“空氣中氧氣含量測定”實驗的改進與擴展

李鼎 石陽

摘要： 以“空氣中氧氣含量測定”實驗為例，提出在教學(xué)設(shè)計中應(yīng)貫徹“以融合促發(fā)展”的思想，即依托傳統(tǒng)實驗方式開展演示實驗，鼓勵學(xué)生使用DIS傳感器開展分組實驗。兩者的融合不僅能充分發(fā)揮傳統(tǒng)實驗蘊含的教學(xué)價值，還能對該實驗形成積極有效的擴展，讓學(xué)生獲得更為豐富的科學(xué)探究體驗，提高實驗教學(xué)的效率。

關(guān)鍵詞： 空氣中氧氣含量測定； 氧氣傳感器； DIS數(shù)字化實驗

文章編號： 1005-6629（2022）11-0065-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

“空氣中氧氣含量的測定”實驗是“空氣的組成”這一教學(xué)單元中最為核心的內(nèi)容，涉及到燃燒、氧化以及質(zhì)量守恒等基本的化學(xué)概念，因此備受重視。

現(xiàn)行初中化學(xué)教材中該實驗的設(shè)計思想源于拉瓦錫著名的“12天實驗”或“20天實驗”［1］，一般采用燃燒或氧化法測定燃燒或氧化前后空氣體積的變化數(shù)據(jù)，分別以“水-氣置換”或氣球縮小為表征，得出氧氣約占空氣體積1/5的結(jié)論。其中，魯教版化學(xué)教材采用了銅氧化法［2］，而人教版、滬教版和粵教版等化學(xué)教材則采用了傳統(tǒng)的紅磷燃燒法。筆者認為相比之下，魯教版化學(xué)教材的實驗設(shè)計更能夠體現(xiàn)拉瓦錫實驗的精髓，不僅使用銅的氧化反應(yīng)大幅縮短了實驗周期，而且使用氣球直觀地顯示了反應(yīng)消耗氧氣導(dǎo)致的氣壓變化現(xiàn)象，避免了紅磷燃燒產(chǎn)生的五氧化二磷有害氣體對課堂環(huán)境的污染，更適合課堂演示實驗。

但是無論上述哪一種實驗方式，都面臨著繼續(xù)優(yōu)化和改進的挑戰(zhàn)。一線教師針對上述實驗設(shè)計提出了以下意見：（1）實驗操作相對繁瑣，實驗操作對教師的技能要求比較高［3］；（2）紅磷燃燒會產(chǎn)生有害氣體［4］；（3）所用器皿和導(dǎo)管不規(guī)則，且其內(nèi)存有殘留空氣，導(dǎo)致實驗結(jié)果會存在較大誤差［5］；等等。

2 實驗改進

借助DIS改進傳統(tǒng)實驗，不是簡單的手段替代，而是在厘清原有實驗基本思維邏輯的基礎(chǔ)上，基于教學(xué)需求重新展開新的系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 對拉瓦錫實驗的再認識

當年拉瓦錫在設(shè)計12天和20天實驗的時候，是科學(xué)家們開始質(zhì)疑并準備推翻燃素說的前夜，其實驗設(shè)計的重點在于揭示燃燒和氧化的本質(zhì)。因此，無論12天實驗還是20天實驗，都是遵循了先確定空氣中有某種成分參與了反應(yīng)，再測量參與反應(yīng)的空氣成分在空氣中的大致占比的原則。鑒于科學(xué)認知體系和測量手段的雙重空白，拉瓦錫創(chuàng)造性地采用了間接測量法和等效替代法解決了上述兩個問題，成為了化學(xué)史上的一個里程碑。這是傳統(tǒng)化學(xué)教材一直尊重并延用其實驗思路的原因。

