陳旭東 吳利文

(浙江省寧波市孔浦中學(xué),浙江 寧波 315021)

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利用可在手掌中熔化的金屬鎵改進“觀察冰的熔化過程”實驗

陳旭東 吳利文

(浙江省寧波市孔浦中學(xué),浙江 寧波 315021)

知識來源于生活，知識也來源于實驗.通過學(xué)生的動手操作，再結(jié)合觀察與思考，把抽象的理論知識內(nèi)化為淺顯的知識，易于接受，是我們教學(xué)的一種理想化方式.在初中階段要在學(xué)生頭腦中建立起“晶體的熔化過程是溫度始終保持不變，但需要不斷吸熱”這一規(guī)律，那么觀察晶體的熔化過程這一實驗將是至關(guān)重要的，但實際上卻因為原實驗方案操作不易，成功率低，現(xiàn)象不明顯等原因，難以真正體現(xiàn)實驗的作用，無法讓學(xué)生真正理解規(guī)律.筆者針對該實驗的不足進行了創(chuàng)新：用金屬鎵作為熔化晶體；用溫度傳感器代替普通溫度計；用溫水加熱替代酒精燈加熱，從而實現(xiàn)裝置簡化、操作簡單、現(xiàn)象明顯，真正達到此實驗所希望的目的.

鎵;觀察冰的熔化過程;溫度傳感器;熔化的規(guī)律

在初中科學(xué)教材的華師大版七年級下冊第一章第二節(jié)《水的三態(tài)變化》中有一個實驗，是觀察冰的熔化過程，這個實驗是學(xué)生學(xué)習(xí)三態(tài)變化規(guī)律,以及認識晶體與非晶體區(qū)別的關(guān)鍵，不過此實驗的成功率比較低，不少教師會作為演示實驗,但是總體效果不好,不少教師會采用播放視頻的方式進行教學(xué).對此，筆者對該實驗進行改進，主要從選擇材料、溫度測量工具、加熱方式等方面進行，接下來我從以下幾個方面說明本實驗的改進過程.

一、實驗的教學(xué)目標

按照課標要求，本實驗的教學(xué)目標有以下幾點：

1.會描述冰熔化過程的特點.學(xué)會描繪冰的熔化曲線，會從冰的熔化曲線確定冰的熔點.

2.知道熔化和凝固的特點，熔化和凝固過程中伴隨的能量變化.

3.了解晶體與非晶體的主要區(qū)別.

二、實驗改進的初衷

科學(xué)這一門學(xué)科，之所以會吸引學(xué)生，讓學(xué)生更感興趣，我覺得其中原因有：科學(xué)貼近生活，科學(xué)來源于生活，又能應(yīng)用于生活.而教學(xué)過程中的許多實驗則更進一步讓科學(xué)貼近學(xué)生，所以教學(xué)中一些實驗的效果如何，現(xiàn)象是否明顯，在很大程度上決定了學(xué)生對于知識的理解與掌握，更能培養(yǎng)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，對于學(xué)生成績的提高時有很大幫助的.

上述教學(xué)目標是要通過觀察冰的熔化過程這一實驗來達到的，可實際情況，卻因為觀察冰的熔化過程這一實驗存在一些不足，哪怕是教材中之前曾經(jīng)采用過的材料海波(硫代硫酸鈉)、萘，都無法很好的實現(xiàn).不但學(xué)生不能親自動手做實驗，老師做演示實驗，成功率也不高，不少老師干脆以課堂講解實驗，播放視頻的方式進行教學(xué).的確，對于程度好的學(xué)生，對于知識的記憶不是問題，但對于大多數(shù)同學(xué)，對于描述熔化的特點、曲線的意義、能量的變化等，不能真正掌握，畢竟：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行.

三、原實驗過程的弊端

1.華師大版科學(xué)的現(xiàn)行教材中選用材料冰來完成活動，實驗裝置是簡單易行的，但操作上仍有不足.主要有以下幾點：

(1)前期準備工作較復(fù)雜，所需時間較多，包括冰的制備、保存、破碎等工作，比較繁瑣；

(2)冰是熱的不良導(dǎo)體，加熱過程中會出現(xiàn)受熱不均，導(dǎo)致熔化時溫度難以保持較長時間的穩(wěn)定，不能真正體現(xiàn)出熔點，同時整個熔化過程所需時間過長.

(3)標準大氣壓下，冰的熔點在0℃，用普通溫度計測量不方便.

(4)實驗過程中需要不斷攪拌，需用酒精燈加熱，操作不便.

2、華師大版的科學(xué)教材中，以前也曾選用晶體萘、海波(硫代硫酸鈉)作為實驗材料，不過現(xiàn)在已經(jīng)不再采用.

其中棄用萘的原因很簡單,就一個字——“毒”.萘是一種易揮發(fā)、易升華的物質(zhì)，進入人體后，會使肝、腎損害等，甚至致癌.

不再采用海波(硫代硫酸鈉)，其主要缺點有：

(1)海波(硫代硫酸鈉)具有較強的還原性，會和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，所以不能多次使用；

(2)海波(硫代硫酸鈉)是熱的不良導(dǎo)體，在實驗中，經(jīng)常出現(xiàn)與試管外壁接觸部分的海波先熔化變?yōu)橐后w，溫度計的讀數(shù)會隨著加熱直線上升，而試管內(nèi)的中間固態(tài)部分還未熔化，導(dǎo)致實驗失敗.

