利器善事

摘" 要：對蠟燭及其燃燒的探究實驗看似簡單，但在實際實驗教學過程中往往面臨實驗現象不太明顯，成功率不高，理論結論的得出有些牽強的問題。借助數字化實驗儀器能實時采集每一個實驗細節的數據并轉化為圖像呈現，實現了傳統定性實驗的定量化改造，直觀、高效地呈現實驗結果。

關鍵詞：數字化實驗；火焰溫度；氧氣；二氧化碳

一、問題的提出

《對蠟燭及其燃燒的探究》是九年級化學人教版上冊的內容，此前已學習物質的變化和性質，本課要學生自主通過實驗探究物質的變化和性質，起著承前啟后的作用，有利于培養學生的邏輯推理能力、科學探究能力與創新意識。教材關于蠟燭燃燒時和熄滅后設計了三個實驗活動：

【實驗１】 點燃蠟燭，仔細觀察?；鹧娣譃閹讓?？ 取一根火柴梗平放入火焰中約１ｓ后取出，根據不同部位被燒的情況，推測各層火焰溫度的高低。

【實驗２】 分別取一個干燥燒杯和一個用澄清石灰水潤濕內壁的燒杯，先后罩在火焰上方，通過燒杯內壁的現象推測蠟燭燃燒的產物。

【實驗３】 觀察蠟燭熄滅時的現象。點燃蠟燭剛熄滅時產生的白煙，蠟燭能否重新燃燒？

我們期望得到的結果：

【實驗１】 火焰分三層：外焰、內焰、焰心，外焰溫度最高，焰心溫度最低。

【實驗２】 燒杯內壁出現水珠或水霧，澄清石灰水變渾濁。石蠟與氧氣在點燃的條件下生成了水和二氧化碳。

【實驗３】 蠟燭熄滅后產生白煙，火順著白煙又重新點燃蠟燭。

二、實驗存在的問題

在實際教學與調研過程中，發現實驗存在的一些問題：

１． 按照教材方法在火焰對應位置平放入火柴，會看到火柴與外層火焰接觸的兩端部位變黑，最里層中間部位未變色，由此推測外焰溫度最高，焰心溫度最低。但是實際情況是蠟燭燃燒時肉眼并不能觀察到火焰有明顯的外焰，內焰與外焰之間并沒有清晰的分界線，所以不能明顯看到使火柴梗先變黑的是外焰部分還是內焰部分。另外，就算火柴?；蛐∧緱l在外焰部分最先碳化，那到底是由于外焰溫度最高，還是由于外焰處于火焰的最外層位置，暴露于空氣中，與空氣完全充分接觸，氧氣含量相對較高，燃燒更充分，使得火柴?；蛐∧緱l外端先碳化或兩個原因都有呢？依據此定性實驗無法直接推測蠟燭火焰是外焰溫度最高還是內焰溫度最高。

２． 因為火柴棍太細短，實驗操作起來不太方便。

３． 按教材實驗設計探究蠟燭燃燒產物時實驗現象不明顯，甚至完全得不到預期實驗現象。

４． 如何證明蠟燭燃燒時氧氣參與了反應？澄清石灰水變渾濁是因為蠟燭燃燒生成了二氧化碳使其變渾濁，還是因為蠟燭燃燒放出熱量溫度升高，氫氧化鈣的溶解度隨溫度的升高而降低，導致有氫氧化鈣固體析出而使石灰水變渾濁呢？

５． 按教材實驗設計點燃蠟燭熄滅后的白煙成功率非常低。

對剛剛才接觸化學的學生而言，這些問題如果得不到及時解決，他們學習化學的信心會受到嚴重打擊，降低對化學的學習興趣。但老師恰恰要利用這些問題訓練學生思維，提高他們在實驗過程中遇到預想之外的“奇怪”現象和問題后善于分析問題以及解決問題的能力。

