建构思维模型 创新实验手段——一道“测定空气中氧气含量”实验拓展题分析及引发的思考

福建省厦门市翔安第一中学(361101) 洪兹田 陈女婷

实验探究题是每年中考化学试题中最受关注的题型。纵观近年来全国各地的中考化学实验探究题，不难发现实验探究题越来越注重考查学生的实验与探究能力、“问题—证据—结论”间的推理意识和“科学探究与创新意识”等素养。2019年福建省中考实验探究题(第17题)以教材中“测定空气中氧气的含量”实验为原型进行拓展，考查测定密闭容器中某种气体(O2、CO2)的体积分数的实验探究。该实验探究题注重思维模型建构和实验手段的创新，今后无论是在新课的实验教学，还是在实验的复习备考中，都应引起师生足够重视。

1 试题分析

1.1 试题呈现

某兴趣小组开展“测定密闭容器中某种气体的体积分数”的探究实验。

实验1:按图1所示装置，用红磷燃烧的方法测定空气中氧气的体积分数。

实验2：按图2所示装置，在集气瓶内壁用水均匀涂附铁粉除氧剂(其中辅助成分不干扰实验)，利用铁锈蚀原理测定空气中氧气的体积分数。

(1)实验1中，红磷燃烧的主要现象是______。红磷熄灭后，集气瓶冷却至室温，打开K，水能倒吸入集气瓶的原因是_______。

(2)为提高实验的准确性，以上两个实验都需要注意的事项是(写一点)。

(3)实验过程中，连接数字传感器，测得实验1、实验2中氧气的体积分数随时间变化的关系分别如图3、图4所示。依据图3、图4中的信息，其中________(填“实验1”或“实验2”)的测定方法更准确，判断依据是_______。

(4)结合你的学习经验，若要寻找红磷或铁粉除氧剂的替代物。用图1或图2装置测定空气中氧气的体积分数，该替代物应满足的条件是________(写两点)。

实验3：测定用排空气法收集到的集气瓶中二氧化碳的体积分数。

(5)甲同学设计图5所示装置进行测定。浓NaOH溶液的作用是______(用化学方程式表示)。

(6)乙同学提出，仅利用图6所示装置，在不添加其他试剂的前提下，也能测得集气瓶中二氧化碳的体积分数。为达到实验目的，操作方法是_______。

1.2 试题解析

(1)本小题考查对红磷在空气中燃烧的现象描述和瓶内压强变化引起水倒吸的原因分析。红磷燃烧主要现象(略)，烧杯中水倒吸是由于红磷燃烧消耗O2导致瓶内气压减小。

答案:燃烧发出黄色火焰，放出大量热，产生大量白烟(或其他合理答案)；红磷燃烧消耗O2，导致集气瓶中气压减小，外界大气压将烧杯中的水压入集气瓶中。

(2)本小题考查测定空气中氧气体积分数实验的注意事项。从本质看，提高本实验准确性(或实验成功的关键因素)可从减小测定O2体积误差入手。

答案:保证装置气密性良好；所加的除氧剂(红磷、铁粉等)应足量(任写一点即可)。

(3)本小题考查测定空气中O2的体积分数应尽可能将O2消耗完。分析图3和图4可知，最终实验1和实验2剩余O2的体积分数分别为8.6%、接近0(几乎耗尽)。测定时应尽可能将O2消耗完，因此实验2测定方法更为准确。

答案:实验2；实验2反应后，实验1集气瓶中剩余O2的体积分数为8.6%，而实验2集气瓶中O2几乎耗尽。

(4)本小题考查测定空气中O2体积分数的实验原理。测量空气中O2的体积分数时，应满足:除氧剂应能消耗O2(或与O2反应)，生成物对实验测定结果无影响等。

答案:能消耗O2(或能与O2反应)；生成物对实验测定结果无影响。

(5)本小题考查元素化合物的性质:NaOH与CO2的反应方程式。

(6)本小题考查根据密闭装置中气体的压强与温度的关系，逆向设计操作方法。利用图6装置吸收CO2，应保证浓NaOH溶液能倒吸左边的集气瓶。此时可利用降温原理引起左边的集气瓶气压减小实现该目的。

