測定空氣里氧氣含量實(shí)驗(yàn)的探究與創(chuàng)新

郭濤 孫汝中 王臣珠

摘要： 針對人教版教材中“測定空氣里氧氣含量”的實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因及不足，提出對這個(gè)實(shí)驗(yàn)的一些新認(rèn)識(shí)，認(rèn)為燃燒法的實(shí)驗(yàn)原理適合應(yīng)用于課堂演示。改進(jìn)了課堂演示實(shí)驗(yàn)，同時(shí)設(shè)計(jì)并開展了學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)可有效降低實(shí)驗(yàn)誤差，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 空氣里氧氣含量; 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 1005-6629（2019）12-0055-03? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

人民教育出版社義務(wù)教育教科書《化學(xué)》九年級上冊第二單元課題“空氣”中安排了“測定空氣里氧氣含量”的實(shí)驗(yàn)（如圖1所示），這個(gè)實(shí)驗(yàn)是初中化學(xué)第一個(gè)半定量實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生認(rèn)識(shí)了空氣的存在和空氣的成分，有利于正確建構(gòu)混合物和純凈物的概念[1]。在測定空氣中氧氣含量的同時(shí)，學(xué)生初步建立了定量研究思維，這對于培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，掌握科學(xué)的探究方法具有重要的啟蒙意義。

圖1? 人教版“測定空氣里氧氣含量”的實(shí)驗(yàn)裝置

我們調(diào)研了南陽市中心城區(qū)化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備較好的8所初中，發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)成功率大約50%左右。不少教師視這個(gè)實(shí)驗(yàn)為“雞肋”： 做了，實(shí)驗(yàn)效果欠佳;不做，授課缺少說服力。為此，我們對這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探究和改進(jìn)，與同仁分享交流。

1? “測定空氣里氧氣含量”實(shí)驗(yàn)的誤差分析及不足

（1） 集氣瓶瓶口與瓶體大小不一致，很難做到將水面上方空間均勻地5等分，引起測量的系統(tǒng)誤差。

（2） 實(shí)驗(yàn)裝置的導(dǎo)管比較長，其中也存有空氣，這部分空氣的體積和集氣瓶體積的1/5相比，是不能忽略的。而實(shí)驗(yàn)不計(jì)這部分體積，引起測量的系統(tǒng)誤差。

（3） 集氣瓶橫截面積比較大，水面上升高度的細(xì)微差異就會(huì)引起氣體體積的較大變化，引起實(shí)驗(yàn)誤差。

（4） 燃燒的紅磷放入集氣瓶的過程中，不斷放出熱量，會(huì)使集氣瓶中部分氣體受熱逸出，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。

（5） 紅磷劇烈燃燒，使集氣瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)突然增大，有可能使塞子松動(dòng)，導(dǎo)致裝置漏氣，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小;甚至?xí)?dǎo)致塞子彈出，使實(shí)驗(yàn)失敗。

（6） 實(shí)驗(yàn)操作缺少標(biāo)準(zhǔn)，不易把握。實(shí)驗(yàn)過程中，取多少紅磷？在燃燒匙中燃燒多少時(shí)間？什么時(shí)候把燃燒的紅磷伸入集氣瓶中？這些操作都是依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，缺少客觀的操作標(biāo)準(zhǔn)，不同的人操作，會(huì)產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（7） 紅磷在集氣瓶外點(diǎn)燃，會(huì)有P2O5白煙逸散到空氣中，污染課堂環(huán)境。

（8） 實(shí)驗(yàn)耗時(shí)比較長，長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)等待容易使學(xué)生失去實(shí)驗(yàn)興趣，出現(xiàn)教學(xué)“真空”。

2? “測定空氣里氧氣含量”實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)

對近十年來關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的期刊文獻(xiàn)55篇作了實(shí)證研究。發(fā)現(xiàn)不少實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過于理論化，忽略了基礎(chǔ)教育實(shí)際，甚至為“改進(jìn)”而改進(jìn)，把實(shí)驗(yàn)孤立在教材之外，弱化了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能。

