“火龙卷与焰色反应”STEM项目活动方案

胡元旭

“火龙卷与焰色反应”旨在引导学生独立设计并制作一套能呈现焰色反应现象的火龙卷装置，可用于课堂演示，也可拓展应用在一些科技场景展示。火焰龙卷风的形成需要具备一定条件：强烈热量和涌动风流结合在一起将形成旋转的空气涡流。这些空气涡流可收紧形成类似龙卷风结构，旋转着吸入燃烧残骸和易燃气体。项目教学活动围绕焰色反应效果研究、火龙卷演示装置设计2部分展开，最后引导学生将二者巧妙组合，独立设计并动手制作一套使用操作简便、现象直观明显的焰色反应火龙卷演示装置。

发展目标

科学（S） 深入学习并了解焰色反应原理，快速选定用于演示的特征颜色物质;了解火龙卷发生原理，并能区分龙卷风、火旋风、水漩涡发生原理差异。

技术（T） 广泛了解焰色反应实验方法及手段并进行尝试，最终选定一种合理的方法用于设计;根据火龙卷发生原理，选用现成材料进行模拟测试，并进行装置蓝图设计;学习各种工具使用，了解各种材料性能，并知晓相关操作规程、安全预案。

工程（E） 選用合适材料，利用现有工具，进行焰色反应火龙卷演示装置的设计制作，并进行系列测试。

数学（M） 在实验研究和模型测试过程中，利用数学统筹分析方法（如图表法、极限法等），提高工作效率，快速建立合理模型。

项目准备

组建项目小组

项目以小组为单位进行探究与实践活动，一个构成合理、协作高效的团队是项目实施的先决条件。要引导学生组建包括理科特长（理论基础）、动手能力（设计制作）、阅读写作（报告撰写）、电脑制作（课件设计）和演讲口才（成果展示）等个性特长齐聚的项目小组。

资料收集与整理

通过各种手段（网络、书刊、咨询等）搜集和整理所需资料，了解焰色反应实验原理，搜集各种焰色反应实验方法;了解火龙卷发生原理，并能解释龙卷风、火旋风、水漩涡现象。

器材及工具准备

器材准备 样本金属盐（氯化钾、氯化钠、氯化铜、氯化钡、氯化钙、氯化锶、氯化钴、硫酸铜等），各种燃料（甲醇、乙醇等），酒精灯，煤气灯（或酒精喷灯），金属丝（镍铬丝、铁丝等），玻璃棒，烧杯，蒸发皿，坩埚钳，棉花，玻璃圆筒、PVC管，亚克力板，白铁皮，铁质易拉罐等。

工具准备 塑料热风焊枪、剪刀、锤子、手锯、锉刀、钢直尺、直角尺、亚克力钩刀、老虎钳等。

项目实施

焰色反应效果增强试验

让学生通过各种焰色反应实验方法的亲身体验尝试，最终选定一种方法用于演示装置的设计。

金属丝蘸取灼烧法 把嵌在玻璃棒上的金属丝在稀盐酸里蘸洗后，放在酒精灯的火焰（最好是煤气灯，因为它的火焰颜色浅、温度高，酒精喷灯也可以）里灼烧，直到跟原来的火焰的颜色一样时，再用金属丝蘸取被检验溶液，然后放在火焰上灼烧，这时就可以看到被检验溶液里所含元素的特征焰色。

混合燃烧法 将金属盐与燃料混合，放进器皿中，直接点燃燃烧，观察火焰颜色。此环节可以进行拓展，加入固体酒精制法的实验探究活动。

喷雾燃烧法 将金属盐浓溶液灌入小喷壶，然后向火焰上进行喷雾，观察火焰颜色。

火龙卷发生装置模型测试

选用现成易得的材料PVC排水管，多种口径（外径110mm、160mm、200mm）备选。采用铁质易拉罐，剪取的罐底直径5cm（剪取罐底留高多少，让学生自行探究决定）。

第1步：利用手锯截取一定长度的PVC管，按图1沿红色虚线将PVC管对半裁开，然后将要摆放台面的一端用锉刀打磨水平，便于摆放时不会倾倒。根据火龙卷形成原理，按图1中右下图示进行摆放，中间红色示意铁质易拉罐底，蓝色示意燃烧混合液。点燃后，观察是否能形成火龙卷。如果现象不明显，分析原因，重新调整模型。

重复以上步骤，完成表1，并尝试建立数学模型分析测算出能最佳形成火龙卷的PVC管外径与高度的合理数值或比例。如测算需要测试其他数据，请另行补充数值并记录。

第2步：由于PVC管排水管不透明，不便于演示时的观察。所以，经过以上简易测试以后，可以利用一些透明材料替代PVC管。比如，可以选用透明亚克力板，它的特点是易于剪裁、弯折加工，但耐热性差，受热容易变形。透明半圆弧制作完成以后，按第1步测试结果方案进行焰色反应火龙卷效果测试。

焰色反应火龙卷演示装置的设计制作

有了以上2部分内容的测试结果，接下来正式进入焰色反应火龙卷演示装置设计制作环节。在了解原理和进行模型测试的基础上，整体装置的设计要充分调动学生的主观能动性和创造发明潜力，引导各项目小组按自己的想法完成独立的个性化设计。在此环节，学生需要设计一个底座，可以选择石材（如花岗岩），也可以选择金属材质（如不锈钢），如无法自己加工，可设计出图纸，委托加工点完成制作。

本环节可以给学生补充讲解“如何设计进风口容易形成旋风”的知识拓展。在上方火龙观察透明圆筒与下方底座中间，可以设计一套个性化且造型美观的进风口控制模型;可以鼓励学生尝试采用下方鼓风或上方倒吸的方式，增强火龙卷效果;还可以对鼓风和倒吸进行自动控制，制造出如激光音乐喷泉表演的焰火音乐表演。

项目展示

各小组将项目成果进行综合展示。展示分为3个环节：撰写项目结题报告，上交实物成果作品（附展板设计），进行成果汇报展示。

项目评价

过程评价 记录学生在项目活动过程中的参与积极性、操作规范性、学习主动性、创造能动性等个人表现，将一些突出的表现及一些不良习惯都记录在册，以供项目活动结束时终评打分参考。

结果评价 指导学生撰写项目结题报告，对交上来的结题报告认真审阅并打分;指导学生完成焰色反应火龙卷演示装置的整体设计与制作，注意指导学生实验操作学规范、工具使用，保证实施过程人身安全，对上交的成果作品的实用性、创新性、外形整体是否协调美观、演示效果是否直观明显、使用操作是否简单便捷进行考核评分。特别是最后环节的汇报展示活动，由各学科评委教师对学生在展示环节的综合表现进行打分，汇总后按总分高低进行排名。

最后，依据过程评价与结果评价情况综合得出每一位学生的项目活动个人成绩分数。

该项目参与了第35届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科教创新成果线上交流活动