初中化学高低蜡烛实验的“备 - 教 - 学 - 评”一体化设计与实践

本实验以人教版九年级化学上册“二氧化碳的性质”为核心内容，结合 2022 年版义务教育课程标准中“科学探究与实践”“科学思维”等核心素养要求，通过实验探究与数字化技术融合，培养学生实验设计、数据分析及跨学科应用能力。

一、教学目标设计

1. 知识与技能

通过观察高低蜡烛熄灭顺序，理解二氧化碳密度比空气大且不支持燃烧的性质。学会使用氧气 / 二氧化碳浓度传感器，分析密闭容器内气体浓度变化曲线，建立“燃烧与氧气浓度相关”的科学模型。设计对比实验（如烧杯正放/ 倒放、蜡烛高度差异），验证假设并解释现象 。

2. 过程与方法

采用“翻转课堂”模式：课前通过微课学习二氧化碳性质，课堂开展小组合作探究，完成实验设计、操作、数据记录及结论推导。运用控制变量法（如保持烧杯体积相同、改变蜡烛高度），培养科学探究能力。通过数字化实验数据（如氧气浓度从 21% 降至 6.8% ），提升数据处理与逻辑推理能力。

3. 情感态度与价值观

结合火灾逃生原理（二氧化碳在高处聚集），体会化学与生活的联系，增强安全意识。通过小组讨论与成果展示，培养合作精神与批判性思维，形成“证据支持结论”的科学态度。

二、教学过程实施

1. 课前预习（翻转课堂）

推送微课视频，讲解二氧化碳的实验室制法、物理性质及灭火原理。布置任务：通过问卷星提交“高低蜡烛熄灭顺序”的猜想及依据，教师汇总典型假设（如“高蜡烛先灭”“低蜡烛先灭”）。

2. 课堂探究（45 分钟）

环节1：情境导入（5 分钟

播放火灾逃生动画，提问：“为什么火灾时要弯腰前进？”引发认知冲突。

演示传统阶梯蜡烛实验（倾倒二氧化碳），学生观察低蜡烛先灭，初步得出密度结论。

环节2：对比实验与假设验证（15 分钟）

分组实验1：烧杯正放与倒放对比，记录熄灭顺

讨论：“为什么倒放时高蜡烛先灭？”引导学生分析热气体上升、二氧化碳扩散的影响 。

分组实验 2：密闭容器内燃烧，用传感器实时监测气体浓度变化。学生绘制曲线，发现氧气浓度降至 16.8% 时蜡烛熄灭，验证“氧气耗尽”假设。

环节3：跨学科拓展（10 分钟）

物理关联：对比二氧化碳与空气的密度（ 1.977g/L vs 1.293g/L ），解释实验现象。

生活应用：分析灭火器原理，讨论“电器火灾为何用二氧化碳灭火器？”