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)思維的重要基礎(chǔ)[2]，只有扎根教材、研究教材、領(lǐng)會(huì)教材，才有可能開展符合學(xué)情的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。

從實(shí)驗(yàn)在教材中的位置來看，這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè)： 一是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到氧氣約占空氣體積的1/5。本實(shí)驗(yàn)是在為后面混合物和純凈物的學(xué)習(xí)做鋪墊，而不是要求非常精確地測定空氣里氧氣的含量！基于此，我們認(rèn)為不宜將精密的電子感應(yīng)裝置引入此實(shí)驗(yàn)，這些裝置固然可以得到較精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但卻明顯削弱了基礎(chǔ)教育階段化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究功能。教學(xué)要立足于基礎(chǔ)教育實(shí)際，領(lǐng)會(huì)教材意圖，設(shè)計(jì)符合初中生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。

二是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生初步建立定量研究意識(shí)，學(xué)會(huì)收集、分析實(shí)驗(yàn)證據(jù)，初步建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。基于此，我們要在實(shí)驗(yàn)中，盡可能校正誤差，培養(yǎng)學(xué)生的定量思維，提升學(xué)生的探究能力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，為學(xué)生終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

基于以上認(rèn)識(shí)，我們認(rèn)為這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)應(yīng)該立足于燃燒法。對于中學(xué)生來說，燃燒法的實(shí)驗(yàn)原理是最容易理解的，且反應(yīng)迅速，現(xiàn)象明顯，適合課堂演示。雖然這種方法在實(shí)際操作中還有一些不盡如人意的地方，但通過廣大教師同仁不懈的實(shí)驗(yàn)探索和優(yōu)化，并適當(dāng)開展一些探究性教學(xué)活動(dòng)，這些問題終會(huì)得到圓滿解決。

3? “測定空氣里氧氣含量”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新

我們在實(shí)驗(yàn)的環(huán)保性、數(shù)據(jù)的精確性和演示的簡潔性等方面進(jìn)行了探討和優(yōu)化，收到良好的實(shí)驗(yàn)效果。

[實(shí)驗(yàn)用品]

體積已五等分的硬質(zhì)玻璃管（15mm×250mm）、橡膠塞、單孔橡膠塞、玻璃導(dǎo)管（長3cm）、可放入硬質(zhì)玻璃管內(nèi)的鐵制容器、磁鐵、激光筆（250mW）、氣球、棉線、水槽、吸水紙;白磷、水

[實(shí)驗(yàn)裝置圖]

實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

圖2? “燃燒白磷測定空氣中氧氣含量”

的實(shí)驗(yàn)裝置

[實(shí)驗(yàn)步驟]

（1） 檢驗(yàn)裝置氣密性。

（2） 將玻璃導(dǎo)管的一端伸入單孔橡膠塞（玻璃導(dǎo)管剛露出橡膠塞即可），另一端套上氣球并用棉線固定。

（3） 將套有氣球的橡膠塞安裝到硬質(zhì)玻璃管的左端。

（4） 把載有白磷的鐵制容器（小鐵盒）放入硬質(zhì)玻璃管內(nèi)（白磷取綠豆大小，并用吸水紙吸干其表面水分）。

（5） 先把氣球內(nèi)的氣體排盡，再在硬質(zhì)玻璃管的右端安裝另一橡膠塞。

（6） 用激光筆（250mW）引燃白磷。并用磁鐵吸引小鐵盒在硬質(zhì)玻璃管內(nèi)緩慢移動(dòng)，使裝置內(nèi)的氧氣充分消耗。

（7） 待白磷不再燃燒，冷卻至室溫后，將硬質(zhì)玻璃管右端豎直伸入盛有水的水槽中，在水下取出橡膠塞。

（8） 調(diào)整硬質(zhì)玻璃管高度使水槽內(nèi)液面與管內(nèi)液面相平，待液面穩(wěn)定后，塞上橡膠塞。

（9） 把裝置移出水面，將硬質(zhì)玻璃管豎直（氣球端朝上），觀察液面高度。

（10） 整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)?；厥諏?shí)驗(yàn)用水。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]

