數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在蠟燭燃燒探究教學(xué)中的應(yīng)用

扈玉歌 劉繼宏 楊慧

摘要：課本蠟燭燃燒實(shí)驗(yàn)僅僅探究蠟燭的理、化性質(zhì)，不能滿(mǎn)足學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲和探究欲。為培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、創(chuàng)新思維，拓寬學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的興趣，將實(shí)驗(yàn)適當(dāng)拓展，引入了數(shù)字化儀器——探測(cè)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(guān)鍵詞：蠟燭燃燒；數(shù)字技術(shù)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

文章編號(hào)：1008-0546（2022）12x-0042-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jí)化學(xué)上冊(cè)第一單元內(nèi)容，是初三化學(xué)中學(xué)生接觸的第一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，[1]旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、解決問(wèn)題的能力。[2]學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了科學(xué)探究的一般過(guò)程，但對(duì)化學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)仍停留在定性層面上，對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)操作還不熟練，沒(méi)有建立起宏觀，微觀，曲線(xiàn)之間的聯(lián)系。

二、教學(xué)目標(biāo)

1．教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)探測(cè)蠟燭火焰各層溫度差異，提高觀察、提出和解決問(wèn)題的能力。

（2）通過(guò)對(duì)蠟燭燃燒產(chǎn)生黑色物質(zhì)的探究，提高創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的能力。

（3）通過(guò)對(duì)密閉裝置中蠟燭熄滅時(shí)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(guò)高低蠟燭實(shí)驗(yàn)，從化學(xué)視角關(guān)注身邊的事物，感受到化學(xué)服務(wù)于生活，化學(xué)與生活密不可分。

三、教學(xué)片段

1．環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情景、引出問(wèn)題

PPT播放從先秦時(shí)期到現(xiàn)實(shí)生活蠟燭被廣泛應(yīng)用的圖片。感悟化學(xué)與生活密切相關(guān)，提高學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論。

[學(xué)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(shè)計(jì)意圖：由課本傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，引出數(shù)字實(shí)驗(yàn)。

[教師]蠟燭火焰各層溫度具體是多少？如何測(cè)定呢？

[學(xué)生]學(xué)生討論：溫度計(jì)。

[教師]PPT展示部分常用溫度計(jì)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(shí)測(cè)焰心、內(nèi)焰、外焰的溫度，學(xué)生采集、記錄數(shù)據(jù)。

[教師]根據(jù)我們實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)有什么發(fā)現(xiàn)？

[學(xué)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(cè)量具有偶然性。

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

[學(xué)生]還是內(nèi)焰溫度略高于外焰溫度。

[教師]提問(wèn)：為什么內(nèi)焰溫度高于外焰溫度？

[學(xué)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(shí)驗(yàn)中給酒精燈加網(wǎng)罩的作用是什么？

[學(xué)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(shè)計(jì)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(cè)出火焰周?chē)臏囟龋?/p>

[學(xué)生]聯(lián)想到每天測(cè)量體溫的體溫槍。

[教師]出示測(cè)溫儀（量程：-50℃-550℃），引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)：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(cè)溫儀測(cè)出火焰周?chē)諝鉁囟龋ㄈ鐖D4所示）。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)玻璃罩對(duì)減少空氣熱傳遞效果最好。

[改進(jìn)實(shí)驗(yàn)]：給蠟燭火焰罩上玻璃罩，用高溫傳感器測(cè)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(guò)以上探究，啟發(fā)我們給物質(zhì)加熱時(shí)應(yīng)靠近火焰的什么部位？

[學(xué)生]給物質(zhì)加熱時(shí)應(yīng)放在內(nèi)焰和外焰交接處。

設(shè)計(jì)意圖：測(cè)得火焰各層溫度與課本結(jié)論不一致，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，削弱定勢(shì)思維的影響，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)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(shí)驗(yàn)時(shí)，除了有水和二氧化碳生成外，還有什么現(xiàn)象？

[學(xué)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(xué)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明黑色物質(zhì)為炭黑？

[學(xué)生]把黑色物質(zhì)收集起來(lái)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)兩者轉(zhuǎn)化？

