【教学案例】自制安全矿灯

1.项目主题内容分析

本课选自人教版(2012年版)九年级上册第7单元“燃烧与灭火”第2课时，属于一节新授课，教材中涵盖的主要内容包括：爆炸的概念，可燃性气体的爆炸极限，防爆安全知识 南宫体育，《义务教育化学课程标准(2022年版)》对该部分内容提出如下学业要求：“能运用变量控制思想设计燃烧条件等实验探究方案，能利用化学反应及绿色环保理念设计实验方案”，基于课标分析，该部分教学内容有3方面的价值：(1)承接燃烧条件与灭火的方案设计，在探究爆炸的条件过程中，强化学生变量控制的思想，增强科学探究与实践能力，(2)通过对爆炸极限的探究，发展科学思维，进一步拓展对燃烧的认识深度，(3)通过了解爆炸造成的危害与损失，体会化学知识在防爆防燃中的重大作用，培养科学态度与社会责任。

针对该课题的教学，以“爆炸”“爆炸极限”“燃烧和灭火”为关键词进行文献查阅，发现已有的文章中，多以“燃烧和灭火”为主的教学设计，较少有以“爆炸”为主要内容的教学设计，多偏向于对粉尘爆炸装置，测定氢气爆炸极限装置的实验改进，为了充分发挥“爆炸”在化学教学中的学科价值与育人价值，笔者开发设计了“自制安全矿灯(戴维灯)”的跨学科项目教学，以科学家戴维研制矿井中防爆的安全灯为背景，融合历史，物理等课程相关内容，带领学生重走科学家之路：首先剖析矿井爆炸原因 南宫体育，探究爆炸的条件与爆炸极限，然后将学科新知迁移至矿井防爆的问题解决中，在深化概念理解的同时，培养科学思维，创新意识等高阶思维。

2.项目教学目标

(1)通过探究爆炸条件，能利用控制变量的思想设计实验方案，通过分组实验 南宫体育，经历科学探究，认识爆炸的条件，增强实践能力。

(2)通过设计测定氢气爆炸极限的装置，能将所学的爆炸新知迁移应用，基于特定需求正确 南宫体育，合理地选择并创新设计实验装置，通过分组实验测定气体爆炸极限，夯实基本实验技能，形成思路方法，提升ng体育官网入口地址交流能力，培养创新精神。

(3)了解矿井爆炸事故的历史，能利用燃烧与爆炸的知识制作安全矿灯，检验安全灯防爆效果，深化对燃烧 南宫体育，爆炸的概念理解，并从装置的材质，尺寸，使用便捷性等因素综合考虑安全灯设计，增强跨学科解决问题的实践能力。

(4)通过制作防爆安全宣传海报，强化安全意识，学习科学家服务人民，敢为人先的创新精神与潜心研究的奉献精神，发展学科价值认同感与社会责任感 南宫体育。

4.项目实施过程及学生学习成果

4. 1剖析矿井爆炸原因——探究爆炸条件 南宫体育.

【教师】演示：使用打火机，提问：为什么打火机可以随时点火，(提示：火机中装有可燃的丁烷液体，按下按键可使容器内部压强减小) 南宫体育.

【学生】按下按键，容器内部压强减小，丁烷就从液态转化为气态逸散出来，当滚轮上粗糙的金属摩擦火石时 南宫体育，会产生火星点，提供热量，在富含氧气的空气中启动开关，满足了燃烧的3个条件，丁烷气体就会被点燃。

【教师】火不仅可以烹调食物，还给人们带来了光亮。

资料卡片：在LED灯还没有被发明的18世纪，英国的煤炭工业蓬勃发展，矿工使用火焰照明，但是当矿工将火焰照明灯带入矿井后，随着内部瓦斯气体浓度越来越高，爆炸就会发生。许多矿工因此被夺取生命，1815年4月，戴维应“煤矿灾害事故预防协会”的委托，开始与助手研制安全灯。戴维首先实验了各种矿井气体的爆炸原因……

提问：矿井中气体爆炸发生的条件是什么?

【学生】讨论并提出猜想：可燃性气体、点火源、空气(氧气)、有限空间……

【教师】类比探究燃烧条件的思路，如何验证爆炸的条件?

