數(shù)字化實驗在蠟燭燃燒探究教學中的應用

扈玉歌 劉繼宏 楊慧

摘要：課本蠟燭燃燒實驗僅僅探究蠟燭的理、化性質(zhì)，不能滿足學生強烈的求知欲和探究欲。為培養(yǎng)學生的觀察能力、創(chuàng)新思維，拓寬學生視野，激發(fā)學生的興趣，將實驗適當拓展，引入了數(shù)字化儀器——探測蠟燭火焰各層溫度差異；探究蠟燭燃燒產(chǎn)生的黑色物質(zhì)；探究蠟燭燃燒需要的最低氧氣濃度。

關鍵詞：蠟燭燃燒；數(shù)字技術；創(chuàng)新實驗；實驗應用

文章編號：1008-0546（2022）12x-0042-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.010

一、教材分析

蠟燭及其燃燒的探究是人教版九年級化學上冊第一單元內(nèi)容，是初三化學中學生接觸的第一個探究實驗，[1]旨在通過實驗培養(yǎng)學生觀察、分析、解決問題的能力。[2]學生雖然學習了科學探究的一般過程，但對化學現(xiàn)象的認識仍停留在定性層面上，對數(shù)字化實驗操作還不熟練，沒有建立起宏觀，微觀，曲線之間的聯(lián)系。

二、教學目標

1．教學目標

（1）通過探測蠟燭火焰各層溫度差異，提高觀察、提出和解決問題的能力。

（2）通過對蠟燭燃燒產(chǎn)生黑色物質(zhì)的探究，提高創(chuàng)新實驗的能力。

（3）通過對密閉裝置中蠟燭熄滅時氧氣含量的探究，得出蠟燭燃燒條件，提升深度思考、高階思維的能力。

（4）通過高低蠟燭實驗，從化學視角關注身邊的事物，感受到化學服務于生活，化學與生活密不可分。

三、教學片段

1．環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設情景、引出問題

PPT播放從先秦時期到現(xiàn)實生活蠟燭被廣泛應用的圖片。感悟化學與生活密切相關，提高學習興趣。[3]

[教師]出示課本蠟燭火焰各層溫度探究圖（如圖1所示），回憶實驗現(xiàn)象和結(jié)論。

[學生]由小木棍兩邊燒焦，中間部分未燒焦，得出焰心溫度最低，內(nèi)焰溫度次之外焰溫度最高結(jié)論。

設計意圖：由課本傳統(tǒng)實驗，引出數(shù)字實驗。

[教師]蠟燭火焰各層溫度具體是多少？如何測定呢？

[學生]學生討論：溫度計。

[教師]PPT展示部分常用溫度計量程：約-30℃-110℃之間。介紹數(shù)字化儀器——高溫傳感器（如圖2所示）。

[師生]教師用高溫傳感器實測焰心、內(nèi)焰、外焰的溫度，學生采集、記錄數(shù)據(jù)。

[教師]根據(jù)我們實測的數(shù)據(jù)有什么發(fā)現(xiàn)？

[學生]內(nèi)焰溫度略高于外焰，與課本結(jié)論不一致，有可能一次測量具有偶然性。

[教師]避免偶然性，多次測量。數(shù)據(jù)如表1所示。分析數(shù)據(jù)，有什么發(fā)現(xiàn)？

[學生]還是內(nèi)焰溫度略高于外焰溫度。

[教師]提問：為什么內(nèi)焰溫度高于外焰溫度？

[學生]可能外焰與空氣接觸，熱量散失。

[教師]如何減少外焰與空氣熱傳遞？木炭還原氧化銅實驗中給酒精燈加網(wǎng)罩的作用是什么？

[學生]聚集火焰，提高溫度。給蠟燭火焰加上網(wǎng)罩，減少空氣熱傳遞。

師生共同設計出幾種不同材質(zhì)的網(wǎng)罩（如圖3所示）。

[教師]如何方便快速測出火焰周圍的溫度？

[學生]聯(lián)想到每天測量體溫的體溫槍。

[教師]出示測溫儀（量程：-50℃-550℃），引導學生改進實驗：給蠟燭火焰加上不同的網(wǎng)罩，比較隔熱效果。

[師生]：給蠟燭加上不同網(wǎng)罩，在控制變量的情況下，用測溫儀測出火焰周圍空氣溫度（如圖4所示）。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)玻璃罩對減少空氣熱傳遞效果最好。

