顏石珍

（杭州市文海實(shí)驗(yàn)學(xué)校，浙江 杭州 310018）

1 項(xiàng)目主題分析

1.1 主題內(nèi)容分析

“物態(tài)變化”這一主題的教學(xué)內(nèi)容包括熔化與凝固、汽化與液化、升華與凝華3個(gè)板塊.課標(biāo)中關(guān)于物態(tài)變化的學(xué)習(xí)要求為“知道物質(zhì)的三態(tài)及其變化的特點(diǎn)，并能用圖像描述這些特點(diǎn)；知道物態(tài)變化伴隨吸熱和放熱”.[1]需要理解的核心概念有物態(tài)是變化的、能量是轉(zhuǎn)化與守恒的、物質(zhì)性質(zhì)決定物質(zhì)的用途.在具體應(yīng)用中要求學(xué)生能運(yùn)用物態(tài)變化的知識(shí)解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問題.因此構(gòu)建了物態(tài)變化知識(shí)與核心概念關(guān)系框架圖，如圖1所示.

圖1 物態(tài)變化知識(shí)與核心概念關(guān)系框架圖

1.2 項(xiàng)目主題構(gòu)思

指向?qū)W科核心概念的教學(xué)是指在構(gòu)思科學(xué)教育的目標(biāo)時(shí)，在知識(shí)方面不是一堆事實(shí)和理論，而是趨向于核心概念.這些核心概念及進(jìn)展過程可以幫助學(xué)生理解與他們在校以及離開學(xué)校以后的生活有關(guān)的一些事件與現(xiàn)象.[2]

物態(tài)變化在生活中的應(yīng)用常見于冰箱、空調(diào)、汽車等制冷（熱）系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng).以汽車為例，在維修保養(yǎng)時(shí)師傅會(huì)檢查冷卻液的剩余量，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，需要及時(shí)冷卻，若冷卻液不足有損壞發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn).市場上售賣的汽車?yán)鋮s液通常是在水中加入乙二醇，也叫防凍液.有人宣傳汽車防凍液純度越高越好，因此有人可能會(huì)花更高的價(jià)格購買高純度的防凍液，這樣的選擇合理嗎？想要回答這些問題需要具備物態(tài)變化和物質(zhì)的性質(zhì)等相關(guān)知識(shí).基于以上分析，故將“物態(tài)變化”內(nèi)容學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為“汽車?yán)鋮s液探究與正確選擇”的項(xiàng)目學(xué)習(xí).

項(xiàng)目式教學(xué)通過設(shè)置一個(gè)真實(shí)情境的驅(qū)動(dòng)性問題，學(xué)生作為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的主體主動(dòng)分析與拆解問題并轉(zhuǎn)化為科學(xué)問題進(jìn)行探究，在完成項(xiàng)目任務(wù)過程中提升高階思維能力和問題解決能力，進(jìn)一步理解核心概念，從而發(fā)展其核心素養(yǎng).

2 項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)主題的內(nèi)容要求，結(jié)合學(xué)生具體情況，制定項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)如下.

（1）通過項(xiàng)目問題分析和任務(wù)拆解，學(xué)生能初步建立分析問題的一般思路與方法，同時(shí)學(xué)會(huì)將生活問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問題.

（2）利用觀察和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)物質(zhì)的凝固點(diǎn)沸點(diǎn)等性質(zhì)進(jìn)行研究，學(xué)會(huì)用圖像的方法分析物態(tài)變化規(guī)律，并能利用微觀解釋原因.

（3）通過對(duì)不同物質(zhì)的變化和性質(zhì)的研究，理解物態(tài)是變化的、能量是轉(zhuǎn)化與守恒的、物質(zhì)性質(zhì)決定物質(zhì)的用途等核心概念.

（4）通過各種調(diào)查和實(shí)驗(yàn)研究提升收集與處理信息、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、科學(xué)論證、科學(xué)解釋等科學(xué)探究能力.