答案:用冰水冷却集气瓶，打开K。

2 命题特点

2.1 回归教材基础实验，考查实验基本知识和基本技能

试题内容来自教材基础实验，突出对实验基本知识、基本技能和核心方法的考查。例如，本题的“实验1:用红磷燃烧的方法测定空气中O2的体积分数”内容涉及“测定空气中氧气含量”；“实验2:利用铁锈蚀原理测定空气中O2的体积分数”内容涉及“探究铁制品锈蚀条件”；“实验3:测定排空气法收集到的CO2的体积分数”内容涉及“NaOH溶液与CO2的反应”。试题考查常规的基本知识和基本技能。例如，红磷燃烧的实验现象；NaOH与CO2反应的方程式；水倒吸入集气瓶的原因；影响实验准确性的因素。

2.2 原理模型出自教材经典实验，考查模型迁移及应用拓展

实验素材出自教材经典实验“测定空气里氧气的含量”的原理模型。对于本题的第(4)问“寻找红磷或铁粉除氧剂的替代物应满足的条件”，即是考查上述原理模型的初步建构。通过分析红磷燃烧法的原理特点，归纳出测定空气里O2体积分数的除氧剂必须满足：能消耗O2(或与O2反应)，不与空气的其他成分反应，生成物对实验测定结果无影响。在此原理模型的启发下，学生不难理解“利用铁锈蚀原理测定空气中氧气的体积分数”的方法。同时，利用该原理模型可进一步延伸拓展到测定空气中的CO2(或其他气体)含量时吸收剂必须满足：能消耗CO2(或其他气体)反应，不与空气中的其他成分反应，生成物不影响CO2(或其他气体)的含量测定。

另外，本题实验3中图6所示装置测定集气瓶中CO2的体积分数其实质是使烧杯中的NaOH溶液进入(或倒吸入)集气瓶中。“制取氧气时，实验结束时若先停止加热，水槽中的水会倒吸到试管中”的原理就是利用降温原理引起气压降低，导致液体倒吸。受此原理模型的启发，学生容易想出“用冰水冷却集气瓶，引起集气瓶内气压降低，打开K，从而使NaOH溶液进入集气瓶中与CO2反应”。

2.3 融入新技术手段，考查“科学探究与创新意识”

试题以新技术手段应用为背景，考查学生的“科学探究与创新意识”素养。传统的一些化学实验存在精确度不高、实验效果不明显等弊端。数字化实验不仅可以弥补传统实验的上述不足，而且可以即时采集实验数据。例如，本题将数字传感器应用于传统的“用红磷燃烧的方法测定空气中O2的体积分数”“铁生锈实验”等实验。考查新技术手段在传统实验改进方面的应用，培养学生的“科学探究与创新意识”素养。值得关注的是，通过“氧气浓度传感器”来测定O2的体积分数，真正体现对定量化实验的精确度要求，也有利于引导初中化学教师研究数字传感器在实验教学中的应用。

2.4 信息呈现方式多元化，考查信息获取和加工能力

试题的信息呈现多元化，考查学生的信息接受、吸收、整合和数形结合的能力。

例如，本题不仅有文本信息，也有实验装置、坐标曲线(O2体积分数随时间变化的关系曲线)等。特别第(3)问要求学生在理解图3和图4“O2体积分数随时间的变化关系”曲线的基础上，更准确地测定空气中O2体积分数的方法并进行说理。由图3可以看出，在100 s左右，实验1集气瓶中剩余O2的体积分数保持在8.6%；在30 min左右，实验2集气瓶中剩余O2的体积分数在1%以下。能将空气中体积分数21%的O2尽可能消耗完(即剩余的O2尽可能少)的测定方法就越准确。因此，可以得出实验2的测定方法更准确。

2.5 重视学科思维方法的渗透，考查类比迁移和逆向思维设计

试题重视学科思维方法的渗透，考查学生的类比迁移思维和逆向思维设计。例如，本题实验3中图5的实验装置和实验1中图1的实验装置前后呼应，学生只需进行类比迁移即可理解图5的实验原理是利用NaOH溶液滴入集气瓶中和排空气法收集到的CO2反应，从而消耗CO2。第(6)问偏偏“反其道而行之”考查使NaOH溶液进入集气瓶(即倒吸)与收集到的CO2反应的操作方法。学生只需结合“降温气压减小引起倒吸”的原理进行逆向思维设计即可轻松突破“操作方法”的瓶颈问题。