[改進實驗]：給蠟燭火焰罩上玻璃罩，用高溫傳感器測內(nèi)焰和外焰的溫度，讀取數(shù)據(jù)：外焰的溫度738℃，內(nèi)焰的溫度731℃。（如圖5所示）最終得出：在減少空氣熱傳遞的情況下：蠟燭外焰溫度最高，內(nèi)焰次之，焰心溫度最低，從而佐證了課本結(jié)論。

[教師]通過以上探究，啟發(fā)我們給物質(zhì)加熱時應靠近火焰的什么部位？

[學生]給物質(zhì)加熱時應放在內(nèi)焰和外焰交接處。

設計意圖：測得火焰各層溫度與課本結(jié)論不一致，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，削弱定勢思維的影響，促進學生科學探究與創(chuàng)新意識的養(yǎng)成。

2．環(huán)節(jié)二：蠟燭燃燒產(chǎn)物探究

[教師]探究蠟燭燃燒產(chǎn)物實驗時，除了有水和二氧化碳生成外，還有什么現(xiàn)象？

[學生]燒杯內(nèi)壁有黑色物質(zhì)出現(xiàn)。

[教師]黑色物質(zhì)是什么？

[學生]黑色物質(zhì)可能是蠟燭不完全燃燒生成的炭黑。

[教師]如何設計實驗證明黑色物質(zhì)為炭黑？

[學生]把黑色物質(zhì)收集起來點燃，再通入澄清石灰水看是否變渾濁，若變渾濁，證明有二氧化碳生成，可推出黑色物質(zhì)為炭黑。

[教師]炭黑受熱可以轉(zhuǎn)化為二氧化碳，但用什么熱源實現(xiàn)兩者轉(zhuǎn)化？

[學生]酒精燈、氫氣、電加熱。

[教師]分析各種熱源使用條件和實驗過程優(yōu)缺點。如何檢測產(chǎn)生的少量二氧化碳？

[學生]在密閉容器中實驗，用傳感器檢測二氧化碳。

[師生]討論得出實驗裝置如圖6所示。

[實驗步驟]①把電烙鐵尖端部分放在蠟燭火焰上方收集黑色物質(zhì)，②把電烙鐵和二氧化碳傳感器一起放人三頸瓶中，③連接二氧化碳采集器，接通電烙鐵電源，④觀察實驗曲線和數(shù)據(jù)（如圖7所示）。

[實驗結(jié)論]由此實驗得出黑色物質(zhì)為炭黑。

設計意圖：學生通過討論探究黑色物質(zhì)實驗方案，提高語言表達能力、科學探究能力以及創(chuàng)新能力。

3．環(huán)節(jié)三：蠟燭燃燒條件探究

[教師]燃著的蠟燭放在密閉容器中熄滅的原因是什么？

[學生]猜想l、燃燒產(chǎn)生的二氧化碳使蠟燭熄滅；猜想2、蠟燭燃燒消耗氧氣，導致蠟燭熄滅。

[教師]實驗驗證猜想1，把燃著的蠟燭放人二氧化碳含量為80%、氧氣含量為20%的氣體中。

[現(xiàn)象]蠟燭繼續(xù)燃燒。

[結(jié)論]蠟燭熄滅與生成的二氧化碳無關。

[教師]實驗驗證猜想2，實驗裝置如圖8所示，把氧氣傳感器放在三頸瓶中，點燃蠟燭，同時點擊采集器，觀察實驗數(shù)據(jù)變化（如圖9所示）。

[現(xiàn)象]蠟燭燃燒一段時間后熄滅，氧氣含量由21%減少到15.49%。

[教師]蠟燭熄滅時氧氣含量具體是多少呢？請同學們仔細觀察實驗。（放慢實驗過程，蠟燭熄滅瞬間氧氣含量如圖10所示）

[學生]蠟燭在氧氣含量約17.28%時熄滅。

[教師]蠟燭燃燒需要氧氣濃度最低是多少？15.49%還是17.28%？

引導學生用半值法設計實驗。

[學生]討論實驗方案和操作。分別收集氧氣含量15%、16%、17%、16.5%四瓶氣體，把燃著的蠟燭伸人瓶中，實驗現(xiàn)象如表2所示。[結(jié)論]蠟燭燃燒需要的氧氣含量需在16%以上。[教師]蠟燭在氧氣含量17.28%時熄滅，為什么氧氣含量還繼續(xù)降低？

