蜡烛,浅谈科学探究宽度和深度

摘要科学探究的宽度是指科学探究活动所包含的科学探究要素的多少，科学探究的深度是指科学探究活动所获得的科学知识的多少和深浅程度。具有宽度和深度的科学探究体现出探究行为设计的整体性，探究要素的全面性，探究活动的系统性和开放性，探究结果的深刻性和革新性，蕴含着“少就是多”的哲理。在化学探究教学中如何理解和把握科学探究的宽度和深度是一个值得探讨的重要理由，以义务教育初中化学中蜡烛燃烧的探究为例加以阐述。
关键词　科学探究　科学探究的宽度　科学探究的深度　蜡烛燃烧　科学探究要素
科学探究有宽度和深度吗?笔者认为这一命题是成立的。所谓科学探究的宽度是指科学探究活动所包含的科学探究要素的多少。在义务教育化学课程标准中提出的科学探究要素包括：提出理由、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等；科学探究的深度是指科学探究活动所获得的科学知识的多少和深浅程度。在化学探究教学中理解和把握科学探究的宽度和深度是一个值得探讨的重要理由，本文试图以义务教育初中化学中蜡烛燃烧的探究为例来加以阐述和说明。
初中化学教学中蜡烛燃烧的探究，大多局限在提出相关理由、对蜡烛燃烧和熄灭的猜想、蜡烛燃烧的火焰、燃烧现象、燃烧的产物和熄灭蜡烛火焰的实验探究。所涉及到的化学知识有蜡烛的组成元素、蜡烛与氧气反应生成二氧化碳和水、二氧化碳的检验、燃烧条件等。为了使学生更好地认识燃烧现象、理解科学探究和燃烧的科学本质，很有必要对蜡烛燃烧的探究以宽度和深度上进行拓展。1　探究蜡烛的燃烧速率
使用直径为4cm，密度为0．9g/cm3的蜡烛做燃烧速率的探究实验，记录实验数据如表1。
以蜡烛的燃烧时间为横坐标、燃烧质量为纵坐标绘制燃烧速率曲线(见图1)。
探究蜡烛的燃烧速率，不仅让学生体验定量探讨的探究活动，获得数据处理等探究能力，还要让学生以图1蜡烛燃烧速率曲线几乎是一条直线来理解所揭示的知识：蜡烛燃烧的化学反应速率是稳定的。2　探究为什么蜡烛火焰熄灭顺序不一样[创设实验情境]实验1：观察烧杯中高矮2支蜡烛的燃烧情况，然后顺烧杯壁向杯中倾倒二氧化碳(见图2)。实验显示矮蜡烛火焰先熄灭。实验2：选取一高一矮2支蜡烛，点燃后将烧杯倒扣在燃烧的蜡烛上(见图3)，观察蜡烛的燃烧情况。实验显示高蜡烛火焰先熄灭。
[提出理由]为什么实验1矮蜡烛先熄灭而实验2却是高蜡烛先熄灭?
