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文档简介

《初中八年级化学:质量守恒定律单元整体教学设计》

一、教学背景分析

(一)课标要求与教材分析

依据《义务教育化学课程标准(2022年版)》中“物质的变化与化学反应”主题及“科学探究与化学实验”学习领域的相关要求,质量守恒定律被定位为化学核心观念与定量研究的起点。课标明确要求学生“通过实验探究认识化学反应中的质量关系,理解质量守恒定律,并能用微粒的观点对质量守恒定律作出解释”。人教版五四学制八年级化学全一册将本内容编排于第五单元课题一,承担着从定性描述化学变化转向定量分析化学变化的枢纽功能。本单元前接第三单元“分子和原子”所建立的微粒观,后启第五单元课题二“如何正确书写化学方程式”及课题三“利用化学方程式的简单计算”,是化学学科语言系统与计算系统的基石。教材内容以“拉瓦锡实验—典型验证实验—微观示意图—简单应用”为逻辑链,隐含科学实证思想,为开展项目式学习提供了天然载体。【基础】【高频考点】

(二)学情分析

八年级学生平均年龄14周岁,正处于皮亚杰认知理论所述“形式运算”发展阶段,虽具备一定抽象思维能力,但仍需具体形象支撑。通过前四个单元的学习,学生已掌握物理变化与化学变化的判别、分子原子的初步概念、常见仪器的基本操作,对托盘天平的使用较为熟练。但真实的学情前测显示存在以下四类典型迷思概念:其一,约58%的学生认为蜡烛燃烧后质量减轻是因为“物质烧掉了”,未意识到气态生成物逸散;其二,约46%的学生认为镁条燃烧后质量增加“违背了物质不灭”,未能建立“增加部分来自空气中氧气”的关联;其三,约32%的学生将物理变化中的质量不变与质量守恒定律混淆;其四,约27%的学生对“参加反应的物质”理解存在偏差,误将剩余反应物计入总和。这些前概念既是教学障碍亦是认知冲突的引爆点。【难点】学生乐于动手、善于合作,对生活化实验有天然亲近感,但定量实验的规范意识与误差分析能力尚属短板,需在过程中进行精细化支架设计。

(三)跨学科联系

本单元天然承载跨学科融合使命。物理学方面:质量作为物体惯性量度,在化学变化中保持总量不变,可引入天平发展史(从等臂杠杆到电子传感器)强化测量原理;科学史方面:拉瓦锡实验体现控制变量、系统误差等物理思想,其推翻燃素说的过程是极佳的科学本质教育素材;数学方面:等量公理与简单代数运算是定量计算的核心工具,从质量守恒到方程式的变形蕴含模型思想;工程与技术方面:航天器推进剂贮箱设计需精确计算燃料与氧化剂质量比,与本课简易火箭项目形成跨情境迁移;此外,中国古籍《周易参同契》中关于“金入于猛火,色不夺光”的记载,东汉葛洪《抱朴子》中对炼丹过程质量的朴素观察,均可作为文化自信的渗透点。【重要】

二、教学目标与核心素养

(一)教学目标

1.通过探究拉瓦锡经典实验及分组验证实验,能准确陈述质量守恒定律的文字表述,识别定律的适用范围(一切化学变化),并基于实验事实反驳“质量增减”错误观念。【基础】

2.通过对三个典型反应(有沉淀、有气体、无明显现象)的对比实验设计,初步形成控制变量的意识,能根据反应特征选择密闭或开放体系并说明理由,发展实验方案评价能力。【重要】

