小学科学实验创新教具

苏教版小学科学六年级上册第一单元第 1 课《蜡烛的变化》，教材中设计蜡烛燃烧实验：通过观察干燥烧杯内壁检验水、涂有澄清石灰水的烧杯内壁检验二氧化碳和白瓷碗底部观察炭黑的变化，帮助学生认识蜡烛燃烧后产生水、二氧化碳、炭黑等新物质。若教学条件允许，可补充纸片燃烧实验，如选取相同质量的蜡烛与纸片，在相同实验条件下进行燃烧对比，更易凸显产物差异，通过对比蜡烛与纸片燃烧产物的共性如均产生二氧化碳与差异如纸片燃烧炭黑更明显，帮助学生深化“不同可燃物燃烧可能生成相似新物质”的认知。

在实际教学中，传统实验设计存在以下疑问和不足之处：

1. 蜡烛燃烧产生的热空气遇到冷的烧杯，空气中的水蒸气会凝结成水雾或者小水滴，该现象与燃烧产生水的现象一致，均为无色透明的液态水，单凭肉眼无法区分来源，那么就不足以证明是蜡烛燃烧产生的水。

2. 石灰水在蜡烛的高温烘烤下，水分会快速蒸发，留下白色固体氢氧化钙（氢氧化钙为熟石灰，常温下微溶于水，蒸发后析出的白色固体）；二氧化碳遇澄清石灰水反应后生成白色固体颗粒碳酸钙。两者在形态、颜色上高度相似，学生仅凭观察无法辨别，此不足以证明是蜡烛燃烧产生的二氧化碳使得澄清石灰水变浑浊。

3. 在烧杯内壁涂澄清的石灰水时，石灰水不易挂壁，尤其是在光滑的玻璃烧杯内壁，石灰水易沿杯壁汇聚成水珠，与二氧化碳的接触面小，难以充分反应，实验现象不明显。

4. 对于蜡烛火焰与杯口之间的距离，需要精确控制。若距离过近，易导致烧杯受热炸裂；若距离过远，则燃烧产物难以在烧杯内聚集。这两种情况均容易导致实验失败。

5. 传统实验中烧杯为玻璃材质，不仅易碎，而且导热性强易导致烫伤，增加了实验操作的安全风险。

综上，在结合我校已建立的气象站日常通过传感器检测环境温湿度，受此技术应用启发，本研究设计“利用环境传感器检验蜡烛燃烧产物实验箱”，将传统实验的“现象判断”转化为“数据对比”，通过定量分析提升实验结论的逻辑性与可靠性，同时解决传统实验的诸多不足。以下是相关的详细介绍。

一、实验器材

1. 自制透明实验箱，采用厚度为 5mm 的亚克力板粘接为实验箱，箱体大小的长宽高为 20cm×20cm×20cm ，侧面预留传感器数据线的接口和配备压力锁扣的可开合的盖板，确保箱体的密闭性。亚克力板具有较高的透光率，便于学生清晰观察实验箱内的实验过程；其热变形温度高于 80% ，能够承受蜡烛燃烧产生的局部高温。

2. 环境传感器，内部集成温度、湿度、二氧化碳浓度检测功能，具备数据显示屏（TEM 为温度，HUM 为湿度， CO₂ 为二氧化碳浓度）。传感器的温度测量范围 0～65^∘C ，精度 ±0.3^∘C ；湿度测量范围 0～100%RH ，精度 ±2%RH ；二氧化碳浓度测量范围 400～5000ppm ，精度 ±40ppm 。传感器采用高精度电化学二氧化碳检测模块与电容式温湿度传感器，刷新时间 ⩽2 秒，可快速更新实验过程中的数据变化。

