融合數字化技術測定空氣中氧氣含量的實驗探究

0 引言

科學探究與化學實驗是義務教育化學課程重要的學習主題，貫穿九年級化學教學整個過程。教師應該在日常教學中充分以化學實驗為載體，設計并組織有深度的探究活動，幫助學生體會化學學科的研究過程，進而促進其化學觀念、科學思維和科學態度與責任等核心素養全面發展。

“空氣的組成”這一教學單元中最為核心的內容就是“空氣中氧氣含量的測定”實驗，涉及的基本化學概念有燃燒、氧化和質量守恒等，因而備受重視。原教材中測定空氣中氧氣含量的實驗，采用紅磷燃燒消耗氧氣，使集氣瓶中壓強減小，從而水進入集氣瓶中，進入集氣瓶中的水的體積約為氧氣體積。這個實驗忽略了紅磷不能夠將集氣瓶中空氣中的氧氣完全耗盡的情形，教師在引導學生討論實驗誤差時，如果僅僅是從操作的單一方面進行分析，就會使學生錯失一次全面看待物質變化的思維訓練機會?；诖?，筆者以測定空氣中氧氣含量實驗的再認識為例，把氧氣剩余的事實包括在誤差的分析和討論中，融合數字化數據分析，引導學生自主探究，在深度學習過程中提高科學思維能力。

1實驗內容及現狀分析

1.1 實驗內容

實驗內容源自人教版《義務教育教科書化學九年級上冊》[第二單元“我們周圍的空氣”課題1“空氣”，本課時教學的主要內容：復習教材中測定空氣中氧氣含量實驗的反應原理、吸入的水的體積大于或小于1/5的誤差分析；通過耗氧劑的選擇、實驗裝置設計等方面，加深對測定空氣中氧氣含量實驗的認識。

1.2 教學現狀分析

1.2.1 學生方面

在認知上，現階段的學生處于感性思維為主、理性思維不斷發展的階段，思維的可塑性很強。

學生通過學習新課，已經基本掌握本課題內容，但是實驗探究能力有待提高。

1.2.2 教師方面

在以往的教學中，該實驗通常是以演示實驗展開，教師將該實驗作為輔助講課的工具，預設實驗過程和結論，學生開展實驗探究活動非常少，忽視了其實驗探究的功能。因為該實驗對教師的操作水平要求比較高，教師演示該實驗時經常會出現吸入的水的體積小于1/5或者大于1/5的情況，又往往缺乏對實驗進行深入的研究分析。

2實驗思路與創新點

2.1傳統實驗和數字化技術相融合，讓學生獲得多樣化的學習感受

在驗證紅磷等耗氧劑燃燒、氧氣不能夠被完全耗盡的實驗中，采用氧氣傳感器、數據采集器和計算機相連接的方式，直接將氧氣傳感器的測量值上傳至計算機，得到的數據曲線顯示氧氣含量從 21% 減少到 10% 左右，讓學生得到直觀的實驗感受，獲得直接的氧氣含量結果。數字化技術以精準的監測輔助實驗的驗證，讓學生思考、感悟出：吸水這一直觀現象背后的真正原因是氧氣的減少，教材實驗中吸水量達到1/5的真正原因并不是氧氣被完全消耗。在使用暖寶寶作為耗氧劑測定空氣中的氧氣含量時，數字化實驗的結果充分證明，暖寶寶可以作為非常理想的耗氧劑，這一運用可以培養學生采用多種方法進行驗證的科學意識和科學思維，使學生深刻體會數字化技術在科學實驗中的優越性。

因為數字化技術和傳統實驗各有其應用價值，筆者形成相互融合、共促發展的思路：在授課過程中先對拉瓦錫測定空氣成分實驗和傳統教材實驗進行簡單回顧，通過對反應原理和誤差分析的梳理，總結基本的實驗內涵；課堂上演示傳統教材實驗，通過讓學生觀察現象，發現實驗結果的異常；向學生介紹氧氣傳感器，讓學生了解到數字化技術是對傳統實驗的有益補充；設計學生實驗，讓學生自主設計實驗裝置和實驗步驟，最后再通過數字化技術的表征，建立深刻的科學認知。

2.2尊重學生認知發展規律，深度挖掘實驗的探究功能

基于數字化實驗融合傳統實驗的思路，筆者展開三個演示實驗，為學生提供豐富的實驗體驗。在設計分組實驗時，學生通過自主設計實驗裝置和實驗步驟，初步激發開展定量研究的思維火花。學生動手操作實驗，在實驗過程中觀察、記錄實驗現象和實驗數據，進行誤差分析，體驗科學探究過程，培養核心素養。