3.借助磁力原子模型与数字化微观动画,建立“化学反应中原子种类、数目、质量均不变”的微观模型,能用该模型解释宏观质量守恒的本质,实现宏微结合。【核心素养】

4.运用质量守恒定律解释生活情境(铁钉生锈增重、蜡烛燃烧变短、煤灰减少)中的质量表现,完成关于未知物质量的简单推算,体会守恒思想在自然科学中的普适性。【重要】

5.参与简易火箭跨学科项目,在工程任务中整合化学反应与反冲运动,形成团队协作与技术表达能力,感悟化学对社会发展的贡献。【非常重要】

(二)核心素养指向

宏观辨识与微观探析:从反应前后总质量不变这一宏观不变特征,推演出微观粒子在化学反应中的三个不变;能针对具体反应(如碳酸钙与盐酸)画出反应前后原子分布草图。变化观念与平衡思想:理解化学反应不是物质的消失或创生,而是原子在空间排列方式的重组,总质量维持恒定,初步建立动态平衡观。证据推理与模型认知:基于多组实验数据归纳出守恒规律,运用原子拼图模拟化学变化,将抽象反应转化为具体操作,体会模型在科学解释中的工具价值。科学探究与创新意识:针对镁条燃烧质量减轻的反常数据提出密闭燃烧、烟尘收集等改进方案,并设计“硝酸银与氯化钠”陌生反应验证方案。科学精神与社会责任:客观记录实验数据,不篡改、不修饰,了解中国当代科学家在精密测量领域(如张存浩院士)的贡献,增强民族自豪感。【非常重要】

三、教学重难点及突破策略

重点:质量守恒定律的内涵表述及实验验证方法。【高频考点】突破策略:采用“一主两翼”实验群组——主实验为铁与硫酸铜(体系密闭、现象清晰、无气体参与),两翼分别为碳酸钠与盐酸(有气体,强调气密性)及镁条燃烧(有烟尘,强调收集)。三大实验并列实施,数据共享,使学生在对比中自发聚焦“体系边界”这一关键变量。

难点一:从微观角度解释化学反应中的质量守恒。【难点】【热点】突破策略:双轨并进。第一轨是数字化微观动画(水电解、氢气燃烧),以慢镜头定格原子拆装过程;第二轨是全员磁力原子模型操作,将认知冲突转化为指尖动作,实现“做中悟”。

难点二:开放体系中质量变化的反常归因。【难点】突破策略:设计对照实验——碳酸钠与盐酸分别在敞口锥形瓶和带胶塞锥形瓶中进行,实时称量并绘制质量—时间曲线,直观揭示气体逸散是质量减小的唯一原因,破除“反应本身导致质量变轻”的错误观念。

四、教学方法与准备

教法:四阶循环探究教学法——猜想引路、实验寻证、微观释理、迁移创新;思维显性化策略——通过“实验设计卡”“模型操作单”“概念构图”将内隐思维外显。学法:小组合作(异质分组,4人/组,设实验员、记录员、汇报员、材料员)、科学论证(主张—证据—反驳)、模型建构。准备:

1.分组实验器材(24组量):托盘天平(感量0.1g)24台、锥形瓶(100mL)48个、单孔胶塞(配短导管及气球)24套、小试管(用于盛放盐酸)24支、硫酸铜溶液(5%)2000mL、铁钉(洁净)100枚、碳酸钠粉末500g、稀盐酸(1:4)1000mL、镁条(每根3cm)50根、坩埚钳24把、石棉网24张、酒精灯24盏、火柴24盒、称量纸若干、镊子24把。

2.数字化实验系统:电子天平(连接一体机)1套、氧气浓度传感器1套(拓展演示)、DIS质量采集软件。

3.微观模拟教具:大型磁力原子贴片(红氧、白氢、黑碳、蓝铜)4套(用于黑板演示),小组磁力原子拼图(每盒含氧原子20枚、氢原子30枚、铁原子10枚、铜原子10枚)24盒。

4.助学材料:学案(含实验记录表、问题链、自我评价雷达图)、拉瓦锡论文节选(翻译版)、小组概念图用纸(A3)24张、彩色马克笔24套。

五、教学实施过程

(一)第一课时:质量守恒定律的发现与实证

1.创设冲突,唤醒经验

教师手持托盘,左盘放置一截烧焦的木炭,右盘放置等体积的原木块,提问:“一根木柴充分燃烧后,留下的灰烬质量远小于木柴,那部分质量消失了吗?”学生立刻调动生活经验:“变成了烟和二氧化碳,飘到空气里了。”教师继续追问:“既然气体也是物质,为什么我们在称量时没有把它们算进去?”此问指向“体系边界”概念,学生陷入沉默。教师顺势展示镁条燃烧前后质量对比图:3cm镁条燃烧后称得白色粉末约1.65g,镁条原质量约0.6g。学生惊叹:“竟然变重了!”此时教师将学生初始观点记录于黑板左侧,分为“减少派”“增加派”“不变派”,请持不同观点的学生各一名简述理由。减少派认为蜡烛燃烧就是例证;增加派认为镁条吸收了空气;不变派猜测“可能像水结冰一样质量不变”。教师不予评判,引入拉瓦锡:三百年前,一位法国科学家也用类似的困惑开启了现代化学的大门。播放1分钟微视频,呈现拉瓦锡在密闭容器中加热锡和铅,反复称量发现总质量始终不变,最终提出质量守恒猜想。【基础】

