（一）实验设计

1.实验原理

液氮实验涉及多种物态变化的过程，装在水槽中的液氮挥发是汽化，低温的氮气使得空气中的水蒸气液化成细小的水珠，从而出现大量的白雾。装液氮的水槽外表面的霜是因为空气中的水蒸气遇冷凝华。液氮被倒在桌面上之所以会形成一粒粒小的滚珠，是因为液氮表面与桌面之间形成了一层“气膜”。放入液氮中的气球会缩小，是因为气球中的空气遇冷液化，体积减小，将气球拿到桌面上时，气球中的液态空气再次遇热汽化，使气球膨胀。拿钢杯盛放液氮时，在钢杯底部滴落的液体是空气中的氧气遇冷液化所形成的液氧。在装有液氮的玻璃瓶上装一个有小气孔的瓶塞时，会迅速喷出大量气体，是因为液氮转化为氮气时体积变化倍率为648倍，在瓶口套上的气球能够迅速膨胀也是同理。液氧能够被磁铁吸引是因为液氧具有强顺磁性。放入液氮中的树叶由于其中的液体被冻成固态，所以质地变硬了，容易折断捏碎。液氮冰淇淋的制作是所用材料的液态混合物遇冷凝固而成的。

2.实验材料

液氮、水槽、气球、打气筒、纸巾（或抹布）、镊子、汤勺、钢杯、隔热手套、木板、热水壶、塑胶桶、冰淇淋原材料（纯牛奶、白糖、蜂蜜、奶油、多种果酱）、树叶、玻璃瓶、带气孔的瓶塞、酒精灯、小金鱼、托盘天平、磁铁、易拉罐、碗。

3.STEM理念的融合

基于STEM理念的初中物理实验创新设计如表3-1所示。

表3-1　基于STEM理念的初中物理实验创新设计

（二）教学编排

1.教学过程

（1）演示在液氮中洗过的布料在空气中快速变干的现象，并请学生用纸张做实验，观察布料/纸张的干燥程度和温度。

（2）用钢杯盛一定的液氮，在桌面上轻洒一些，观察现象并引发学生思考。

（3）将液氮装进玻璃瓶中，用一个带气孔的瓶塞塞住瓶口，观察现象；将未充气的气球套在瓶塞上，观察现象。

（4）将气球放进液氮中，观察气球的变化；将液氮中的气球拿出来放在桌面上，观察气球的变化。

（5）探究装有液氮的钢杯底部滴下的液体是什么物质，并利用液氧的强顺磁性收集液氧。(www.daowen.com)

（6）将树叶放进液氮中，并观察树叶的变化情况，然后再放入棉花糖，请学生品尝棉花糖“口感”的变化。

（7）指导学生制作液氮冰淇淋。

（8）将热水壶中的热水倒入液氮中，让学生观察发生的现象。

2.基于STEM理念的PBL学习模式

基于STEM理念的PBL学习模式如表3-2所示。

表3-2　基于STEM理念的PBL学习模式

续表

续表

续表

3.小结

该实验利用液氮展现物态变化是人教版初中物理八年级的教学内容，课本上的实验（例如，探究水沸腾时温度变化的特点）展现物态变化的过程过于缓慢，而且现象不明显，缺乏趣味性。因此，将实验基于STEM理念进行拓展和深化改进，希望能够更加直观地让学生“感到”“听到”“看到”物态变化过程的魅力所在。物态变化作为学生日后学习热学内容的重要基础，虽然看似简单，但其中的原理也并非一目了然，问题探究的空间仍然很大，基于STEM理念的实验教学以问题为核心，给了学生探索求知、交流学习的机会。而且学生在学习六种不同物态变化过程中的吸热和放热情况时，由于缺乏足够的感性认识，即使是死记硬背，在学习完这一章节之后依然容易遗忘，对知识的掌握浮于表面。因此，希望通过拓展的液氮实验丰富学生的感性认识，以实际的案例和直观的呈现方式使学生形成物态变化的吸热、放热特点的独特记忆。