引入数字传感器教学“蜡烛的燃烧”

“蜡烛的燃烧”是科学课程标准核心概念“物质的变化与化学反应”中的重要内容，主要是认识物质变化的特征。蜡烛在燃烧的过程中会流下液态的蜡油，冷却后又会凝固，对这种物质形态的变化学生有之前“水的变化”学习基础，容易理解。让学生探究蜡烛燃烧产生新物质的变化，理解有些物体发生了变化、构成物体的物质也发生了改变，是该课的教学难点。

一、原实验的不足

教学实践发现，学生对“蜡烛燃烧后会变短”的现象很熟悉，对消失的蜡也充满好奇。传统的教学是：用干冷的烧杯倒置于蜡烛火焰上，观察蜡烛燃烧会有水生成；用涂有澄清石灰水的烧杯检测，蜡烛燃烧后产生的气体是二氧化碳。这样教学存在两点不足。

一是实验效果一般。观察烧杯内壁水雾的方法需要较长时间罩着才能看见一点点水雾，且烧杯内壁凝结的水雾非常少，移走烧杯后水雾很快又消失了，不利于学生观察。观察烧杯内壁澄清石灰水的变化在实际操作中，澄清石灰水的水滴很小，变浑浊的现象是不容易看出来的。

二是学生探究性不足。实验通常是教师提出要求，学生简单重复。教师一般直接告诉学生烧杯上的白雾就是水，学生看到教师拿出澄清石灰水就理所当然地知道了蜡烛燃烧会生成二氧化碳。实验中，学生很少自主思考，将物质的变化知识进行应用迁移的能力较弱。

为此，教师对蜡烛燃烧实验进行了改进与创新，利用数字传感器设计实验，用更明显的实验现象吸引学生积极观察、细致分析，培养他们的逻辑思维、实证思维；对教学环节精心设计，制造认知冲突打破学生固有观念，力求增加实验教学的探究性，促进他们主动思考、创新思维；尊重学生思维，鼓励他们自主设计实验探究自己的猜想。

二、改进后的主要教学流程

1.情境导入，聚焦问题

教师拿出一根蜡烛，提问：“点燃这只蜡烛，我们会观察到哪些变化？”学生谈到蜡烛会发光、发热、流下蜡油、越烧越短等现象。

教师将蜡烛放置在精密电子秤的托盘中点燃，学生看到随着蜡烛越烧越短，质量也变轻了。教师鼓励学生提出想要研究的问题，“蜡烛燃烧后去哪了”是学生关注的重心。

2.制造冲突，激发猜想

教师先请学生谈一谈自己想如何研究消失的蜡，再顺势介绍科学史上有一位科学家也对“蜡烛燃烧后去哪了”产生了浓厚的兴趣，并出示法拉第和他研究蜡烛燃烧的装置图。教师拿出一个口部有超轻黏土的玻璃罩问学生：“如果将玻璃罩罩住蜡烛，让蜡烛在这个密封空间里燃烧，玻璃罩内会出现什么现象？”几乎所有学生都认为蜡烛会燃烧一会儿再熄灭。

事实结果出乎学生意料：蜡烛在玻璃罩内从燃烧到熄灭，玻璃罩内壁逐渐出现了白雾状的物质，蜡烛熄灭的速度也比学生预想的要快。

学生看到自己的观察蜡烛燃烧的研究思路和著名科学家一致，探究积极性受到极大鼓舞。实验让学生产生了第一个认知冲突，从最初认为蜡燃烧了就没有了，转变为蜡燃烧后会变成别的物质。他们非常想知道：蜡烛为什么熄灭得这么快？玻璃罩内壁的白雾究竟是什么？它是蜡燃烧生成的吗？这些疑问驱使学生主动开展后续研究。

3.初探白雾是什么

学生用超轻黏土在培养皿中做一个插蜡烛的底座，插上蜡烛并点燃，用烧杯倒扣在培养皿上（如图1），由于烧杯内的空气有限，蜡烛会逐渐熄灭。倒扣的烧杯使蜡烛燃烧生成的水蒸气难以扩散到烧杯外，这些水蒸气在烧杯内壁形成了明显的白雾，经久不散。部分学生拿开烧杯，用手指感受内壁的白雾，从潮湿的手感和放置一会儿白雾又消失的现象初步判断白雾是水。

此时，也有部分学生不认同白雾是水，他们的理由是水火不容，蜡中也没有水，对蜡通过燃烧能变成水难以置信。他们由此推测，这些白雾状的物质可能是烟雾颗粒、蜡烛蒸汽等。教师对大胆质疑的学生予以鼓励，并将“白雾是水吗”这一未确定的问题保留下来，稍后继续研究。

学生对白雾是不是水没有达成一致观点，在这个环节并不重要，这里重在引导学生观察现象，分析并做出合理的推断，培养他们搜集更多证据证明观点的意识。

4.探究蜡烛熄灭的原因

烧杯内蜡烛很快熄灭的现象也和学生前期的预测不一致，这激起了他们的探究热情。学生对此做出推测：空气中的氧气含量是很少的（21%），玻璃罩内的氧气被蜡烛烧完了，所以蜡烛熄灭得很快。这就引出了一个新问题：怎样知道氧气减少了多少呢？

