“測定空氣中氧氣的含量”實驗探究

胡巢生

一、探究的價值

以問題情景驅(qū)動科學探究活動，通過師生合作逐步探討“測什么”、“在哪測”、“怎樣測”3個問題，明確研究的對象是純凈物而不是混合物，測定的是氧氣而不是空氣。促使學生獲得空氣成分的相關知識，體驗科學的實驗方法，形成科學的思想觀念。

1.藥品的探究

由于初中生剛剛接觸化學，對于燃燒什么物質(zhì)把空氣中的氧氣消耗掉難以選擇，教科書中使用的藥品是紅磷（圖1），教師可以引導學生思考為什么用紅磷，從紅磷的用量展開探究，采用不同的用量讓學生觀察，根據(jù)觀察結果去分析，明確只有紅磷的量充足才能得到準確的結果。問題導引下形成假設，通過對進入集氣瓶中的液體體積的情況分析，討論用木炭、硫磺代替紅磷是否可以？學生會想到木炭、硫磺燃燒的產(chǎn)物是氣體，且消耗的氧氣的體積恰好等于生成的氣體的體積，密閉體系內(nèi)氣體的壓強幾乎沒有變化。通過對比得出生成物必須是固體的要點。隨著知識的積累，還可以嘗試用鐵絲、鎂帶等代替紅磷，等得不到正確結論時再和學生們一起找原因，通過關注在實驗操作、實驗技能等方面的探究活動，引導學生對實驗現(xiàn)象的觀察和分析，回答出“測什么”的問題，使學生完成從簡單應用到綜合應用的升級。

2.實驗裝置的探究

實驗裝置的探究是解決“在哪測”的問題，很多人對實驗裝置進行了改進。為減少實驗的誤差，保證實驗裝置密閉，用白磷代替紅磷，改用電熱絲加熱、凸透鏡將太陽光聚焦加熱、水浴加熱等，儀器改為由集氣瓶和燒杯組裝、注射器和試管組裝、玻璃鐘罩和水槽組裝等。對此，教師應理性地反思各種實驗裝置的設計思路，把構造簡單、操作方便、現(xiàn)象直觀的優(yōu)秀的設計方案應用到我們的教學中。教師還可給出多種儀器選擇，組裝出更多的裝置，小組討論后找出優(yōu)點。讓學生自主探究，不僅可以使學生更加熟悉實驗儀器，而且可以鍛煉學生發(fā)散思維的能力，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

3.實驗結果的探究

在教學過程中，教師要對實驗結果有多視角、多維度的分析，充分挖掘教學內(nèi)容的功能價值，它不僅有承載知識本體的功能，也有承載能力培養(yǎng)的功能。進一步提出具有分析性的問題：為什么有時測量的水會少于五分之一，而有時會大于五分之一？集氣瓶中剩余氣體的性質(zhì)如何？通過現(xiàn)象怎樣得到結論？現(xiàn)象為什么能夠得到結論？讓學生初步學會用觀察、實驗的方法獲取信息，并從信息中得出科學的結論的能力。科學探究中最重要、最核心的能力要素就是通過分析得到結論的能力。

4.測量方法的探究

測量方法是要解決“怎樣測”的問題，教材的設計是編者提出問題又給出實驗方案和結論。這種編排在形式上是探究，本質(zhì)上卻是驗證，學生們很容易從課本實驗得到結論，這不利于引導學生探究。我們可以根據(jù)學生的好奇心，把探究點著眼于能不能用不同的方法進行探究并得出結論。

在明確研究對象主體后，分析該如何將物質(zhì)中的一種組分從主體中區(qū)分開來，通過師生的合作探究，得出應將氧氣提取或消耗，提取氧氣從理論上可行但實際上困難卻很大，此時引導學生換個角度思考，將氧氣從空氣中消耗掉。如何將氧氣從空氣中消耗掉？怎樣測定被消耗掉的這一組分？這里需要分析實驗原理，明確氧氣的化學性質(zhì)，即氧氣能與哪些物質(zhì)發(fā)生化學反應？氣壓如何變化？從而確定所需的藥品、儀器、操作。讓學生體驗化學與社會生活的聯(lián)系，充分感受和領悟化學學科的價值。

