消除質(zhì)量守恒定律實驗中空氣浮力影響因素的探究

李翠垠

1 探究背景

魯教版（五四制）八年級化學(xué)第五單元第一節(jié)“質(zhì)量守恒定律”是初中化學(xué)的核心內(nèi)容，利用實驗探究質(zhì)量守恒定律是本節(jié)的教學(xué)重點。在此之前，學(xué)生通過對原子、分子的學(xué)習(xí)和微粒觀的建立，已經(jīng)能從微觀角度上理解化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)，認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)的過程就是原子重新組合的過程，但是還不能將化學(xué)反應(yīng)過程中原子的“三不變”（種類、個數(shù)和質(zhì)量不變）和化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量守恒這一宏觀現(xiàn)象聯(lián)系起來。特別是在有氣體生成的化學(xué)反應(yīng)中，當(dāng)學(xué)生看到由于浮力的影響而導(dǎo)致天平失衡時，更是百思不得其解，甚至質(zhì)疑質(zhì)量守恒定律。鑒于學(xué)生產(chǎn)生的認(rèn)知沖突，筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行消除質(zhì)量守恒定律實驗中消除空氣浮力影響的專題探究。

2 探究目的

實驗是進(jìn)行科學(xué)探究的有效方法。為了幫助學(xué)生從微觀本質(zhì)和宏觀質(zhì)量兩個方面準(zhǔn)確理解化學(xué)反應(yīng)，在學(xué)生頭腦中形成正確的第一印象，筆者將探究活動的重點放在探究質(zhì)量守恒定律的實驗設(shè)計上。原因有三：1）加強科學(xué)探究是本次化學(xué)課程改革中最突出的特點，完成科學(xué)探究的關(guān)鍵是對實驗方案的設(shè)計，因此在教學(xué)中教會學(xué)生合理設(shè)計實驗顯得尤為重要；2）學(xué)生的年齡特點決定了他們對動手實驗的興趣遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對文字和語言的興趣，他們更喜歡在實驗中獲得成功的體驗；3）研究表明，親身體驗獲得的知識在人的頭腦中易形成永久性的記憶。

3 探究主題

探究質(zhì)量守恒定律的實驗有多種，其中操作難度較大、容易出現(xiàn)誤差的是有氣體產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。在以往驗證質(zhì)量守恒定律的實驗教學(xué)中，對于產(chǎn)生氣體的反應(yīng)多選擇帶有氣球的密閉發(fā)生裝置，這種裝置的最大優(yōu)點是保證反應(yīng)體系的質(zhì)量不損耗，然而卻不能讓學(xué)生看到天平依然平衡的直接印象。教師在課堂上往往需要花費不少的時間從浮力的角度來解釋這一現(xiàn)象。通過調(diào)查，筆者還發(fā)現(xiàn)，由于不同學(xué)科的進(jìn)度問題，目前初三學(xué)生還未在物理課上學(xué)到浮力的系統(tǒng)知識，教師的解釋在學(xué)生面前將顯得十分單薄，致使學(xué)生以為教師在尋找借口，自圓其說。因此，筆者將這次探究活動的關(guān)鍵定位在如何消除質(zhì)量守恒定律實驗中空氣浮力因素的影響。

4 探究過程

4.1 課前感知，發(fā)現(xiàn)問題

1）設(shè)計。指導(dǎo)學(xué)生利用錐形瓶、雙孔橡皮塞、玻璃管、氣球、分液漏斗連接成密閉裝置。

2）操作。將氣球套在玻璃管上，將其與分液漏斗分別固定在雙孔橡皮塞上。檢查氣密性后，先在錐形瓶中裝入二氧化錳粉末，塞緊橡皮塞后再向分液漏斗中加入適量的過氧化氫溶液。將裝置置于托盤天平左盤上，調(diào)節(jié)至平衡，然后打開分液漏斗的旋轉(zhuǎn)活塞，讓過氧化氫溶液不斷滴入錐形瓶中。

3）現(xiàn)象。學(xué)生會看到錐形瓶中產(chǎn)生大量氣泡，氣球逐漸脹大，天平指針向右偏轉(zhuǎn)。

4）解釋與困惑。因為學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)氧氣的實驗室制法，所以他們很容易明白氣球的脹大是因為氧氣的不斷產(chǎn)生。然而在氣體不泄漏的情況下，為什么天平指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)呢？

5）初步結(jié)論。學(xué)生盡管還不明白浮力，但是經(jīng)過交流，還是達(dá)成這樣的共識：天平的失衡是由于氣球的脹大。

4.2 課堂探究，解決問題

那么，如何讓天平仍然保持平衡呢？這是上課伊始筆者向?qū)W生提出的探究任務(wù)，也是學(xué)生在課前就反復(fù)思考的問題。這時候如果讓學(xué)生立即進(jìn)入探究，會“欲速則不達(dá)”，因為學(xué)生會覺得難以下手，有的可能會貿(mào)然去掉氣球，使用帶有分液漏斗的單孔橡皮塞而導(dǎo)致塞子沖出造成意外傷害。所以，筆者采取以下做法。

1）對課前實驗現(xiàn)象作出解釋。首先和學(xué)生一起對課前實驗進(jìn)行深入的分析，補充完善他們的初步結(jié)論，指出氣球脹大帶來空氣浮力的增大，就像一只手輕托左盤，使得天平指針向右偏轉(zhuǎn)。這樣，學(xué)生豁然開朗，馬上找準(zhǔn)切入點，即想辦法讓脹大的氣球癟下去，消除浮力變化產(chǎn)生的影響因素。