2.任务驱动,孵化方案

教师发布核心任务:“我们能否像拉瓦锡一样,设计实验来验证化学反应前后总质量是否相等?每个小组需要在8分钟内,从提供的三种反应中选择一种,画出装置简图并说出称量步骤。”学案提供三种反应线索——线索A:铁钉+硫酸铜溶液→红色固体+浅绿色溶液(无气体);线索B:碳酸钠粉末+稀盐酸→大量气泡(有气体);线索C:镁条+氧气→白色固体(有烟尘)。小组迅速进入讨论状态。教师巡视,捕捉典型方案。第一组(选线索B)画出敞口锥形瓶,标注“先称总质量,倒盐酸,再称”。教师轻声反问:“如果反应产生二氧化碳气体,称量时气体还在瓶子里吗?”学生愣住,立刻修改装置,在瓶口加一个带导管的胶塞,导管末端套气球。教师竖拇指肯定,并将“密闭体系”四字板书。第二组(选线索C)提出将镁条放在石棉网上点燃,立即盖上大烧杯。教师肯定其收集烟尘的意识,追问:“烧杯能不能完全密封?”学生答不能,教师引导“燃烧消耗氧气,完全密封会熄灭,所以这个实验很难做到绝对密闭,我们需要在后续分析数据时特别留意。”【重要】各组陆续完成设计,黑板汇总三类反应的典型方案,重点强调铁与硫酸铜实验无需密封(无气体出入),碳酸钠与盐酸必须密封,镁条燃烧尽量收集产物。

3.动手实证,采集数据

实验室充满仪器碰撞声与轻声讨论。各小组按既定方案操作,教师通过便携摄像设备将部分小组的称量画面投屏。铁与硫酸铜组:将铁钉用细线悬挂于锥形瓶内液面上方,塞紧瓶塞,称量总质量;倾斜使铁钉浸入溶液,待蓝色变浅后再次称量,指针纹丝不动,学生发出惊叹。碳酸钠与盐酸组:将碳酸钠装入气球,套在盛有稀盐酸的锥形瓶口,称量;提起气球使粉末落入酸中,气球迅速膨胀,总质量显示不变,学生欢呼。镁条燃烧组:用坩埚钳夹持镁条在石棉网上方点燃,剧烈燃烧,白烟弥漫,部分烟尘飘落石棉网外,迅速冷却后称量,质量显示减小,学生面露困惑。教师巡视中重点关注天平使用细节:一名学生用手拿砝码,教师递上镊子;一名学生称量时锥形瓶放在天平边缘,教师提醒“称量物应置于托盘中央”。所有数据实时录入班级共享表格,包含反应类型、初始质量、终止质量、质量差值。【高频考点】

4.数据会诊,规律自现

全课第25分钟,教师调出12组数据投影。铁与硫酸铜4组:差值均为0.00g;碳酸钠与盐酸(密封+气球)4组:差值-0.01~0.03g(可视为误差);碳酸钠与盐酸(敞口,1组对照):差值-0.67g;镁条燃烧3组:差值-0.11g、-0.08g、-0.15g。教师设问:“所有化学反应总质量都相等吗?哪些组支持相等,哪些组反对?”学生指出敞口组和镁条组反对。教师:“既然敞口组质量减小是因为气体跑掉,镁条组质量减小可能是什么原因?”学生脱口而出:“白烟跑了!”教师顺势引导:“如果把跑掉的二氧化碳、白烟都收集回来,质量还会不会减小?”学生异口同声:“不会!”至此,全班达成共识:无数实验证明,参加反应的各物质质量总和等于生成物质量总和——这就是质量守恒定律。教师加粗板书定律全文,并重锤敲击“参加反应的”五字。【非常重要】

