“测定空气中氧气的含量”实验探究

胡巢生

一、探究的价值

以问题情景驱动科学探究活动，通过师生合作逐步探讨“测什么”、“在哪测”、“怎样测”3个问题，明确研究的对象是纯净物而不是混合物，测定的是氧气而不是空气。促使学生获得空气成分的相关知识，体验科学的实验方法，形成科学的思想观念。

1.药品的探究

由于初中生刚刚接触化学，对于燃烧什么物质把空气中的氧气消耗掉难以选择，教科书中使用的药品是红磷（图1），教师可以引导学生思考为什么用红磷，从红磷的用量展开探究，采用不同的用量让学生观察，根据观察结果去分析，明确只有红磷的量充足才能得到准确的结果。问题导引下形成假设，通过对进入集气瓶中的液体体积的情况分析，讨论用木炭、硫磺代替红磷是否可以？学生会想到木炭、硫磺燃烧的产物是气体，且消耗的氧气的体积恰好等于生成的气体的体积，密闭体系内气体的压强几乎没有变化。通过对比得出生成物必须是固体的要点。随着知识的积累，还可以尝试用铁丝、镁带等代替红磷，等得不到正确结论时再和学生们一起找原因，通过关注在实验操作、实验技能等方面的探究活动，引导学生对实验现象的观察和分析，回答出“测什么”的问题，使学生完成从简单应用到综合应用的升级。

2.实验装置的探究

实验装置的探究是解决“在哪测”的问题，很多人对实验装置进行了改进。为减少实验的误差，保证实验装置密闭，用白磷代替红磷，改用电热丝加热、凸透镜将太阳光聚焦加热、水浴加热等，仪器改为由集气瓶和烧杯组装、注射器和试管组装、玻璃钟罩和水槽组装等。对此，教师应理性地反思各种实验装置的设计思路，把构造简单、操作方便、现象直观的优秀的设计方案应用到我们的教学中。教师还可给出多种仪器选择，组装出更多的装置，小组讨论后找出优点。让学生自主探究，不仅可以使学生更加熟悉实验仪器，而且可以锻炼学生发散思维的能力，有利于培养学生的创新精神和实践能力。

3.实验结果的探究

在教学过程中，教师要对实验结果有多视角、多维度的分析，充分挖掘教学内容的功能价值，它不仅有承载知识本体的功能，也有承载能力培养的功能。进一步提出具有分析性的问题：为什么有时测量的水会少于五分之一，而有时会大于五分之一？集气瓶中剩余气体的性质如何？通过现象怎样得到结论？现象为什么能够得到结论？让学生初步学会用观察、实验的方法获取信息，并从信息中得出科学的结论的能力。科学探究中最重要、最核心的能力要素就是通过分析得到结论的能力。

4.测量方法的探究

测量方法是要解决“怎样测”的问题，教材的设计是编者提出问题又给出实验方案和结论。这种编排在形式上是探究，本质上却是验证，学生们很容易从课本实验得到结论，这不利于引导学生探究。我们可以根据学生的好奇心，把探究点着眼于能不能用不同的方法进行探究并得出结论。

在明确研究对象主体后，分析该如何将物质中的一种组分从主体中区分开来，通过师生的合作探究，得出应将氧气提取或消耗，提取氧气从理论上可行但实际上困难却很大，此时引导学生换个角度思考，将氧气从空气中消耗掉。如何将氧气从空气中消耗掉？怎样测定被消耗掉的这一组分？这里需要分析实验原理，明确氧气的化学性质，即氧气能与哪些物质发生化学反应？气压如何变化？从而确定所需的药品、仪器、操作。让学生体验化学与社会生活的联系，充分感受和领悟化学学科的价值。

化学史也是重要的学习素材，具有多种教学价值，如何充分利用拉瓦锡的实验，很好地挖掘史料的价值，也值得我们思考。

这几点不是在一次教学活动中就能完成的，特别是第四点的内容，即师生热烈讨论的测量方法的探究，应该在学习更多物质性质之后，至少在学习完氧气的性质，且学生对实验有较多感性认识之后，才能有效地完成探究，是该实验探究的高水平发展。

二、实验装置的改进

仪器用品：红磷、具支试管、橡胶塞、量筒、酒精灯、铁架台（带铁夹）、气球、注射器。

实验操作步骤及现象：

1.如图2所示：在具支试管中装入红磷，塞上橡胶塞，用小气球密封试管的支管口。移动注射器活塞，在注射器中留下一定体积的气体，记录体积V1后，插入橡胶塞中。根据酒精灯的高度，将试管固定在铁架台上。

2.用酒精灯在红磷部位加热，加热时不断推拉注射器活塞，气球忽大忽小，不断将小气球中的气体全部挤入试管中，使氧气反应更充分。

3.停止加热后，待试管冷却至室温，将气球内的气体全部挤入注射器内。待注射器活塞稳定后，读取并记录注射器中剩下的空气体积V2。

4.实验结束，清洗仪器后，将具支试管装满水并塞上塞子，再将试管中的水倒入量筒中，测出具支试管在塞上塞子的情况下的体积V3。

表1 实验数据记录

氧气体积V的计算：理论值=（V1+V3）/5，实验值=V1-V2。

实验改进评价：该实验采用具支试管和废弃的针管自制的装置，装置始终处于密闭状态，与外界无物质交换，减少了污染，对环境友好。通过推拉注射器活塞，使空气在注射器、具支试管和气球间来回传送。利用红磷作为耗氧剂，通过酒精灯的加热，使红磷获得持续的高温，即使在氧气浓度较低的情况下，也能与氧气发生缓慢氧化，直至氧气基本耗尽。借助小气球或大或小的变化，让学生观察到实验过程中装置内气压的变化。利用这一设计思路上的创新，简化了实验装置，增强了实验的可操作性、趣味性和可观察性。用注射器的刻度代替了“水”的体积，保证实验结果更接近真实值。从而培养学生定量研究化学问题、科学认识和控制误差的意识，提升了学生的科学素养。

实验注意点：做该实验时，红磷应足量，红磷平铺面积尽量大一些，这样可以尽可能与氧气反应。注射器不宜太小，太小体积变化不大，现象不明显，同时，注射器中预留的空气不能太少，否则实验结束后，消耗氧气的体积无法读出。实验过程中，应加强安全教育。

该实验的出发点就是通过对实验现象的分析和交流讨论得出结论，可以很好的训练学生的记录和表达能力，从而形成对空气中主要成分的认识，加深学生对知识的理解。利用实验过程，训练学生的科学探究能力，很好地体现了教师对科学探究要素和学生水平之间的有效融合。教师通过改进的实验，帮助学生认识到具支试管和注射器中空气的体积和消耗的氧气体积之间的关系，从而能够得出最终的结论。

问题的设计、实验的评价更加值得探讨和研究。体现了教师为引导，学生为主体的教学理念，使学生在面对问题、提出问题、分析问题、解决问题和得出实验结果等方面进行多角度反思，从而深化实验、完善实验、拓展实验、活化实验，以培养正确的实验操作技能和严谨的科学思维能力。通过对实验的探究，使学生对已掌握的知识有更深的理解，有利于培养他们热爱化学，学好化学的兴趣，不断探索未知的化学世界，更有利于促进教师专业化水平的不断提升。

参考文献

[1] 李德前.“测量空气里氧气体积分数”实验再改进.化学教育，2010（6）.

[2] 毕华林，卢嶶.全日制义务教育化学九年级上册.济南：山东教育出版社，2012.

[3] 李德前.探究空气中氧气的体积分数教学设计和反思.化学教育，2011（5）.