探究水的凝固和冰的熔化特点
殷德丽
一、使用教材：本实验节选自人民教育出版社（2012版）八年级上册第三章第二节《熔化和凝固》。
二、实验器材：温度传感器、数据采集器、带相应程序的电脑，双层隔热玻璃杯、冰块、盐、水、自制螺旋状铜丝、电子温度计、暖风机、铁架台、打孔试管塞、烧杯、纸巾、水槽、搅拌棒。
三、实验创新要点：
1. 将教材中分开进行的熔化和凝固实验融合，改为水连续经历凝固成冰又熔化成水的实验过程，直观对比分析晶体的熔点和凝固点。
2. 自制制冷剂：使用冰和盐制成冰盐水，将冰盐水装入双层隔热玻璃杯中能达到-19℃的低温环境，并能保持较长时间的低温，做为实验中的制冷剂。
3. 使用螺旋状的铜丝替代搅拌棒，避免实验中难以搅拌的问题，使用薄壁塑料管代替试管，避免水凝固后试管碎裂；
4. 简化原实验中繁杂的实验器材，改进成便于组装易于操作实验装置；
5. 利用温度传感器采集实验数据，直观观察凝固和熔化中的温度变化特点。
四、实验设计思路：
学生对实验一开始设计的是采用碎冰先熔化后凝固，但发现碎冰快速熔化难以收集实验数据，于是想到利用水作为实验物质，将先熔化后凝固的实验顺序更换为让水先在低温下先凝固成冰，然后在常温下熔化成水。
除了想到使用冰箱开展实验，还有学生想到利用液态制冷剂采用水浴法使水降温凝固，从教材中课后介绍的水和酒精混合后凝固点降低的现象，教师引导学生思考冰中加入盐后冰熔点也会降低。那能降低至多少呢？学生动手操作制作了制冷剂冰盐水，于是利用身边物质自创了实验中的低温环境，解决了实验中的关键问题。
五、实验教学目标：
1.物理观念：认识熔化和凝固过程中物质形态的变化，了解晶体和非晶体的特点。
2.科学思维 ：通过实验，学习用描点画线与图像分析实验数据，总结晶体熔化和凝固规律。
3.科学探究：学习反思实验，动脑、动手改进实验方法和实验器材，探究物理规律，体验科学探究过程。
4.科学态度与责任：在实验观察和数据的析中，培养实事求是、尊重自然的科学态度和敢于探索的科学精神。
六、实验教学过程：
（一）组织学生开展《探究固体熔化时温度变化规律》分组实验
图1 图2 图3
实验结束后，学生绘制出海波、石蜡熔化时的温度变化曲线，发现了它们的不同特征，交流评估中学生提出这样的思考：
1.教材中实验器材繁多，组装复杂，如何改进实验装置和实验药品
2.只通过一次海波的熔化就总结出晶体熔化规律不符合多次实验的科学研究方法，其他晶体在熔化时温度也是保持不变的吗
3.课堂中只完成了熔化实验，但晶体的熔点和凝固点真的相同吗
（二）师生共同确定探究活动课题——《探究水的凝固和冰的熔化特点》
经过教材实验的反思后，我和学生决定选用其他晶体再次开展探究活动，让晶体连续经历熔化和凝固两次物态变化，从教材中学生了解到常见晶体中，除了冰以外其余熔点均偏高。但由于冰从冰箱中取出后会快速熔化难以收集数据，学生思考后决定改用水作为实验物质，并将先熔化后凝固的实验顺序改为为让水先在低温下先凝固成冰，然后在常温下熔化成水。于是确定了本次活动的课题《探究水的凝固和冰的熔化特点》，提出课题后，学生开始设计实验方案。
（三）学生设计并完成方案一：用冰箱探究水的凝固和冰的熔化特点
1.学生选用的实验器材有：塑料盒（图 4）、mini电子温度计（图5 ）以及冰箱：
图4 图5 图6
2.实验步骤：
（1）塑料盒中装入适量水，放入电子温度计；
（2）每隔2min观察一次水的状态变化并记录温度；
3.实验反思：
（1）实验时间太长；（2）冰箱中不易观察水的状态变化过程。
（四）教师指导学生设计并完成方案二：用冰盐水做制冷剂探究水的凝固和冰的熔化特点
基于方案一的思考有学生提出方案二：利用液态制冷剂冰盐水，采用水浴法使水降温凝固。
1. 学生制作冰盐水：准备适量冰块（图7），在冰块上撒上盐（图8），搅拌冰块（图9），冰在熔化过程中吸热形成冰盐水，将冰盐水装在隔热装置中可以保持较长时间的低温，为了便于观察学生选用了双层隔热玻璃杯装取冰盐水（图11）。
图7 图8 图9 图10 图11
2.将装有水的塑料管放入冰盐水中，在水中放入电子温度计，观察电子温度计示数变化和水的凝固过程（图12）：
实验发现（1）：温度下降至零下2.7℃时，水并未凝固（图13），轻轻抖动塑料管时，塑料管表面部分水快速结冰。学生收集相关资料了解到过冷水的凝固需要凝结核，抖动塑料管时，上面过冷水以空气中杂质作为凝结核快速凝固结冰（图14）。
图12 图13 图14
实验发现（2）：上表面部分过冷水快速凝固过程中，温度计示数突然快速上升，学生对该现像做出解释：水凝固要放出热量，快速放出的热量不能从试管及时散出，使得温度计示数快速上升。
实验发现（3）：剩余水在逐渐凝固过程中温度计示数保持在0.1℃不变，即水的凝固点为0.1℃，凝固完后冰温度开始下降。
3.将凝固好的冰从冰盐水中取出，放入常温水中，观察电子温度计示数变化和冰的熔化过程（图15）。
实验发现：冰在逐渐熔化过程中温度保持0℃不变，即冰熔点为0℃，熔化完后温度开始升高。
4.学生将实验数据描点画线，交流得到如图的凝固和熔化曲线（图16和图17），总结出晶体的熔点和凝固点相同（图18）。
图15 图16 图17 图18
（五）使用温度传感器探究水的凝固和冰的熔化，直观观察凝固和熔化中的温度变化特点
图19 图20 图21
七、实验教学效果评价：
这次探究之旅是学生从问题出发，自主设计实验解答疑惑的过程，这个过程培养了他们实事求是的科学态度。我们从实验物质、器材、环境多维度进行探索，最终形成装置还可用于家庭实验，实现课堂的翻转。在设计中使用了温度传感器，在尊重传统实验的基础上发挥了现代教育技术在学习中的重要作用。
当然它还存在诸多不足，例如实验的可视性有待进一步提高，其次实验干扰因素较多，水中的杂质，温度计的灵敏度都对实验会产生影响，不过也正是因为实验的不稳定性，才有了许多意想不到的发现。
虽然该实验需要要进一步解决的问题还很多，但对实验的反思，对实验资源的开发，对学生核心素养的培养是我们永恒的追求，探索科学之旅我们一直在行动。
