瓶中的秘密—— “空气中有什么”实验探讨

陈 晔

厦门市江头中心小学

笔者多年从事四、五年级科学教学，在课堂教学中发现，苏教版科学教科书四年级上册，《空气中有什么》中的实验，学生很难自主根据此实验的现象得出实验目标所指出的结论。究竟是何原因？本文针对该实验在课堂教学时出现的问题，进行分析，并提出改进方案。

一、实验概要

这个实验的方法是：（1）把蜡烛固定在玻璃片上，放进有水的水槽中，点燃蜡烛；再用去掉底的饮料瓶罩上，然后立即盖上瓶盖，拧紧。（2）先把水槽的水加到与瓶内水面一样高，再拧开饮料瓶的盖子，把燃烧的火柴迅速插入瓶内。[1]

实验的现象是：（1）蜡烛燃烧一会后熄灭，瓶内水位上升。（2）燃烧的火柴立即熄灭。

实验的结论是：空气至少有两种成分，一种支持燃烧，一种不支持燃烧。

实验的设计意图是，使学生发现空气的成分并不是只有一种，而是至少有支持燃烧和不支持燃烧的两种。也有教师会让孩子在瓶子上画线，把瓶子的容量五等分，再根据水位上升五分之一的现象，让学生知道空气中支持燃烧的成分约占五分之一，不支持燃烧的约占五分之四。

二、课堂实验情况简述

实验过后，四年级学生第一反应会根据“蜡烛熄灭”这一现象说出“瓶中没有空气了”这一观点。但瓶中水位是上升五分之一，不难得出是瓶中的气体少掉了五分之一，学生继而提出新的观点，主要有几种具体表述：“瓶中的空气变成了热空气”、“瓶中的某种气体被烧掉了”、“瓶中的气体变成了另一种气体”。

之后的燃着火柴验证，火柴的火立即熄灭。部分学生认为这说明此时瓶内气体“不能够让火燃烧了”，也有学生认为，是因为瓶子密闭不通风导致火熄灭，甚至有学生认为，“火柴可能有问题，应该用蜡烛试一下”。

三、实验分析

实验针对的是四年级的学生，他们对物质世界的认知还很有限，所以此处的分析都是抛开成人已有的科学认知，建立在尽可能接近四年级学生认知的基础上，同时以成人的思维确保了科学的严谨性。

（一）蜡烛在瓶中燃烧一会后逐渐熄灭

有学生认为这是因为“瓶中的空气变成了热空气”，这样理解的学生认为，瓶中因为蜡烛燃烧，使得冷空气变化为热空气，而热空气不支持燃烧，所以蜡烛、火柴的火熄灭了。

为了验证这个猜想，笔者带着学生等到瓶中的空气冷却之后再验证，火柴的火依然熄灭，有学生仍会认为，“加热过的空气，即使冷却，也不能用了”。概括起来就是瓶内空气因为蜡烛的高温而变质了，所以不再能使蜡烛燃烧。

“热空气”的观点站不住脚，但“变质”的观点也并非没有道理，且以小学实验室的条件无法验证。

（二）瓶中水位上升

有学生认为这是因为加热使空气收缩了，也就是热空气的体积比冷空气要小，“腾出”了空间，使水位上升。

根据教材的编排，热胀冷缩是下一单元的内容。虽说热胀冷缩可以认为是生活常识，但现实也确实存在热缩冷涨的例外。若验证，则需要引入一个新的实验。

如果基于这个观点，瓶中空气被消耗掉一部分的结论将不成立。

（三）插入燃着的火柴，火立即熄灭

学生除了提出此时瓶中空气不支持燃烧之外，还提出了另外两种观点。不支持火燃烧的观点是正确的，但能够自主理解到其意义的学生不超过半数。

（1）“瓶子密闭不通风”导致火熄灭。笔者让学生不点燃蜡烛，重复相同的实验步骤，发现火柴的火并不会立即熄灭，这种说法很容易击破，不加赘述。

（2）“火柴可能有问题，应该用蜡烛试一下”。四年级学生处于由具体形象思维向抽象思维过渡的阶段[2]，思维灵活，会认为蜡烛的火和火柴的火不是一种火。其次这也是一种严谨的看法，就如同纸张的火可以被水扑灭，金属钠却会因接触水而着火一样，蜡烛和火柴不是一类物质，燃烧的条件不一定相同。用蜡烛来验证是可行的，但提高了实验的操作难度。

