巧用改進(jìn)實(shí)驗(yàn)突破初中化學(xué)教學(xué)難點(diǎn)
——以“測定空氣中氧氣的含量”為例

湖北省武漢市武漢一初慧泉中學(xué)(430022) 李 雪湖北省武漢市第一初級中學(xué)(430024) 李少坤

1 研究背景

人教版義務(wù)教育九年級化學(xué)教科書設(shè)計(jì)了“測定空氣中氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了拉瓦錫研究空氣組成的實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生可以通過此實(shí)驗(yàn)獲得空氣成分的相關(guān)知識，還能體驗(yàn)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，初步形成科學(xué)的思想觀念。

學(xué)生學(xué)習(xí)此部分內(nèi)容時(shí)存在以下難點(diǎn)：

(1)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的時(shí)間不長，實(shí)驗(yàn)探究能力比較欠缺，難以掌握較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方法；

(2)此部分內(nèi)容涉及氣體壓強(qiáng)相關(guān)知識，而氣體壓強(qiáng)在物理學(xué)科中都是教學(xué)難點(diǎn)，因此學(xué)生難以理解此實(shí)驗(yàn)的原理，難以理解實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)的原因(如：①裝置氣密性要良好;②紅磷要足量;③等裝置冷卻至室溫再打開彈簧夾讀數(shù)；④實(shí)驗(yàn)時(shí)將燃著的紅磷迅速伸入瓶中并塞緊橡皮塞等)；

(3)實(shí)驗(yàn)測定的是空氣中氧氣的含量，學(xué)生難以理解“為什么可以用吸入瓶中水的體積來表示空氣中氧氣的體積”；

(4)通常情況下空氣是無色氣體，學(xué)生無法直接觀察氣體受熱膨脹逸出的過程，因而難以理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大的原因。

針對此實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，筆者查閱與“測定空氣中氧氣的含量”相關(guān)文獻(xiàn)，研究成果主要有以下兩大類。

第一類以阮守朋、魯榮、王培明、張潔、胡巢生等教師為代表，他們從藥品種類、用量，以及實(shí)驗(yàn)裝置等角度對此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到操作簡單、現(xiàn)象明顯、結(jié)果準(zhǔn)確、減少污染、趣味性強(qiáng)、節(jié)省時(shí)間等目的。

第二類以錢作偉、魏伯陽、阮芬芬等教師為代表，他們通過數(shù)字傳感器技術(shù)測量實(shí)驗(yàn)相關(guān)量的方法對此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識和定量研究意識，或研究出造成教材的做法無法驗(yàn)證空氣中氧氣實(shí)際含量的主要原因，或增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果的直觀性等目的。

以上研究成果并沒有有效解決學(xué)生學(xué)習(xí)此部分內(nèi)容時(shí)存在的教學(xué)難點(diǎn)，為解決上述教學(xué)難點(diǎn)，筆者將此實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程進(jìn)行改進(jìn)，取得了很好的教學(xué)效果，具體過程如下。

2 改進(jìn)過程與改進(jìn)方法

2.1 創(chuàng)設(shè)支架式實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，有效化解教學(xué)難點(diǎn)

支架式教學(xué)是基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論提出的一種以學(xué)習(xí)者為中心，以培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和自主學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)的教學(xué)方法。該教學(xué)法是指一步一步地為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供適當(dāng)?shù)?、小步調(diào)的線索或提示(支架)，讓學(xué)生通過這些支架一步一步攀升，逐漸發(fā)現(xiàn)和解決學(xué)習(xí)中的問題，掌握所要學(xué)習(xí)的知識，提高問題解決能力。以此理論為指導(dǎo)，筆者創(chuàng)設(shè)了如下實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，促進(jìn)學(xué)生理解為什么水可以吸入瓶中，以及吸入瓶中水的體積與瓶中減少氣體體積之間的關(guān)系，有效地化解了教學(xué)難點(diǎn)。

