“空氣中氧氣含量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與擴(kuò)展

李鼎 石陽(yáng)

摘要： 以“空氣中氧氣含量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例，提出在教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)貫徹“以融合促發(fā)展”的思想，即依托傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生使用DIS傳感器開(kāi)展分組實(shí)驗(yàn)。兩者的融合不僅能充分發(fā)揮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的教學(xué)價(jià)值，還能對(duì)該實(shí)驗(yàn)形成積極有效的擴(kuò)展，讓學(xué)生獲得更為豐富的科學(xué)探究體驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

關(guān)鍵詞： 空氣中氧氣含量測(cè)定； 氧氣傳感器； DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2022）11-0065-05

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題提出

“空氣中氧氣含量的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)是“空氣的組成”這一教學(xué)單元中最為核心的內(nèi)容，涉及到燃燒、氧化以及質(zhì)量守恒等基本的化學(xué)概念，因此備受重視。

現(xiàn)行初中化學(xué)教材中該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想源于拉瓦錫著名的“12天實(shí)驗(yàn)”或“20天實(shí)驗(yàn)”［1］，一般采用燃燒或氧化法測(cè)定燃燒或氧化前后空氣體積的變化數(shù)據(jù)，分別以“水-氣置換”或氣球縮小為表征，得出氧氣約占空氣體積1/5的結(jié)論。其中，魯教版化學(xué)教材采用了銅氧化法［2］，而人教版、滬教版和粵教版等化學(xué)教材則采用了傳統(tǒng)的紅磷燃燒法。筆者認(rèn)為相比之下，魯教版化學(xué)教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更能夠體現(xiàn)拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的精髓，不僅使用銅的氧化反應(yīng)大幅縮短了實(shí)驗(yàn)周期，而且使用氣球直觀地顯示了反應(yīng)消耗氧氣導(dǎo)致的氣壓變化現(xiàn)象，避免了紅磷燃燒產(chǎn)生的五氧化二磷有害氣體對(duì)課堂環(huán)境的污染，更適合課堂演示實(shí)驗(yàn)。

但是無(wú)論上述哪一種實(shí)驗(yàn)方式，都面臨著繼續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)的挑戰(zhàn)。一線教師針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提出了以下意見(jiàn)：（1）實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)繁瑣，實(shí)驗(yàn)操作對(duì)教師的技能要求比較高［3］；（2）紅磷燃燒會(huì)產(chǎn)生有害氣體［4］；（3）所用器皿和導(dǎo)管不規(guī)則，且其內(nèi)存有殘留空氣，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)存在較大誤差［5］；等等。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

借助DIS改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，不是簡(jiǎn)單的手段替代，而是在厘清原有實(shí)驗(yàn)基本思維邏輯的基礎(chǔ)上，基于教學(xué)需求重新展開(kāi)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 對(duì)拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的再認(rèn)識(shí)

當(dāng)年拉瓦錫在設(shè)計(jì)12天和20天實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，是科學(xué)家們開(kāi)始質(zhì)疑并準(zhǔn)備推翻燃素說(shuō)的前夜，其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于揭示燃燒和氧化的本質(zhì)。因此，無(wú)論12天實(shí)驗(yàn)還是20天實(shí)驗(yàn)，都是遵循了先確定空氣中有某種成分參與了反應(yīng)，再測(cè)量參與反應(yīng)的空氣成分在空氣中的大致占比的原則。鑒于科學(xué)認(rèn)知體系和測(cè)量手段的雙重空白，拉瓦錫創(chuàng)造性地采用了間接測(cè)量法和等效替代法解決了上述兩個(gè)問(wèn)題，成為了化學(xué)史上的一個(gè)里程碑。這是傳統(tǒng)化學(xué)教材一直尊重并延用其實(shí)驗(yàn)思路的原因。

2.2 教學(xué)需求的改變

但是，由于小學(xué)科學(xué)教育的有效鋪墊，氧氣作為空氣的基本成分和燃燒的基本條件之一，已經(jīng)成為當(dāng)前小學(xué)畢業(yè)生的常識(shí)。這一點(diǎn)在2022年版義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中已有體現(xiàn)：“了解空氣的主要成分；通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)識(shí)氧氣、二氧化碳的主要性質(zhì)，認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)與用途的關(guān)系（內(nèi)容要求）”“探究空氣中氧氣的含量（學(xué)習(xí)活動(dòng)建議）”等［6］。這說(shuō)明，新課標(biāo)針對(duì)空氣成分的實(shí)驗(yàn)和探究要求已經(jīng)由拉瓦錫時(shí)代面臨的兩個(gè)問(wèn)題——確定空氣中存在參與反應(yīng)的成分并測(cè)量其含量，演變成了一個(gè)問(wèn)題：測(cè)量參與反應(yīng)的成分（氧氣）在空氣中的含量。因此，如果再使用與拉瓦錫類似的實(shí)驗(yàn)，客觀上就造成了目標(biāo)和手段的不匹配。因此，通過(guò)采用直接測(cè)量法獲取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的氧氣含量數(shù)值來(lái)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)具備了相當(dāng)?shù)暮侠硇浴?/p>