3 項(xiàng)目任務(wù)和教學(xué)流程

依據(jù)項(xiàng)目式教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，本項(xiàng)目以“汽車?yán)鋮s液探究與正確選擇”為活動(dòng)載體，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)查了解冷卻液的性質(zhì)，分析冷卻液的使用需要考慮哪些因素？各種因素關(guān)聯(lián)液體哪些性質(zhì)；探究常見物質(zhì)的凝固點(diǎn)、沸點(diǎn)等性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律；測量與比較不同濃度乙二醇的沸點(diǎn)；綜合信息為用戶撰寫“冷卻液正確選擇的說明書”以及做好宣傳.表1為本項(xiàng)目的教學(xué)環(huán)節(jié)、學(xué)習(xí)任務(wù)與學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)成果.

表1 項(xiàng)目教學(xué)環(huán)節(jié)

4 項(xiàng)目實(shí)施過程及學(xué)習(xí)結(jié)果

4.1 入項(xiàng)活動(dòng)

項(xiàng)目引出：生活中用于冷卻物體時(shí)通常選擇水作為冷卻液，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠高效.那么給汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配制的冷卻液可不可以也用水呢？

課前調(diào)查：學(xué)生通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液不是水，而是乙二醇的水溶液.

資料卡：乙二醇是一種無色微粘的液體，沸點(diǎn)是197.4℃，冰點(diǎn)是-11.5℃，能與水任意比例混合.混合后由于改變了冷卻水的蒸汽壓，冰點(diǎn)顯著降低.當(dāng)乙二醇的含量為60%時(shí)，冰點(diǎn)可降低至-48.3℃，超過這個(gè)極限時(shí)，冰點(diǎn)反而要上升.毒性：大鼠經(jīng)口LD50=5.8mL／kg，小鼠經(jīng)口LD50=1.31—13.8mL／kg.侵入途徑：吸入、食入、經(jīng)皮吸收.

驅(qū)動(dòng)性問題：為保障汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要使用合適的冷卻液，作為一名科普工作者，如何科學(xué)指導(dǎo)我國南方和北方的汽車之友正確選擇冷卻液（防凍液）？有人說汽車防凍液純度越高越好，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明該觀點(diǎn)的可靠性？根據(jù)調(diào)查研究結(jié)果寫一份關(guān)于“如何正確選擇汽車?yán)鋮s液”的說明書，廣而告之.

分析與拆解問題：按照問題解決的線索需要解決的問題有：① 冷卻液的使用需要考慮哪些因素？②各種因素與液體哪種性質(zhì)有關(guān)聯(lián)？③ 不同濃度乙二醇冷卻液性質(zhì)有哪些不同？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究？④如何設(shè)計(jì)關(guān)于正確選擇冷卻液的說明書？

4.2 項(xiàng)目實(shí)踐

子任務(wù)1為調(diào)查研究：了解冷卻液的性質(zhì)和分析選擇依據(jù).

教師提問：冷卻液的使用需要考慮哪些因素？各種因素關(guān)聯(lián)液體哪些性質(zhì)？

小組討論：考慮冷卻液使用的環(huán)境，南方和北方主要是冬天最低氣溫的區(qū)別，還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度對(duì)冷卻液的要求.

研究結(jié)果：天氣因素決定冷卻液的凝固點(diǎn)要相對(duì)較低，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度決定冷卻液的沸點(diǎn)不能太低，冷卻液的比熱容會(huì)影響散熱效果，在管道中流動(dòng)的液體，黏性不亦過大.表2為各種因素與冷卻液性質(zhì)的關(guān)聯(lián).

表2 各種因素與冷卻液性質(zhì)關(guān)聯(lián)

學(xué)生總結(jié)：乙二醇的冰點(diǎn)是-11.5℃，沸點(diǎn)是197.4℃，完全能滿足冷卻液的需求，稀釋的冷卻液也可以滿足要求，具體的濃度需要研究.用戶可根據(jù)氣溫和散熱等需求，結(jié)合冷卻液的冰點(diǎn)、沸點(diǎn)等性質(zhì)綜合判斷與選擇.

追問：常見的汽車?yán)鋮s液是乙二醇的水溶液，若為了滿足北方足夠低的氣溫，你認(rèn)為乙二醇的濃度高一點(diǎn)合適還是低一點(diǎn)合適？

學(xué)生解釋：乙二醇的濃度高一點(diǎn)合適，隨著乙二醇濃度的提高，冰點(diǎn)應(yīng)該會(huì)降低，沸點(diǎn)會(huì)提高.