[學(xué)生]酒精燈、氫氣、電加熱。

[教師]分析各種熱源使用條件和實(shí)驗(yàn)過(guò)程優(yōu)缺點(diǎn)。如何檢測(cè)產(chǎn)生的少量二氧化碳？

[學(xué)生]在密閉容器中實(shí)驗(yàn)，用傳感器檢測(cè)二氧化碳。

[師生]討論得出實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

[實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)（如圖7所示）。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]由此實(shí)驗(yàn)得出黑色物質(zhì)為炭黑。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)討論探究黑色物質(zhì)實(shí)驗(yàn)方案，提高語(yǔ)言表達(dá)能力、科學(xué)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(xué)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(dǎo)致蠟燭熄滅。

[教師]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(wú)關(guān)。

[教師]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想2，實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，把氧氣傳感器放在三頸瓶中，點(diǎn)燃蠟燭，同時(shí)點(diǎn)擊采集器，觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化（如圖9所示）。

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

[教師]蠟燭熄滅時(shí)氧氣含量具體是多少呢？請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)。（放慢實(shí)驗(yàn)過(guò)程，蠟燭熄滅瞬間氧氣含量如圖10所示）

[學(xué)生]蠟燭在氧氣含量約17.28%時(shí)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(dǎo)學(xué)生用半值法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

[學(xué)生]討論實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)熄滅，為什么氧氣含量還繼續(xù)降低？

[學(xué)生]思考討論。

[教師]引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)裝置中蠟燭的位置和傳感器的位置。

[學(xué)生]蠟燭燃燒產(chǎn)生的二氧化碳使其周?chē)鯕夂拷档?，?dǎo)致其熄滅。氧氣傳感器在蠟燭上方，所測(cè)的并不是蠟燭周?chē)鯕獾暮?。蠟燭熄滅后裝置內(nèi)各部分氣體交換，導(dǎo)致傳感器周?chē)鯕夂繌?7.28%降到15.49%。

設(shè)計(jì)意圖：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)合半值法，通過(guò)數(shù)據(jù)定量分析，有利于學(xué)生“知其然且知其所以然”，一定程度上培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的學(xué)科素養(yǎng)和高階思維能力。

4．環(huán)節(jié)四：蠟燭燃燒實(shí)驗(yàn)應(yīng)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(xué)生]高蠟燭先熄滅；低蠟燭先熄滅。

[實(shí)驗(yàn)]實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(xué)生]高處蠟燭周?chē)鯕鉂舛缺鹊拖灎T周?chē)鯕鉂舛鹊?，先達(dá)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(gè)實(shí)驗(yàn)，解釋火災(zāi)時(shí)為什么俯身低位逃生？

[學(xué)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(zāi)時(shí)彎腰逃生。

四、設(shè)計(jì)反思

本節(jié)課的第一個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，解決了測(cè)得火焰各層溫度與課本結(jié)論不一致的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生觀察能力，削弱定勢(shì)思維的影響，提升了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的養(yǎng)成。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，用數(shù)字實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造性地用證據(jù)證明蠟燭燃燒時(shí)產(chǎn)生的黑色物質(zhì)為炭黑。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在初中實(shí)驗(yàn)條件下，沒(méi)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(wèn)題，雖然有老師想到用電熱絲加熱，但是實(shí)際操作困難且不安全，不容易構(gòu)造一個(gè)相對(duì)封閉的空間。

第三、四兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)定量分析，用數(shù)字實(shí)驗(yàn)將推理猜想用曲線(xiàn)數(shù)據(jù)更精確地呈現(xiàn)出來(lái)，提高了實(shí)驗(yàn)的可信度和說(shuō)服力。體現(xiàn)學(xué)以致用，化學(xué)來(lái)源于生活，服務(wù)于生活的思想。

本節(jié)課通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將學(xué)生在生活中熟悉的蠟燭燃燒，從定性學(xué)習(xí)上升到定量分析，幫助學(xué)生建構(gòu)起證據(jù)支撐下的內(nèi)容體系，利于學(xué)生“知其然且知其所以然”，另一方面挖掘?qū)嶒?yàn)功能，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)組合，把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，有利于深度教學(xué)，一定程度上培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的學(xué)科素養(yǎng)和高階思維能力。

參考文獻(xiàn)

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