2.6 通过真实的定量实验数据，考查学生实证意识和科学精神

利用真实的定量实验数据，考查学生的实证观念，培养学生尊重事实、证据和敢于质疑的科学态度。教材中利用红磷燃烧测定空气中氧气的体积分数，得出“消耗的氧气约占空气体积的1/5”的结论。绝大多数学生甚至部分教师都将此实验手段视为“权威”，事实上红磷燃烧无法将空气中的氧气完全消耗尽，也无法得出上述结论。本题第(3)问在传统的利用红磷燃烧测定空气中氧气体积分数的基础上，引入数字化传感器。重在考查学生的数据分析能力和思维能力，体现了新技术手段在传统实验中的改进和创新。部分学生可能会由于先入为主导致本题第(3)问中的最准确的测定方法错选了实验1(利用红磷燃烧法测定空气中O2的体积分数)，而与实验2(利用铁锈蚀原理测定空气中O2的体积分数)的测定方法失之交臂。这一命题手法与2018年福建省中考化学试题第15题第(3)小题考查“从坐标曲线信息出发选择催化效果好、反应温和的催化剂”如出一辙。当时多数学生受课本中“使用MnO2做过氧化氢分解制取O2实验”影响，先入为主错选“MnO2”。此类试题在引导学生要尊重实验事实和证据，敢于质疑，不生搬硬套课本“既定”结论方面做了有益的尝试，同时也起到教学纠偏的作用。

3 教学启示

3.1 多渠道开展实验教学，建构实验基本观念和提高实验探究能力

以实验为主的实践途径可为学生科学探究和意义建构提供直接或间接的证据。实验教学中不应仅仅停留在基本操作训练的层面，更应将其作为研究物质及其变化的重要方法和手段。实验教学中应立足课内的教师演示实验和学生分组实验(特别是《义务教育化学课程标准(2011版)》规定的8个必做分组实验)，拓展课外家庭小实验，充分发挥实验的认知功能、方法论和教学论功能。通过多渠道开展实验教学，让学生亲身经历科学探究的完整过程，突出对化学实验原理的深度理解。在建构知识的同时，系统掌握实验基本技能和科学方法，提高实验探究能力，形成实验基本观念。

3.2 重视课本实验素材的挖掘与拓展，领会实验操作的实质与内容

课本实验是培养学生“证据推理”“科学探究与创新意识”等核心素养的重要载体。许多实验试题的素材(或考点)或源于教材中实验，或进行若干改进及创新。要改变机械式的“照方抓药”的实验现状，强调思维过程参与。基于以下4个视角审视教材实验(或实验题中涉及的实验)中的实验操作实质。①基于“操作理论依据”视角认识操作原理；②基于“如何操作”视角认识操作方法；③基于“为什么要安排这样操作”视角认识操作目的；④基于“为何要这样操作”视角认识错误操作造成后果。

复习教学中要精心设计问题情境，提升互动品质、优化实验教学。尽可能组织学生进行实验方案设计和评价的教学研讨，启发学生从多维视角审视和反思实验探究过程中遇到的问题。倡导多样化实验方案设计和评价，训练学生思维的发散性、批判性、开放性和创造性。

3.3 应用问题启发探究，重视证据推理并形成思维模型

关注实验本质探究。实验过程中应围绕实验原理开展问题启发探究，充分发挥实验的教育功能并建构思维模型。探究过程中应引导学生对实验现象、实验数据及其他有效证据进行分析、推理，从而获得相关结论。例如，以“测定空气中氧气含量”实验教学为例，该实验基于物理学科的气压原理从定量角度研究化学问题。教学中教师可设置相关问题引导学生进行实验探究。首先，从胶头滴管吸液原理进行迁移认识压强原理。其次，从拉瓦锡的“测定空气里氧气的含量”实验引导学生分析作为氧气吸收剂的相关原理，进而理解课本实验原理，分析实验过程及实验现象，深度体验基于“问题-证据-结论”间的推理。最后，总结红磷燃烧法测定空气组成的特点，初步建构测定混合气体组成的思维模型。