學(xué)生活動(dòng)：通過網(wǎng)絡(luò)搜索關(guān)于不同濃度的乙二醇冷卻液性質(zhì)，信息篩選整理如表3所示.

表3 不同濃度乙二醇的冰點(diǎn)與沸點(diǎn)

教師提問：觀察不同濃度乙二醇冷卻液的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)，和預(yù)期是否一致？

學(xué)生總結(jié)：冷卻液主要成分由乙二醇和水的混合而成，不同濃度混合物的性質(zhì)不同.和我們的預(yù)期有出入，預(yù)期冷卻液的冰點(diǎn)是隨著濃度的增加而降低，而科學(xué)研究表明當(dāng)冷卻液濃度達(dá)到60%時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，非常神奇.

教師補(bǔ)充：由于乙二醇有一定的毒性，實(shí)驗(yàn)室研究需要更高要求，所以我們先選擇水、鹽水、酒精等常見物質(zhì)進(jìn)行研究.這些物質(zhì)的性質(zhì)會(huì)研究了，類似的方法可以遷移到乙二醇冷卻液研究中.

子任務(wù)2為基礎(chǔ)探究：比較常見物質(zhì)的凝固點(diǎn)、沸點(diǎn).

實(shí)驗(yàn)探究1：比較水和鹽水的凝固情況，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

方案設(shè)計(jì)：將純凈水、濃鹽水放入冰箱中，每隔12h觀察溶液的凝固情況.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表4.

表4 純凈水與濃鹽水對(duì)比

結(jié)果分析：發(fā)現(xiàn)鹽水結(jié)冰比水要慢.將其取出測量固液共存態(tài)時(shí)的溫度，冰水混合物在0℃，如圖2所示.而鹽水的固液混合物的溫度為-6℃.

圖2 水的凝固點(diǎn)測量

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：水的凝固點(diǎn)為0℃，鹽水凝固點(diǎn)比水低.

生活現(xiàn)象：下雪的時(shí)候，人們會(huì)在公路上撒鹽以防路面結(jié)冰，請(qǐng)解釋為什么？

科學(xué)解釋：因?yàn)辂}水凝固點(diǎn)比水低，在冰雪上撒鹽使其凝固點(diǎn)降低，雨雪就不易結(jié)冰了.

實(shí)驗(yàn)探究2：比較水和鹽水的凝固情況，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

方案設(shè)計(jì)：配置濃度分別為5%、10%、15%、20%的酒精溶液100g；放入冰箱中12h后取出，觀察凝固情況和測量混合物的溫度.

實(shí)驗(yàn)操作：如圖3所示.

圖3 不同濃度酒精溶液冰點(diǎn)測量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表5.

表5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)酒精溶液的冰點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：隨著酒精濃度的增加，凝固點(diǎn)降低.

實(shí)驗(yàn)探究3：探究水的沸點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

設(shè)計(jì)操作：加熱一杯50g的水，觀察沸騰前和沸騰時(shí)的現(xiàn)象，測量溫度.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表6.

表6 水的溫度

教師提問：如何給沸騰下定義？

下定義：沸騰是液體內(nèi)部和表面同時(shí)進(jìn)行的劇烈汽化現(xiàn)象.

繪制圖像如圖4所示.

圖4 水沸騰溫度

發(fā)現(xiàn)規(guī)律：沸騰前，水的溫度不斷升高，沸騰時(shí)，溫度保持不變.

教師提問：如何解釋沸騰時(shí)溫度保持不變這一現(xiàn)象，能量是如何轉(zhuǎn)化的，是否意味著能量不守恒？

科學(xué)解釋：在沸騰過程中，水需要吸收熱量，吸收的能量并沒有表現(xiàn)在溫度的升高上.以分子運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)看，分子間的距離在增加，水變?yōu)樗魵獾倪^程需要能量是分子克服分子之間的引力使其距離消耗的能量.

子任務(wù)3為深度探究：研究不同濃度溶液的沸點(diǎn).