2.3 使用直接測(cè)量法測(cè)量空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用DIS傳感器測(cè)量空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。

儀器和器材：XX品牌氧氣傳感器；傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊等。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)操作：將數(shù)據(jù)顯示模塊與氧氣傳感器連接，打開(kāi)數(shù)據(jù)顯示模塊電源，當(dāng)前環(huán)境中氧氣的含量立即顯示在數(shù)據(jù)顯示模塊的液晶屏上。

該數(shù)據(jù)顯示模塊具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可記錄較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)變化過(guò)程，并利用特定程序上傳至計(jì)算機(jī)，以供實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。上述實(shí)驗(yàn)裝置基于移動(dòng)測(cè)量而設(shè)計(jì)，便于對(duì)不同環(huán)境下的氧氣含量數(shù)值進(jìn)行測(cè)量和比較。在實(shí)驗(yàn)室里，亦可采用“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算機(jī)”的傳統(tǒng)連接方式，直接將氧氣傳感器的測(cè)量值上傳至計(jì)算機(jī)。

3 立足DIS與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)融合的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 引入新技術(shù)造成的傳統(tǒng)斷裂

引入DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段之后，大部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基本裝置和操作過(guò)程得到了保留，同時(shí)實(shí)驗(yàn)精度和效率獲得了顯著提高，這確保了傳統(tǒng)的延續(xù)和新技術(shù)的推廣。但本實(shí)驗(yàn)確實(shí)是一個(gè)特例——引入傳感器將直接獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基本裝置、反應(yīng)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)操作便顯得毫無(wú)意義。這不禁引發(fā)了筆者的思考。早就有科學(xué)哲學(xué)家指出：因?yàn)槲拿鞯陌l(fā)展，我們失去了美感［7］。隨著自動(dòng)機(jī)械和機(jī)器的引入，特別是工業(yè)革命后，技術(shù)與藝術(shù)相分離，技術(shù)被降低為單純地對(duì)時(shí)間、空間、能量的征服。在這種條件下，生產(chǎn)量雖然空前增加，但技術(shù)卻失去了美感，人被降低為依附于機(jī)器的生產(chǎn)部件［8］。

盡管傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜、繁瑣甚至還有污染，但其基本裝置、反應(yīng)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)操作畢竟既承載了豐富的科學(xué)內(nèi)容、精巧的設(shè)計(jì)思想，又構(gòu)成了科學(xué)史教育的素材，因此必然擁有相應(yīng)的教育價(jià)值和與生俱來(lái)的美感。筆者雖然長(zhǎng)期致力于DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的研究與開(kāi)發(fā)，但不愿看到引入新技術(shù)后造成學(xué)生科學(xué)認(rèn)知經(jīng)歷的缺失。

3.2 新舊實(shí)驗(yàn)手段的再融合

在對(duì)美國(guó)AP高中物理教材進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)該教材通過(guò)采用“并行給出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，由教師自行決定采用何種實(shí)驗(yàn)手段”的策略，有效避免了對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不熟悉的資深教師對(duì)新實(shí)驗(yàn)手段的抵觸。同時(shí)又因?yàn)樗x擇的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)均具備解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)“痛點(diǎn)”的顯著優(yōu)勢(shì)，反而有效推進(jìn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐［9］。經(jīng)過(guò)反復(fù)思考與實(shí)踐，筆者逐步形成了“以融合促發(fā)展”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路：

（1） 教師在“空氣中的氧氣含量”的授課過(guò)程中，對(duì)拉瓦錫的12天和20天實(shí)驗(yàn)做簡(jiǎn)單的回顧，特別要提煉出拉瓦錫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本邏輯。

（2） 教師可以按照傳統(tǒng)教材中的實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、理解變化過(guò)程、總結(jié)相應(yīng)規(guī)律。對(duì)于實(shí)驗(yàn)誤差，教師不必過(guò)于在意。

（3） 完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示之后，教師可向?qū)W生介紹DIS氧氣傳感器和其他傳感器，演示操作過(guò)程、展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，向?qū)W生呈現(xiàn)因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步而帶來(lái)的直接測(cè)量法對(duì)間接測(cè)量法的取代。

