“火龍卷與焰色反應(yīng)”STEM項(xiàng)目活動(dòng)方案

胡元旭

“火龍卷與焰色反應(yīng)”旨在引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)并制作一套能呈現(xiàn)焰色反應(yīng)現(xiàn)象的火龍卷裝置，可用于課堂演示，也可拓展應(yīng)用在一些科技場(chǎng)景展示?；鹧纨埦盹L(fēng)的形成需要具備一定條件：強(qiáng)烈熱量和涌動(dòng)風(fēng)流結(jié)合在一起將形成旋轉(zhuǎn)的空氣渦流。這些空氣渦流可收緊形成類(lèi)似龍卷風(fēng)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)著吸入燃燒殘骸和易燃?xì)怏w。項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)圍繞焰色反應(yīng)效果研究、火龍卷演示裝置設(shè)計(jì)2部分展開(kāi)，最后引導(dǎo)學(xué)生將二者巧妙組合，獨(dú)立設(shè)計(jì)并動(dòng)手制作一套使用操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象直觀明顯的焰色反應(yīng)火龍卷演示裝置。

發(fā)展目標(biāo)

科學(xué)（S） 深入學(xué)習(xí)并了解焰色反應(yīng)原理，快速選定用于演示的特征顏色物質(zhì);了解火龍卷發(fā)生原理，并能區(qū)分龍卷風(fēng)、火旋風(fēng)、水漩渦發(fā)生原理差異。

技術(shù)（T） 廣泛了解焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法及手段并進(jìn)行嘗試，最終選定一種合理的方法用于設(shè)計(jì);根據(jù)火龍卷發(fā)生原理，選用現(xiàn)成材料進(jìn)行模擬測(cè)試，并進(jìn)行裝置藍(lán)圖設(shè)計(jì);學(xué)習(xí)各種工具使用，了解各種材料性能，并知曉相關(guān)操作規(guī)程、安全預(yù)案。

工程（E） 選用合適材料，利用現(xiàn)有工具，進(jìn)行焰色反應(yīng)火龍卷演示裝置的設(shè)計(jì)制作，并進(jìn)行系列測(cè)試。

數(shù)學(xué)（M） 在實(shí)驗(yàn)研究和模型測(cè)試過(guò)程中，利用數(shù)學(xué)統(tǒng)籌分析方法（如圖表法、極限法等），提高工作效率，快速建立合理模型。

項(xiàng)目準(zhǔn)備

組建項(xiàng)目小組

項(xiàng)目以小組為單位進(jìn)行探究與實(shí)踐活動(dòng)，一個(gè)構(gòu)成合理、協(xié)作高效的團(tuán)隊(duì)是項(xiàng)目實(shí)施的先決條件。要引導(dǎo)學(xué)生組建包括理科特長(zhǎng)（理論基礎(chǔ)）、動(dòng)手能力（設(shè)計(jì)制作）、閱讀寫(xiě)作（報(bào)告撰寫(xiě)）、電腦制作（課件設(shè)計(jì)）和演講口才（成果展示）等個(gè)性特長(zhǎng)齊聚的項(xiàng)目小組。

資料收集與整理

通過(guò)各種手段（網(wǎng)絡(luò)、書(shū)刊、咨詢(xún)等）搜集和整理所需資料，了解焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理，搜集各種焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法;了解火龍卷發(fā)生原理，并能解釋龍卷風(fēng)、火旋風(fēng)、水漩渦現(xiàn)象。

器材及工具準(zhǔn)備

器材準(zhǔn)備 樣本金屬鹽（氯化鉀、氯化鈉、氯化銅、氯化鋇、氯化鈣、氯化鍶、氯化鈷、硫酸銅等），各種燃料（甲醇、乙醇等），酒精燈，煤氣燈（或酒精噴燈），金屬絲（鎳鉻絲、鐵絲等），玻璃棒，燒杯，蒸發(fā)皿，坩堝鉗，棉花，玻璃圓筒、PVC管，亞克力板，白鐵皮，鐵質(zhì)易拉罐等。

工具準(zhǔn)備 塑料熱風(fēng)焊槍、剪刀、錘子、手鋸、銼刀、鋼直尺、直角尺、亞克力鉤刀、老虎鉗等。

項(xiàng)目實(shí)施

焰色反應(yīng)效果增強(qiáng)試驗(yàn)

讓學(xué)生通過(guò)各種焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法的親身體驗(yàn)嘗試，最終選定一種方法用于演示裝置的設(shè)計(jì)。

金屬絲蘸取灼燒法 把嵌在玻璃棒上的金屬絲在稀鹽酸里蘸洗后，放在酒精燈的火焰（最好是煤氣燈，因?yàn)樗幕鹧骖伾珳\、溫度高，酒精噴燈也可以）里灼燒，直到跟原來(lái)的火焰的顏色一樣時(shí)，再用金屬絲蘸取被檢驗(yàn)溶液，然后放在火焰上灼燒，這時(shí)就可以看到被檢驗(yàn)溶液里所含元素的特征焰色。

混合燃燒法 將金屬鹽與燃料混合，放進(jìn)器皿中，直接點(diǎn)燃燃燒，觀察火焰顏色。此環(huán)節(jié)可以進(jìn)行拓展，加入固體酒精制法的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。