教师适时拿出氧气传感器，将氧气传感器置于一个侧面开孔的玻璃罩内，用超轻黏土封住玻璃罩上方和侧面的空隙，将传感器与显示器连接（如图2），再点燃蜡烛置于玻璃罩内，让学生观察氧气数值的变化。

实验发现，蜡烛燃烧前容器内氧气含量约在21%，蜡烛熄灭时，密封罩内氧气含量在18.4%左右。学生惊讶地发现，蜡烛熄灭时，氧气只消耗了很少一部分，并没有完全耗尽。他们同时观察到，蜡烛的火焰是越来越小、逐渐熄灭的。结合观察到的现象，学生继续讨论并做出新的推测：蜡烛燃烧可能产生了某种气体，这种气体让蜡烛熄灭了。

教师给出空气中氮气、氧气、二氧化碳气体的性质，让学生通过资料阅读，对蜡烛燃烧可能产生的是哪种气体做出推论。通过分析资料，学生认为这种让蜡烛熄灭的气体可能是二氧化碳。

教师引入氧气传感器，让学生产生第二次认知冲突，他们获得更精确的数据，并针对“蜡烛燃烧可能产生了某种不支持燃烧的气体”做出合理推测，他们根据已有经验推测可能是二氧化碳。

5.自主设计实验，探究蜡烛燃烧生成物

蜡烛燃烧产生的气体是不是二氧化碳？教师把这个问题交由学生设计方案去探究，他们受上一个实验的启发，提出将原来的氧气传感器替换成二氧化碳传感器进行检测，有部分学生由以前的科学学习，提出用澄清石灰水来检测。

前面环节“白雾是什么”的遗留问题，教师在此时抛出，交给学生一并研究。

教师提供给学生大号矿泉水桶、澄清石灰水、二氧化碳传感器、湿度传感器、剪刀等。有的小组为了一次探究两个问题，将矿泉水桶改造成一个密封罩，把湿度传感器、二氧化碳传感器同时置于密封罩中，并与显示器连接（如图3）。学生点燃蜡烛，观察数据变化，发现密封罩内的湿度传感器和二氧化碳传感器数值一直在增大，证明蜡烛燃烧有二氧化碳和水生成。

有的小组在蜡烛熄灭后，将密封罩倒置，将适量澄清石灰水倒入密封罩并摇晃，通过澄清石灰水变浑浊证明蜡烛燃烧生成的气体是二氧化碳。

此探究环节侧重于对学生自主设计实验能力和使用新器材能力的培养。对于学生提出用澄清石灰水检验二氧化碳的传统实验方法，教师同样给予鼓励。通过自主探究，学生认识了蜡烛燃烧后消失的蜡变成了二氧化碳和水，对物质的变化相关核心概念的建构印象深刻。

三、教学思考

1.实验激发认知冲突，推动自主思维

科学课程标准重视思维型科学探究，突出科学探究的本质。教师在情境中设置一个激起认知冲突的现象，用好奇、质疑推动思维生长，是促使学生自主思维的关键。用密封罩罩住燃烧的蜡烛，鲜明的白雾让学生观察到蜡在消失的同时，有新的物质产生；借助数字传感器让学生观察蜡烛熄灭时的氧气、二氧化碳、水蒸气含量，激发他们主动探究。

数字化实验帮助教师设计更具有思考价值的实验，当问题需要学生“跳一跳”才能解决时，他们投入得会更持久。学生带着问题去观察，在观察中又会产生新的问题，新问题促进他们再思考、再观察、再探究，久而久之，他们就会有不一样的收获。事实上，学生思维生长是一个长久的过程，需要借助适合的探究器材有计划地培养和训练。

2.重视学生逻辑思维，培养实证思维

对于蜡烛的燃烧实验，传统的教学导入是学生观察燃烧的蜡烛，教师从蜡烛越烧越短的现象引导他们猜想消失的蜡变成了什么。学生仅凭变短的蜡烛提出猜想往往是盲目的，这种无根据的猜想活动对培养他们的科学思维并没有帮助。推理论证能力是科学思维的重要内容之一，教师要引导学生观察到密封罩中蜡烛燃烧至熄灭的过程中产生了白雾、整体质量不变的现象，组织他们依据事实基础有根据地推理论证。氧气等各种数字传感器测量精确度高、可信度强，学生在实验中收集到的客观数据让他们能够更好地分析问题，验证自身观点，做出客观合理的判断，从而建立起对蜡烛燃烧时产生新物质的变化的正确理解。

3.精心设计教学环节，发展创新思维

在“蜡烛的燃烧”内容学习中，学生在真实的任务下通过讨论、实验、交流，对产生新物质的变化有了初步的认识，也对利用数字化实验器材自主设计实验进行探究有了一定的认识，较好地发展了创新思维。

为了让学生的思维进一步延续，教师让他们在课后继续探究，如纸的燃烧和铁钉生锈是否需要氧气、探究制作汽水柠檬汁和小苏打对pH和口感的影响等创新实验，助力其逻辑思维、实证思维和创新思维的生长。

（作者单位：吴杨，江苏省句容市崇明小学文昌校区；高荣平，江苏省句容市崇明小学）

参考文献

[1]胡卫平，郭习佩，季鑫，等.思维型科学探究教学的理论建构[J].课程·教材·教法，2021（06）.