2）指導(dǎo)學(xué)生自主探究。①劃分探究小組。將學(xué)生6人一組，分成探究小組。分組時盡量優(yōu)劣互補、男女比例合適，這樣既有利于學(xué)生之間的合作，又便于利用學(xué)生的好勝心理激發(fā)其競爭意識和創(chuàng)新潛能。②各組商討實驗方案。科學(xué)探究的中心環(huán)節(jié)是針對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行實驗方案設(shè)計。在小組長的帶領(lǐng)下，大家集思廣益，通過討論、查閱資料，設(shè)計出能消除空氣浮力變化的實驗方案。在此過程中，學(xué)生將感受到團(tuán)隊的力量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于個人的力量，同時也學(xué)會尊重他人、欣賞他人。③成果展示交流。各小組在交流展示的過程中學(xué)會評價實驗方案，找出自己的得與失，在比較中不斷進(jìn)步。

3）歸納實驗方案。在大家的努力下，學(xué)生在原來的實驗基礎(chǔ)上設(shè)計多種實驗方案，有的原理雖然正確，但由于托盤天平的托盤太小或其他客觀因素，而難以操作；有的設(shè)計合理，操作方便，其中比較成功的實驗方案有3種、①氧氣轉(zhuǎn)移法。反應(yīng)前向左盤中添加注射器，調(diào)節(jié)天平平衡；反應(yīng)后，用注射器抽取氣球內(nèi)的氣體至氣球癟下去。觀察天平是否平衡。原理：將氧氣裝移到不易變形的容器中，消除因變形而帶來的空氣浮力變化。②氧氣消耗法。事先在雙孔橡皮塞上固定一個燃燒匙，反應(yīng)前就在燃燒匙里裝上適量的白磷，調(diào)節(jié)天平平衡；反應(yīng)結(jié)束后，用凸透鏡匯聚太陽光照射白磷使其燃燒，冷卻至室溫后，觀察天平是否平衡。原理：白磷的著火點很低（40 ℃），聚光法可使其燃燒，且燃燒時消耗大量氧氣，使得氣球癟下去。③膠頭滴管法。將雙孔橡皮塞換成單孔橡皮塞，塞子上固定一只膠頭滴管（事先吸取一定量的雙氧水），調(diào)節(jié)天平平衡；將膠頭滴管內(nèi)的雙氧水全部緩緩滴加到錐形瓶中。反應(yīng)結(jié)束后觀察天平是否平衡。原理：膠頭滴管中的液體排空后可以吸收一定量的氣體，而又不會引起膠頭滴管的外形改變。

4.3 反思過程，總結(jié)提高

針對以上實驗方法，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行認(rèn)真反思，找出注意事項。1）使用注射器時要控制好藥品用量，避免出現(xiàn)注射器容積小于氣體體積的情況；2）白磷要足量，以確保氧氣可以消耗掉，并且為了讓氧氣與白磷充分反應(yīng)，可以用手將氣球中的氣體擠壓到錐形瓶中；3）使用膠頭滴管法的時候，反應(yīng)瓶的容積不要太小，以免因瓶內(nèi)氣體的增加而使塞子被彈出；4）實驗時完全可以將錐形瓶換成廣口瓶或平底燒瓶，但不宜換成試管，因為難以將試管固定在托盤天平的托盤上。

4.4 鼓勵評價

不要吝嗇贊美的語言，評價應(yīng)以贊揚和鼓勵為主。因此，教師應(yīng)以極大的熱情贊揚學(xué)生在探究過程中所付出的努力、取得的成績以及表現(xiàn)出來的嚴(yán)謹(jǐn)求實、互助合作的態(tài)度。同時對那些因?qū)嶒炂鞑牡瓤陀^因素而無法完成的實驗設(shè)計也要給予充分的肯定，認(rèn)可其正確的思維，鼓勵其自主探究的學(xué)習(xí)方式，增強學(xué)生的自信心。

5 探究反思

興趣是最好的老師。學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)的問題更能激起他們的探究欲望。在教學(xué)中要積極給學(xué)生創(chuàng)設(shè)發(fā)現(xiàn)問題的機會，鼓勵他們合作探究，幫助他們尋求解決問題的方法，真正成為學(xué)生學(xué)習(xí)的對話者、合作者、指導(dǎo)者。另外，探究實驗最好切合學(xué)生的知識增長點，從學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗出發(fā)，制造“憤悱”之機，引導(dǎo)學(xué)生用已知解決未知，不可過多補充其他知識，否則會讓學(xué)生失去探究興趣。因此，探究質(zhì)量守恒定律的實驗設(shè)計要從學(xué)生知道的化學(xué)反應(yīng)入手，而不宜使用其他學(xué)生未知的化學(xué)反應(yīng)。另外，在學(xué)生探究過程中，一定要注意培養(yǎng)學(xué)生的安全意識、環(huán)保意識，不宜采用產(chǎn)生易燃易爆氣體、有毒氣體等的化學(xué)反應(yīng)。

澳大利亞教育家比洛斯提出：只有當(dāng)學(xué)生積極想學(xué)而又懂得怎樣學(xué)習(xí)時，才能取得理想的結(jié)果。組織小組學(xué)習(xí)，最重要的是調(diào)動起學(xué)生強烈的學(xué)習(xí)愿望。這就需要教師必須更新觀念，改變教學(xué)方法，把學(xué)生看做學(xué)習(xí)的主人，除了設(shè)計符合學(xué)生認(rèn)知水平的探究主題外，還要有適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ笇?dǎo)，使學(xué)生能通過自己的努力獲得探究的成功，讓愉悅的成功感成為自主學(xué)習(xí)的動力。