噴霧燃燒法 將金屬鹽濃溶液灌入小噴壺，然后向火焰上進(jìn)行噴霧，觀察火焰顏色。

火龍卷發(fā)生裝置模型測(cè)試

選用現(xiàn)成易得的材料PVC排水管，多種口徑（外徑110mm、160mm、200mm）備選。采用鐵質(zhì)易拉罐，剪取的罐底直徑5cm（剪取罐底留高多少，讓學(xué)生自行探究決定）。

第1步：利用手鋸截取一定長(zhǎng)度的PVC管，按圖1沿紅色虛線將PVC管對(duì)半裁開(kāi)，然后將要擺放臺(tái)面的一端用銼刀打磨水平，便于擺放時(shí)不會(huì)傾倒。根據(jù)火龍卷形成原理，按圖1中右下圖示進(jìn)行擺放，中間紅色示意鐵質(zhì)易拉罐底，藍(lán)色示意燃燒混合液。點(diǎn)燃后，觀察是否能形成火龍卷。如果現(xiàn)象不明顯，分析原因，重新調(diào)整模型。

重復(fù)以上步驟，完成表1，并嘗試建立數(shù)學(xué)模型分析測(cè)算出能最佳形成火龍卷的PVC管外徑與高度的合理數(shù)值或比例。如測(cè)算需要測(cè)試其他數(shù)據(jù)，請(qǐng)另行補(bǔ)充數(shù)值并記錄。

第2步：由于PVC管排水管不透明，不便于演示時(shí)的觀察。所以，經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)易測(cè)試以后，可以利用一些透明材料替代PVC管。比如，可以選用透明亞克力板，它的特點(diǎn)是易于剪裁、彎折加工，但耐熱性差，受熱容易變形。透明半圓弧制作完成以后，按第1步測(cè)試結(jié)果方案進(jìn)行焰色反應(yīng)火龍卷效果測(cè)試。

焰色反應(yīng)火龍卷演示裝置的設(shè)計(jì)制作

有了以上2部分內(nèi)容的測(cè)試結(jié)果，接下來(lái)正式進(jìn)入焰色反應(yīng)火龍卷演示裝置設(shè)計(jì)制作環(huán)節(jié)。在了解原理和進(jìn)行模型測(cè)試的基礎(chǔ)上，整體裝置的設(shè)計(jì)要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造發(fā)明潛力，引導(dǎo)各項(xiàng)目小組按自己的想法完成獨(dú)立的個(gè)性化設(shè)計(jì)。在此環(huán)節(jié)，學(xué)生需要設(shè)計(jì)一個(gè)底座，可以選擇石材（如花崗巖），也可以選擇金屬材質(zhì)（如不銹鋼），如無(wú)法自己加工，可設(shè)計(jì)出圖紙，委托加工點(diǎn)完成制作。

本環(huán)節(jié)可以給學(xué)生補(bǔ)充講解“如何設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)口容易形成旋風(fēng)”的知識(shí)拓展。在上方火龍觀察透明圓筒與下方底座中間，可以設(shè)計(jì)一套個(gè)性化且造型美觀的進(jìn)風(fēng)口控制模型;可以鼓勵(lì)學(xué)生嘗試采用下方鼓風(fēng)或上方倒吸的方式，增強(qiáng)火龍卷效果;還可以對(duì)鼓風(fēng)和倒吸進(jìn)行自動(dòng)控制，制造出如激光音樂(lè)噴泉表演的焰火音樂(lè)表演。

項(xiàng)目展示

各小組將項(xiàng)目成果進(jìn)行綜合展示。展示分為3個(gè)環(huán)節(jié)：撰寫(xiě)項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告，上交實(shí)物成果作品（附展板設(shè)計(jì)），進(jìn)行成果匯報(bào)展示。

項(xiàng)目評(píng)價(jià)

過(guò)程評(píng)價(jià) 記錄學(xué)生在項(xiàng)目活動(dòng)過(guò)程中的參與積極性、操作規(guī)范性、學(xué)習(xí)主動(dòng)性、創(chuàng)造能動(dòng)性等個(gè)人表現(xiàn)，將一些突出的表現(xiàn)及一些不良習(xí)慣都記錄在冊(cè)，以供項(xiàng)目活動(dòng)結(jié)束時(shí)終評(píng)打分參考。

結(jié)果評(píng)價(jià) 指導(dǎo)學(xué)生撰寫(xiě)項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告，對(duì)交上來(lái)的結(jié)題報(bào)告認(rèn)真審閱并打分;指導(dǎo)學(xué)生完成焰色反應(yīng)火龍卷演示裝置的整體設(shè)計(jì)與制作，注意指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作學(xué)規(guī)范、工具使用，保證實(shí)施過(guò)程人身安全，對(duì)上交的成果作品的實(shí)用性、創(chuàng)新性、外形整體是否協(xié)調(diào)美觀、演示效果是否直觀明顯、使用操作是否簡(jiǎn)單便捷進(jìn)行考核評(píng)分。特別是最后環(huán)節(jié)的匯報(bào)展示活動(dòng)，由各學(xué)科評(píng)委教師對(duì)學(xué)生在展示環(huán)節(jié)的綜合表現(xiàn)進(jìn)行打分，匯總后按總分高低進(jìn)行排名。

最后，依據(jù)過(guò)程評(píng)價(jià)與結(jié)果評(píng)價(jià)情況綜合得出每一位學(xué)生的項(xiàng)目活動(dòng)個(gè)人成績(jī)分?jǐn)?shù)。

該項(xiàng)目參與了第35屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科教創(chuàng)新成果線上交流活動(dòng)