(1)由于熔化和凝固实验过程时间较长,一节课通常不能完整地观察物质的熔化、凝固过程,教参建议我们只重点观察海波和石蜡的熔化实验。网络上很容易搜索到海波和石蜡的熔化视频,但很少出现它们对应的凝固过程的视频。

(2)实验室用来做熔化实验的器材比较小,且整套装置高度较高,我们在观察装置下方物质的状态时,还要兼顾高处温度计的示数,很不方便;而且温度计的读数也不直观。

为了能完整且严谨地呈现物质熔化和凝固的过程,我们可以对同一物质加热熔化后再冷却等待它的凝固,用大装置来代替小器材,用带有热敏探头的测温仪来代替传统的实验室温度计,这样既便于观察,也能直观、准确地记录数据。我们的大装置可以用大试管,也可以借助生活小家电,比如透明炖盅。加水后的炖壶就像一个放大镜,可以放大炖胆内的海波、石蜡,使实验现象更明显(如图1所示)。在使用热敏测温仪时还要注意使用方法,探头要完全浸没在被测液体中,在测量过程中最好能够不断搅拌,以便液体受热均匀。

图1 改进实验装置

2.2 严谨处理实验过程和实验数据

完善实验还必须严谨处理实验过程和实验数据。海波和石蜡的凝固过程时间较长,我们可以提前录制视频,截取重要部分或者加快播放进度以呈现出它们在凝固过程中温度的变化规律和对应的状态变化。海波在凝固过程中可能会出现以下情况:

(1)将温度较高的液态海波静置于空气中,待温度下降至48 ℃左右时,如果缺少凝结核,它不会马上凝固,并且温度持续下降。如果此时加入少许固态的海波,海波的温度将重新升高到凝固点然后开始凝固,且温度保持不变。例如实验过程中,在海波温度降至46 ℃时加入凝结核,海波的温度又会开始上升,直到47.2 ℃开始凝固。

在处理这个过程中的数据时一定要结合现有的教材以及学生的学情。教材中的晶体凝固图像是没有先下降再升高这一段的。出现这个过程是因为有了凝结核的加入,我们可以把这部分温度升高的过程稍作解释然后一带而过,请学有余力的学生课后多了解一下。

(2)实验中我们观察到海波的凝固点为47.2 ℃,并不完全等于熔点47.8 ℃(如图2所示),只是非常接近,初中阶段我们将同一晶体的熔点和凝固点视为相等。

图2 实验现象

(3)凝固实验中为了保证冷却时放热均匀,我们需要不断搅拌,由搅拌引起的温度变化我们也要综合考虑。

出现以上情况时,我们要在尊重事实的基础上处理数据,用学生能理解的方式给他们做出合理的解释,这样才能保证实验的真实性、数据的科学性和培养学生科学探究素养的有效性。

3 结语

改进并完善实验能够帮助学生树立严谨的科学探究态度,建立完整的知识体系,养成创新思维和理论联系实际的能力,强化科学态度与责任,全面落实《新课标》核心素养的培养。