（4） 設(shè)計(jì)幾個(gè)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，將DIS氧氣和其他類型的傳感器作為監(jiān)控設(shè)備用于實(shí)時(shí)獲取、顯示及全程記錄實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生在借助數(shù)據(jù)表征建立更為深刻的科學(xué)認(rèn)知的同時(shí)，掌握在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用各種傳感器的方法。

3.3 DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展

基于DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)融合的思路，設(shè)計(jì)了四個(gè)與空氣中氧氣含量測(cè)量有關(guān)的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)既可以成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，也能夠作為研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)、自主探究的參照或指導(dǎo)。

3.3.1 木條燃燒過(guò)程中氧氣含量變化研究

儀器、器材及試劑：X品牌數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、集氣瓶、帶孔橡膠塞、木條和火柴

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)步驟：按圖2搭建實(shí)驗(yàn)裝置，將氧氣傳感器探頭插入到帶孔橡膠塞頂部，將木條插入帶孔橡膠塞底部，如圖3所示。利用火柴點(diǎn)燃木條，并將橡膠塞迅速插入集氣瓶口，觀察氧氣數(shù)據(jù)及曲線變化，待燃燒停止且集氣瓶冷卻后停止數(shù)據(jù)收集。

數(shù)據(jù)分析：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前集氣瓶?jī)?nèi)空氣的氧氣含量與外部相同。點(diǎn)燃木條后，瓶中氧氣有小幅度的上升（上升的原因在于：木條燃燒導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)空氣膨脹、壓強(qiáng)升高，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)透過(guò)氧氣傳感器敏感器件的氧氣分子增加）。隨后，燃燒迅速消耗瓶中的氧氣，氧氣含量呈下降趨勢(shì)。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，瓶?jī)?nèi)氧氣含量由初始值20.9%下降至11.7%（見(jiàn)圖4）。本實(shí)驗(yàn)利用DIS氧氣傳感器測(cè)定并實(shí)時(shí)顯示、記錄了木條燃燒過(guò)程中集氣瓶?jī)?nèi)氧氣的變化，并通過(guò)數(shù)據(jù)的差值和過(guò)程圖線給出了氧氣含量的直接表征。

3.3.2 蠟燭燃燒過(guò)程中的氧氣含量測(cè)定

儀器、器材及試劑：X品牌數(shù)據(jù)采集器、采集器無(wú)線接口、傳感器無(wú)線發(fā)射模塊、氧氣傳感器、鐘罩、橡膠塞、蠟燭和點(diǎn)火槍實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)步驟：將氧氣傳感器與傳感器無(wú)線發(fā)射模塊連接。打開(kāi)無(wú)線發(fā)射模塊開(kāi)關(guān)，將兩者均置于鐘罩內(nèi)部，將換裝無(wú)線接口的數(shù)據(jù)采集器接入計(jì)算機(jī)。打開(kāi)鐘罩上方的橡膠塞，用點(diǎn)火槍點(diǎn)燃鐘罩內(nèi)的蠟燭。迅速蓋緊橡膠塞，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)變化（見(jiàn)圖6）。

數(shù)據(jù)分析：蠟燭點(diǎn)燃后鐘罩內(nèi)氧氣含量呈下降趨勢(shì)，當(dāng)氧氣含量降為15.8%時(shí)蠟燭熄滅。由此可知：蠟燭燃燒對(duì)氧氣含量的要求高于木條燃燒，其對(duì)氧氣的消耗率也低于木條燃燒。該實(shí)驗(yàn)利用了X品牌傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間的無(wú)線通訊功能，避免了有線傳輸可能會(huì)給鐘罩密封性造成的影響。該模式可廣泛應(yīng)用于其他類型的密封實(shí)驗(yàn)。

3.3.3 “暖寶寶”內(nèi)芯材料發(fā)熱過(guò)程中氧氣含量變化研究

儀器、器材及試劑：X品牌數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、250mL三口分體燒瓶、帶孔橡膠塞×3、“暖寶寶”內(nèi)芯材料1整袋（約25g）實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)步驟：根據(jù)圖7搭建實(shí)驗(yàn)裝置，將三種傳感器連入數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)。將氧氣、溫度和壓強(qiáng)傳感器的探頭透過(guò)帶孔橡膠塞插入分體燒瓶蓋子的三個(gè)插口。打開(kāi)燒瓶中“暖寶寶”內(nèi)芯釋放出黑色粉末，迅速蓋緊燒瓶，即可獲得如圖8所示的氧氣、壓強(qiáng)和溫度數(shù)據(jù)初始值、當(dāng)前值及變化曲線。