[进行猜想]实验1：二氧化碳的密度比空气的大，顺烧杯壁倾倒的二氧化碳首先在底部聚集，因而矮蜡烛火焰先熄灭；实验2中蜡烛燃烧产生的二氧化碳气体较热、密度比空气的较小，首先向上聚集，因而高蜡烛火焰先熄灭。
[实验设计及验证](1)由纸筒、玻璃棒、细线制成一简易天平，向其中一端的纸筒倾倒二氧化碳，随之向下倾斜。(2)以“胃必治”药品包装板上剪下1排含5个泡状容器的长条，垂直固定在2支蜡烛的上方，用胶头滴管吸取饱和的澄清石灰水，由上到下向每一个泡状容器内加入几滴澄清石灰水。点燃蜡烛，将烧杯倒扣在蜡烛和泡状容器上。实验显示，高蜡烛火焰先熄灭时各泡状容器内的澄清石灰水以上到下依次变浑浊。
[解释与说明]蜡烛在开放系统中和封闭系统中的燃烧情况是不同的，在开放系统中当点燃蜡烛时，点火源的热量将灯芯上的蜡融化，由于毛细作用，液蜡上升并受热汽化，蜡蒸气与空气中的氧气反应生成水和二氧化碳并放出热量。热的二氧化碳气体密度小，会向上升，冷空气会过来补充进入反应区。由于对流的理由，使得蜡烛能持续燃烧并使火焰的形状呈现“水滴”状。当以外部注人比空气密度大的常温二氧化碳时，先在底部聚集，使矮蜡烛火焰先熄灭。而在封闭系统中蜡烛燃烧时生成热的二氧化碳气体，密度小会向上升，首先在上部聚集，致使高蜡烛火焰先熄灭，由于封闭系统没有新鲜空气补充进来，蜡烛燃烧则不能持续。
这个实验探究教学可以涉及到课程标准列出的全部探究要素。学生通过这种探究活动，不仅能激发探究兴趣而且有助于理解蜡烛燃烧的系统不同则燃烧过程也不同，着重揭示了实验条件制约小学语文教学论文的重要量，感受科学探究的各种策略教学论文和过程，有利于提高自身的科学素养。3　探究多因素影响的蜡烛燃烧实验
创设一个多因素影响的蜡烛燃烧实验进行探究教学，可以让学生提出多种假设，再通过设计和验证实验，得出结论，获得探究能力的提升。例如，可以设计如下实验：[实验1]在水槽中固定一支生日蜡烛，加入适量的1mol/L氢氧化钠溶液，取一支25mm×250 mm的大试管，收集满(氧气和空气按1：1体积比混合的)富氧空气，点燃蜡烛，将试管迅速倒扣在燃烧的蜡烛上。可观察到蜡烛燃烧火焰一开始较明亮，然后逐渐变暗直至熄灭，试管中的液面先迅速上升再缓慢升高。待液面不再升高后，取试管中的部分液体滴加足量的浓盐酸可看到有小气泡产生。
根据实验现象可以引导学生提出多种假设。(1)燃烧时火焰及其周围的空气是热的，气体密度小，火焰熄灭后降温，迫使水面上升。(2)燃烧生成的二氧化碳气体被氢氧化钠溶液中的水吸收了。(3)二氧化碳与氢氧化钠反应。(4)氮气与氢氧化钠反应。
上述假设是否成立?可设计实验并进行验证：
[实验2]给试管中的富氧空气加热，将试管倒扣在水中，不断摇动试管保证不离开水面。观察到液面缓慢上升，但是达不到实验1试管液面上升的高度。
[实验3]将收集满二氧化碳气体的试管倒扣在水中，在不离开水面的条件下不断摇动试管。观察到液面缓慢上升，也达不到实验1试管液面上升的高度。
[实验4]将收集满二氧化碳气体的试管倒扣在氢氧化钠溶液中，在不离开水面的条件下不断摇动试管，可看到液面上升较快，几乎充满整个试管。取试管中的部分液体滴加足量浓盐酸可观察到有小气泡产生。
[实验5]将收集满氮气的试管倒扣在氢氧化钠溶液中，在不离开水面的条件下不断摇动试管，观察到试管液面没有升高。
实验结果肯定了上述假设(1)、(2)和(3)，否定了假设(4)。
[解释]蜡烛与空气中的氧气反应放出热量，使火焰及其周围的空气受热，气体密度变小，火焰熄灭后降温，迫使水面上升。蜡烛燃烧生成的二氧化碳直接与氢氧化钠反应生成碳酸钠，这是液面上升的最主要理由。部分二氧化碳溶于水生成碳酸，碳酸与氢氧化钠反应生成碳酸钠。3者的共同作用导致液面开始时能迅速上升。
说明：实验1使用富氧空气可使蜡烛燃烧时间更长，生成更多的二氧化碳，液面变化更显著。4　在新理由情境中理解蜡烛燃烧反应学生对蜡烛燃烧的探究学习，不仅限于课本已有的内容，还应创设新的理由情境。例如，“下面是2支蜡烛燃烧的图像，你认为哪一支蜡烛燃烧效