2.2 教學(xué)需求的改變

但是，由于小學(xué)科學(xué)教育的有效鋪墊，氧氣作為空氣的基本成分和燃燒的基本條件之一，已經(jīng)成為當前小學(xué)畢業(yè)生的常識。這一點在2022年版義務(wù)教育化學(xué)課程標準中已有體現(xiàn)：“了解空氣的主要成分；通過實驗探究認識氧氣、二氧化碳的主要性質(zhì)，認識物質(zhì)的性質(zhì)與用途的關(guān)系（內(nèi)容要求）”“探究空氣中氧氣的含量（學(xué)習(xí)活動建議）”等［6］。這說明，新課標針對空氣成分的實驗和探究要求已經(jīng)由拉瓦錫時代面臨的兩個問題——確定空氣中存在參與反應(yīng)的成分并測量其含量，演變成了一個問題：測量參與反應(yīng)的成分（氧氣）在空氣中的含量。因此，如果再使用與拉瓦錫類似的實驗，客觀上就造成了目標和手段的不匹配。因此，通過采用直接測量法獲取實驗過程中的氧氣含量數(shù)值來簡化實驗具備了相當?shù)暮侠硇浴?/p>

2.3 使用直接測量法測量空氣中氧氣含量的實驗設(shè)計

使用DIS傳感器測量空氣中氧氣含量的實驗設(shè)計如下。

儀器和器材：XX品牌氧氣傳感器；傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊等。

實驗裝置如圖1所示。

實驗操作：將數(shù)據(jù)顯示模塊與氧氣傳感器連接，打開數(shù)據(jù)顯示模塊電源，當前環(huán)境中氧氣的含量立即顯示在數(shù)據(jù)顯示模塊的液晶屏上。

該數(shù)據(jù)顯示模塊具備數(shù)據(jù)存儲功能，可記錄較長時間內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)變化過程，并利用特定程序上傳至計算機，以供實驗者對實驗過程性數(shù)據(jù)進行處理分析。上述實驗裝置基于移動測量而設(shè)計，便于對不同環(huán)境下的氧氣含量數(shù)值進行測量和比較。在實驗室里，亦可采用“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計算機”的傳統(tǒng)連接方式，直接將氧氣傳感器的測量值上傳至計算機。

3 立足DIS與傳統(tǒng)實驗融合的實驗設(shè)計

3.1 引入新技術(shù)造成的傳統(tǒng)斷裂

引入DIS數(shù)字化實驗手段之后，大部分傳統(tǒng)實驗的基本裝置和操作過程得到了保留，同時實驗精度和效率獲得了顯著提高，這確保了傳統(tǒng)的延續(xù)和新技術(shù)的推廣。但本實驗確實是一個特例——引入傳感器將直接獲得實驗結(jié)果，而傳統(tǒng)實驗的基本裝置、反應(yīng)過程及實驗操作便顯得毫無意義。這不禁引發(fā)了筆者的思考。早就有科學(xué)哲學(xué)家指出：因為文明的發(fā)展，我們失去了美感［7］。隨著自動機械和機器的引入，特別是工業(yè)革命后，技術(shù)與藝術(shù)相分離，技術(shù)被降低為單純地對時間、空間、能量的征服。在這種條件下，生產(chǎn)量雖然空前增加，但技術(shù)卻失去了美感，人被降低為依附于機器的生產(chǎn)部件［8］。

盡管傳統(tǒng)實驗復(fù)雜、繁瑣甚至還有污染，但其基本裝置、反應(yīng)過程和實驗操作畢竟既承載了豐富的科學(xué)內(nèi)容、精巧的設(shè)計思想，又構(gòu)成了科學(xué)史教育的素材，因此必然擁有相應(yīng)的教育價值和與生俱來的美感。筆者雖然長期致力于DIS數(shù)字化實驗的研究與開發(fā)，但不愿看到引入新技術(shù)后造成學(xué)生科學(xué)認知經(jīng)歷的缺失。

3.2 新舊實驗手段的再融合

在對美國AP高中物理教材進行研究時，發(fā)現(xiàn)該教材通過采用“并行給出傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗的設(shè)計方案，由教師自行決定采用何種實驗手段”的策略，有效避免了對數(shù)字化實驗不熟悉的資深教師對新實驗手段的抵觸。同時又因為所選擇的數(shù)字化實驗均具備解決傳統(tǒng)實驗“痛點”的顯著優(yōu)勢，反而有效推進了數(shù)字化實驗的教學(xué)應(yīng)用實踐［9］。經(jīng)過反復(fù)思考與實踐，筆者逐步形成了“以融合促發(fā)展”的教學(xué)設(shè)計思路：

