发展学生科学思维的课堂教学

摘要

以一节“燃烧的条件”实验课为主线，发展学生的科学思维。课堂伊始，通过“魔棒点灯”激发兴趣，引导学生回顾并完善燃烧的认知模型；继而，通过探究氧气浓度、可燃物与氧气的接触面积、温度等因素对燃烧的影响，进一步修正并深化其认知。在“热水灭火”“以火灭火”“粉笔灯”“蜡烛灯芯作用”等一系列问题探究活动中，逐步打破学生的思维定式，引发深度思考。最后，借助高低蜡烛熄灭实验和龙卷风实验，帮助学生认识烟囱效应，拓展其对燃烧现象的认识广度，体会调控化学反应的重要意义，感悟化学的学科价值。

Graphical abstract

关键词

初中化学 / 科学思维 / 课堂教学 / 燃烧与灭火 / 模型认知 / 证据推理

人教版化学九年级上册第7单元“燃烧与灭火”为一节复习课，属于《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）^［1］中一级主题中的“物质的化学变化”。《课标》对其的要求是，从物质变化、能量变化、反应条件等多视角认识化学反应，体会燃烧在生产生活中的实际应用。

该节课所承载的知识，与社会、生活息息相关，具备高度的学科功能认识价值，是发展学生科学思维、强化创新意识与批判性思维的良好知识载体。

在实际教学中，教师不仅要讲授燃烧的条件与灭火原理，还应带领学生以批判、辩证、科学的视角看待燃烧与灭火的实际应用，从而破除思维定式。

查阅“燃烧与灭火”的相关文献，笔者发现现有教学设计多侧重于探究燃烧的条件^［2-5］、改进燃烧装置的实验方案^［6-8］、建构与修正学生对助燃物类型与浓度的认知模型^{［7，9-12］}、探讨燃烧与灭火知识在实际情境中的应用^［13-14］，以及指向科学探究的教学设计^［15］等。这些教学设计虽已形成较完善的“建立—修正—应用”燃烧模型的学习过程，但随着信息时代的快速发展，其中利用燃烧模型纠正学生认知偏差的教学内容，逐渐丧失了其原有的“认知冲突”与“思维挑战”特性。

鉴于此，笔者为该节课开发了更具新颖性的教学情境素材，力求引导学生对更具挑战性的认知偏差进行证据推理，在发展其科学思维的同时，强化创新意识。

1 教学思想与创新点

科学思维是指在认知活动中基于事实与逻辑进行独立思考和判断，对不同信息、观点和结论进行质疑与批判，提出创造性见解的能力^［1］。该节课所培养的科学思维聚焦学生基于实验事实进行证据推理、建构模型的思维能力，以及在解决与化学相关的真实问题中形成的质疑、批判与创新意识。

笔者决定以MORE（Model-Observe-Reflect-Explain）思维框架^［15］作为教学思路，依据“模型—观察—反思—解释”路径，在系列实验中促进学生科学思维发展。如图1所示，笔者以魔术“魔棒点灯”导入课堂，在回顾模型（Model）后，带领学生对燃烧的3个条件逐一探究，根据实验事实（Observe）进行反思与证据推理（Reflect），完善原有认知模型。即提出“热水与冷水哪个灭火效果更好”“以火灭火”“探究蜡烛灯芯作用”“粉笔燃烧”等问题，鼓励学生利用新构模型解释（Explain）易出现认知偏差的现象，通过批判性思考与质疑破除思维定式；此外，学生在设计灯芯替代物方案、辨析蜡烛吹不灭原理、解释“火焰掌”奥秘、认识阻燃剂原理、辩证看待烟囱效应等探究活动中，综合运用学科知识进行创新，解决现实问题，发展科学思维与创新意识。

2 教学目标

（1） 通过若干燃烧实验探究，完善对燃烧的认知模型，并拓展对燃烧与灭火的认识深度。

（2） 通过回顾旧模型、实验观察、证据推理等环节，培养学生的证据推理能力与创新意识等科学思维品质；应用新构模型解释实际问题，进一步培养学生的问题解决能力，并深化其创新意识。

（3） 通过辨析“热水灭火”“以火灭火”的原理差异，结合探究蜡烛灯芯作用等活动，引导学生应用燃烧模型进行证据推理，破除思维定式，进而培养批判性思维。

（4） 借助高低蜡烛实验原理的类比与迁移，帮助学生理解烟囱效应的成因，拓宽对燃烧现象的认知广度；通过讨论烟囱效应的弊端与应用，学会辩证看待事物，进而体会到可通过调控化学反应、利用事物规律造福人类，培养创新意识与社会责任感。