3. 数据线，用于连接传感器与教室的一体机。数据线为 RS485 转USB 接口，传输速率达10Mbps，可确保实验的数据实时传输。

4. 蜡烛（配火柴）。

二、设计思路

1. 采用环境传感器可实时、精确测定空气中温度、湿度及二氧化碳浓度。相较于传统实验中依赖 " 观察水雾生成 " 与 " 判别浑浊程度 "等定性方法，传感器的定量测定能有效消除主观观测误差，例如不同学习者对 " 水雾量级 " 与 " 浑浊程度 " 的判断标准存在个体差异。实验数据既可以在传感器显示屏上显示，又可以通过数据线传输到一体机屏幕上呈现，利用配套数据监测软件实现检测数据的实时投射显示，确保全体学生可清晰获取实验数据。两者能够达到同步记录实验前、中、后三个阶段的实验数据，从而精准比较实验前后的变化。运用数字技术，以客观数据替代主观观察，使得实验结果更具有说服力。

2. 利用亚克力制作可以密闭的实验箱体，亚克力材质具备优异的耐高温性与抗冲击性能，规避传统玻璃器皿的破裂风险。实验过程中即便出现蜡烛火焰短暂接触箱壁的情况，也不会导致箱体破裂，从而显著降低小学课堂教学场景中因器材破损导致的安全隐患。实验箱体采用透明的亚克力设计，保证能够对箱内燃烧过程及传感器监测数据的直观可视化观测。亚克力箱体开孔供数据线穿过，使传感器主机通过数据线连接至教室一体机。

3. 传统实验方案中，检验水蒸气、二氧化碳及炭黑生成需依次更换经干燥处理的烧杯、涂有澄清石灰水的烧杯以及白瓷碗，操作流程繁琐耗费时间，且易导致实验失败。本研究提出创新性实验方案是将教材中 " 水蒸气验证 "、" 二氧化碳验证 " 及 " 炭黑观测 "（炭黑可通过肉眼直接观察燃烧黑烟及箱壁残留物判定）等多项检测程序集成于一个实验箱内一次完成。采用这种集成化设计达到 " 单次实验同步多指标检测" 的目的，无需反复更换实验器材，提升课堂教学效率。

三、实验原理

蜡烛，主要成分为石蜡（化学式为 C_nH_2n+2 ）燃烧时发生化学变化：发光现象可通过肉眼直接观察；发热现象可通过传感器检测的温度上升体现；产生的水蒸气（ H₂O ）散发在密闭实验箱的空气中，因箱体无法与外界空气流通，增加了空气湿度；产生的二氧化碳（ CO₂ ）石蜡完全燃烧的主要气体产物之一会增加空气中二氧化碳的浓度。炭黑则因蜡烛不完全燃烧产生，可通过观察箱内黑烟与箱壁残留的黑色物质判断。

四、实验步骤

1. 清点实验器材，确认透明实验箱无破损、传感器电源、数据线连接正常；给传感器通电，连接一体机；将蜡烛放在实验箱内中间位置，确保蜡烛火焰不会接触箱壁。

2. 关闭实验箱盖板，静置 2 分钟，让箱内空气状态稳定，测量正常情况时空气的温度、湿度、二氧化碳浓度为初始数值；此时传感器主机显示屏上显示温度 25.3°C 、湿度 78.3% 、二氧化碳浓度 423ppm （注：ppm 为体积浓度单位， 1ppm 表示 1 体积二氧化碳在 100 万体积空气中的占比，此数据为实验环境下的典型值，不同室温环境下初始值可能略有差异）。

3. 打开实验箱盖板，快速点燃蜡烛后立即关闭实验箱，以减少箱内空气与外界交换，避免数据误差。

4. 蜡烛燃烧 2 分钟后，待传感器数据趋于稳定，记录各项数值为中间数值。

参考文献

[1] 江苏省中小学教学研究室。苏教版小学科学六年级上册教师教学用书[M]. 南京：江苏凤凰教育出版社，2022：12-18.

[2] 王建国。小学科学实验创新与数字化工具应用 [J]. 实验教学与仪器，2023，40（7）：45-47.

[3] 李丽。亚克力材料在小学科学实验器材制作中的应用 [J]. 中小学实验与装备，2024，34（2）：31-33.