瓶中的秘密
—— “空氣中有什么”實(shí)驗(yàn)探討

陳 曄

廈門市江頭中心小學(xué)

筆者多年從事四、五年級(jí)科學(xué)教學(xué)，在課堂教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，蘇教版科學(xué)教科書四年級(jí)上冊(cè)，《空氣中有什么》中的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很難自主根據(jù)此實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)所指出的結(jié)論。究竟是何原因？本文針對(duì)該實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)方案。

一、實(shí)驗(yàn)概要

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的方法是：（1）把蠟燭固定在玻璃片上，放進(jìn)有水的水槽中，點(diǎn)燃蠟燭；再用去掉底的飲料瓶罩上，然后立即蓋上瓶蓋，擰緊。（2）先把水槽的水加到與瓶?jī)?nèi)水面一樣高，再擰開飲料瓶的蓋子，把燃燒的火柴迅速插入瓶?jī)?nèi)。[1]

實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是：（1）蠟燭燃燒一會(huì)后熄滅，瓶?jī)?nèi)水位上升。（2）燃燒的火柴立即熄滅。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是：空氣至少有兩種成分，一種支持燃燒，一種不支持燃燒。

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)意圖是，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)空氣的成分并不是只有一種，而是至少有支持燃燒和不支持燃燒的兩種。也有教師會(huì)讓孩子在瓶子上畫線，把瓶子的容量五等分，再根據(jù)水位上升五分之一的現(xiàn)象，讓學(xué)生知道空氣中支持燃燒的成分約占五分之一，不支持燃燒的約占五分之四。

二、課堂實(shí)驗(yàn)情況簡(jiǎn)述

實(shí)驗(yàn)過(guò)后，四年級(jí)學(xué)生第一反應(yīng)會(huì)根據(jù)“蠟燭熄滅”這一現(xiàn)象說(shuō)出“瓶中沒(méi)有空氣了”這一觀點(diǎn)。但瓶中水位是上升五分之一，不難得出是瓶中的氣體少掉了五分之一，學(xué)生繼而提出新的觀點(diǎn)，主要有幾種具體表述：“瓶中的空氣變成了熱空氣”、“瓶中的某種氣體被燒掉了”、“瓶中的氣體變成了另一種氣體”。

之后的燃著火柴驗(yàn)證，火柴的火立即熄滅。部分學(xué)生認(rèn)為這說(shuō)明此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體“不能夠讓火燃燒了”，也有學(xué)生認(rèn)為，是因?yàn)槠孔用荛]不通風(fēng)導(dǎo)致火熄滅，甚至有學(xué)生認(rèn)為，“火柴可能有問(wèn)題，應(yīng)該用蠟燭試一下”。

三、實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)針對(duì)的是四年級(jí)的學(xué)生，他們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知還很有限，所以此處的分析都是拋開成人已有的科學(xué)認(rèn)知，建立在盡可能接近四年級(jí)學(xué)生認(rèn)知的基礎(chǔ)上，同時(shí)以成人的思維確保了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

（一）蠟燭在瓶中燃燒一會(huì)后逐漸熄滅

有學(xué)生認(rèn)為這是因?yàn)椤捌恐械目諝庾兂闪藷峥諝狻?，這樣理解的學(xué)生認(rèn)為，瓶中因?yàn)橄灎T燃燒，使得冷空氣變化為熱空氣，而熱空氣不支持燃燒，所以蠟燭、火柴的火熄滅了。

為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，筆者帶著學(xué)生等到瓶中的空氣冷卻之后再驗(yàn)證，火柴的火依然熄滅，有學(xué)生仍會(huì)認(rèn)為，“加熱過(guò)的空氣，即使冷卻，也不能用了”。概括起來(lái)就是瓶?jī)?nèi)空氣因?yàn)橄灎T的高溫而變質(zhì)了，所以不再能使蠟燭燃燒。