3 教学流程

该节课的教学流程如表1所示。

4 教学实录

4.1 揭秘“魔棒点灯”魔术

【情境】取一药匙高锰酸钾置于蒸发皿中，滴加2～4滴浓硫酸^［16］，用玻璃棒搅拌混匀；用玻璃棒蘸取少量混合物，快速轻触酒精灯灯芯（图2），操作时须注意安全防护。

【教师】结合燃烧的条件思考魔术的原理。

【学生】小组讨论，形成如表2所示的实验操作与实验原理的对应关系。

【教师】同学们解释得非常合理，这其实只是利用化学知识进行的一个神奇小实验。利用燃烧条件的模型可以解释很多生活中的问题。今天，我们一起探究生活中的一些现象，继续修正燃烧的认知模型。

4.2 再探氧气浓度对燃烧的影响

【演示实验】点燃蜡烛，将氧气检测仪探头置于蜡烛旁同一高度；用大柱形玻璃罩将蜡烛与氧气检测仪罩住，并尽量保持密封；观察蜡烛燃烧情况及氧气浓度变化（图3）。思考：当蜡烛熄灭时，氧气是否被完全消耗？

【学生】随着蜡烛的燃烧，氧气浓度不断降低，最终没有消耗完。

【教师】请同学们结合实验现象，修正燃烧条件的模型。

【学生】燃烧需要可燃物，温度达到着火点，氧气达到一定的浓度。

【教师】在控制水量相同的条件下，热水与冷水哪个灭火速度更快？为什么？

【学生】冷水的灭火速度更快、效果更好，一方面可以降温，另一方面可以隔绝氧气。

【播放冷热水灭火效果对比实验视频（源自央视综艺“是真的吗”节目）】师生发现热水灭火更快，因热水喷洒后汽化快，形成大量水蒸气，隔绝氧气并降温；冷水仅靠降温，汽化慢，灭火效率更低。

【教师】将热水喷洒在燃烧物表面，不仅能够起到冷却作用，还会使燃烧物周围迅速被水蒸气所笼罩，减少氧气供应。有研究表明，当空气中水蒸气含量达35%以上，或氧含量降至17%时，燃烧可能停止。因此在灭火实践中，1 L热水与20～30 L冷水每秒钟的灭火效果相当^［17］。

【教师】在森林发生火灾时，有时“用火灭火”的效果比“用水灭火”更好，请分析原因？

【学生】讨论并分析，利用火消耗掉山火周围的氧气，使氧气浓度降至无法燃烧的程度。

【教师】往山火蔓延的反方向人为制造一条火线，且控制这条火线烧向火场，则两股火最终相遇时周围已经没有可以燃烧的物质。与此同时，汇合处氧气使用殆尽，火就能得到有效控制甚至熄灭。但使用此方法，要综合考虑风向、风速、植被覆盖率、地形等因素^［18］。

4.3 再探可燃物与氧气接触面积对燃烧的影响

【演示实验】用坩埚钳分别夹持一根铁丝、适量铁丝绒，将两者置于酒精灯火焰上方加热。取一药匙铁粉，将其抖落在酒精灯火焰上，观察现象。三者的实验现象如图4所示。三者的实验现象说明燃烧受什么因素影响？

【学生】铁丝仅呈红热状态，未发生剧烈燃烧；铁丝绒出现零星火星；铁粉则剧烈燃烧、火星四射。在其他条件相同的情况下，这一现象说明可燃物与氧气的接触面积是影响燃烧的重要因素。

【教师】生活中有哪些为促进燃烧而增大可燃物与氧气接触面积的例子？

【学生1】传统汽车发动机的化油器会将汽油雾化并与空气混合后送入内燃机气缸。

【学生2】火电厂会把煤块粉碎成煤粉。

【教师】蜡烛的灯芯其实也增大了可燃物与氧气的接触面积。

【演示实验】尝试点燃没有灯芯的石蜡，蜡烛无法被点燃；将灯芯替换为粉笔，粉笔被点燃，如图5所示。请分析其中的原因。

【学生】没有灯芯的棒状石蜡没有被点燃，是由于石蜡与氧气的接触面积不足且未达到着火点。石蜡受热后汽化，必然吸附在灯芯或粉笔上，从而增大了与氧气的接触面积。

【教师】增大可燃物与氧气的接触面积可以通过改变其物理形态实现。例如，将煤块磨成煤粉。此外，还可利用毛细作用输送燃料（如石蜡的灯芯），使燃料汽化后与氧气接触更加充分。

