应急蜡烛的设计与制作（跨学科实践）-2023-2024学年九年级化学人教版上册

应急蜡烛的设计与制作 ——基于对化学反应认识与调控的跨学科实践活动 一、使用教材 人民教育出版社《化学》九年级上册。 二、实验设计思路 （一）应急蜡烛简介 应急蜡烛是应急救援包中的必备物资之一，它具有照明、检验氧气浓度和保存火种的作用。在意外来临时，它超长的燃烧时间可以带给人们以光亮和希望，进而展开自救和互救，降低人员与财产损失。 图1 应急蜡烛产品 （2） 《应急蜡烛》项目的教学内容分析 《应急蜡烛的设计与制作》是初中化学课程中的跨学科实践活动，采用项目学习方式。该项目以人教版初中化学教材第一单元观察蜡烛和第七单元燃烧条件的探究等为基础，综合应用物质化学变化的调控、物理、数学统计、工程技术等各学科知识解决实际问题，这是一个复习教学单元。 化学学科方面，主要涉及了物质的多样性和物质的变化与转化两个大概念。物质的多样性包括：碳氢化合物、碳单质、碳的氧化物的相关性质和定量计算；物质的变化与转化涉及了燃烧的条件、充分燃烧的条件以及对化学变化的调控。 其他学科方面，应急蜡烛的使用目的和使用场景结合了道德与法治的相关内容；燃烧速度的测定应用了数学和物理的相关知识；设计应急蜡烛还用到了技术与工程的相关内容，通过跨学科实践活动最终要建构系统与模型、比例与定量的跨学科大概念。本项目的内容结构如图2所示。 图2 “设计应急蜡烛”项目的内容结构图 （三）实验内容规划 在开展该项目的教学之前，学生已经完成了人教版《化学》第一单元的学生分组实验——对蜡烛及其燃烧的探究；以及第七单元的学生分组实验——灭火的原理。 本项目是复习单元，围绕应急蜡烛的设计与制作，该项目分为三个主要任务，每个主要任务包含1-2个实验活动。教学实施过程中，综合运用定性与定量实验、传统化学仪器与现代传感器技术实验、教师演示与学生分组实验、教材改进与创新实验，促进学习目标的落实。实验设计框架如表1所示。 表1 “应急蜡烛设计与制作”项目实验拆解 应急蜡烛设计制作 实验名称 主要内容 呈现方式 实验分类 学科分类 任务一：识别蜡烛主题可燃物并使其充分燃烧 实验一：设计实验，识别蜡烛主体可燃物是棉线还是石蜡？ 分别点燃棉线、石蜡，观察实验现象，分析棉线和石蜡的作用 教师演示实验 创新实验 化学实验 实验二：探究蜡烛燃烧时产生黑烟的原因并调整棉线的股数 制作不同股数蜡烛，观察燃烧情况 传感器检测一氧化碳浓度 教师演示实验 改进实验 化学实验 创新实验 任务二：探究应急蜡烛的质量，设计其形状 实验三：定义燃烧速率的表示方法，设计测量方案并拟合曲线 测定蜡烛燃烧速率 信息技术拟合曲线，求算反应速率 学生分组实验 创新实验 跨学科实验 实验四：计算所需石蜡质量并用等体积的超轻黏土塑造形状 制作应急蜡烛模型并绘制设计图 学生分组实验 创新实验 跨学科实验 任务三：解决石蜡空壳问题，探究酥油含量 实验五：探究酥油含量对产品质量的影响，优化定量实验数据选取方案，对三代产品进行质检 制作酥油含量不同的蜡烛 对蜡烛小样进行软硬度、燃烧测试 学生分组实验 创新实验 跨学科实验 教师演示实验 三、实验内容及创新点 蜡烛是初中化学课程中实验探究的“热点”，各版本教材在研究物质变化、质量守恒定律、燃烧条件与灭火原理、充分燃烧与不充分燃烧、物质组成等方面常使用蜡烛。 蜡烛燃烧实验是实验改进与创新研究的“热点”，近二十年来，发表了大量相关研究成果。例如，谢亚琼团队认为教材中对蜡烛燃烧产物的检验过于繁琐，且学生会质疑所产生的小液滴是由于空气中水蒸气冷凝而形成。针对这个问题，该团队用装有澄清石灰水的针筒收集并检验二氧化碳，用无水硫酸铜检验水，用数据传感器定量检验产物[1]。王宝权团队针对教材中检验蜡烛燃烧产物时石灰水较难变浑浊和使刚熄灭的蜡烛复燃较难成功的问题，对实验装置进一步改进，便于观察实验现象[2]。 文献研究发现，目前已有对蜡烛实验改进的方案大部分都是在教材原实验的基础上改进实验装置，达到提高实验成功率的目的。基于蜡烛的项目学习及跨学科实践活动类的研究成果未见发表。本项目教学内容具有一定的创新性，围绕应急蜡烛制作中的问题而开展的5个实验探究活动均为创新性实验。 实验一：设计实验，识别蜡烛主体可燃物是棉线还是石蜡？ 1.设计意图 教材第一单元课题2对蜡烛及其燃烧的探究，只是观察蜡烛燃烧前中后不同时段蜡烛的现象，本实验活动分析蜡烛这种多可燃物体系。通过设计实验将每种可燃物分别点燃，与蜡烛燃烧现象做对比，解释石蜡和棉线在蜡烛燃烧过程中的作用。学生从寻找影响因素开始，设计实施对比实验的全过程，感受对比实验的严谨逻辑和强大作用；同时，初步建立认识化学反应的角度包括反应物的种类、反应的条件