“熱空氣”的觀點(diǎn)站不住腳，但“變質(zhì)”的觀點(diǎn)也并非沒(méi)有道理，且以小學(xué)實(shí)驗(yàn)室的條件無(wú)法驗(yàn)證。

（二）瓶中水位上升

有學(xué)生認(rèn)為這是因?yàn)榧訜崾箍諝馐湛s了，也就是熱空氣的體積比冷空氣要小，“騰出”了空間，使水位上升。

根據(jù)教材的編排，熱脹冷縮是下一單元的內(nèi)容。雖說(shuō)熱脹冷縮可以認(rèn)為是生活常識(shí)，但現(xiàn)實(shí)也確實(shí)存在熱縮冷漲的例外。若驗(yàn)證，則需要引入一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)。

如果基于這個(gè)觀點(diǎn)，瓶中空氣被消耗掉一部分的結(jié)論將不成立。

（三）插入燃著的火柴，火立即熄滅

學(xué)生除了提出此時(shí)瓶中空氣不支持燃燒之外，還提出了另外兩種觀點(diǎn)。不支持火燃燒的觀點(diǎn)是正確的，但能夠自主理解到其意義的學(xué)生不超過(guò)半數(shù)。

（1）“瓶子密閉不通風(fēng)”導(dǎo)致火熄滅。筆者讓學(xué)生不點(diǎn)燃蠟燭，重復(fù)相同的實(shí)驗(yàn)步驟，發(fā)現(xiàn)火柴的火并不會(huì)立即熄滅，這種說(shuō)法很容易擊破，不加贅述。

（2）“火柴可能有問(wèn)題，應(yīng)該用蠟燭試一下”。四年級(jí)學(xué)生處于由具體形象思維向抽象思維過(guò)渡的階段[2]，思維靈活，會(huì)認(rèn)為蠟燭的火和火柴的火不是一種火。其次這也是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目捶?，就如同紙張的火可以被水撲滅，金屬鈉卻會(huì)因接觸水而著火一樣，蠟燭和火柴不是一類物質(zhì)，燃燒的條件不一定相同。用蠟燭來(lái)驗(yàn)證是可行的，但提高了實(shí)驗(yàn)的操作難度。

（四）“瓶中的某種氣體被燒掉了”和“瓶中的氣體變成了另一種氣體”

兩者都關(guān)注到了瓶中的空氣被消耗這一點(diǎn)，但它們是有很大不同的。這是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)核心問(wèn)題所在。

前者只關(guān)注了消耗。這樣理解的學(xué)生認(rèn)為蠟燭燃燒消耗了一部分空氣，其余的空氣由于“濃度不夠”，不能再被消耗，所以不支持燃燒了，這部分被消耗了，所以水位上升。這樣的理解沒(méi)有錯(cuò)誤。

后者側(cè)重消耗之后又有新的成分出現(xiàn)，這樣理解的學(xué)生認(rèn)為，瓶中原有的氣體是被完全消耗掉了，同時(shí)產(chǎn)生了一些新的氣體，而新的氣體被燃燒過(guò)了，不能再次燃燒，所以蠟燭、火柴的火熄滅了。至于水位上升，是因?yàn)樾職怏w的體積比原有的空氣小，“騰出”了空間，使水位上升。這樣的理解也沒(méi)有錯(cuò)誤。

前者關(guān)注了消耗，卻忽略了生成，蠟燭燃燒是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，是蠟燭和氧氣反應(yīng)，生成二氧化碳和水。事實(shí)是消耗1份氧氣，將生成約0.7份二氧化碳?xì)怏w，二氧化碳不易溶于水。有些學(xué)生會(huì)知道燃燒有二氧化碳生成，但不一定知道氧氣的消耗，不論知道與否，不消耗只生成，和有消耗也有生成，就與水位上升瓶?jī)?nèi)空氣變少的事實(shí)不符了，學(xué)生的前概念[3]反而成為了探究的障礙，看到現(xiàn)象時(shí)顯得茫然。