【教师】可否将灯芯替换为其他物质？这些物质需要满足什么特点？

【学生】灯芯替代物需要具备疏松多孔、能输送液体的结构特点。提出猜想，灯芯替代物有：棉线、卫生纸、植物的根茎（可吸水，说明结构疏松多孔）、粉笔、棉签、拖把条等。

【教师】请同学们在课后完成探究任务，并在下一节课汇报并交流你们的猜想与结论。

4.4 再探温度对燃烧的影响

【演示实验】吹不灭的蜡烛。

【教师】请同学们结合燃烧模型分析为什么蜡烛吹不灭？

【学生】蜡烛是可燃物，空气中存在氧气，只有温度可以被改变，蜡烛中应该是添加了一种燃点很低的物质，每次吹灭蜡烛时，这种燃点很低的物质可以利用余温燃烧，重新引燃蜡烛。

【教师】其实烛芯不含特殊易燃物质，吹灭后石蜡蒸气遇余温重新汽化并燃烧，释放的热量使石蜡达到着火点，从而重新点燃蜡烛^［19］。

【教师】利用燃点低的物质使燃点高的物质燃烧是一个好方法，请同学们思考生活中有没有实际的应用？

【学生】火柴就是利用了这个原理，火柴头燃点低，火柴梗燃点高。

【教师】你已经具备了将知识应用于解决实际问题的能力！

4.5 拓展对燃烧的认识广度

【演示实验】魔术“火焰掌”。

【教师】在演示魔术“火焰掌”时，为什么演示者的手没有被灼伤？

【学生】因为水分在蒸发时带走了热量。

【教师】通过改变温度（升高或降低）可引燃或控制燃烧。\mathrm{A}\mathrm{l}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{3}}、\mathrm{M}\mathrm{g}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{2}}等金属氢氧化物是工业生产中常见的阻燃剂，受热分解时，产物水汽化吸热，降低可燃物表面温度，并隔绝氧气，抑制进一步燃烧^［20］。

【演示实验】如图6所示，点燃一高一低两根蜡烛后，用烧杯罩住两根蜡烛，为什么高的蜡烛先熄灭？请结合气体密度与流动分析原因。

【学生】蜡烛燃烧放出热量，使火焰周围气体温度上升，密度减小，向上运动，同时生成的二氧化碳也聚集在上部，导致高的蜡烛先熄灭。

【演示实验】播放“龙卷风实验”视频：利用一个长长的圆筒（无底板和顶板）罩住火焰，观察现象，如图7所示，分析原理。

【学生】在给火焰罩上圆筒后，火焰变高了，这个现象应该与高低蜡烛熄灭的原理类似，燃烧放出的热量使火焰向上蹿。

【教师】圆筒构造了一个竖向的流通空间，下方的火焰制造了温度差，形成的热压作用就会增强空气对流，此时热空气向上移动、冷空气向下移动，这种热压作用产生的通风效应又被称为烟囱效应，在建筑物和炉灶中尤为常见^［21］。

【教师】请同学们思考，烟囱效应可以解释生活中的哪些现象？

【学生】当高层建筑发生火灾时，火焰会扩散得十分迅速。

【教师】烟囱效应只有危害吗？我们如何辩证地看待它，并合理利用其原理优化通风与安全设计，造福人类生活？

【学生】吃铜锅涮肉的时候，锅上面也有类似烟囱的排烟装置。

【教师】在锅炉房，可以利用高烟囱排烟并通过负压引入空气，改善燃烧条件（图8-a）；建筑物的顶部设计排风口，能够做到自动换气（图8-b）；给铜锅出烟口加装细长烟囱，可以增强排烟效果，使底部吸入新鲜空气，炭火更旺（图8-c）；此外，科学家还研发出运用烟囱效应发电的技术（图8-d）。