[學生]思考討論。

[教師]引導學生觀察實驗裝置中蠟燭的位置和傳感器的位置。

[學生]蠟燭燃燒產(chǎn)生的二氧化碳使其周圍氧氣含量降低，導致其熄滅。氧氣傳感器在蠟燭上方，所測的并不是蠟燭周圍氧氣的含量。蠟燭熄滅后裝置內(nèi)各部分氣體交換，導致傳感器周圍氧氣含量從17.28%降到15.49%。

設計意圖：數(shù)字化實驗結(jié)合半值法，通過數(shù)據(jù)定量分析，有利于學生“知其然且知其所以然”，一定程度上培養(yǎng)學生證據(jù)推理的學科素養(yǎng)和高階思維能力。

4．環(huán)節(jié)四：蠟燭燃燒實驗應用

[教師]兩支燃著的高低不同蠟燭，在同一封閉容器中哪支先熄滅？

[學生]高蠟燭先熄滅；低蠟燭先熄滅。

[實驗]實驗裝置如圖11所示，進行實驗，實驗數(shù)據(jù)如圖12所示。

[現(xiàn)象]高蠟燭先熄滅，低蠟燭后熄滅。

[教師]為什么高蠟燭先熄滅？

[學生]高處蠟燭周圍氧氣濃度比低蠟燭周圍氧氣濃度低，先達不到蠟燭燃燒所需氧氣濃度，所以高蠟燭比低蠟燭先熄滅。

[教師]結(jié)合這個實驗，解釋火災時為什么俯身低位逃生？

[學生]蠟燭燃燒產(chǎn)生有害氣體受熱上浮，高處氧氣濃度較低，低處氧氣含量較高，所以火災時彎腰逃生。

四、設計反思

本節(jié)課的第一個數(shù)字化實驗，解決了測得火焰各層溫度與課本結(jié)論不一致的問題。通過實驗提高了學生觀察能力，削弱定勢思維的影響，提升了學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，促進學生科學探究與創(chuàng)新意識的養(yǎng)成。

第二個實驗，用數(shù)字實驗創(chuàng)造性地用證據(jù)證明蠟燭燃燒時產(chǎn)生的黑色物質(zhì)為炭黑。通過查閱文獻，發(fā)現(xiàn)在初中實驗條件下，沒有成功把蠟燭燃燒產(chǎn)生的黑色物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳的案例，主要是熱源問題，雖然有老師想到用電熱絲加熱，但是實際操作困難且不安全，不容易構造一個相對封閉的空間。

第三、四兩個實驗，通過數(shù)據(jù)定量分析，用數(shù)字實驗將推理猜想用曲線數(shù)據(jù)更精確地呈現(xiàn)出來，提高了實驗的可信度和說服力。體現(xiàn)學以致用，化學來源于生活，服務于生活的思想。

本節(jié)課通過數(shù)字化實驗將學生在生活中熟悉的蠟燭燃燒，從定性學習上升到定量分析，幫助學生建構起證據(jù)支撐下的內(nèi)容體系，利于學生“知其然且知其所以然”，另一方面挖掘?qū)嶒灩δ埽瑒?chuàng)新實驗組合，把傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗有機結(jié)合起來，有利于深度教學，一定程度上培養(yǎng)學生證據(jù)推理的學科素養(yǎng)和高階思維能力。

參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心．義務教育教科書（化學九年級上冊）[M]．北京：人民教育出版社，2019．

[2] 中華入民共和國教育部．義務教育化學課程標準（2022年版）[S]．北京：北京師范大學出版社，2022．

[3] 宋偉．對“蠟燭燃燒”探究實驗的改進[J]．中學化學教學參202