5.误差归因,深度质疑

教师并不满足于定律获得,而是将镁条燃烧的反常数据作为思维训练场。提问:“镁条在空气中燃烧,除了与氧气反应,还可能和什么反应?”学生结合生活常识:“氮气?二氧化碳?”教师展示资料:镁确实能与氮气反应生成氮化镁(Mg₃N₂),与二氧化碳反应生成氧化镁和碳。学生顿悟:“原来镁条消耗了多种气体,但生成的烟尘大部分没收集到!”教师演示改进实验:将镁条置于充满氧气的集气瓶中,瓶口罩一个倒置漏斗,漏斗管连接吸滤瓶,打开抽气泵,使烟尘被吸入滤纸。称量滤纸增重,并与镁条质量、氧化镁理论值比对,误差大大缩小。学生不仅理解了镁条实验的复杂性,更体悟到科学定律是在技术手段不断改进中逼近真理的,没有绝对的“完美验证”。【难点】【热点】

(二)第二课时:微观世界的守恒密码

1.动画解构,锁定本源

课堂伊始,教师播放水电解三维动画:2个水分子破裂成4个氢原子和2个氧原子,原子重新组合成1个氧分子和2个氢分子。教师按下暂停键,抛出挑战:“请在30秒内完成两个数数任务——反应前氢原子几个?氧原子几个?反应后呢?”学生迅速报出4个氢、2个氧,前后一致。教师追问:“一个氢原子质量约为1.67×10⁻²⁷kg,一个氧原子质量约为2.66×10⁻²⁶kg,反应前后原子种类、数目都没变,原子本身质量也没变,那么所有原子的总质量变了吗?”学生齐答:“没变!”教师归纳:化学反应只是原子重新组合,原子本身不变,所以宏观总质量守恒。这就是质量守恒定律的微观本质。【基础】

2.指尖建模,内化本质

每组分发磁力原子拼图,内含红色氧原子、白色氢原子、黑色碳原子若干。任务一:用4个白球和2个红球拼出2个水分子;任务二:拆开这些水分子,用拆出的原子重新拼出1个氧分子和2个氢分子。学生迅速操作,成功率高。教师巡堂中发现两组学生将拆下的白球直接吸附成氢分子,但遗落了两个白球,导致原子总数变少。教师请该组展示“作品”,其余学生立刻发现:“氢原子少了两个!”该组学生自纠:“哦,原子不能少,应该全部用上。”教师顺势强化:“原子在化学反应中不会凭空消失,也不会凭空产生——这是质量守恒的铁律。”【重要】随后提升难度:用1个碳原子和2个氧原子拼出二氧化碳,再用这些原子拼出一氧化碳和氧原子,部分学生感到困难,组内互助完成。教师将各组拼图拍照投屏,对比展示不同重组路径,归纳:无论路径如何,原子库存清单(种类、数目)不变。

3.符号桥梁,三重表征

教师将氢气燃烧的磁力模型定格,并在旁边板书文字表达式:氢气+氧气→水。提问:“这个式子只告诉我们什么物质反应、什么物质生成,有没有表达出原子是怎么重组的?”学生摇头。教师引入化学方程式的雏形,在氢气、氧气、水下方分别标注H₂、O₂、H₂O,并用数字表明原子个数:2H₂+O₂→2H₂O。学生观察发现:式子左右两边氢原子都是4个,氧原子都是2个。教师点明:“这个等式天然遵守质量守恒,因为它是原子重组结果的真实记录。我们将要在下个单元系统学习如何写出这样的式子。”至此,学生经历了宏观现象(实验)、微观模型(原子拼图)、符号表达(方程式雏形)三重认知转换,为后续化学用语学习奠定认知基础。【基础】

4.变式辨析,外延精准

教师展示一组快速判断题,学生起立举牌(对/错)。题1:酒精挥发后质量不变,遵守质量守恒定律。(错,物理变化不适用定律)题2:铁生锈质量增加,不遵守质量守恒定律。(错,遵守,因为增加了氧元素)题3:2g氢气和8g氧气恰好完全反应,生成10g水。(对)题4:2g氢气和10g氧气点燃,生成12g水。(错,氧气过量,生成水仍为9g,剩余1g氧气未反应)对于题4,约30%学生判断为对,暴露出“参加反应”概念的模糊。教师不急纠正,而是请判断正确的学生讲解,关键句:“题目说2g氢气和10g氧气,但氢气只能消耗8g氧气,另外2g氧气没反应,不能算进去。”教师借机将定律关键词“参加反应”板书加红圈,并呈现过量反应物的计算模板:先判断哪种反应物完全消耗,再按完全消耗者求生成物质量。【高频考点】【难点】