（1） 教師在“空氣中的氧氣含量”的授課過程中，對拉瓦錫的12天和20天實驗做簡單的回顧，特別要提煉出拉瓦錫實驗設(shè)計的基本邏輯。

（2） 教師可以按照傳統(tǒng)教材中的實驗方案，開展演示實驗，讓學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象、理解變化過程、總結(jié)相應(yīng)規(guī)律。對于實驗誤差，教師不必過于在意。

（3） 完成傳統(tǒng)實驗演示之后，教師可向?qū)W生介紹DIS氧氣傳感器和其他傳感器，演示操作過程、展示實驗結(jié)果，向?qū)W生呈現(xiàn)因為技術(shù)進步而帶來的直接測量法對間接測量法的取代。

（4） 設(shè)計幾個學(xué)生分組實驗，將DIS氧氣和其他類型的傳感器作為監(jiān)控設(shè)備用于實時獲取、顯示及全程記錄實驗中的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生在借助數(shù)據(jù)表征建立更為深刻的科學(xué)認知的同時，掌握在化學(xué)實驗中應(yīng)用各種傳感器的方法。

3.3 DIS數(shù)字化實驗帶來的經(jīng)驗擴展

基于DIS數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗融合的思路，設(shè)計了四個與空氣中氧氣含量測量有關(guān)的實驗。這些實驗既可以成為傳統(tǒng)實驗的補充，也能夠作為研究性學(xué)習(xí)項目，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)、自主探究的參照或指導(dǎo)。

3.3.1 木條燃燒過程中氧氣含量變化研究

儀器、器材及試劑：X品牌數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、集氣瓶、帶孔橡膠塞、木條和火柴

實驗裝置圖如圖2所示。

實驗步驟：按圖2搭建實驗裝置，將氧氣傳感器探頭插入到帶孔橡膠塞頂部，將木條插入帶孔橡膠塞底部，如圖3所示。利用火柴點燃木條，并將橡膠塞迅速插入集氣瓶口，觀察氧氣數(shù)據(jù)及曲線變化，待燃燒停止且集氣瓶冷卻后停止數(shù)據(jù)收集。

數(shù)據(jù)分析：實驗開始前集氣瓶內(nèi)空氣的氧氣含量與外部相同。點燃木條后，瓶中氧氣有小幅度的上升（上升的原因在于：木條燃燒導(dǎo)致瓶內(nèi)空氣膨脹、壓強升高，導(dǎo)致短時間內(nèi)透過氧氣傳感器敏感器件的氧氣分子增加）。隨后，燃燒迅速消耗瓶中的氧氣，氧氣含量呈下降趨勢。至實驗結(jié)束，瓶內(nèi)氧氣含量由初始值20.9%下降至11.7%（見圖4）。本實驗利用DIS氧氣傳感器測定并實時顯示、記錄了木條燃燒過程中集氣瓶內(nèi)氧氣的變化，并通過數(shù)據(jù)的差值和過程圖線給出了氧氣含量的直接表征。

3.3.2 蠟燭燃燒過程中的氧氣含量測定

儀器、器材及試劑：X品牌數(shù)據(jù)采集器、采集器無線接口、傳感器無線發(fā)射模塊、氧氣傳感器、鐘罩、橡膠塞、蠟燭和點火槍實驗裝置如圖5所示。

實驗步驟：將氧氣傳感器與傳感器無線發(fā)射模塊連接。打開無線發(fā)射模塊開關(guān)，將兩者均置于鐘罩內(nèi)部，將換裝無線接口的數(shù)據(jù)采集器接入計算機。打開鐘罩上方的橡膠塞，用點火槍點燃鐘罩內(nèi)的蠟燭。迅速蓋緊橡膠塞，觀察實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)變化（見圖6）。

數(shù)據(jù)分析：蠟燭點燃后鐘罩內(nèi)氧氣含量呈下降趨勢，當氧氣含量降為15.8%時蠟燭熄滅。由此可知：蠟燭燃燒對氧氣含量的要求高于木條燃燒，其對氧氣的消耗率也低于木條燃燒。該實驗利用了X品牌傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間的無線通訊功能，避免了有線傳輸可能會給鐘罩密封性造成的影響。該模式可廣泛應(yīng)用于其他類型的密封實驗。

