浅议科学探究宽度及深度

1、浅议科学探究宽度及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创新性，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研究的重要问题，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

2、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：提出问题、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 深度是一个值得研究的重要问题，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 问题、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

3、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 烛燃烧的探究从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研究的探究 活动，获得数据处理等探究能力，还要让学生从图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

4、壁向杯中倾倒二氧化碳（见图2）o 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。提出问题为什么实验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)从“胃必治”药品包装板上剪下1排含5个泡状容器的

5、 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从上到 下依次变浑浊。解释与说明蜡烛在开放体系中和封闭体系中的燃烧 情况是不同的，在开放体系中当点燃蜡烛时，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。由于对流的原因，使得蜡烛能持续燃烧并使火焰 的形状呈现“水滴”状。当从外部注人比空气密度大的常温

6、 二氧化碳时，先在底部聚集，使矮蜡烛火焰先熄灭。而在封 闭体系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，由于封闭体 系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体系不同则燃烧过程也不同，着重揭 示了实验条件控制的重要性，体会科学探究的各种方法和过 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

7、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lmol/l氢氧化钠 溶液，取一支25mmx250 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。待液面不再升髙后，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

8、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 。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原因。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