数字化实验在蜡烛燃烧探究教学中的应用

扈玉歌 刘继宏 杨慧

摘要：课本蜡烛燃烧实验仅仅探究蜡烛的理、化性质，不能满足学生强烈的求知欲和探究欲。为培养学生的观察能力、创新思维，拓宽学生视野，激发学生的兴趣，将实验适当拓展，引入了数字化仪器——探测蜡烛火焰各层温度差异；探究蜡烛燃烧产生的黑色物质；探究蜡烛燃烧需要的最低氧气浓度。

关键词：蜡烛燃烧；数字技术；创新实验；实验应用

文章编号：1008-0546（2022）12x-0042-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

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

一、教材分析

蜡烛及其燃烧的探究是人教版九年级化学上册第一单元内容，是初三化学中学生接触的第一个探究实验，[1]旨在通过实验培养学生观察、分析、解决问题的能力。[2]学生虽然学习了科学探究的一般过程，但对化学现象的认识仍停留在定性层面上，对数字化实验操作还不熟练，没有建立起宏观，微观，曲线之间的联系。

二、教学目标

1．教学目标

（1）通过探测蜡烛火焰各层温度差异，提高观察、提出和解决问题的能力。

（2）通过对蜡烛燃烧产生黑色物质的探究，提高创新实验的能力。

（3）通过对密闭装置中蜡烛熄灭时氧气含量的探究，得出蜡烛燃烧条件，提升深度思考、高阶思维的能力。

（4）通过高低蜡烛实验，从化学视角关注身边的事物，感受到化学服务于生活，化学与生活密不可分。

三、教学片段

1．环节一：创设情景、引出问题

PPT播放从先秦时期到现实生活蜡烛被广泛应用的图片。感悟化学与生活密切相关，提高学习兴趣。[3]

[教师]出示课本蜡烛火焰各层温度探究图（如图1所示），回忆实验现象和结论。

[学生]由小木棍两边烧焦，中间部分未烧焦，得出焰心温度最低，内焰温度次之外焰温度最高结论。

设计意图：由课本传统实验，引出数字实验。

[教师]蜡烛火焰各层温度具体是多少？如何测定呢？

[学生]学生讨论：温度计。

[教师]PPT展示部分常用温度计量程：约-30℃-110℃之间。介绍数字化仪器——高温传感器（如图2所示）。

[师生]教师用高温传感器实测焰心、内焰、外焰的温度，学生采集、记录数据。

[教师]根据我们实测的数据有什么发现？

[学生]内焰温度略高于外焰，与课本结论不一致，有可能一次测量具有偶然性。

[教师]避免偶然性，多次测量。数据如表1所示。分析数据，有什么发现？

[学生]还是内焰温度略高于外焰温度。

[教师]提问：为什么内焰温度高于外焰温度？

[学生]可能外焰与空气接触，热量散失。

[教师]如何减少外焰与空气热传递？木炭还原氧化铜实验中给酒精灯加网罩的作用是什么？

[学生]聚集火焰，提高温度。给蜡烛火焰加上网罩，减少空气热传递。

师生共同设计出几种不同材质的网罩（如图3所示）。

[教师]如何方便快速测出火焰周围的温度？

[学生]联想到每天测量体温的体温枪。

[教师]出示测温仪（量程：-50℃-550℃），引导学生改进实验：给蜡烛火焰加上不同的网罩，比较隔热效果。

[师生]：给蜡烛加上不同网罩，在控制变量的情况下，用测温仪测出火焰周围空气温度（如图4所示）。分析数据发现玻璃罩对减少空气热传递效果最好。

[改进实验]：给蜡烛火焰罩上玻璃罩，用高温传感器测内焰和外焰的温度，读取数据：外焰的温度738℃，内焰的温度731℃。（如图5所示）最终得出：在减少空气热传递的情况下：蜡烛外焰温度最高，内焰次之，焰心温度最低，从而佐证了课本结论。

[教师]通过以上探究，启发我们给物质加热时应靠近火焰的什么部位？

[学生]給物质加热时应放在内焰和外焰交接处。

设计意图：测得火焰各层温度与课本结论不一致，发现问题，解决问题，削弱定势思维的影响，促进学生科学探究与创新意识的养成。

2．环节二：蜡烛燃烧产物探究

[教师]探究蜡烛燃烧产物实验时，除了有水和二氧化碳生成外，还有什么现象？

[学生]烧杯内壁有黑色物质出现。

[教师]黑色物质是什么？

[学生]黑色物质可能是蜡烛不完全燃烧生成的炭黑。

[教师]如何设计实验证明黑色物质为炭黑？

[学生]把黑色物质收集起来点燃，再通入澄清石灰水看是否变浑浊，若变浑浊，证明有二氧化碳生成，可推出黑色物质为炭黑。

[教师]炭黑受热可以转化为二氧化碳，但用什么热源实现两者转化？

[学生]酒精灯、氢气、电加热。

[教师]分析各种热源使用条件和实验过程优缺点。如何检测产生的少量二氧化碳？

[学生]在密闭容器中实验，用传感器检测二氧化碳。

[师生]讨论得出实验装置如图6所示。

[实验步骤]①把电烙铁尖端部分放在蜡烛火焰上方收集黑色物质，②把电烙铁和二氧化碳传感器一起放人三颈瓶中，③连接二氧化碳采集器，接通电烙铁电源，④观察实验曲线和数据（如图7所示）。