总之，我们应该辩证地看待事物，合理地利用和调控自然规律与化学反应，推动可持续发展，造福人类。

5 教学效果与反思

从课堂效果看，上述实验极大地激发了学生的学习兴趣。“魔棒点灯”实验不仅调动了学生的学习热情，还帮助其回顾了燃烧的模型，揭示“热水灭火比冷水效果好”的原理；学生看过吹不灭的蜡烛、“火焰掌”等实验后更是惊叹不已，探究欲望大大增强。在探究蜡烛灯芯作用时，学生提出的各种替代物都是生活中常见的物质，通过类比，学生更好地理解了毛细作用也可增大反应物与氧气的接触面积。高低蜡烛实验为龙卷风实验搭建了知识的脚手架，能够帮助学生更好地理解烟囱效应，而学生通过探究也明白了调控反应在造福社会生活方面的重要性。

课堂教学结束后，学生对灯芯替代物的猜想进行了逐一检验，发现利用粉笔、多股棉线拧成的1股粗棉线、搓成细条的卫生纸、部分植物的根茎（灯芯草）、棉签、拖把条等材料都可以作为蜡烛灯芯。当然，这几种物质可以维系燃烧的时长并不相同，其中卫生纸、棉签的燃烧效果比较差，而拖把条、粉笔在燃烧过程中会产生黑烟，这有待于今后进一步探究。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022．

[2] 杨艳，赵映荷，夏晓琴.小蜡烛点燃科学梦，掌中火照亮科学路：也谈“燃烧与灭火”的教学设计［J］.化学教与学，2022（04）：94-97.

[3] 刘金娥.基于SOLO分类理论的“燃烧与灭火”教学［J］.中学化学教学参考，2021（08）：29-30.

[4] 杨小祥.灵动的课堂　激情的碰撞：“燃烧与灭火”的课堂实录及思考［J］.化学教育，2011，32（03）：19-23.

[5] 汪英.“燃烧的条件”实验课与新授课的整合教学［J］.化学教育，2015，36（07）：16-19.

[6] 林静.用创新实验点亮初中化学课堂：以“燃烧与灭火”为例［J］.中学化学教学参考，2022（06）：55-56.

[7] 朱如琴，高翔.指向学生辩证思维能力培养的课堂教学：以“探究燃烧与灭火”为例［J］.化学教育（中英文），2019，40（17）：44-49.

[8] 余亮.基于学科核心素养的初中化学教学设计：以“燃烧与灭火”为例［J］.化学教与学，2019（07）：35-37，29.

[9] 陈建，李秀霞.运用探究教学策略纠正认知偏差：九年级“燃烧与灭火”教学设计［J］.化学教学，2016（10）：32-35.

[10] 杨晓琳，卢天宇.实验导学促进化学概念的深度学习：以“燃烧与灭火”为例［J］.中学化学教学参考，2021（16）：72-73.

[11] 甘雯，胡晨怡，汪秋英.基于证据推理与模型认知的同课异构分析：以“燃烧与灭火”为例［J］.教育与装备研究，2022，38（05）：36-39.

[12] 叶婉，李婉冰，姜建文.发展学生“证据推理与模型认知”素养的教学实践：“以燃烧与灭火”为例［J］.化学教学，2021（03）：57-62.

[13] 马金星.创设合理教学情境　促进学生自主学习：以“燃烧和灭火”教学为例［J］.化学教学，2014（05）：29-31.

[14] 翟晓丽.让学生面对复杂的生活情境：“燃烧与灭火”生活化教学设计及反思［J］.化学教与学，2013（10）：67-69.

[15] 陈前龙，鄢斌，陈默.发展学生科学探究核心素养的课堂教学：燃烧与灭火［J］.化学教育（中英文），2023，44（17）：23-30.

[16] 司秀云，徐公美.“魔棒点灯”实验原理［J］.化学教育，2000（06）：33.

[17] 陈鲲，王永宏.热水和冷水灭火哪个效果好［J］.浙江消防，2002（02）：31.

[18] 《湖北应急管理》编辑部.如何扑灭一场山火？［J］.湖北应急管理，2022（10）：64-65.

[19] 赵映荷，杨艳，夏晓琴.基于核心素养的初中化学“三维共生”课堂教学：燃烧和灭火［J］.化学教育（中英文），2023，44（07）：56-64.

[20] 王林锋，谢继凯，郭家杏，等.氢氧化镁/氢氧化铝复配阻燃剂对可陶瓷化硅橡胶阻燃抗震性能的影响［J］.中国塑料，2023，37（10）：125-130.

[21] 张忠扩，姚志飞.烟囱效应在建筑节能中的应用［J］.建筑节能，2010，28（10）：18-19，38.

基金资助

深圳市盐田区教育科学规划2025年度重大资助课题“基于真实情境的中学化学跨学科主题课程设计与开发研究”(YTZDA-2026003)