后者關(guān)注了瓶中原有空氣被消耗，之后又有新的成分出現(xiàn)。事實(shí)是約五分之一的空氣（氧氣）被消耗，剩下了約五分之四的空氣（氮?dú)猓珜?shí)驗(yàn)現(xiàn)象是無(wú)法看出來(lái)的。因此學(xué)生理解為五份的空氣被全部燃燒掉，產(chǎn)生了四份的“廢氣”，也是有道理的。

綜合上述分析：

蠟燭熄滅的現(xiàn)象可以得出的結(jié)論有：

①空氣中支持燃燒的部分被耗盡，剩不支持燃燒的；

②空氣被全部消耗，生成了不支持燃燒的新氣體；

③空氣高溫變質(zhì)。

水位上升五分之一的現(xiàn)象可以得出的結(jié)論有：

①空氣被消耗掉五分之一；

②空氣被全部消耗，生成的新氣體體積是原來(lái)的五分之四；

③空氣熱縮冷漲。

插入燃著的火柴或蠟燭，火立即熄滅的現(xiàn)象可以得出的結(jié)論有：

①瓶?jī)?nèi)剩余的氣體不支持燃燒；

②瓶?jī)?nèi)的是新產(chǎn)生的氣體，新氣體不支持燃燒；

③空氣高溫變質(zhì)。

同樣的現(xiàn)象能得出不同結(jié)論，其中第①個(gè)是正確結(jié)論，其它是錯(cuò)誤但無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)論。這些現(xiàn)象貫穿了整個(gè)實(shí)驗(yàn)，包含了實(shí)驗(yàn)的所有重要操作和現(xiàn)象。據(jù)此筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)。

四、實(shí)驗(yàn)新方案提出和探討

針對(duì)上述分析指出實(shí)驗(yàn)的不足，以下提出新實(shí)驗(yàn)方案：

實(shí)驗(yàn)方法是：（1）把去掉底的飲料瓶放進(jìn)有水的水槽中，將燃燒匙固定在飲料瓶蓋上，放入紅磷，點(diǎn)燃，然后立即蓋上瓶蓋，擰緊，讓紅磷在瓶中燃燒，觀察現(xiàn)象。（2）先把水槽的水加到與瓶?jī)?nèi)水面一樣高，待實(shí)驗(yàn)裝置稍冷卻后，再擰開飲料瓶的蓋子取出燃燒匙，再次把紅磷點(diǎn)燃并迅速插入瓶?jī)?nèi)，觀察現(xiàn)象。（3）先蓋好瓶蓋，把鎂條點(diǎn)燃，觀察其在空氣中燃燒的現(xiàn)象，然后迅速插入瓶?jī)?nèi)，觀察現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)點(diǎn)在于：（1）紅磷燃燒只消耗氧氣，并且只產(chǎn)生五氧化二磷固體，能在很大程度上消除干擾。中學(xué)化學(xué)教材亦是采用這種方法[4]。（2）紅磷只能和空氣中的氧氣反應(yīng)，而鎂條不僅能和氧氣反應(yīng)，還能和氮?dú)?、二氧化碳反?yīng)，生成物都是固體，燃燒時(shí)現(xiàn)象明顯（發(fā)出強(qiáng)光），容易區(qū)分現(xiàn)象；并且鎂條與氧氣、氮?dú)?、二氧化碳反?yīng)的產(chǎn)物外觀不同，容易辨認(rèn)。

缺點(diǎn)在于：（1）紅磷、鎂條并非小學(xué)生日常接觸的物品。（2）紅磷燃燒時(shí)異味略大于蠟燭。

綜合起來(lái)，這種的方案（1）降低了化學(xué)反應(yīng)生成物對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾；（2）從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上更易區(qū)分；（3）實(shí)驗(yàn)步驟雖然增多，但多是簡(jiǎn)單重復(fù)，沒(méi)有使實(shí)驗(yàn)更復(fù)雜；（4）提高了實(shí)驗(yàn)的探究性和思考空間。