【学生】设计实验(表2)。在控制变量的情况下进行对照。

【教师】图1为一个简易版探究气体爆炸条件装置：请同学们讨论交流，如何利用该装置(点火枪、30g彩虹糖的塑料壳、打火机)探究气体爆炸的条件，设计并进行实验验证，分析矿井爆炸的原因。

【学生】该装置下端是点火枪，提供火源；上端是彩虹糖的塑料壳，提供有限空间；在塑料壳内轻按打火机按键，提供可燃性气体丁烷。分组实验，实验方案与现象见表3。根据现象得出结论：爆炸需要同时满足可燃物(瓦斯)、有限空间(矿井)、点火源(矿灯火焰)、助燃的氧气(空气)。

【学生】可燃物如果在有限的空间内急剧地燃烧，就会在短时间内聚积大量的热，使气体的体积迅速膨胀而引起爆炸。例如，燃放鞭炮就是使火药在极小的空间燃烧而引起爆炸。

4.2 深度认识爆炸—探究氢气的爆炸极限

【教师】满足上述4个条件，可燃性气体一定会爆炸吗?演示实验：向装置内充入丁烷(10s以上)，点火，未爆炸，再用注射器向装置内注入20mL空气，点火，爆炸。该现象说明什么?

【学生】猜想：丁烷爆炸需要满足一定的浓度，氧气(空气)含量太高或太低都不行。

【教师】可燃性气体能发生爆炸的含量范围，叫做爆炸极限。我们以氢气为例，探究可燃性气体的爆炸极限。首先请思考如何收集不同浓度的氢气?

【学生】可以利用排水法，以收集50%的氢气为例，先向试管中加入半试管水，另一半气体则为空气，再用该试管排水收集氢气，所得空气和氢气的体积比恰好为1:1。

【教师】氢气为可燃性气体，实验过程中，大量氢气外露，遇火会爆炸，为了规避风险，我们选择什么发生装置?请同学们绘制并分析实验操作时的注意事项。

【学生】展示并点评：学生研制的几种反应可控的气体发生装置(见图2)。

【教师】哪种装置最安全可控?实验时有什么注意事项?

【学生】图2中装置(c)需要通过挤压瓶子使固液接触，反应才开始，这样的设计最安全，可以避免一些同学因忘记停止反应，造成氢气外泄；实验过程中要佩戴护目镜，倾倒硫酸时佩戴手套。

【教师】请同学们阅读安全提示，进行分组实验，探究氢气的爆炸极限。

【安全提示】选用图2(c)的发生装置与15mm×100mm的小试管收集装置；实验全程佩戴护目镜与手套；在氢气收集结束前，回收火柴，杜绝火源；实验过程中打开通风橱，保持实验室窗户敞开通风。

【学生】分组实验(9个小组各取1支相同的试管)。用记号笔将试管十等分，分别装入不同体积的水，见表4，然后用拇指堵住，倒扣于水槽中，利用排水法收集不同体积分数的氢气。进行点燃不同体积分数的氢气操作，每组完成实验后，记录现象，汇总数据(表4)，分析得出结论：氢气的爆炸极限约为5%~70%。

【教师】同学们已经逐步掌握了定量研究的科学方法，测定的数据十分接近课本展示的数据4.0%~74.2%。思考为何可燃性气体存在爆炸极限?

【学生】如果氢气浓度低于4.0%，可燃物含量较少，根据物理公式Q=mq可知氢气质量少的情况下，燃烧产生的热量有限；如果氢气浓度大于74.2%，则氧气的含量较低，导致氢气燃烧不充分，也无法在短时间内聚集大量的热。

【教师】利用跨学科的知识分析问题，有理有据。

4.3自制安全矿灯并检验防爆效果

【教师】我们已经对发生爆炸的原因进行了深度探索，如何帮助18世纪的矿工规避爆炸风险?

【学生1】矿井是一个有限空间，其中有限空间、瓦斯、空气这些既定事实我们不易改变，但照明的火源是可调控的，能否在点火源周围增加一个罩子，隔绝火源和可燃性气体?

