二氧化碳滅火實驗改進研究和創新設計

彭蘭貞 蘇日平

摘要：現行人教版初中教材中二氧化碳滅火演示實驗成功率低，現象可視對比度弱，教學價值效能差，有待優化改進。基于文獻研究、分析以往的實驗裝置，并從實驗科學嚴密性和實驗演示效果角度創新設計實驗裝置：在原教材實驗裝置基礎上增添中間剪縫的隔熱鋁板，減少熱量干擾;用塑料吸管橫置導氣替代傾倒法，排除氣流干擾;氣體制取與滅火實驗一體化，延長高低蠟燭熄滅時間差。改進后實驗科學嚴謹、成功率高、現象可視對比度強、實用性強。

關鍵詞：二氧化碳;滅火實驗;改進研究;創新設計

文章編號：1008-0546（2020）03-0095-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn. 1008-0546.2020.03.027

一、問題提出

二氧化碳滅火實驗是現行初中人教版教材的重要演示實驗（如圖1所示），教材旨在通過該實驗驗證二氧化碳密度比空氣大、不支持燃燒、也不能燃燒的性質。但經多次課堂實踐發現，傾倒的角度、氣流的快慢、熱量的干擾和操作的熟練都有可能產生與實驗預設現象不符的“異常現象”與“不良后果”：

（1）二氧化碳氣體傾倒過快或傾倒角度不恰當，致使高階蠟燭先熄滅，低階蠟燭后熄滅，甚至低階蠟燭不熄滅的現象，導致學生宏觀現象認識錯誤;

（2）二氧化碳氣體傾倒過慢，蠟燭燃燒產生熱量會導致氣體受熱上浮逸走，兩根蠟燭都不熄滅。此時，教師會另取一瓶二氧化碳進行“補救”實驗，有的甚至多次不成功[1]，浪費課堂時間，降低課堂效率，若沒有預留多余的二氧化碳氣體，則預示實驗失敗，實驗欠缺可控性;

（3）傾倒的角度恰當，但倒人二氧化碳的量不夠，或氣體受蠟燭熱量干擾逸走，低階蠟燭熄滅，但高階蠟燭不熄滅的現象，影響現象的對比性。

綜上所述，教材實驗方案成功率低，導致學生對實驗現象的分析產生疑惑甚至導致實驗失敗[2]。即使出現了階梯蠟燭自下而上依次熄滅的預設現象，可高低蠟燭熄滅時間間隔短，現象可視對比度弱，缺乏觀賞性和實用性，降低了教學價值效能，實驗有待優化改進。

二、研究現狀與分析

鑒于文獻具有代表性、傳承性和發展性，筆者基于文獻研究法，對收錄在CNKI數據庫的論文、各地中考題目等相關文獻進行歸納、研究和科學分析，發現該實驗裝置改進案例很多，見圖2和表1，但仔細分析部分相關改進案例尚有不足之處：（1）有些實驗改進只求得到階梯蠟燭自下而上依次熄滅的預設現象，但存在科學本質上的錯誤。（2）-些實驗改進沒有排除傾倒氣體產生的氣流干擾，或沒有減少蠟燭燃燒的熱量干擾，實驗尚不夠科學嚴密，成功率低。（3）某些實驗改進能延長高低蠟燭熄滅間隔時間，增強了現象的視覺對比，但蠟燭熄滅耗時長。因此，可基于文獻進一步研究改進，創新設計一個科學嚴密、現象明顯的實驗裝置。

三、設計思路

基于文獻研究，優化設計的創新實驗裝置務必在沒有科學本質錯誤的前提下著力解決以下三個問題：一是實驗過程中要排除熱量干擾、氣流干擾，使實驗更科學嚴謹;二是實驗操作簡單，成功率高，現象可視對比度強;三是實驗裝置還要具備取材容易、制作簡單、便于操作、重復性好、安全可靠等特點[7]。

四、創新設計

1.儀器制作

取鋁板剪去中間一部分，形成1cm寬的長方形縫，制成隔熱板（如圖3所示）。用稍硬的鐵絲綁著兩根蠟燭置于燒杯左右兩邊，形成高低蠟燭。把制作的隔熱板置于裝有高低蠟燭的燒杯中，用粉筆在距離兩根蠟燭芯高低相等、左右距離相同的地方標注，定位二氧化碳氣體的出氣孔位置（如圖4所示）。取塑料吸管彎管部分稍剪短，并折成90度角橫置導氣，用蠟燭滴蠟固定在燒杯上，出氣孔位置對準定位點（如圖5所示）。

2.實驗裝置

改進的實驗裝置如圖6所示，A部分是二氧化碳氣體發生裝置，B部分是二氧化碳滅火實驗裝置部分。

3.實驗改進的優點

（1）科學嚴密性：塑料吸管橫置導氣，出氣孔離蠟燭火焰高低一致、左右距離相等，氣流方向不受限，上下左右都可以選擇，排除了氣流干擾。其次，用隔板隔熱，減少了熱量干擾，實驗科學嚴謹，提高實驗的可信度，同時培育了師生嚴謹的科學精神。

（2）成功率高：采用改進裝置后發現演示能看到預設現象，成功率高，提高了實驗演示效果和教學質量。

（3）可視對比度強：蠟燭在較短時間內自下而上依次熄滅，而且高低蠟燭熄滅時間間隔較長，不會出現兩根蠟燭同時熄滅或熄滅時間差太短的情況，學生有充足的觀察時間，增強了現象的可視對比度。

（4）實用性強：課堂當場制備二氧化碳氣體，不需要提前收集氣體，準備時間短，也不怕提前收集的二氧化碳氣體泄漏，或者收集的氣體不夠。儀器制作簡單，操作方便，可適用人教版教材要求的學生實驗2——二氧化碳的實驗室制取與性質。

（5）培養學生學科核心素養：課堂演示實驗改進，滲透創新意識，助力培養學生科學探究和創新意識學科核心素養。

五、結語

教材實驗是相對具有代表性的，但部分也存在些許問題，一線教師在教學實踐中主動探索、積極創新，不僅提高實驗教學的質量，豐富中學化學實驗教學資源，還能讓學生認識到教材實驗是可以改進的，潛移默化培養學生質疑精神、創新精神，發展學生學科核心素養。總之，創新實驗教學發揮著傳授科學知識的基本功能，也是培養學生創新意識和能力的重要載體，其所內含的“知”與“創”兩大要素正是創新教育之所求[8]。

參考文獻

[1]吳長順.“二氧化碳性質”實驗的簡約創新設計[J]化學教育，2015，36（13）：73

[2][3]明月露.二氧化碳性質實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2015，32（21）：58.

[4] 汪小三.讓實驗教學異常現象變成一次美麗的邂逅——“二氧化碳的制取和性質”觀課摭談[J].中學化學教學參考，2014（21）：41

[5]張澤志，高霞，張頌平.二氧化碳性質實驗的創新及微型化[J].河南教育學院學報（自然科學版），2017，26（2）：58-60

[6]徐掌印.二氧化碳性質實驗的創新設計[J].教學儀器與實驗，2009，25（10）：15

[7]梁勝金.吸熱反應實驗的新設計[J].化學教學，2018（11）：80-81+89

[8] 易紅郡，姜遠謀.實驗教學40年：回顧與展望[J].課程·教材·教法，2018，38（6） ：14-20