四、實驗改進的考慮因素及改進說明

對于熔化實驗的效果如何，我覺得需要考慮以下幾點：

1.所選擇的晶體熔點要適中，最好在20℃到60℃之間.

2.晶體的化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，最好無毒副作用.

3.整個熔化過程能持續(xù)較長時間，現(xiàn)象要明顯，測量數(shù)據(jù)準確并容易記錄、所繪圖像清晰，能很好的體現(xiàn)熔化的特點.

4.整個實驗準備、裝置、操作要比較簡單，總的時間要短.

5.如果實驗?zāi)芡瑫r完成凝固的過程，效果會更好.

在這種情況下，筆者選用了一種新的材料——金屬鎵，來完成整個實驗活動.如果在上課時告訴同學(xué)們有一種金屬是可以在你的手掌中熔化成液態(tài)，這必將極大地引起同學(xué)們的興趣.

介紹一下金屬鎵：鎵是一種灰藍色或銀白色的金屬，導(dǎo)熱性能好，熔點較低，只有29.78℃.在空氣中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不會與氧氣反應(yīng).只通過腸道有微量的吸收，對人體基本沒有傷害.

為了更準確的測量熔化時的溫度，筆者采用溫度傳感器和外接數(shù)據(jù)顯示模塊：能代替普通溫度計直接測量物體的溫度，并顯示數(shù)字，讀數(shù)方便，精確度更高.如果有專用的電腦軟件，實驗中能將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化成圖像，則效果更加明顯.

用金屬鎵來完成熔化實驗，并利用溫度傳感器、電腦軟件輔助，整個實驗操作非常簡單，現(xiàn)象明顯，熔化過程清晰，圖像準確，有助于規(guī)律總結(jié)與理解，教學(xué)效果非常好.

五、改進實驗的裝置

學(xué)生活動裝置：

一支普通溫度計、一支溫度傳感器和數(shù)據(jù)顯示模塊、裝有金屬鎵的塑料試管、秒表、一杯約200mL的熱水即可.

教師的演示實驗：

將溫度傳感器與電腦軟件相連，在電腦中就可以實時形成曲線，并能記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，分析方便.

實驗操作步驟與改進后的優(yōu)點

1.操作步驟

(1)將50℃的溫水約200mL倒入燒杯中.

(2)把已經(jīng)準備好的裝有鎵的塑料小試管放入溫水中，并固定在鐵架臺上.

(3)每隔30秒讀取溫度，進行記錄，等溫度上升至35℃時，撤去溫水，可繼續(xù)記錄降溫的過程.

(4)完成后進行數(shù)據(jù)處理，在坐標紙上進行描點連成光滑的曲線.

(5)歸納總結(jié)，得出晶體熔化的規(guī)律.

以下是實驗所得圖像.

2.實驗優(yōu)點

(1)實驗裝置非常簡單，操作也很簡單，整個實驗過程中也無需攪拌.

(2)加熱過程用溫水代替酒精燈，不產(chǎn)生廢氣，更加環(huán)保.

(3)材料易得，用量少，一般10克鎵就可以，還可反復(fù)使用多次.

(4)活動中熔化現(xiàn)象明顯，學(xué)生能明顯的觀察到鎵在熔化過程中出現(xiàn)的固液共存狀態(tài)，以及繼續(xù)吸熱，但是溫度保持不變的特點.

(5)實驗時間大大縮短，從原實驗的20分鐘，能縮短至一般7分鐘內(nèi)即可完成，并且不受季節(jié)限制.

(6)利用溫度傳感器進行測量，實驗數(shù)據(jù)更加準確,所得圖像與理想曲線接近.

從實際教學(xué)過程中，也很好的體現(xiàn)了本次改進實驗的優(yōu)點，改成學(xué)生實驗后，每一位同學(xué)都能親手操作，而且熔化現(xiàn)象明顯，能讓學(xué)生得出熔化的規(guī)律，印象深刻，真正做到知識的內(nèi)化與吸收，總體教學(xué)效果相當?shù)暮?

六、改進實驗的思考

筆者在改進實驗的過程中也遇到的一些情況，要與讀者分享：

1.在本人多次實驗后發(fā)現(xiàn)，金屬鎵在熔化后，不能在短時間內(nèi)凝固，一般超過半小時，所以針對平行班級要多預(yù)備一些.同時，也需要繼續(xù)探究能在短時間內(nèi)讓鎵凝固的方式.

2.購買到的鎵儲存在玻璃容器內(nèi),但是鎵有浸潤玻璃的特性,同時又因為金屬鎵在凝固時會膨脹，膨脹率高達3.2%，會脹破玻璃容器，所以需要將金屬鎵及時保存到塑料試管內(nèi)備用.后來找來醫(yī)用的塑料試管作為容器，效果不錯.

3.對于加熱方式的選擇，用溫水代替常規(guī)的酒精燈加熱，操作簡單，也環(huán)保，整個實驗時間也縮短，當然，如果想要金屬鎵的升溫階段持續(xù)時間長一點，更加明顯一些，采用酒精燈加熱的水浴法可以進行緩慢加熱.

[1]陳建峰.冰熔化實驗改進的嘗試[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)(教師教育)，2016(04).

[2]李永春.晶體熔化實驗的改進[J].中小學(xué)實驗與裝備,2009(01).

[責(zé)任編輯：季春陽]

2017-05-01

陳旭東(1979.10-)，男，漢族，浙江省奉化市人，中學(xué)一級，本科，從事晶體熔化研究.

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