(三)第三课时:质量守恒定律的迁移应用

1.情境解谜,生活化学

教师呈现三则真实情境,学生以小组为单位认领一题,3分钟后轮换讲解。情境一(生锈):操场边的铁栅栏,几个月后表面出现红褐色铁锈,称量生锈部分比原来铁的质量大。学生解释:铁与氧气、水发生化学反应,生成铁锈(主要成分Fe₂O₃·xH₂O),增加了氧元素和氢元素的质量,体系虽开放,但整个地球系统中质量仍然守恒。情境二(燃烛):生日蜡烛燃烧后变短,质量减少约90%。学生解答:蜡烛主要成分石蜡与氧气反应生成二氧化碳和水蒸气,逸散到空气中,未被称量;若将蜡烛和燃烧所需氧气一起密封在容器中称量,总质量不变。教师追问:“那为什么灭火时用水?水的作用是降温,水的质量有没有参与守恒?”学生顿悟,水未参加化学反应,只是物理降温,不违背定律。情境三(煤灰):火电厂将煤磨成粉吹入炉膛燃烧,排出大量烟气和煤灰,煤灰质量仅为煤的10%~20%,损失的质量去哪了?学生轻松答出:变成二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等废气从烟囱排出。教师展示我国燃煤电厂烟气脱硫、碳捕集技术,指出“收集废气中的二氧化碳可制成干冰或用于驱油”,将质量守恒与资源循环、碳中和热点结合,赋予定律时代使命。【热点】

2.定量推演,思维进阶

本环节聚焦质量守恒在计算中的工具价值。例题:在A+B=C+D反应中,4gA与6gB恰好完全反应,生成5gC,则生成D的质量是多少?学生口算:4+6-5=5g。变式1:6gA与8gB反应,生成7gC和若干克D,已知A与B反应的质量比为2:3,求生成D的质量。学生需先判断谁过量:按A完全反应需消耗B9g,但B只有8g,故B不足、A过量。应以B为标准计算:设生成D质量为x,由质量比关系,消耗A为(2/3)×8≈5.33g,根据质量守恒5.33+8=7+x,x≈6.33g。教师强调:这种题型是化学方程式计算的基本模型,核心就是抓住“参加反应”的纯净物质量。变式2:将12.5g石灰石(主要成分CaCO₃)放入100g稀盐酸中,恰好完全反应,反应后烧杯内物质总质量为108.1g,求生成CO₂的质量。学生根据质量差直接得出:12.5+100-108.1=4.4g。教师指出:差量法本质也是质量守恒——反应前总质量减去反应后称得总质量,就是逸散气体质量。【重要】

3.跨学科创客:动力火箭

本环节整合项目学习要素,在课内40分钟完成“构思—制作—测试—归因”微型循环。任务:利用小苏打(碳酸氢钠)和白醋(醋酸)反应产生二氧化碳气体,作为纸火箭动力。材料:A4卡纸、透明胶带、塑料滴管、小苏打2g、白醋10mL、发射架(可用试管夹及铁架台改造)。步骤:1.制作箭体——将卡纸卷成筒状,一端封口,另一端插入滴管并密封;2.加注燃料——从滴管口先加入小苏打,再吸入白醋,迅速将火箭倒置固定在发射架上,滴管口朝下;3.测量并记录——改变小苏打质量(0.5g、1.0g、1.5g、2.0g),测量火箭水平飞行距离,绘制“燃料质量-射程”散点图。学生热情高涨。教师巡回引导:“为什么小苏打越多,射程不一定越远?”学生反思:醋酸量固定,小苏打过量不能完全反应,产生的CO₂量不变,反增加箭体质量。教师追问:“如果想让火箭飞得更远,应该优化燃料配比还是改进箭体设计?”学生小组讨论后提出:先通过质量守恒算出恰好完全反应的质量比,再按此比例投料。教师充分肯定,并演示醋酸与小苏打反应的微观示意图,标注离子反应实质。本活动将静态定律转化为动态工程问题,融合化学计量、反冲运动、优化思想,学生不仅巩固了守恒观,更体验到化学知识在真实世界中的创造性应用。【非常重要】