化學史也是重要的學習素材，具有多種教學價值，如何充分利用拉瓦錫的實驗，很好地挖掘史料的價值，也值得我們思考。

這幾點不是在一次教學活動中就能完成的，特別是第四點的內(nèi)容，即師生熱烈討論的測量方法的探究，應該在學習更多物質(zhì)性質(zhì)之后，至少在學習完氧氣的性質(zhì)，且學生對實驗有較多感性認識之后，才能有效地完成探究，是該實驗探究的高水平發(fā)展。

二、實驗裝置的改進

儀器用品：紅磷、具支試管、橡膠塞、量筒、酒精燈、鐵架臺（帶鐵夾）、氣球、注射器。

實驗操作步驟及現(xiàn)象：

1.如圖2所示：在具支試管中裝入紅磷，塞上橡膠塞，用小氣球密封試管的支管口。移動注射器活塞，在注射器中留下一定體積的氣體，記錄體積V1后，插入橡膠塞中。根據(jù)酒精燈的高度，將試管固定在鐵架臺上。

2.用酒精燈在紅磷部位加熱，加熱時不斷推拉注射器活塞，氣球忽大忽小，不斷將小氣球中的氣體全部擠入試管中，使氧氣反應更充分。

3.停止加熱后，待試管冷卻至室溫，將氣球內(nèi)的氣體全部擠入注射器內(nèi)。待注射器活塞穩(wěn)定后，讀取并記錄注射器中剩下的空氣體積V2。

4.實驗結束，清洗儀器后，將具支試管裝滿水并塞上塞子，再將試管中的水倒入量筒中，測出具支試管在塞上塞子的情況下的體積V3。

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄

氧氣體積V的計算：理論值=（V1+V3）/5，實驗值=V1-V2。

實驗改進評價：該實驗采用具支試管和廢棄的針管自制的裝置，裝置始終處于密閉狀態(tài)，與外界無物質(zhì)交換，減少了污染，對環(huán)境友好。通過推拉注射器活塞，使空氣在注射器、具支試管和氣球間來回傳送。利用紅磷作為耗氧劑，通過酒精燈的加熱，使紅磷獲得持續(xù)的高溫，即使在氧氣濃度較低的情況下，也能與氧氣發(fā)生緩慢氧化，直至氧氣基本耗盡。借助小氣球或大或小的變化，讓學生觀察到實驗過程中裝置內(nèi)氣壓的變化。利用這一設計思路上的創(chuàng)新，簡化了實驗裝置，增強了實驗的可操作性、趣味性和可觀察性。用注射器的刻度代替了“水”的體積，保證實驗結果更接近真實值。從而培養(yǎng)學生定量研究化學問題、科學認識和控制誤差的意識，提升了學生的科學素養(yǎng)。

實驗注意點：做該實驗時，紅磷應足量，紅磷平鋪面積盡量大一些，這樣可以盡可能與氧氣反應。注射器不宜太小，太小體積變化不大，現(xiàn)象不明顯，同時，注射器中預留的空氣不能太少，否則實驗結束后，消耗氧氣的體積無法讀出。實驗過程中，應加強安全教育。

該實驗的出發(fā)點就是通過對實驗現(xiàn)象的分析和交流討論得出結論，可以很好的訓練學生的記錄和表達能力，從而形成對空氣中主要成分的認識，加深學生對知識的理解。利用實驗過程，訓練學生的科學探究能力，很好地體現(xiàn)了教師對科學探究要素和學生水平之間的有效融合。教師通過改進的實驗，幫助學生認識到具支試管和注射器中空氣的體積和消耗的氧氣體積之間的關系，從而能夠得出最終的結論。

問題的設計、實驗的評價更加值得探討和研究。體現(xiàn)了教師為引導，學生為主體的教學理念，使學生在面對問題、提出問題、分析問題、解決問題和得出實驗結果等方面進行多角度反思，從而深化實驗、完善實驗、拓展實驗、活化實驗，以培養(yǎng)正確的實驗操作技能和嚴謹?shù)目茖W思維能力。通過對實驗的探究，使學生對已掌握的知識有更深的理解，有利于培養(yǎng)他們熱愛化學，學好化學的興趣，不斷探索未知的化學世界，更有利于促進教師專業(yè)化水平的不斷提升。

參考文獻

[1] 李德前.“測量空氣里氧氣體積分數(shù)”實驗再改進.化學教育，2010（6）.

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[3] 李德前.探究空氣中氧氣的體積分數(shù)教學設計和反思.化學教育，2011（5）.