自制霜演示器

摘要

霜是自然界中的常见现象，家用冰箱中也常会形成霜，但学生通常只看到结果，难以观察其形成过程，导致对“霜的形成需要低温——凝华放热”这一条件缺乏直观认知，容易死记硬背。采用自制霜演示器可以解决这一教学问题，其具体方案是：采用半导体制冷片进行快速制冷，能克服常规实验存在的耗材量大、不可重复利用等缺点；通过调色导电硅胶塑造微缩场景，能营造生动的视觉情境，学生在课堂上即可实时观察到霜的形成过程，从而直观验证“凝华需要低温”这一物理规律。这一教学过程不仅可以让学生感受物理学科之美，更通过眼见为实的实验现象，强化了学生的实证精神。

Graphical abstract

关键词

情境 / 霜的形成 / 降温设备 / 自制教具 / 演示器

《义务教育物理课程标准（2022年版）》提倡情境化教学，教师要充分结合学生的生活经验，有目的地创设生动具体的情境，以新奇的现象激发学生的兴趣，通过认知冲突引发学生深入思考，进而引导学生从生活走向物理、从物理走向社会^［1］。可视性强的实验演示更加有助于学生科学观念的建构。在物理教学中，有效的演示实验可以为学生创设出真实情境，课本与课标规定的实验是对课堂教学活动的基本要求^［2］，为了更好地突破教学重难点，教师应当主动承担起开发和制作教具的责任。

“物态变化”是苏科版物理八年级上册第四章的教学内容。由于该章节的教学时间点气温多在0 ℃以上，学生在自然环境中难以见到霜，更无法直接观察霜的形成过程。

1 已有解决方案的不足

1.1 使用冰箱里的霜的不足

为了让更多的真实场景在课堂上呈现，部分教师会提前从家用冰箱内壁刮取少量霜，将其装入保温杯后带入教室。但是，外层的霜常因温度变化而部分熔化，且渗入内层后会重新凝结成块，最终呈现为类似冰的状态，影响了观察效果。从物理观念建构角度看，如果仅仅需要观察到霜这一结果，那么学生完全可以在家自行观察，然而真正需要让学生经历体验的是霜的形成条件和过程。

1.2 类比碘升华实验的不足

教师在讲解升华现象时，一般是通过温水加热碘，让学生真实地看到碘从固态变成气态的过程，从而让学生明白，升华时需要吸热。然后停止加热，碘蒸气慢慢凝华成碘颗粒。因为碘蒸气有毒，所以现在都用密封的玻璃管进行实验。可是，碘蒸气凝华结晶现象不太明显，在理解凝华需要放热时，更多的是一种逻辑推理，即当我们停止加热时，碘蒸气的温度比空气的温度高，开始放热，从而凝华成碘颗粒。甚至有时教师直接告诉学生凝华是与升华相反的物态变化过程，所以，既然升华需要吸热，那么凝华就需要放热。接着，教师通过一系列凝华的例子，让学生体会到这些凝华现象都是在温度降低后发生的，再让学生强行接受凝华需要遇冷放热这一观念。

逻辑推理固然是一种很重要的思维能力，但人的认知发展规律是由形象到抽象的。对于初二学生而言，他们处于具体运算思维向形式运算思维的转变过程中，其物理学习仍需要以观察现象和实验探究为基础。观察和实验依然是初中生学习物理的重要方式。对学生思维能力的培养要符合认知发展规律，切忌拔苗助长。因此，在初中阶段的教学中，教师应尽可能地创设真实情境，让学生在情境中观察现象、思考问题，在探索中获得实证、掌握知识。

1.3 使用干冰成霜的不足

为了让学生真实地看到水蒸气遇冷凝华成霜的过程，有的教师在参加评优课时采用了干冰，即利用干冰升华吸收大量热，造成温度下降，从而形成霜。这一设计能让学生清晰地看到霜的形成过程，但其缺点是：想要看到明显的霜，每次实验前都需要购买大量干冰，从而无法实现器材的反复使用^［3］。

1.4 使用盐冰成霜的不足

也有教师将加盐的碎冰放在烧杯中，利用碎冰熔化吸热，制造低温。当温度低于0 ℃时，便能形成一层薄霜^［4］。这一方法固然简单易操作，但成霜量较少。

2 自制教具

为落实课标理念，创设真实情境，实现实验过程的可观察性、实验仪器的可重复使用，笔者自制了霜演示器。

通过网络搜索制冷技术，笔者了解到半导体制冷片具有体积小便于携带、制冷功率高可快速成霜的优点。当然，有了制冷设备，还需要让霜有可附着处。于是，笔者在制冷片的制冷点上加装了不锈钢板，即利用不锈钢导热性较好的特点，使整个板面均匀降温。半导体制冷片的额定电压是12 V，为了让它能够接入220 V电路上使用，笔者又改装了一只变压器。

在试用时，又发现新问题。由于不锈钢呈银白色，形成的霜附着在其表面时，现象不够清晰，因此必须在其表面制造一些非银白色的物品来附着霜。然而普通材料导热性不好，不利于成霜。笔者了解到导热硅胶是一种可塑性强、导热性好的材料，于是在导热硅胶中掺入各种颜色的颜料，随后将绿色铺成草地，其他颜色捏成各种花朵，并用导热性较好的铜制成小屋和树，打造出田园场景。这样制成的霜演示器可以在10 min内迅速成霜，学生既可以看到毛茸茸的霜慢慢形成的现象（图1），也可以摸到冰冷的设备，从而感受到水蒸气遇冷（或降温）才会凝华，并理解了凝华是一个放热过程。

3 结语

霜和冰都是固态。霜是水蒸气直接凝华形成的六方晶系晶体。在形成过程中，水分子在凝华核上通过氢键构建出开放、疏松的网络结构，因此霜呈现蓬松的花瓣状结构。而冰由液态水降温凝固形成，水分子通过氢键排列为能量最低的六方晶格，形成致密的固体结构，因此冰具有较大的刚性。

利用自制霜演示器演示霜现象具有迅速且明显的优点，学生不仅能观察到霜的最终形态，还能目睹其逐步形成的过程，从而建构“水蒸气遇冷放热凝华成霜”的物理观念。通过触摸体验，学生感受到霜与冰不同的质感，加深对二者源于不同物态变化的认知。这一过程既让学生感叹自然现象的神奇，也惊叹人类技术发明的精妙，有助于激发其对物理学的热爱，激励其投身科学研究的志向。

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（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 吴键兵，陈娴，唐守平.采用现代加工技术提高自制教具水平：以“电磁阻尼”和“海狮戏球”自制教具为例［J］.物理教师，2023，44（01）：61-63.

[3] 孙太龙，马如金，高扬.浅析自制物理教具的原则与途径［J］.物理教学，2023，45（01）：35-37.

[4] 朱德明.演示露和霜的形成［J］.实验教学与仪器，2010，27（03）：35.

基金资助

2023年江苏省中小学教学研究第十五期课题“跨学科实践背景下的初中物理项目式学习设计与实践研究”(2023JY15-L99)

2024年江苏省教育科学规划重点课题“初中学校开展基于大概念的跨学科教学的实践研究”(B-b/2024/03/280)