數字化傳感實驗在中學化學實驗教學中的應用及思考
——以“空氣中氧氣含量的測定”為例

文/朱麗萍

引 言

氧氣在空氣中的含量幾乎是恒定的，那么如何測定氧氣在空氣中的含量呢？物質在氧氣中的燃燒真的會完全進行嗎？文章著重介紹在化學教學中利用新科技來測定空氣中氧氣的含量。

一、理論基礎

空氣是與人類息息相關的物質，而空氣成分的測定也吸引了眾多科學家進行不斷的探究。在傳統中學教學中，一般是利用燃燒法測定空氣中氧氣的含量，而這一方法無法準確測得與理論上相同的數據。而隨著科學技術的發展，目前中學測定空氣中氧氣含量的方法也在不斷改進[1]。

利用數字化傳感實驗就可以測定空氣中氧氣的含量。數字化傳感實驗能自動收集及處理數據，極大地方便了教師的日常教學。本文重點介紹“空氣中氧氣含量的測定”這一節課中的實驗過程可能引發的問題，分析了數字化傳感實驗在化學實驗教學中的應用[2]。

經過一段時間的學習，學生已經熟悉了化學實驗室的環境，掌握了實驗室安全規則，初步學會了常見化學實驗儀器的使用和藥品取用、酒精燈的使用等基本實驗技能，為“測定空氣中的氧氣含量”的實驗奠定了基礎。空氣中的氧氣含量約有21%，教師可以幫助學生鞏固這一常識，并自然地引入“空氣中氧氣含量的測定”這一重要知識點，為學生后續混合物中某一組分的測定奠定基礎。

二、教學過程

本節課的教學目標：（1）能說出空氣的成分；（2）掌握空氣中氧氣含量測定的原理；（3）體會科學家的思想并學會科學探究的基本方法。雖然本課內容較為簡單，但是涉及的內容非常豐富。

知識維度：從定性、定量兩個角度認識空氣的組成。

技能維度：需要學生獨立操作，包括藥品的取用、酒精燈的使用等。

方法維度：形成測定混合物某一組分含量的思路；會對實驗數據進行基本的處理和分析。

筆者結合實際情況對本節課的教學過程可能出現的問題提出如下設定及建議。

引入：播放視頻，介紹空氣中氧氣含量恒定的重要性，引出空氣成分的發現史及拉瓦錫測定空氣中氧氣含量的實驗，體會科學家探索科學的艱辛及在探索科學過程中的嚴謹態度。

思考：如何根據氧氣的性質來測定空氣中氧氣的含量？

回答：氧氣能支持燃燒。根據燃燒前后空氣含量的變化來測定氧氣的含量。

講述：相同條件（溫度、體積）下，氣體的含量之比等于氣體壓強比。因此，可以利用這一點來測定一個固體體積的容器內可燃性物質充分燃燒后壓強的變化，從而測得空氣中氧氣的含量。

原理：接通電路使電爐絲發熱，紅磷燃燒消耗具支錐形瓶內的氧氣。氧氣被消耗引起具支錐形瓶內壓強變化，所以可利用壓強傳感器測得燃燒前后壓強的變化，從而測得空氣中氧氣的含量。

實驗裝置和藥品：具支錐形瓶、接有電熱絲且具有接線柱的燃燒匙、壓強傳感器、溫度傳感器、自制改裝電源、紅磷。

實驗前準備：（1）橡膠塞打孔，安裝好溫度傳感器及帶有電爐絲的燃燒匙并固定密封好。（2）檢查好裝置氣密性。按照圖1裝好，微熱錐形瓶，右側導管有氣泡冒出后，撤去熱源，如果在導管口形成一段水柱且一段時間不變化，證明氣密性良好。（3）在具支錐形瓶的支管口裝好壓強傳感器，并把溫度傳感器、壓強傳感器分別與計算機相連接（如圖2）。

圖1

圖2

實驗關鍵：（1）紅磷充分燃燒，產物完全吸收；（2）裝置的密閉性至關重要；（3）反應前后測定壓強時應注意溫度一致。

實驗過程：（1）在燃燒匙中裝入足量的紅磷，錐形瓶底部加入適量的水（促進產物五氧化二磷完全吸收）；（2）塞緊橡膠塞，閉合電路的開關，觀察實驗現象；（3）充分冷卻后，記錄計算機中顯示的壓強變化，處理數據；（4）重復實驗3 次，求出氧氣的平均含量。

現象及數據：表1數據為實際實驗過程所測。

表1

發現問題：空氣中氧氣的含量為17.5%，比預測值（21%）低。

原因分析：通過查資料得知，物質都有一定的氧指數。氧指數簡稱OI，是在規定條件下，試樣在氧氣、氮氣的混合氣流中，維持可燃性物質平穩燃燒所需的最低氧氣濃度，以氧氣所占體積百分數表示。氧指數越小，越易燃燒；反之，氧指數越大，越難燃燒。故在保證裝置氣密性良好，且嚴格控制反應前后溫度的情況下，測得的氧氣含量低于預估值。最可能的原因是紅磷雖然為可燃性物質，但是有可能在氧氣濃度低于一定值后無法繼續燃燒，導致測得的氧氣含量偏低。

根據實驗數據可知，氧氣濃度低于3.5%就無法燃燒。

解決方案：（1）提前準備好純凈的氮氣和氧氣，并按不同體積比混合；（2）按圖3組裝好實驗裝置，檢查氣密性；（3）裝好紅磷，打開1、2 兩個止水夾，把混合氣體通入裝有紅磷的裝置一段時間；（4）閉合電路的開關，觀察是否燃燒；（5）記錄數據（見表2），并根據實驗數據得出結論。

表2

圖3

三、實驗意義

本節課重點是通過數字化傳感實驗進行化學教學，讓學生充分感受到科學家研究科學的嚴謹態度及付出的巨大努力；通過數字化傳感實驗教學來提高學生的化學素養，使其感受到科技發展在科學研究方面所起到的巨大作用。

數字化傳感實驗由傳感器、數據采集器和配套軟件組成。教師可將其與計算機連接并采集數據、處理數據，這樣能夠彌補傳統實驗的缺陷，讓學生了解先進的科學技術，培養學生的化學思維能力，提高學生的探究水平。但是使用數字化傳感實驗會弱化常規實驗的操作規范，影響學生對實驗現象的細致觀察，且能采用數字化傳感實驗的實驗不是很多，所以其在推廣方面也存在一定的局限性[3]。

目前來看，適合使用數字化傳感實驗的化學實驗主要有離子反應、中和反應、燃燒反應等相關實驗。高考題目中有很多與圖像分析相關的題目，自變量和因變量也比較多，有濃度、溫度、催化劑、壓強、表面積、pH、轉化率、體積分數、反應速率、導電率、離子濃度比值等。這類題目難度比較大，學生如果能在日常學習中學會處理數字化傳感實驗的相關數據，對這些數據及圖像的處理也會掌握得更加透徹，解答過程也更加得心應手。

結 語

本文中，教師通過對教學過程中出現的問題進行反思，積極思考并收集資料，帶領學生改進并制作實驗儀器，再通過傳感器等數字儀器進行實驗驗證，最后得出結論。每一步都環環相扣，緊密連接。學生在整個學習過程中，其思維被一步步地引導到正確的方向上，為后面定性、定量實驗打下了基礎。教師在嘗試改進實驗的過程中，也得到了鍛煉與啟發，有很大的收獲。在以后的教學中，教師也可以多嘗試進行一些教學上的改進，不斷與時俱進，同時穿插一些新科技的應用。