研究背景
物质燃烧实验是理解燃烧本质、掌握燃烧条件的关键内容。人教版九年级上册《化学》第七单元中“燃料的燃烧”课题中，用红磷和白磷作对比实验探究燃烧条件，虽能直观展示燃烧现象，但存在显著缺陷。①白磷着火点为40℃，极易自燃，操作过程中存在较高安全风险；②白磷燃烧会产生有毒的五氧化二磷，对环境造成污染；③白磷与红磷放在同一块薄铜片上，距离较近，白磷燃烧可能会引起红磷燃烧，导致实验失败，影响教学效果。随着教育理念向绿色化学、安全实验，以及科学探究能力培养的转变，传统物质燃烧实验的改进成为化学教育研究的重要课题。
研究意义
从教学实践角度看，改进物质燃烧实验装置有助于解决传统实验的安全隐患；从学生培养角度看，新型装置通过引入传感器技术与定量分析，能够引导学生深入理解燃烧过程中的化学变化，培养其数据处理能力与科学探究能力，有助于学生化学学科核心素养的发展。同时，该研究探索了信息技术与化学实验教学的融合路径，可为中学化学实验教学改革提供实践参考。
研究内容与方法
本研究聚焦物质燃烧实验装置的优化设计，通过文献研究梳理现有实验改进方案的优缺点，结合化学实验原理与传感器技术，设计新型实验装置。采用实验研究法，对装置的功能性、安全性及教学效果进行验证，同时运用对比分析法，将改进装置实验结果与传统实验结果进行对比，评估其教学价值。
研究过程
发现问题
为了解“燃料的燃烧”课题“探究燃烧条件”实验的教学实施情况，对邻水县县城内5所中学的初中化学教师进行了问卷调查。结果显示，参与调查的38名教师在该实验的常规教学中，绝大多数情况下通过播放实验视频完成教学，仅在上公开课时偶尔会采用红磷、白磷进行演示实验，但均未安排学生动手操作。
查新与文献综述
在中国知网、国家知识产权局网站对2024年4月前物质燃烧实验改进装置的相关研究进行检索，查得相关文献7篇，已有研究者尝试通过套管装置、密封容器等方式优化实验环境、减少污染物排放，在实验安全性与可视化方面取得了一定进展，但在实验材料革新与定量分析技术应用上仍有提升空间。本研究提出的改进装置，通过采用绿色环保的可燃物替代白磷，引入氧气、二氧化碳传感器与可调控气体制取装置，实现对燃烧过程的实时监测与精准控制，弥补了传统实验在安全与定量分析方面的不足，为中学化学实验教学提供了新的解决方案。
改进装置介绍
物质燃烧实验改进装置由气体制取装置、密闭亚克力箱、坩埚等构件组成（见图1、图2）。

图1 物质燃烧实验改进装置示意图

图2 物质燃烧实验改进装置实物图

气体制取装置
气体制取装置安全、可调控，用全塑料制品制成，可避免装置因倾倒破碎；装置用粘连式底座连接，较稳固；用双“漏斗”设计，即使发生倾倒，容器中的酸液也不会飞溅伤人；若反应速度过快或导气管排气不畅，产生的气体会将酸液压回上面的漏斗，固体药品和酸液脱离，反应停止，防止因气体膨胀装置炸裂的情况发生；导气管上的调节器，能控制气体是否产生或产生气体的多少。
密闭亚克力箱
密闭亚克力箱用长、宽各20 cm，高30 cm的透明亚克力板密封做成，便于观察可燃物燃烧。在亚克力箱顶端开2个孔，安装氧气和二氧化碳传感器；在亚克力箱一侧开设3个功能孔，进气孔供应氧气，燃料孔用于添加燃料，活塞孔用于安装活塞。
坩埚
坩埚安装在亚克力箱底部中央，下部放置石棉网，起到隔热作用，避免可燃物燃烧温度过高，损坏亚克力箱。
氧气传感器
测量1个标准大气压下，氧气的体积百分数。
二氧化碳传感器
测量亚克力箱中二氧化碳气体的百万分之体积浓度。
活塞
通过自动移动位置，平衡燃烧过程中亚克力箱内与外界的气压差，便于传感器装确读取亚克力箱中气体体积的变化（图3）。

图3 燃烧中氧气和二氧化碳变化情况

遥控点火装置
安装在亚克力箱内部，实现遥控点燃箱体内的可燃物功能，避免打开箱体，改变箱体内氧气、二氧化碳浓度，影响实验效果。
电脑
显示传感器采集氧气和二氧化碳浓度的变化情况，能形象直观观察燃烧引发的浓度变化过程。
物质燃烧实验改进装置将白磷换成绿色环保的可燃物（棉花、固态酒精、蜡烛等），可解决白磷着火点较低，因温度控制不当意外燃烧的现象。该实验装置将化学学科与信息技术学科相融合，用传感器收集实验数据，实时监测实验过程中氧气和二氧化碳含量的变化情况，体现了学科融合特点，可以引导学生探究可燃物燃烧的最低氧含量，激发学生的探索精神，鼓励学生对实验结果进行质疑和讨论，激发他们的批判性思维和创新精神。
研究结果
帮助学生形象直观观察燃烧过程，理解燃烧现象，明白可燃物燃烧需要一定条件
用遥控点火装置点燃密闭亚克力箱坩埚内的棉花，氧气传感器和二氧化碳传感器实时采集数据，通过电脑投屏，可以观察到燃烧过程中氧气含量减少，二氧化碳含量增加。在密闭容器内棉花上的火星尚未完全熄灭时，通过调节器向其中通入氧气，可观察到棉花迅速恢复燃烧。关闭调节器，棉花又逐渐熄灭（图4）。引导学生分析得出，物质要燃烧，需要与氧气（空气）充分接触。

图4 带火星的棉花在注入氧气时重新燃烧

引导学生探究不同可燃物燃烧所需的最低氧含量
将等量的棉花、固态酒精、蜡烛等可燃物分别放入密闭亚克力箱的坩埚内，用遥控点火装置点燃可燃物，氧气传感器实时记录耗氧情况，当可燃物熄灭后，整理分析氧气传感器记录的实验数据，得出不同物质燃烧所需的最低氧含量。通过3次实验数据取平均值（表1），得出3种物质燃烧所需的最低氧含量。
由表1可知，棉花燃烧所需的最低氧含量约为18.7%，固态酒精约为5.0%，蜡烛约为13.2%。实验结果表明，不同可燃物由于化学成分与结构差异，其燃烧所需的最低氧含量存在显著差异。

    
创新点
本研究设计的物质燃烧实验改进装置成功解决了传统实验的安全隐患与定量分析不足问题。通过采用绿色环保可燃物，集成传感器技术与可调控气体制取装置，实现了对燃烧过程的实时监测与精准控制，有效引导学生从定性观察转向定量分析。该装置能够准确测定不同可燃物的最低氧含量，为理解燃烧条件提供了科学依据。

该项目获得第38届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果竞赛二等奖■

来源: 中国青少年科技教育工作者协会