(四)第四课时:单元整理与评价

1.概念构图,系统建模

课前,学生已分头整理本单元关键词。课上,每组在A3纸上制作概念图,中心为“质量守恒定律”,一级分支为“发现历程”“实验验证”“微观解释”“应用领域”,二级分支进一步细化,如“微观解释”下分“原子种类不变”“原子数目不变”“原子质量不变”。教师提供若干连接词卡片(如“导致”“证明”“例外”等),鼓励小组建立跨分支联系。10分钟后,各组将概念图张贴于黑板四周,进行“画廊漫步”:每组留一人驻守讲解,其余成员游走观摩,用便利贴在他人作品上写下疑问或建议。全班评选“最严谨逻辑奖”“最具创意奖”。概念图不仅是复习工具,更是思维结构化的外显证据,教师可从图中发现个别学生将“原子数不变”误记为“分子数不变”,及时进行个别化纠正。【重要】

2.分层训练,精准提升

学案设置三阶题库。A阶(基础)——面向全体:判断对错,①10g水结成10g冰,遵守质量守恒;②镁条燃烧后质量增加,不遵守质量守恒;③加热高锰酸钾,反应后固体质量减小,遵守质量守恒。学生需逐条辨析并写出错误原因。B阶(应用)——面向多数:加热31.6g高锰酸钾,一段时间后停止加热,剩余固体质量为30.0g,求生成氧气的质量。C阶(拓展)——面向学有余力者:某混合气体含CO、O₂、CO₂,点燃爆炸后恢复原温,气体体积减少,如何用质量守恒解释?学生可根据微观模型推测:CO与O₂反应生成CO₂,气体分子总数减少,但反应前后原子总数守恒,总质量守恒。教师巡视,对C阶题进行个别点拨,鼓励学生画微观粒子图辅助分析。【基础】【高频考点】

3.素养评价:设计陌生反应

本环节采用表现性评价。每个小组抽取一个信封,内含一个陌生化学反应(如硝酸银溶液与氯化钠溶液、过氧化氢溶液与二氧化锰、氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液),任务:①设计实验方案验证该反应是否遵守质量守恒定律;②预判可能产生误差的环节及改进方法;③用原子模型解释守恒原因。限时12分钟,完成后每组进行2分钟口头汇报。评价量规包含四个维度:方案可行性(30%)、误差预见性(30%)、微观解释力(30%)、团队合作度(10%)。教师根据量规当场反馈,并记录入学生成长档案。多数小组表现出色,例如抽取硝酸银与氯化钠的小组设计了带胶塞锥形瓶,称量反应前后沉淀与溶液总质量,并预测“若沉淀沾在瓶壁未全部浸入溶液,会导致质量偏小”;抽取过氧化氢的小组则主动提出“二氧化锰是催化剂,反应前后质量不变,但应将其一并称量”。这些细节反映出学生已将守恒验证的核心逻辑内化于心。【热点】

六、板书与笔记系统

采用“过程生成式”板书。黑板左侧纵向排列三列:第一列书写“质量守恒定律”全文,其中“参加反应”用红色粉笔波浪线强调;第二列绘制三个典型实验装置简图(铁与硫酸铜、碳酸钠与盐酸密闭瓶、镁条燃烧漏斗集烟),并在图旁标注质量差值;第三列用原子磁贴拼出水电解前后的原子分布,并加注箭头“种类、数目、质量不变”。黑板右侧为动态生成区,记录各小组提出的关键疑问(如“铁生锈增加部分来自哪里?”“火箭燃料如何恰好反应?”)及解答要点。底部留白,用于课堂结尾学生用一句话总结本课收获,如“原子就像积木,搭成不同样子但块数不变”。笔记系统要求学生使用康奈尔笔记法,将板书内容缩略记录于右侧主栏,左侧栏提炼关键词,底部栏课后撰写反思或衍生问题。

七、作业与评价体系

(一)长周期实践作业

以“家庭实验室·守恒一刻”为主题,学生任选家中可进行的化学反应(如铁钉浸入食醋、小苏打加入柠檬酸饮料、蜡烛燃烧等),录制1分钟短视频,包含

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