2.1.1 呈現(xiàn)圖片，提出問題

先呈現(xiàn)如圖1所示的實(shí)驗(yàn)情境圖片，再提出問題。

圖1 抽氣吸水實(shí)驗(yàn)

提出問題1：向外拉動(dòng)注射器的活塞，預(yù)測會(huì)有什么現(xiàn)象產(chǎn)生？為什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象？

引導(dǎo)學(xué)生分析：因?yàn)橄蛲饫瓌?dòng)注射器的活塞時(shí)，會(huì)抽出錐形瓶中的氣體，導(dǎo)致瓶中氣體減少，瓶中氣壓降低，小于外界大氣壓，大氣壓將量筒中的水壓入錐形瓶中。

提出問題2：預(yù)測從量筒流入錐形瓶中水的體積與錐形瓶中減少的氣體體積(即注射器中向外抽出的氣體體積)之間有什么關(guān)系？為什么會(huì)產(chǎn)生這種結(jié)果？

引導(dǎo)學(xué)生分析：向外抽氣時(shí)，瓶中氣體減少，瓶中氣壓降低，小于外界大氣壓；水流入瓶中后，瓶中氣壓升高，當(dāng)流入瓶中水的體積與瓶中減少的氣體體積相等時(shí)，瓶中氣壓恢復(fù)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，與外界大氣壓相等，水不再繼續(xù)流入瓶中。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)演示，形成認(rèn)知

接下來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證之前的預(yù)測，形成認(rèn)知。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 抽氣吸水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰、直觀地呈現(xiàn)了水吸入瓶中的過程，以及量筒示數(shù)變化和注射器示數(shù)變化之間的關(guān)系，學(xué)生很容易形成以下認(rèn)知：當(dāng)瓶中氣體減少時(shí)，瓶中氣壓降低，水會(huì)沿導(dǎo)管流入瓶中，且流入瓶中水的體積與瓶中減少的氣體體積相等；學(xué)生也很容易理解、掌握用流入瓶中水的體積來表示瓶中氧氣體積的實(shí)驗(yàn)方法——替換法。

接下來引導(dǎo)學(xué)生探究既能消耗瓶中氧氣，又能減少瓶中氣體體積的方法，即選擇燃燒紅磷或白磷，消耗瓶中氧氣生成固體，使瓶中氣體減少，氣壓降低，導(dǎo)致水吸入瓶中，并利用吸入瓶中水的體積來表示瓶中氧氣體積的方法來測定空氣中氧氣的含量。經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生很容易理解此實(shí)驗(yàn)的原理、掌握此實(shí)驗(yàn)的方法，有效地突破教學(xué)難點(diǎn)。

2.2 改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)裝置，有效化解教學(xué)難點(diǎn)

磷燃燒時(shí)放出熱量，導(dǎo)致瓶中氣體受熱膨脹，瓶內(nèi)氣壓變大。因此，若將燃著的磷緩慢伸入瓶中再蓋緊橡皮塞，或者此實(shí)驗(yàn)沒有夾緊彈簧夾(或彈簧夾沒有夾)，都會(huì)導(dǎo)致瓶中氣體受熱膨脹逸出，使最終的測定結(jié)果偏大；磷停止燃燒后，若立即讀數(shù)會(huì)導(dǎo)致測定結(jié)果偏小。由于學(xué)生不能直接觀察到瓶中氣體受熱膨脹逸出的現(xiàn)象，因此對以上結(jié)果偏差的分析以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，只能建立在教師講授或師生通過理論推理的基礎(chǔ)上完成，學(xué)生較難理解和掌握，導(dǎo)致教學(xué)效果大打折扣。

為了解決此教學(xué)難點(diǎn)，筆者將教材實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)出氣體受熱膨脹產(chǎn)生的直觀現(xiàn)象，讓學(xué)生親身體驗(yàn)瓶中氣壓變化以及氣體或水的流動(dòng)，有效化解教學(xué)難點(diǎn)，取得了很好的教學(xué)效果。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

