引入數(shù)字傳感器教學(xué)“蠟燭的燃燒”

“蠟燭的燃燒”是科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)核心概念“物質(zhì)的變化與化學(xué)反應(yīng)”中的重要內(nèi)容，主要是認(rèn)識物質(zhì)變化的特征。蠟燭在燃燒的過程中會流下液態(tài)的蠟油，冷卻后又會凝固，對這種物質(zhì)形態(tài)的變化學(xué)生有之前“水的變化”學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，容易理解。讓學(xué)生探究蠟燭燃燒產(chǎn)生新物質(zhì)的變化，理解有些物體發(fā)生了變化、構(gòu)成物體的物質(zhì)也發(fā)生了改變，是該課的教學(xué)難點。

一、原實驗的不足

教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對“蠟燭燃燒后會變短”的現(xiàn)象很熟悉，對消失的蠟也充滿好奇。傳統(tǒng)的教學(xué)是：用干冷的燒杯倒置于蠟燭火焰上，觀察蠟燭燃燒會有水生成；用涂有澄清石灰水的燒杯檢測，蠟燭燃燒后產(chǎn)生的氣體是二氧化碳。這樣教學(xué)存在兩點不足。

一是實驗效果一般。觀察燒杯內(nèi)壁水霧的方法需要較長時間罩著才能看見一點點水霧，且燒杯內(nèi)壁凝結(jié)的水霧非常少，移走燒杯后水霧很快又消失了，不利于學(xué)生觀察。觀察燒杯內(nèi)壁澄清石灰水的變化在實際操作中，澄清石灰水的水滴很小，變渾濁的現(xiàn)象是不容易看出來的。

二是學(xué)生探究性不足。實驗通常是教師提出要求，學(xué)生簡單重復(fù)。教師一般直接告訴學(xué)生燒杯上的白霧就是水，學(xué)生看到教師拿出澄清石灰水就理所當(dāng)然地知道了蠟燭燃燒會生成二氧化碳。實驗中，學(xué)生很少自主思考，將物質(zhì)的變化知識進(jìn)行應(yīng)用遷移的能力較弱。

為此，教師對蠟燭燃燒實驗進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新，利用數(shù)字傳感器設(shè)計實驗，用更明顯的實驗現(xiàn)象吸引學(xué)生積極觀察、細(xì)致分析，培養(yǎng)他們的邏輯思維、實證思維；對教學(xué)環(huán)節(jié)精心設(shè)計，制造認(rèn)知沖突打破學(xué)生固有觀念，力求增加實驗教學(xué)的探究性，促進(jìn)他們主動思考、創(chuàng)新思維；尊重學(xué)生思維，鼓勵他們自主設(shè)計實驗探究自己的猜想。

二、改進(jìn)后的主要教學(xué)流程

1.情境導(dǎo)入，聚焦問題

教師拿出一根蠟燭，提問：“點燃這只蠟燭，我們會觀察到哪些變化？”學(xué)生談到蠟燭會發(fā)光、發(fā)熱、流下蠟油、越燒越短等現(xiàn)象。

教師將蠟燭放置在精密電子秤的托盤中點燃，學(xué)生看到隨著蠟燭越燒越短，質(zhì)量也變輕了。教師鼓勵學(xué)生提出想要研究的問題，“蠟燭燃燒后去哪了”是學(xué)生關(guān)注的重心。

2.制造沖突，激發(fā)猜想

教師先請學(xué)生談一談自己想如何研究消失的蠟，再順勢介紹科學(xué)史上有一位科學(xué)家也對“蠟燭燃燒后去哪了”產(chǎn)生了濃厚的興趣，并出示法拉第和他研究蠟燭燃燒的裝置圖。教師拿出一個口部有超輕黏土的玻璃罩問學(xué)生：“如果將玻璃罩罩住蠟燭，讓蠟燭在這個密封空間里燃燒，玻璃罩內(nèi)會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？”幾乎所有學(xué)生都認(rèn)為蠟燭會燃燒一會兒再熄滅。

事實結(jié)果出乎學(xué)生意料：蠟燭在玻璃罩內(nèi)從燃燒到熄滅，玻璃罩內(nèi)壁逐漸出現(xiàn)了白霧狀的物質(zhì)，蠟燭熄滅的速度也比學(xué)生預(yù)想的要快。

學(xué)生看到自己的觀察蠟燭燃燒的研究思路和著名科學(xué)家一致，探究積極性受到極大鼓舞。實驗讓學(xué)生產(chǎn)生了第一個認(rèn)知沖突，從最初認(rèn)為蠟燃燒了就沒有了，轉(zhuǎn)變?yōu)橄炄紵髸兂蓜e的物質(zhì)。他們非常想知道：蠟燭為什么熄滅得這么快？玻璃罩內(nèi)壁的白霧究竟是什么？它是蠟燃燒生成的嗎？這些疑問驅(qū)使學(xué)生主動開展后續(xù)研究。