其中，位于圖像上方呈下降趨勢(shì)的圖線為壓強(qiáng)

曲線，中間為溫度曲線，下方為氧氣曲線。

數(shù)據(jù)分析：“暖寶寶”內(nèi)芯中的主要成分是鐵粉、氯化鈉、木炭粉、水等，接觸空氣之后，即發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗空氣中的氧氣，釋放熱量并降低燒瓶中的壓強(qiáng)。由圖8可見(jiàn)，該反應(yīng)對(duì)氧氣的消耗率超過(guò)了木條燃燒。

3.3.4 利用氧氣傳感器監(jiān)測(cè)過(guò)氧化氫分解過(guò)程中氧氣含量變化

儀器、器材及試劑：X品牌數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、帶孔橡膠塞、帶注射器的塑料錐形瓶（自制）、藥匙、電子天平、蒸餾水、過(guò)氧化氫溶液、二氧化錳粉末

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)步驟：利用電子天平稱量0.1g二氧化錳粉末，并轉(zhuǎn)移至錐形瓶中，隨后按照?qǐng)D9進(jìn)行儀器組裝。用注射器向錐形瓶加入3%過(guò)氧化氫溶液2.5mL，觀察氧氣數(shù)據(jù)及曲線變化，待反應(yīng)結(jié)束后停止數(shù)據(jù)收集（見(jiàn)圖10）。

數(shù)據(jù)分析：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前錐形瓶?jī)?nèi)空氣的氧氣含量為20.9%，與外部一致。加入過(guò)氧化氫后，在錐形瓶?jī)?nèi)二氧化錳的催化下開(kāi)始反應(yīng)，可觀察到瓶?jī)?nèi)有氣泡生成，此時(shí)氧氣含量呈上升趨勢(shì)，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，瓶?jī)?nèi)氧氣含量由初始值上升至31.3%。

基于DIS的數(shù)據(jù)和圖線表征功能，本實(shí)驗(yàn)還可以很方便地?cái)U(kuò)展為“影響過(guò)氧化氫分解的因素研究”。改變過(guò)氧化氫溶液的濃度，即可獲得如圖11所示的兩條氧氣含量變化圖線，溶液濃度對(duì)于過(guò)氧化氫分解的影響作用也就清晰可見(jiàn)了。此外，由于DIS傳感器靈敏度高，本實(shí)驗(yàn)使用的反應(yīng)物和催化劑總量比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)減少很多，顯著降低了實(shí)驗(yàn)成本。

綜上，將DIS引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后，勢(shì)必給傳統(tǒng)教學(xué)帶來(lái)沖擊。筆者通過(guò)實(shí)踐證明，為在發(fā)揮DIS數(shù)字化優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，延續(xù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，應(yīng)該“以融合促發(fā)展”，通過(guò)完善的教學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)效益的兼顧，避免“單打一”的教學(xué)導(dǎo)向引發(fā)教師對(duì)新技術(shù)的抵觸。而且，DIS數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相融合的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供了更多的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷和科學(xué)體驗(yàn)［10］。這在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，不僅是可行的，也是必要的。

參考文獻(xiàn)：

［1］ J. R. 柏廷頓. 胡作玄譯. 化學(xué)簡(jiǎn)史［M］. 桂林： 廣西師范大學(xué)出版社， 2003： 4， 107～108.

［2］ 畢華林， 盧巍主編. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）［M］. 濟(jì)南： 山東教育出版社， 2012： 75.

［3］ 李海江， 畢櫻. 空氣里氧氣含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)探究［J］. 課程教材教學(xué)研究， 2009，（Z5）： 2.

［4］ 馮志進(jìn). 空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)測(cè)定的幾種新設(shè)計(jì)［J］. 中學(xué)課程資源， 2017，（9）： 2.

［5］ 潘金龍. 測(cè)定空氣成分實(shí)驗(yàn)中若干問(wèn)題的探究［J］. 中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備， 2017， 27（4）： 21.

［6］ 中華人民共和國(guó)教育部制定. 義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2022： 4.

［7］ 中華人民共和國(guó)教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2022： 4.

［8］ 沈大力. 西方文明的衰萎， 甕弗萊新著《宇宙》發(fā)出的嗟嘆［N］. 北京. 中華讀書報(bào)， 2015-06-24（18）.

［9］ 吳曉江. 芒福德的技術(shù)觀： 破除機(jī)器的神話［J］. 世界科學(xué)， 2004，（1）： 3.

［10］ 李鼎， 馮容士. 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在AP教材中的呈現(xiàn)特點(diǎn)及啟示［J］. 中學(xué)物理教與學(xué)， 2020： 11