三、問題的分析及解決辦法

對問題２，用小白紙代替火柴梗，將小白紙迅速平插入三層火焰處，看見變色快速抽出，白紙上出現一個黑色圓環。對問題３，用長頸漏斗和集氣瓶代替燒杯，將長頸漏斗罩在火焰上方，約１０秒左右即可在長頸漏斗的細頸內壁處觀察到大量水霧；在燃著的短蠟燭上倒扣一個集氣瓶，待蠟燭熄滅后，用玻璃片蓋住集氣瓶口，正立，倒入適量澄清石灰水，振蕩，觀察到石灰水明顯變渾濁，現象十分明顯。對問題５，改吹滅為蓋滅并用玻璃管聚攏白煙。通過這些巧妙設計，利用傳統實驗可以很好地解決這些問題。

而對剩下的兩個問題，用傳統實驗解決起來比較棘手。但利用數字化實驗儀器——高溫傳感器可以直接定量測出各層火焰的溫度，氧氣傳感器和二氧化碳傳感器可以同時實時測量出蠟燭在密閉容器內燃燒時氧氣、二氧化碳體積分數的變化，從而直接判斷出蠟燭燃燒時的反應物和生成物。利用數字化實驗直觀高效解決問題。

四、具體實驗設計

“數字化實驗”是指利用傳感器采集真實實驗產生的自然量，并轉化為相應的電信號，通過數據采集器轉化編碼為數字信號，最后由計算機軟件實時輸出對應的實驗過程數據或圖像（圖１）。

（一）蠟燭火焰溫度測量

１． 實驗步驟

①連接計算機、ＬＡＢＰＯＲＴ數據采集器及高溫傳感器。

②打開軟件，系統自動識別你所連接上的傳感器，選擇菜單欄“實驗配置—采集參數—手動記錄”然后點擊“確定”。

③右擊數據列表區，選擇“增加數據列”，添加數據列“焰區”，在“分類”一項中選擇“數值”，最后點擊“保存”、點擊“關閉”。在表格新增文本列中依次輸入焰心、內焰、外焰。

④點燃蠟燭，將高溫傳感器探頭伸到蠟燭燃燒的焰心區，點擊“開始”，等數據不再快速跳動，基本穩定后點擊“記點”，記錄下焰心區溫度。

⑤重復步驟４，分別測出蠟燭的內焰、外焰區域溫度。

２． 實驗數據分析及結論

將測得的數據進行對比 （見圖２），得到蠟燭３層火焰溫度高低比較為：內焰＞外焰＞焰心。這與教材的實驗結論不一致，有些“奇怪”，故筆者及團隊改用三層火焰界限清晰的酒精燈火焰進行實驗，但依然得到相同的結果——三層火焰溫度：內焰＞外焰＞焰心。經多次數字化實驗測定，數據大小比較順序完全一致。筆者又查閱了大量文獻資料，發現絕大多數作者用數字化實驗測得的蠟燭及酒精燈火焰的三層火焰溫度高低次序與筆者一致。理論上，因為外焰處于火焰最外層，直接與空氣接觸，其所在位置的氧氣含量比內焰和焰心都要更高（內焰位置氧氣含量又比焰心高），所以燃燒更劇烈，溫度最高；但也正因為外焰處于最外層，相較于內焰而言沒有保護層，產生大量熱量的同時很快又散發到周圍環境中，所以往往用數字化儀器測出來的外焰溫度反而低于內焰溫度。由此得出結論：采用數字化實驗測定蠟燭三層火焰溫度高低順序為內焰＞外焰＞焰心。期待隨著科技的發展有更科學簡便的定量測量火焰各層溫度的方法。

（二）蠟燭燃燒時氧氣和二氧化碳體積分數測量

蠟燭燃燒時石蠟與氧氣在點燃條件下生成了二氧化碳氣體和水蒸氣。水蒸氣在透明塑料罐內壁經冷凝后形成水珠，肉眼即可清晰觀察到。為了直接觀察到蠟燭燃燒時氧氣與二氧化碳含量的變化，筆者及團隊利用氧氣傳感器和二氧化碳傳感器實時在線測量蠟燭在密閉容器內燃燒時氧氣和二氧化碳體積分數的變化。