3.初探白霧是什么

學(xué)生用超輕黏土在培養(yǎng)皿中做一個插蠟燭的底座，插上蠟燭并點燃，用燒杯倒扣在培養(yǎng)皿上（如圖1），由于燒杯內(nèi)的空氣有限，蠟燭會逐漸熄滅。倒扣的燒杯使蠟燭燃燒生成的水蒸氣難以擴散到燒杯外，這些水蒸氣在燒杯內(nèi)壁形成了明顯的白霧，經(jīng)久不散。部分學(xué)生拿開燒杯，用手指感受內(nèi)壁的白霧，從潮濕的手感和放置一會兒白霧又消失的現(xiàn)象初步判斷白霧是水。

此時，也有部分學(xué)生不認(rèn)同白霧是水，他們的理由是水火不容，蠟中也沒有水，對蠟通過燃燒能變成水難以置信。他們由此推測，這些白霧狀的物質(zhì)可能是煙霧顆粒、蠟燭蒸汽等。教師對大膽質(zhì)疑的學(xué)生予以鼓勵，并將“白霧是水嗎”這一未確定的問題保留下來，稍后繼續(xù)研究。

學(xué)生對白霧是不是水沒有達(dá)成一致觀點，在這個環(huán)節(jié)并不重要，這里重在引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，分析并做出合理的推斷，培養(yǎng)他們搜集更多證據(jù)證明觀點的意識。

4.探究蠟燭熄滅的原因

燒杯內(nèi)蠟燭很快熄滅的現(xiàn)象也和學(xué)生前期的預(yù)測不一致，這激起了他們的探究熱情。學(xué)生對此做出推測：空氣中的氧氣含量是很少的（21%），玻璃罩內(nèi)的氧氣被蠟燭燒完了，所以蠟燭熄滅得很快。這就引出了一個新問題：怎樣知道氧氣減少了多少呢？

教師適時拿出氧氣傳感器，將氧氣傳感器置于一個側(cè)面開孔的玻璃罩內(nèi)，用超輕黏土封住玻璃罩上方和側(cè)面的空隙，將傳感器與顯示器連接（如圖2），再點燃蠟燭置于玻璃罩內(nèi)，讓學(xué)生觀察氧氣數(shù)值的變化。

實驗發(fā)現(xiàn)，蠟燭燃燒前容器內(nèi)氧氣含量約在21%，蠟燭熄滅時，密封罩內(nèi)氧氣含量在18.4%左右。學(xué)生驚訝地發(fā)現(xiàn)，蠟燭熄滅時，氧氣只消耗了很少一部分，并沒有完全耗盡。他們同時觀察到，蠟燭的火焰是越來越小、逐漸熄滅的。結(jié)合觀察到的現(xiàn)象，學(xué)生繼續(xù)討論并做出新的推測：蠟燭燃燒可能產(chǎn)生了某種氣體，這種氣體讓蠟燭熄滅了。

教師給出空氣中氮氣、氧氣、二氧化碳?xì)怏w的性質(zhì)，讓學(xué)生通過資料閱讀，對蠟燭燃燒可能產(chǎn)生的是哪種氣體做出推論。通過分析資料，學(xué)生認(rèn)為這種讓蠟燭熄滅的氣體可能是二氧化碳。

教師引入氧氣傳感器，讓學(xué)生產(chǎn)生第二次認(rèn)知沖突，他們獲得更精確的數(shù)據(jù)，并針對“蠟燭燃燒可能產(chǎn)生了某種不支持燃燒的氣體”做出合理推測，他們根據(jù)已有經(jīng)驗推測可能是二氧化碳。

5.自主設(shè)計實驗，探究蠟燭燃燒生成物

蠟燭燃燒產(chǎn)生的氣體是不是二氧化碳？教師把這個問題交由學(xué)生設(shè)計方案去探究，他們受上一個實驗的啟發(fā)，提出將原來的氧氣傳感器替換成二氧化碳傳感器進(jìn)行檢測，有部分學(xué)生由以前的科學(xué)學(xué)習(xí)，提出用澄清石灰水來檢測。

前面環(huán)節(jié)“白霧是什么”的遺留問題，教師在此時拋出，交給學(xué)生一并研究。

教師提供給學(xué)生大號礦泉水桶、澄清石灰水、二氧化碳傳感器、濕度傳感器、剪刀等。有的小組為了一次探究兩個問題，將礦泉水桶改造成一個密封罩，把濕度傳感器、二氧化碳傳感器同時置于密封罩中，并與顯示器連接（如圖3）。學(xué)生點燃蠟燭，觀察數(shù)據(jù)變化，發(fā)現(xiàn)密封罩內(nèi)的濕度傳感器和二氧化碳傳感器數(shù)值一直在增大，證明蠟燭燃燒有二氧化碳和水生成。