液面高度達(dá)到1/5刻度處。

4? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 實(shí)驗(yàn)裝置簡單，操作簡便。

（2） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、明顯，可視性強(qiáng)。

（3） 實(shí)驗(yàn)在密閉容器內(nèi)進(jìn)行，比較環(huán)保。

（4） 將紅磷更換為白磷，大大降低了實(shí)驗(yàn)物質(zhì)的著火點(diǎn)，一方面白磷易被點(diǎn)燃，另一方面能使硬質(zhì)玻璃管中氧氣消耗更完全。

（5） 用小鐵盒承載白磷，在磁鐵作用下在管內(nèi)移動(dòng)，這有利于充分消耗試管中的氧氣，且方便實(shí)驗(yàn)后儀器的清洗。

（6） 用激光筆引燃白磷，清潔、高效。

（7） 將白磷放在密閉的玻璃管內(nèi)引燃，避免了氣體受熱膨脹、逸出引起的誤差。

（8） 實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)管很短，可避免導(dǎo)管過長引起的實(shí)驗(yàn)誤差。

（9） 實(shí)驗(yàn)排除了水的壓強(qiáng)對氣體體積產(chǎn)生的影響。

（10） 實(shí)驗(yàn)裝置體積小，節(jié)約藥品，符合環(huán)保理念。

（11） 實(shí)驗(yàn)操作標(biāo)準(zhǔn)化，成功率高。

5? “測定空氣里氧氣含量”實(shí)驗(yàn)的學(xué)生探究

在教學(xué)中，我們開展了基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)拓展活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用金屬氧化法自主設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)探究的樂趣，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)技能，提升學(xué)科素養(yǎng)。下面是我們研發(fā)的一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案。

[實(shí)驗(yàn)用品]

兩個(gè)同型號（350mL）的干燥的空礦泉水瓶、水槽、500mL量筒;還原性鐵粉（淘寶有售，又稱活性鐵粉）

[實(shí)驗(yàn)步驟]

（1） 先把一個(gè)空礦泉水瓶裝滿水，然后打開瓶蓋，將水全部倒入量筒中，測量水的體積（VmL）。

（2） 向另一個(gè)空礦泉水瓶中加入足量還原性鐵粉（加少許氯化鈉溶液），擰緊瓶塞。上下反復(fù)振蕩，觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象： 礦泉水瓶逐漸變扁，瓶身略微發(fā)熱。

（3） 待冷卻至室溫后，把變扁的礦泉水瓶口（朝下）浸入盛有水的水槽中。在水下打開瓶塞。觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象： 鐵粉散落到水槽中，礦泉水瓶中有水進(jìn)入，礦泉水瓶體恢復(fù)原狀。

（4） 在水下擰緊瓶塞，取出礦泉水瓶。然后打開瓶蓋，將水全部倒入量筒中，測量水的體積（MmL），這是消耗掉氧氣的體積。

（5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。

（6） 計(jì)算空氣里氧氣的體積分?jǐn)?shù)： VO2%=（MmL/VmL）×100%。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)小巧，操作性強(qiáng)，很好地控制了實(shí)驗(yàn)誤差，并且通過數(shù)據(jù)測定了空氣里氧氣的體積分?jǐn)?shù)，完成了由半定量分析到定量測定的突破，增強(qiáng)了學(xué)生的定量研究意識(shí)。

本實(shí)驗(yàn)探究立足于教材，設(shè)計(jì)符合初中生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知特點(diǎn)，易于學(xué)生接受。課堂演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，均有效控制了誤差，可以比較準(zhǔn)確地測定空氣中氧氣的含量，獲得了比較滿意的探究結(jié)果。我們深刻體會(huì)到，基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，有利于引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握科學(xué)探究方法，不斷提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鋒. 化學(xué)教學(xué)中基于多維視角促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展[J]. 化學(xué)教育， 2012， （6）： 30～32.

[2]李嵐. 中學(xué)化學(xué)中的實(shí)驗(yàn)與思維[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （1）： 8～10.

[3]朱鵬飛. 研究化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)需要關(guān)注的幾對關(guān)系[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （6）： 12～18.