１． 實驗步驟

①在塑料罐頂蓋兩小口處安裝氧氣傳感器及二氧化碳傳感器，注意保持密封，確保不漏氣。

②將氧氣傳感器和二氧化碳傳感器通過ＨＤＭＩ數據線連接數據采集器，數據采集器通過ＵＳＢ數據線連接到計算機上。

③打開軟件，系統自動識別連接上的傳感器，選擇菜單欄“實驗配置—采集參數”，采集頻率設為每秒１點，采集時間不限定，然后點擊“確定”。

④點燃蠟燭，點擊“開始”，采集數據，再將燃著的蠟燭放入密封罐內，待蠟燭熄滅后，立即點擊“停止”，結束實驗。觀察氧氣和二氧化碳傳感器所測得的曲線變化。

２． 實驗數據分析及結論

通過圖３和圖４，我們清楚地看到了蠟燭在密閉容器內由燃燒到熄滅時整個過程中的氧氣和二氧化碳體積分數的變化：氧氣的體積分數由約２０．４％逐漸下降到約１５％，同時二氧化碳的體積分數也由０．０５％上升到了２．２％。學生直觀地“看”到氧氣參與了石蠟的燃燒反應，生成了二氧化碳。

五、實驗設計啟示

傳統實驗加以巧妙設計改進，同樣能解決一些看似困難的問題，如火柴梗碳化現象、水霧現象和石灰水渾濁現象不明顯，及白煙點燃成功率低的問題。

數字化實驗讓實驗過程“可視化”，直觀、精準、實時、簡便、快捷地呈現結果，準確記錄每一個實驗細節。有些問題受到傳統實驗條件的約束，無法輕松有效解決，借助數字化實驗技術，能使問題得到很好的解決，如蠟燭火焰三層溫度的問題的數字化探究，讓我們對火焰溫度的測量有了新的認識和理解。通過氧氣和二氧化碳傳感器也高效、直觀地解決了蠟燭燃燒的反應物和生成物問題，同時讓學生“看到”蠟燭熄滅時氧氣并沒有耗盡，剩余氧氣濃度約為１５％，引發學生進一步思考。鼓勵學生課后對蠟燭及其燃燒做進一步的探究，比如濕度傳感器的應用探究，在密閉容器中濕度傳感器會如何變化呢？是一直增大呢？還是先變大后變小呢？提示學生觀察密閉容器的內壁，分析解釋曲線變化的趨勢。數字化實驗的引入讓不可見的氧氣和二氧化碳在實驗過程中的變化“可視化”，直觀、精準、實時、簡便、快捷地呈現結果，準確記錄每一個實驗細節，有利于學生對動態的實驗數據信息進行綜合、多維地分析和討論，提升化學認知、表征能力，從而促進“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養的發展。

通過以上實驗改進與創新，讓學生養成科學觀察實驗，實事求是記錄實驗現象的習慣。培養了學生的質疑、創新和分析解決問題的能力及開放性思維。

若數字化實驗技術能在內地小城市逐漸地普及，在初中化學啟蒙實驗教學階段中引入數字化實驗，不但能有效解決某些傳統實驗無法輕松高效達到的實驗目的，還能讓學生實時“看到”實驗過程變化，思維跟著動態的實驗過程數據進行信息的綜合分析及多維討論，培養思維能力和實踐能力。九年級學生剛剛系統性進行化學啟蒙教育學習，數字化實驗教學的接觸與體驗必能極大開闊學生特別是內地小城市及農村地區學生的視野，激發學生對科技與知識的向往，開啟學生的心智，開放學生的思維，讓學生切身感受到化學世界的神秘與神奇！

參考文獻：

［１］ 王寶權． 酒精燈火焰溫度再探究［Ｊ］． 化學教學，２０１７（０６）：７３－７６．

［２］ 吳良根． 對化學實驗教學中現代技術和傳統手段相融合的探索——以滬教版九年級《化學》“化學研究些什么？”為例［Ｊ］． 初中生世界，２０１７（０８）：６８－７１．

［３］ 陳雪飛，錢揚義，唐文秀，等． 火焰各焰層劃分方法研究——基于文獻綜述與數字化實驗探究視角［Ｊ］． 化學教育（中英文），２０１９，４０（０９）：８８－９６．

（責任編輯：羅" 欣）