有的小組在蠟燭熄滅后，將密封罩倒置，將適量澄清石灰水倒入密封罩并搖晃，通過澄清石灰水變渾濁證明蠟燭燃燒生成的氣體是二氧化碳。

此探究環(huán)節(jié)側(cè)重于對學(xué)生自主設(shè)計實驗?zāi)芰褪褂眯缕鞑哪芰Φ呐囵B(yǎng)。對于學(xué)生提出用澄清石灰水檢驗二氧化碳的傳統(tǒng)實驗方法，教師同樣給予鼓勵。通過自主探究，學(xué)生認(rèn)識了蠟燭燃燒后消失的蠟變成了二氧化碳和水，對物質(zhì)的變化相關(guān)核心概念的建構(gòu)印象深刻。

三、教學(xué)思考

1.實驗激發(fā)認(rèn)知沖突，推動自主思維

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)重視思維型科學(xué)探究，突出科學(xué)探究的本質(zhì)。教師在情境中設(shè)置一個激起認(rèn)知沖突的現(xiàn)象，用好奇、質(zhì)疑推動思維生長，是促使學(xué)生自主思維的關(guān)鍵。用密封罩罩住燃燒的蠟燭，鮮明的白霧讓學(xué)生觀察到蠟在消失的同時，有新的物質(zhì)產(chǎn)生；借助數(shù)字傳感器讓學(xué)生觀察蠟燭熄滅時的氧氣、二氧化碳、水蒸氣含量，激發(fā)他們主動探究。

數(shù)字化實驗幫助教師設(shè)計更具有思考價值的實驗，當(dāng)問題需要學(xué)生“跳一跳”才能解決時，他們投入得會更持久。學(xué)生帶著問題去觀察，在觀察中又會產(chǎn)生新的問題，新問題促進(jìn)他們再思考、再觀察、再探究，久而久之，他們就會有不一樣的收獲。事實上，學(xué)生思維生長是一個長久的過程，需要借助適合的探究器材有計劃地培養(yǎng)和訓(xùn)練。

2.重視學(xué)生邏輯思維，培養(yǎng)實證思維

對于蠟燭的燃燒實驗，傳統(tǒng)的教學(xué)導(dǎo)入是學(xué)生觀察燃燒的蠟燭，教師從蠟燭越燒越短的現(xiàn)象引導(dǎo)他們猜想消失的蠟變成了什么。學(xué)生僅憑變短的蠟燭提出猜想往往是盲目的，這種無根據(jù)的猜想活動對培養(yǎng)他們的科學(xué)思維并沒有幫助。推理論證能力是科學(xué)思維的重要內(nèi)容之一，教師要引導(dǎo)學(xué)生觀察到密封罩中蠟燭燃燒至熄滅的過程中產(chǎn)生了白霧、整體質(zhì)量不變的現(xiàn)象，組織他們依據(jù)事實基礎(chǔ)有根據(jù)地推理論證。氧氣等各種數(shù)字傳感器測量精確度高、可信度強，學(xué)生在實驗中收集到的客觀數(shù)據(jù)讓他們能夠更好地分析問題，驗證自身觀點，做出客觀合理的判斷，從而建立起對蠟燭燃燒時產(chǎn)生新物質(zhì)的變化的正確理解。

3.精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，發(fā)展創(chuàng)新思維

在“蠟燭的燃燒”內(nèi)容學(xué)習(xí)中，學(xué)生在真實的任務(wù)下通過討論、實驗、交流，對產(chǎn)生新物質(zhì)的變化有了初步的認(rèn)識，也對利用數(shù)字化實驗器材自主設(shè)計實驗進(jìn)行探究有了一定的認(rèn)識，較好地發(fā)展了創(chuàng)新思維。

為了讓學(xué)生的思維進(jìn)一步延續(xù)，教師讓他們在課后繼續(xù)探究，如紙的燃燒和鐵釘生銹是否需要氧氣、探究制作汽水檸檬汁和小蘇打?qū)H和口感的影響等創(chuàng)新實驗，助力其邏輯思維、實證思維和創(chuàng)新思維的生長。

（作者單位：吳楊，江蘇省句容市崇明小學(xué)文昌校區(qū)；高榮平，江蘇省句容市崇明小學(xué)）

參考文獻(xiàn)

[1]胡衛(wèi)平，郭習(xí)佩，季鑫，等.思維型科學(xué)探究教學(xué)的理論建構(gòu)[J].課程·教材·教法，2021（06）.