3.3.3 “暖寶寶”內(nèi)芯材料發(fā)熱過程中氧氣含量變化研究

儀器、器材及試劑：X品牌數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、溫度傳感器、壓強傳感器、250mL三口分體燒瓶、帶孔橡膠塞×3、“暖寶寶”內(nèi)芯材料1整袋（約25g）實驗裝置如圖7所示。

實驗步驟：根據(jù)圖7搭建實驗裝置，將三種傳感器連入數(shù)據(jù)采集器和計算機。將氧氣、溫度和壓強傳感器的探頭透過帶孔橡膠塞插入分體燒瓶蓋子的三個插口。打開燒瓶中“暖寶寶”內(nèi)芯釋放出黑色粉末，迅速蓋緊燒瓶，即可獲得如圖8所示的氧氣、壓強和溫度數(shù)據(jù)初始值、當前值及變化曲線。

其中，位于圖像上方呈下降趨勢的圖線為壓強

曲線，中間為溫度曲線，下方為氧氣曲線。

數(shù)據(jù)分析：“暖寶寶”內(nèi)芯中的主要成分是鐵粉、氯化鈉、木炭粉、水等，接觸空氣之后，即發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗空氣中的氧氣，釋放熱量并降低燒瓶中的壓強。由圖8可見，該反應(yīng)對氧氣的消耗率超過了木條燃燒。

3.3.4 利用氧氣傳感器監(jiān)測過氧化氫分解過程中氧氣含量變化

儀器、器材及試劑：X品牌數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、帶孔橡膠塞、帶注射器的塑料錐形瓶（自制）、藥匙、電子天平、蒸餾水、過氧化氫溶液、二氧化錳粉末

實驗裝置圖如圖9所示。

實驗步驟：利用電子天平稱量0.1g二氧化錳粉末，并轉(zhuǎn)移至錐形瓶中，隨后按照圖9進行儀器組裝。用注射器向錐形瓶加入3%過氧化氫溶液2.5mL，觀察氧氣數(shù)據(jù)及曲線變化，待反應(yīng)結(jié)束后停止數(shù)據(jù)收集（見圖10）。

數(shù)據(jù)分析：實驗開始前錐形瓶內(nèi)空氣的氧氣含量為20.9%，與外部一致。加入過氧化氫后，在錐形瓶內(nèi)二氧化錳的催化下開始反應(yīng)，可觀察到瓶內(nèi)有氣泡生成，此時氧氣含量呈上升趨勢，至實驗結(jié)束，瓶內(nèi)氧氣含量由初始值上升至31.3%。

基于DIS的數(shù)據(jù)和圖線表征功能，本實驗還可以很方便地擴展為“影響過氧化氫分解的因素研究”。改變過氧化氫溶液的濃度，即可獲得如圖11所示的兩條氧氣含量變化圖線，溶液濃度對于過氧化氫分解的影響作用也就清晰可見了。此外，由于DIS傳感器靈敏度高，本實驗使用的反應(yīng)物和催化劑總量比傳統(tǒng)實驗減少很多，顯著降低了實驗成本。

綜上，將DIS引入化學(xué)實驗教學(xué)之后，勢必給傳統(tǒng)教學(xué)帶來沖擊。筆者通過實踐證明，為在發(fā)揮DIS數(shù)字化優(yōu)勢的同時，延續(xù)傳統(tǒng)實驗的教學(xué)功能，應(yīng)該“以融合促發(fā)展”，通過完善的教學(xué)設(shè)計來實現(xiàn)對實驗效率和教學(xué)效益的兼顧，避免“單打一”的教學(xué)導(dǎo)向引發(fā)教師對新技術(shù)的抵觸。而且，DIS數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)實驗相融合的擴展實驗，為學(xué)生提供了更多的實驗經(jīng)歷和科學(xué)體驗［10］。這在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，不僅是可行的，也是必要的。

參考文獻：

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［10］ 李鼎， 馮容士. 數(shù)字化實驗在AP教材中的呈現(xiàn)特點及啟示［J］. 中學(xué)物理教與學(xué)， 2020： 11