課堂實驗內容注重培養學生的創新意識，對教材實驗進行多方面改進，主要集中在四個方面：

1）對燃燒方式的改進，從外燃法改成內燃法，避免集氣瓶內外物質的交換；

2）對耗氧劑的嘗試改進，包括紅磷、硫、木炭、鐵絲、酒精、蠟燭……在耗氧劑的逐一篩選中，讓學生明確藥品的選擇原則；

3）進行實驗儀器的改進，使用注射器、量筒等儀器測量倒吸入集氣瓶中的水的體積；

4）數字化技術的引入，精確測量實驗過程中的氧氣濃度。

3數字化技術帶來的經驗拓展

3.1教材實驗的不足

授課之初首先展示舍勒、普利斯特里、拉瓦錫、瑞利的圖片，介紹幾名科學家研究空氣組成的故事，對拉瓦錫著名的12天和20天實驗進行簡單回顧，目的是通過科學史介紹引出實驗主題，激發學生學習興趣。溫故知新之后，組裝教材實驗裝置并進行演示。實驗儀器和試劑包括集氣瓶、燃燒匙、燒杯、止水夾、單孔膠塞、導管和紅磷等。實驗裝置如圖1所示。

圖1教材中測定空氣中氧氣含量實驗裝置

針對演示實驗中出現的異?，F象，設疑啟思，提出問題：為什么用紅磷燃燒的方法測量空氣中氧氣含量會低于或高于1/5？學生已經學過教材實驗的實驗原理，將這部分知識遷移過來，對比實驗中的異常現象，可以更深刻地理解實驗原理。分析產生實驗誤差的原因并匯報如下。

進入集氣瓶的水的體積小于1/5的原因可能是：1）裝置氣密性差；2）紅磷量不夠；3）沒有等裝置冷卻至室溫就過早打開止水夾。

進入集氣瓶的水的體積大于1/5的原因可能是：1）燃燒匙伸入集氣瓶過慢；2）集氣瓶內氣體從導管逸出。

通過回顧實驗異?，F象，幫助學生理解變化過程，引導學生分析教材實驗裝置在測定空氣中氧氣含量這一實驗中的不足，得出裝置內氣體不密閉，裝置內外氣體有交換，容易造成實驗誤差的結論。

在認識到教材實驗的不足之后，學生選擇儀器，自主設計實驗裝置，師生交流、互相評價，為融合數字化技術開展實驗進行鋪墊。

3.2 融合數字化技術

完成傳統實驗演示及剖析后，緊接著向學生介紹氧氣傳感器，并進一步使用其進行測定空氣中氧氣含量的實驗，最后清晰展示實驗結果。在依次進行的實驗中，利用氧氣傳感器這一實驗數據的監控設備，學生可以實時捕捉數據變化，通過科學數據表征，建立對裝置內氧氣含量變化的科學認知，充分認識運用數字化技術設備輔助實驗的重要意義。

3.2.1紅磷燃燒過程中氧氣含量變化研究

采用密閉裝置測定空氣中氧氣含量，打開止水夾后進入集氣瓶的水的體積仍然小于1/5。

1）實驗儀器和試劑包括集氣瓶、燃燒匙、激光筆、燒杯、氧氣傳感器和紅磷等。

2）實驗裝置如圖2所示。

3）實驗分析。實驗開始前，集氣瓶內氧氣含量與空氣中氧氣含量相同。改進燃燒方式，使裝置在實驗過程中始終密閉。實驗結果顯示，紅磷燃燒結束，待冷卻至室溫，打開止水夾，進入集氣瓶的水的體積仍然少于1/5。集氣瓶底仍有剩余紅磷，說明紅磷有剩余。在紅磷充足的情況下，改進操作方式，不能夠充分反應掉瓶內的氧氣，因此，采用更精確的方法測定空氣中的氧氣含量，具有相當的迫切性和合理性。

教師介紹氧氣傳感器及其使用原理，親自演示，呈現數據變化，讓學生親身感悟數字化技術帶來的直接測量法對間接測量法的有益替代。

4）實驗步驟。如圖3所示，連接計算機、數據采集器和氧氣傳感器；打開計算機，打開“組合圖像”，添加“氧氣體積一時間”曲線。用激光筆照射集氣瓶中的紅磷，利用氧氣傳感器收集數據，得到氧氣含量的變化曲線，如圖4所示。