（四）“瓶中的某种气体被烧掉了”和“瓶中的气体变成了另一种气体”

两者都关注到了瓶中的空气被消耗这一点，但它们是有很大不同的。这是实验的一个核心问题所在。

前者只关注了消耗。这样理解的学生认为蜡烛燃烧消耗了一部分空气，其余的空气由于“浓度不够”，不能再被消耗，所以不支持燃烧了，这部分被消耗了，所以水位上升。这样的理解没有错误。

后者侧重消耗之后又有新的成分出现，这样理解的学生认为，瓶中原有的气体是被完全消耗掉了，同时产生了一些新的气体，而新的气体被燃烧过了，不能再次燃烧，所以蜡烛、火柴的火熄灭了。至于水位上升，是因为新气体的体积比原有的空气小，“腾出”了空间，使水位上升。这样的理解也没有错误。

前者关注了消耗，却忽略了生成，蜡烛燃烧是一个化学反应，是蜡烛和氧气反应，生成二氧化碳和水。事实是消耗1份氧气，将生成约0.7份二氧化碳气体，二氧化碳不易溶于水。有些学生会知道燃烧有二氧化碳生成，但不一定知道氧气的消耗，不论知道与否，不消耗只生成，和有消耗也有生成，就与水位上升瓶内空气变少的事实不符了，学生的前概念[3]反而成为了探究的障碍，看到现象时显得茫然。

后者关注了瓶中原有空气被消耗，之后又有新的成分出现。事实是约五分之一的空气（氧气）被消耗，剩下了约五分之四的空气（氮气），但实验现象是无法看出来的。因此学生理解为五份的空气被全部燃烧掉，产生了四份的“废气”，也是有道理的。

综合上述分析：

蜡烛熄灭的现象可以得出的结论有：

①空气中支持燃烧的部分被耗尽，剩不支持燃烧的；

②空气被全部消耗，生成了不支持燃烧的新气体；

③空气高温变质。

水位上升五分之一的现象可以得出的结论有：

①空气被消耗掉五分之一；

②空气被全部消耗，生成的新气体体积是原来的五分之四；

③空气热缩冷涨。

插入燃着的火柴或蜡烛，火立即熄灭的现象可以得出的结论有：

①瓶内剩余的气体不支持燃烧；

②瓶内的是新产生的气体，新气体不支持燃烧；

③空气高温变质。

同样的现象能得出不同结论，其中第①个是正确结论，其它是错误但无法通过实验验证的结论。这些现象贯穿了整个实验，包含了实验的所有重要操作和现象。据此笔者认为实验设计不严谨。

四、实验新方案提出和探讨

针对上述分析指出实验的不足，以下提出新实验方案：

实验方法是：（1）把去掉底的饮料瓶放进有水的水槽中，将燃烧匙固定在饮料瓶盖上，放入红磷，点燃，然后立即盖上瓶盖，拧紧，让红磷在瓶中燃烧，观察现象。（2）先把水槽的水加到与瓶内水面一样高，待实验装置稍冷却后，再拧开饮料瓶的盖子取出燃烧匙，再次把红磷点燃并迅速插入瓶内，观察现象。（3）先盖好瓶盖，把镁条点燃，观察其在空气中燃烧的现象，然后迅速插入瓶内，观察现象。

本实验方案优点在于：（1）红磷燃烧只消耗氧气，并且只产生五氧化二磷固体，能在很大程度上消除干扰。中学化学教材亦是采用这种方法[4]。（2）红磷只能和空气中的氧气反应，而镁条不仅能和氧气反应，还能和氮气、二氧化碳反应，生成物都是固体，燃烧时现象明显（发出强光），容易区分现象；并且镁条与氧气、氮气、二氧化碳反应的产物外观不同，容易辨认。

缺点在于：（1）红磷、镁条并非小学生日常接触的物品。（2）红磷燃烧时异味略大于蜡烛。

综合起来，这种的方案（1）降低了化学反应生成物对实验结果的干扰；（2）从实验现象上更易区分；（3）实验步骤虽然增多，但多是简单重复，没有使实验更复杂；（4）提高了实验的探究性和思考空间。