集氣瓶(實(shí)測容積為280 mL)、燃燒匙、橡皮塞、導(dǎo)管、燒杯、彈簧夾、250 mW激光筆、白磷、紅墨水、水。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

2.2.3 實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)1

(1)連接儀器，檢查裝置的氣密性。

(2)向瓶中倒入80 mL紅水，夾緊彈簧夾，在燃燒匙中加入足量白磷。

(3)點(diǎn)燃白磷后，將燃著的白磷迅速伸入集氣瓶內(nèi)，塞緊橡皮塞。

(4)待白磷熄滅，裝置冷卻至室溫后打開彈簧夾，可觀察到水沿導(dǎo)管流入瓶中，進(jìn)入水的體積約占瓶中空氣體積的1/5。

通過以上實(shí)驗(yàn)操作和現(xiàn)象，讓學(xué)生體驗(yàn)完整的探究過程，形成科學(xué)認(rèn)知，然后進(jìn)行如下教學(xué)過程。

提出問題：如果去掉彈簧夾，請同學(xué)們預(yù)測會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是什么？

2.2.4 實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)2

(1)連接儀器，檢查裝置的氣密性。

(2)向瓶中倒入80 mL紅水(實(shí)驗(yàn)過程中，瓶內(nèi)導(dǎo)管末端應(yīng)一直處于水面以下，防止氣體從導(dǎo)管中逸出)，去掉彈簧夾，在燃燒匙中加入足量白磷后將其放入集氣瓶中，塞緊橡皮塞。

(3)用激光筆點(diǎn)燃白磷，觀察到白磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙，瓶壁發(fā)熱，瓶中的水沿導(dǎo)管向燒杯中流動(dòng)，瓶中水面下降。接下來燒杯中的水沿導(dǎo)管流入瓶中，瓶中水面升高。待白磷熄滅，裝置冷卻至室溫后，觀察到瓶中水面最終處于瓶中空氣體積的約1/5處。

在此實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以切身體驗(yàn)白磷燃燒放熱的現(xiàn)象；能直觀觀察到白磷燃燒放出熱量導(dǎo)致瓶中氣體受熱膨脹，氣壓變大，導(dǎo)致瓶中的水被壓入燒杯中的現(xiàn)象；還能直觀觀察到氧氣被反應(yīng)生成固體后，瓶內(nèi)氣壓降低，導(dǎo)致燒杯中的水被吸入瓶內(nèi)的現(xiàn)象。

通過探究活動(dòng)2，學(xué)生很容易理解白磷燃燒放出熱量，使瓶內(nèi)氣體受熱膨脹對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，如應(yīng)保持裝置的氣密性良好、應(yīng)將燃著的白磷迅速放入瓶內(nèi)并塞緊橡皮塞、應(yīng)等裝置冷卻至室溫后再打開彈簧夾讀數(shù)等實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。此改進(jìn)實(shí)驗(yàn)還有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)求真、精益求精的科學(xué)態(tài)度與精神，幫助學(xué)生樹立綠色環(huán)保的理念。

3 教學(xué)反思

在化學(xué)教學(xué)中，我們經(jīng)常會(huì)遇到各種教學(xué)難點(diǎn)，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)之前，我們應(yīng)提前思考清楚以下幾個(gè)問題：學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)是什么？造成此難點(diǎn)的原因是什么？結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和認(rèn)知規(guī)律，我們有哪些方法突破教學(xué)難點(diǎn)？

劉知新教授指出化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有認(rèn)識論、方法論和教學(xué)論的功能，巧用化學(xué)實(shí)驗(yàn)是突破難點(diǎn)的常用方法之一。在教學(xué)過程中，我們可以對教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理改進(jìn)和優(yōu)化，以此突破教學(xué)難點(diǎn)，提升教學(xué)的有效性。