[实验结论]由此实验得出黑色物质为炭黑。

设计意图：学生通过讨论探究黑色物质实验方案，提高语言表达能力、科学探究能力以及创新能力。

3．环节三：蜡烛燃烧条件探究

[教师]燃着的蜡烛放在密闭容器中熄灭的原因是什么？

[学生]猜想l、燃烧产生的二氧化碳使蜡烛熄灭；猜想2、蜡烛燃烧消耗氧气，导致蜡烛熄灭。

[教师]实验验证猜想1，把燃着的蜡烛放人二氧化碳含量为80%、氧气含量为20%的气体中。

[现象]蜡烛继续燃烧。

[结论]蜡烛熄灭与生成的二氧化碳无关。

[教师]实验验证猜想2，实验装置如图8所示，把氧气传感器放在三颈瓶中，点燃蜡烛，同时点击采集器，观察实验数据变化（如图9所示）。

[现象]蜡烛燃烧一段时间后熄灭，氧气含量由21%减少到15.49%。

[教师]蜡烛熄灭时氧气含量具体是多少呢？请同学们仔细观察实验。（放慢实验过程，蜡烛熄灭瞬间氧气含量如图10所示）

[学生]蜡烛在氧气含量约17.28%时熄灭。

[教师]蜡烛燃烧需要氧气浓度最低是多少？15.49%还是17.28%？

引导学生用半值法设计实验。

[学生]讨论实验方案和操作。分别收集氧气含量15%、16%、17%、16.5%四瓶气体，把燃着的蜡烛伸人瓶中，实验现象如表2所示。[结论]蜡烛燃烧需要的氧气含量需在16%以上。[教师]蜡烛在氧气含量17.28%时熄灭，为什么氧气含量还继续降低？

[学生]思考讨论。

[教师]引导学生观察实验装置中蜡烛的位置和传感器的位置。

[学生]蜡烛燃烧产生的二氧化碳使其周圍氧气含量降低，导致其熄灭。氧气传感器在蜡烛上方，所测的并不是蜡烛周围氧气的含量。蜡烛熄灭后装置内各部分气体交换，导致传感器周围氧气含量从17.28%降到15.49%。

设计意图：数字化实验结合半值法，通过数据定量分析，有利于学生“知其然且知其所以然”，一定程度上培养学生证据推理的学科素养和高阶思维能力。

4．环节四：蜡烛燃烧实验应用

[教师]两支燃着的高低不同蜡烛，在同一封闭容器中哪支先熄灭？

[学生]高蜡烛先熄灭；低蜡烛先熄灭。

[实验]实验装置如图11所示，进行实验，实验数据如图12所示。

[现象]高蜡烛先熄灭，低蜡烛后熄灭。

[教师]为什么高蜡烛先熄灭？

[学生]高处蜡烛周围氧气浓度比低蜡烛周围氧气浓度低，先达不到蜡烛燃烧所需氧气浓度，所以高蜡烛比低蜡烛先熄灭。

[教师]结合这个实验，解释火灾时为什么俯身低位逃生？

[学生]蜡烛燃烧产生有害气体受热上浮，高处氧气浓度较低，低处氧气含量较高，所以火灾时弯腰逃生。

四、设计反思

本节课的第一个数字化实验，解决了测得火焰各层温度与课本结论不一致的问题。通过实验提高了学生观察能力，削弱定势思维的影响，提升了学生发现问题、解决问题的能力，促进学生科学探究与创新意识的养成。

第二个实验，用数字实验创造性地用证据证明蜡烛燃烧时产生的黑色物质为炭黑。通过查阅文献，发现在初中实验条件下，没有成功把蜡烛燃烧产生的黑色物质转化为二氧化碳的案例，主要是热源问题，虽然有老师想到用电热丝加热，但是实际操作困难且不安全，不容易构造一个相对封闭的空间。

第三、四两个实验，通过数据定量分析，用数字实验将推理猜想用曲线数据更精确地呈现出来，提高了实验的可信度和说服力。体现学以致用，化学来源于生活，服务于生活的思想。

本节课通过数字化实验将学生在生活中熟悉的蜡烛燃烧，从定性学习上升到定量分析，帮助学生建构起证据支撑下的内容体系，利于学生“知其然且知其所以然”，另一方面挖掘实验功能，创新实验组合，把传统实验和数字实验有机结合起来，有利于深度教学，一定程度上培养学生证据推理的学科素养和高阶思维能力。

参考文献

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心．义务教育教科书（化学九年级上册）[M]．北京：人民教育出版社，2019．

[2] 中华入民共和国教育部．义务教育化学课程标准（2022年版）[S]．北京：北京师范大学出版社，2022．

[3] 宋伟．对“蜡烛燃烧”探究实验的改进[J]．中学化学教学参202