問題提出：由于乙二醇有一定的毒性，和探究水的沸點(diǎn)一樣的探究裝置可行嗎？存在哪些問題？

師生討論：擔(dān)心氣體蒸發(fā)需要密封系統(tǒng)，但密封系統(tǒng)在加熱過程中會(huì)因氣壓過大而不安全，那么如何減小氣壓呢？我們可以利用將氣體冷卻液化的方法.科學(xué)上可以利用冷凝裝置來實(shí)現(xiàn).

查閱資料：研究三口燒瓶和冷凝管的使用方法和注意事項(xiàng).

實(shí)驗(yàn)探究1：探究不同濃度酒精溶液的沸點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

提出問題：為了比較不同濃度酒精的沸點(diǎn)，該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？

方案設(shè)計(jì)：配置濃度分別為20%、30%、40%、50%的酒精溶液若干，加熱至沸騰，測量溫度.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表7.

表7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)酒精溶液的沸點(diǎn)

繪制圖像如圖5所示.

圖5 不同濃度酒精溶液的沸點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：酒精溶液的濃度越高，沸點(diǎn)越低.

類比推理：冷卻液中乙二醇的濃度越高，沸點(diǎn)越低.

實(shí)驗(yàn)探究2：探究不同濃度乙二醇溶液的沸點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

方案設(shè)計(jì)：配置濃度分別為30%、40%、50%、60%的冷卻液若干，加熱至沸騰，測量溫度.

實(shí)驗(yàn)操作：如圖6所示.

圖6 不同濃度乙二醇溶液的沸點(diǎn)測量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表8.

表8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙二醇溶液的沸點(diǎn)

繪制圖像如圖7所示.

圖7 不同濃度乙二醇溶液的沸點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：冷卻液中乙二醇的濃度越高，沸點(diǎn)越高.

子任務(wù)4為決策評(píng)價(jià)：如何正確選擇防凍液？

查閱資料了解黏度系數(shù)，水的黏度為0.404，30%的乙二醇的黏度為0.76，50%時(shí)為1.17，黏度系數(shù)明顯上升.隨著乙二醇水溶液濃度的提升，動(dòng)力黏度不斷增加，冷卻液的對(duì)流換熱能力會(huì)降低.因此在南方地區(qū)等環(huán)境溫度較高的情況下，對(duì)冷卻液的冰點(diǎn)要求較低時(shí)，可采用乙二醇濃度較低的冷卻液，有利于提高散熱性能，同時(shí)降低使用成本.隨著乙二醇的濃度增加，水溶液的冰點(diǎn)不斷降低，最低可達(dá)零下48℃，使得散熱器的冷卻液不易結(jié)冰.總之，要根據(jù)氣溫和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和散熱需求，結(jié)合冷卻液的冰點(diǎn)、沸點(diǎn)、黏度系數(shù)等性質(zhì)綜合判斷與選擇.

項(xiàng)目反思：談?wù)劚卷?xiàng)目的收獲與反思？

學(xué)生收獲1：科學(xué)與生活緊密相連，原來冷卻液包含了這么多科學(xué)知識(shí)，冷卻液的選擇和物質(zhì)的性質(zhì)相關(guān)，科學(xué)知識(shí)會(huì)給人們帶來這么多用處，感受到學(xué)習(xí)科學(xué)有價(jià)值.

學(xué)生收獲2：科學(xué)方法很重要，在研究冷卻液性質(zhì)的過程時(shí)我學(xué)會(huì)了組裝儀器，認(rèn)真觀察、精準(zhǔn)記錄和數(shù)據(jù)處理，通過圖像發(fā)現(xiàn)規(guī)律等方法.要根據(jù)物質(zhì)特點(diǎn)選擇和創(chuàng)造儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保安全可行.

學(xué)生收獲3：科學(xué)研究需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和持之以恒，我學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)歷了重復(fù)多次才成功，感受到科學(xué)研究不容易，也能培養(yǎng)了我的毅力.

經(jīng)過了科學(xué)調(diào)查和科學(xué)探究，了解了冷卻液的性質(zhì)以及分析了選擇依據(jù)，學(xué)生設(shè)計(jì)“如何正確選擇冷卻液”的說明書.