5）數據分析。實驗結束后，待裝置冷卻至室溫，數據結果顯示，集氣瓶內剩余氧氣濃度為 9.6% 即消耗氧氣的濃度約為 12% ，這與原教材實驗“約五分之一”的實驗結果相差較大，也可以推測紅磷燃燒并沒有完全耗盡瓶內氧氣。

圖2采用激光照射引燃紅磷測定空氣中氧氣含量實驗裝置

圖3使用氧氣傳感器測定紅磷燃燒導致的氧氣含量變化

圖4 密閉條件下紅磷燃燒的氧氣含量變化曲線圖

3.2.2蠟燭燃燒過程中氧氣含量變化研究

1）實驗儀器和試劑包括水槽、大燒杯、氧氣傳感器、蠟燭和火柴等。

2）實驗步驟。如圖5所示，連接計算機、數據采集器和氧氣傳感器；打開計算機，打開“組合圖像”，添加“氧氣體積一時間”曲線。點燃蠟燭，倒置燒杯，利用氧氣傳感器收集燒杯內氧氣體積的變化，得到曲線圖如圖6所示。

3）數據分析。在蠟燭的實驗中也得到相同的結論，自然引出有關氧氣濃度下限的知識，即：可燃物燃燒，消耗瓶中氧氣，氧氣濃度下降到一定程度后，到氧氣濃度下限時，燃燒即自行停止。教材實驗巧妙利用了受熱逸出的氣體與剩余氧氣大致相

圖5使用氧氣傳感器測定蠟燭燃燒導致的氧氣含量變化等的因素，因而水進入瓶內約1/5體積。

3.2.3暖寶寶內芯發熱過程中氧氣含量變化研究

學生分組進行實驗，利用暖寶寶內芯材料與氧氣反應，測定空氣中氧氣含量。利用分組實驗讓學生體會合作學習、實驗探究的樂趣，提高學生實驗動手能力。

1）實驗儀器和試劑包括錐形瓶、量筒、帶導管的單孔塞、氧氣傳感器和暖寶寶等。

圖6密閉條件下蠟燭燃燒的氧氣含量變化曲線圖

圖7使用暖寶寶測定空氣中氧氣含量的實驗裝置

2）實驗裝置如圖7所示。

3）數據分析。教師利用數字化技術輔助驗證學生實驗，如圖8所示，連接計算機、數據采集器和氧氣傳感器；打開計算機，打開“組合圖像”，添加“氧氣體積一時間”曲線。鐵粉作為暖寶寶內芯中的主要成分，可以消耗錐形瓶內的氧氣，發生氧化反應。如圖9所示，暖寶寶對氧氣的消耗率超過了紅磷。暖寶寶內芯材料是非常良好的家庭實驗藥品，將其用于測定空氣中氧氣含量的實驗，有助于學生真正學會從定量的角度分析和解決問題，理解實驗原理。

4 實驗反思

學生能力獲得發展是義務教育階段課程教學實施過程中應該達成的主要目的。學習內容相同，但學生的學習過程不同，所產生的發展結果也肯定不同。實驗不僅是學生進行物質研究的重要手段，多角度的實驗現象，嚴謹全面的推理論證，也為學生的化學啟蒙提供了豐富而感性的素材和認識方法。在學生的學習過程中，教師應該加強研究，深度挖掘實驗的探究功能，積極開展實驗改進和實驗創新，努力提升實驗質量。

圖8使用氧氣傳感器測定暖寶寶導致的氧氣含量變化

在化學科學本質大概念統領之下，《義務教育化學課程標準（2022年版）》[2的學習主題一“科學探究與化學實驗”貫穿義務教育階段化學教學全過程。學生只有親身經歷學習過程的改進和學習方式的轉變，才能認識到科學探究是理解科學本質的重要途徑，才能真正掌握實驗探究的思路與方法。

本實驗融合數字化技術對教材傳統實驗進行深度探究，從實驗藥品、實驗裝置、加熱方式等方面分別進行改進，對實驗中的氧氣含量進行精確測量，使學生了解傳統實驗存在可燃物燃燒不能將氧氣耗盡而產生誤差的情況，還原實驗的科學性和真實性，培養學生實事求是的科學態度。

圖9密閉條件下暖寶寶引起的氧氣含量變化曲線圖

5 參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.義務教育教科書化學九年級上冊[M].：人民教育出版社，2012.[2]中華人民共和國教育部．義務教育化學課程標準（2022年版）[S].：師范大學出版社，2022.