【学生2】增加密封的罩子也隔绝了氧气，照明的火焰无法持续地燃烧。可以先把矿井内的瓦斯引爆，除去里面的可燃性气体。

【学生3】矿井内可燃性气体由碳元素组成，若不完全燃烧会产生有毒的一氧化碳。即使完全燃烧也会消耗氧气，产生大量二氧化碳，由于不能供给呼吸，因此这个方案不可行。

【学生4】直接引爆矿井内可燃气体的做法不可取，爆炸的威力大，会引发矿井坍塌、渗水等。

【教师】展示图3，同学们听说过阻火器吗?其中起阻火作用的就是内部的阻火单元，它是由金属材料的相互叠加绕制而成的盘状体。小小的金属网真的可以阻挡火焰吗?

【教师】播放视频：金属的阻火效应(https：//b23.tv/yEZhkl3)，如图4所示。演示：铜圈、铜网阻火效果。提问：为什么金属网可以阻挡火焰?

【学生】讨论后猜想：可能是金属具有导热性，将火焰的热量降低，使其达不到可燃气体的着火点。

【教师】金属网阻火原理是传热效应和器壁效应共同叠加的结果。展示资料卡片：

资料1：传热效应——传热效应基于传热理论，进入阻火器的火焰通过阻火单元时经过热量交换，火焰热量降低使得火焰传播中止。

资料2：器壁效应——链式反应理论指出燃烧是自由基参与的复杂链式反应的结果。火焰与阻火单元表面碰撞导致自由基消失，使得火焰燃烧反应停止，火焰传播被终止。当阻火器的间隙缩小到一定程度时通道壁和自由基的碰撞会占据主导地位，此时自由基数量急剧减少，因而燃烧反应不能再通过阻火器后继续进行，最终实现阻火。

【教师】请同学们利用阻火原理，为18世纪的矿工制作安全矿灯。提供：铜网、煤油灯、矿泉水瓶等材料。

【学生】设计方案并制作(图5)，展示并互评：A灯制作美观，但是使用不便捷，不防风防烫；B组考虑了安全灯的防风问题，在下端增加了塑料瓶防止蜡烛被风吹灭，但是使用久了铜网会发烫，存在安全隐患；C组学生考虑了防风和防烫的问题，但是灯罩高度太低，使用时，火焰会灼烧铜网，使顶部发黑，或许会影响防爆网的效果；D组的学生指出煤油灯把手位置使用不方便，将提手改为矿灯上方，同时将塑料壳换为更加耐热的玻璃罩，仍有学生继续指出，在矿井内如果火焰熄灭，不便点火，将煤油灯改为了不用取下灯罩就可以点火的装置。

【教师】展示戴维发明的安全矿灯结构(图6)与戴维发明安全矿灯的史料。结合设计方案，请谈谈你的收获和启示?

【学生1】原来我们跟科学家做了一样的研究，戴维也是先分析爆炸的原因，再采用科学方法与知识，设计并制作了安全矿灯。科学家能够发明出这些改变我们生活的产品，离不开思考和创新，我要向戴维先生学习。

【学生2】戴维对安全灯的研制经历了多次修改和检验，就和我们设计制作的过程一样，考虑现实中的实际问题，根据使用体验，改进优化安全矿灯。

【学生3】燃烧和爆炸的知识对保障人们的生产安全很重要，化学对促进人类社会发展有很大的贡献!

【教师】戴维说他的那些最重要的发现是受到失败的启示而做出的，也希望同学们和科学家戴维一样，葆有科学思维和态度，不断探索，不断创新!

【教师】演示面粉爆炸实验(图7)：佩戴好护目镜和手套，在中央部位放入装有干燥面粉的塑料瓶，塑料瓶中下端连接有1根塑料管，在面粉旁放置1根点燃的蜡烛，用大塑料袋罩住装置(铁架台起支撑作用)。利用充气泵快速鼓入大量空气，使面粉充满塑料袋，引导学生观察现象并分析原因。

【学生】粉尘发生爆炸，说明可燃物与氧气的接触面积越大，燃烧就越剧烈，不止可燃性气体会爆炸，粉尘等可燃物与助燃物氧气的接触面积较大时，遇到明火也容易爆炸。

【教师与学生】利用粉尘爆炸装置ng体育官网入口地址检验各小组制作的安全灯效果。(再次进行安全提醒)。

【教师】布置延伸作业：在矿井中除了使用安全矿灯，还应该有哪些注意事项?生活中有哪些情况需要注意防爆?请各小组为矿井等易燃易爆的危险场所制作安全宣传海报。

学生绘制的安全宣传海报与安全提示语如图8所示。