环节4：实验改进与反思（10 分钟）

小组汇报实验设计，如“用矿泉水瓶替代烧杯”“增加温度传感器”等创意方案。

教师总结控制变量法的应用，强调实验误差来源（如气体扩散速度）。

3. 课后延伸

基础作业：完成实验报告，包括现象记录、数据分析及结论推导。

拓展任务：设计“家庭版高低蜡烛实验”，用玻璃杯和硬币垫高蜡烛，拍摄视频并解释现象 。

STSE 项目：调查当地消防设施类型，撰写短文《二氧化碳灭火器的利与弊》 。

三、多元化评价体系

1. 过程性评价（ 40% ）

实验操作：规范使用传感器、准确记录数据（如浓度变化曲线）。

小组合作：参与讨论、提出假设、分工协作的表现。

课堂问答：解释烧杯倒放现象、分析传感器数据的逻辑性 。

2. 终结性评价（ 60% ）

实验报告：结构完整、数据分析合理、结论与证据一致 。

项目成果：家庭实验视频的科学性、短文的创新性与论证深度 。单元测试：选择题（如“火灾逃生原理”）、实验设计题（如“验

证二氧化碳溶解性”）。

四、教学反思与改进

1. 成功经验

数字化实验直观呈现气体浓度变化，突破传统实验仅观察现象的局限，学生对“氧气耗尽”的理解更深刻。

翻转课堂模式有效利用时间，课堂专注于高阶思维活动（如实验设计、跨学科分析）。

2. 改进方向

若学校缺乏传感器，可通过“蜡烛燃烧时间对比”替代（如作业帮案例中的秒表计时），但需强调数据误差 。

增加“二氧化碳与水反应”的关联实验（如石蕊试纸变色），形成知识网络。

3. 实验异常现象的分析与改进

在做“高低蜡烛”实验时可能出现了以下两种的实验异常现象：“高低蜡烛同时熄灭”；“上层蜡烛先熄灭，下层蜡烛后熄灭”。为了避免失误，并得到“下层蜡烛先熄灭，上层蜡烛后熄灭”的现象，引导学生反思原因，大胆改进实验和设计实验方案。

（1）核心问题分析（原实验常见缺陷）

① 二氧化碳浓度不均：倒入二氧化碳时易因气流扰动导致密度分层被破坏，高蜡烛可能先接触到较浓的二氧化碳。

②氧气消耗速度差异：蜡烛燃烧产生的热气流会带动气体对流，干扰二氧化碳下沉的自然规律。

（2）具体改进方案

① 二氧化碳“缓慢注入”【问题：直接倾倒二氧化碳易形成湍流，破坏分层。改进：用带导管的分液漏斗（或注射器）将二氧化碳从烧杯底部缓慢注入（导管口贴近杯底），减少气流扰动。原理：利用二氧化碳密度比空气大的特性，让其从底部逐渐堆积，自然向上覆盖蜡烛，确保低蜡烛先灭】。

② 隔绝对流干扰装置【 问题：蜡烛燃烧产生的热空气上升，带动冷空气下沉，形成对流，打乱气体分层。改进：在烧杯内放置一个透明玻璃隔板（底部留小缝隙，允许气体缓慢流动），将高低蜡烛分隔在隔板两侧。作用：隔板阻挡热气流直接对流，让二氧化碳在重力作用下先充满隔板下方空间，保证低蜡烛先接触高浓度二氧化碳】。

③材料与蜡烛选择优化【蜡烛规格：使用粗细、长度一致的蜡烛（避免火焰大小差异导致耗氧速度不同），高低差控制在5-8cm（过高易受对流影响）。二氧化碳来源：用干冰（固态二氧化碳）替代澄清石灰水与盐酸反应生成的二氧化碳，干冰升华后密度稳定，且降温可抑制空气对流（热空气对流减弱）】。

④ 可视化气体分层改进【问题：二氧化碳无色，难以观察其扩散过程。改进：在二氧化碳中混入少量有色气体（如用氨气与浓盐酸反应产生的白烟，但需注意安全性），或在烧杯内壁贴湿润的紫色石蕊试纸（二氧化碳使试纸变红，可观察扩散范围）。作用：直观展示二氧化碳的下沉过程，增强实验说服力】。

⑤ 对比实验设计【增设对照组：用同样装置，但将二氧化碳换成空气（或氮气），观察蜡烛燃烧情况，排除“缺氧是唯一原因”的误解，明确二氧化碳的灭火作用】。

结束语

本设计通过“备 - 教 - 学 - 评一体化”整合实验探究、数字化技术与生活应用，以及对比实验与传感器数据，学生从“观察现象”进阶到“定量分析”，真正理解科学探究的本质。同时，安全意识与社会责任的渗透，体现了化学学科的育人价值。

参考文献：

1. 周永真 .“教·学·评一体化”模式对初中生化学学习效果的影响研究 [D]. 重庆市 : 西南大学 ,2022.

2. 王娜 . 烛光里的奥秘——探索蜡烛燃烧的化学之旅 [A]. 第九届中小学数字化教学研讨会论文案例集 [C]. 中国河南省郑州市，2024：274-280.

3. 范佳馨 . 基于智慧课堂下的初中化学大概念教学策略研究 [D].重庆市 : 西南大学 ,2023.

注：本文系福建省中青年教师教育科研项目基础教育研究专项“‘基于备 - 教 - 学 - 评’一体化的初中化学单元作业三维矩阵分层设计的实践研究”的研究成果，课题立项号：JSZJ24149。