巧用改进实验突破初中化学教学难点——以“测定空气中氧气的含量”为例

湖北省武汉市武汉一初慧泉中学(430022) 李 雪湖北省武汉市第一初级中学(430024) 李少坤

1 研究背景

人教版义务教育九年级化学教科书设计了“测定空气中氧气的含量”实验。此实验再现了拉瓦锡研究空气组成的实验原理，学生可以通过此实验获得空气成分的相关知识，还能体验科学的实验方法，初步形成科学的思想观念。

学生学习此部分内容时存在以下难点：

(1)学生学习化学的时间不长，实验探究能力比较欠缺，难以掌握较复杂的实验方法；

(2)此部分内容涉及气体压强相关知识，而气体压强在物理学科中都是教学难点，因此学生难以理解此实验的原理，难以理解实验注意事项的原因(如：①装置气密性要良好;②红磷要足量;③等装置冷却至室温再打开弹簧夹读数；④实验时将燃着的红磷迅速伸入瓶中并塞紧橡皮塞等)；

(3)实验测定的是空气中氧气的含量，学生难以理解“为什么可以用吸入瓶中水的体积来表示空气中氧气的体积”；

(4)通常情况下空气是无色气体，学生无法直接观察气体受热膨胀逸出的过程，因而难以理解实验结果偏大的原因。

针对此实验教学中存在的问题，笔者查阅与“测定空气中氧气的含量”相关文献，研究成果主要有以下两大类。

第一类以阮守朋、鲁荣、王培明、张洁、胡巢生等教师为代表，他们从药品种类、用量，以及实验装置等角度对此实验进行改进，以达到操作简单、现象明显、结果准确、减少污染、趣味性强、节省时间等目的。

第二类以钱作伟、魏伯阳、阮芬芬等教师为代表，他们通过数字传感器技术测量实验相关量的方法对此实验进行改进，以达到培养学生的证据意识和定量研究意识，或研究出造成教材的做法无法验证空气中氧气实际含量的主要原因，或增强实验测定结果的直观性等目的。

以上研究成果并没有有效解决学生学习此部分内容时存在的教学难点，为解决上述教学难点，笔者将此实验教学过程进行改进，取得了很好的教学效果，具体过程如下。

2 改进过程与改进方法

2.1 创设支架式实验教学情境，有效化解教学难点

支架式教学是基于建构主义学习理论提出的一种以学习者为中心，以培养学生的问题解决能力和自主学习能力为目标的教学方法。该教学法是指一步一步地为学生的学习提供适当的、小步调的线索或提示(支架)，让学生通过这些支架一步一步攀升，逐渐发现和解决学习中的问题，掌握所要学习的知识，提高问题解决能力。以此理论为指导，笔者创设了如下实验教学情境，促进学生理解为什么水可以吸入瓶中，以及吸入瓶中水的体积与瓶中减少气体体积之间的关系，有效地化解了教学难点。

2.1.1 呈现图片，提出问题

先呈现如图1所示的实验情境图片，再提出问题。

图1 抽气吸水实验

提出问题1：向外拉动注射器的活塞，预测会有什么现象产生？为什么会产生这种现象？

引导学生分析：因为向外拉动注射器的活塞时，会抽出锥形瓶中的气体，导致瓶中气体减少，瓶中气压降低，小于外界大气压，大气压将量筒中的水压入锥形瓶中。

提出问题2：预测从量筒流入锥形瓶中水的体积与锥形瓶中减少的气体体积(即注射器中向外抽出的气体体积)之间有什么关系？为什么会产生这种结果？

引导学生分析：向外抽气时，瓶中气体减少，瓶中气压降低，小于外界大气压；水流入瓶中后，瓶中气压升高，当流入瓶中水的体积与瓶中减少的气体体积相等时，瓶中气压恢复到一个标准大气压，与外界大气压相等，水不再继续流入瓶中。

2.1.2 实验演示，形成认知

接下来进行实验演示，引导学生观察实验现象，验证之前的预测，形成认知。实验结果如图2所示。

图2 抽气吸水实验结果

实验结果清晰、直观地呈现了水吸入瓶中的过程，以及量筒示数变化和注射器示数变化之间的关系，学生很容易形成以下认知：当瓶中气体减少时，瓶中气压降低，水会沿导管流入瓶中，且流入瓶中水的体积与瓶中减少的气体体积相等；学生也很容易理解、掌握用流入瓶中水的体积来表示瓶中氧气体积的实验方法——替换法。

接下来引导学生探究既能消耗瓶中氧气，又能减少瓶中气体体积的方法，即选择燃烧红磷或白磷，消耗瓶中氧气生成固体，使瓶中气体减少，气压降低，导致水吸入瓶中，并利用吸入瓶中水的体积来表示瓶中氧气体积的方法来测定空气中氧气的含量。经过上述实验过程，学生很容易理解此实验的原理、掌握此实验的方法，有效地突破教学难点。

2.2 改进教材实验装置，有效化解教学难点

磷燃烧时放出热量，导致瓶中气体受热膨胀，瓶内气压变大。因此，若将燃着的磷缓慢伸入瓶中再盖紧橡皮塞，或者此实验没有夹紧弹簧夹(或弹簧夹没有夹)，都会导致瓶中气体受热膨胀逸出，使最终的测定结果偏大；磷停止燃烧后，若立即读数会导致测定结果偏小。由于学生不能直接观察到瓶中气体受热膨胀逸出的现象，因此对以上结果偏差的分析以及实验注意事项，只能建立在教师讲授或师生通过理论推理的基础上完成，学生较难理解和掌握，导致教学效果大打折扣。

为了解决此教学难点，笔者将教材实验装置进行改进，通过改进实验中呈现出气体受热膨胀产生的直观现象，让学生亲身体验瓶中气压变化以及气体或水的流动，有效化解教学难点，取得了很好的教学效果。

2.2.1 实验用品

集气瓶(实测容积为280 mL)、燃烧匙、橡皮塞、导管、烧杯、弹簧夹、250 mW激光笔、白磷、红墨水、水。

2.2.2 实验装置

改进后的实验装置如图3所示。

图3 改进后的实验装置

2.2.3 实验探究活动1

(1)连接仪器，检查装置的气密性。

(2)向瓶中倒入80 mL红水，夹紧弹簧夹，在燃烧匙中加入足量白磷。

(3)点燃白磷后，将燃着的白磷迅速伸入集气瓶内，塞紧橡皮塞。

(4)待白磷熄灭，装置冷却至室温后打开弹簧夹，可观察到水沿导管流入瓶中，进入水的体积约占瓶中空气体积的1/5。

通过以上实验操作和现象，让学生体验完整的探究过程，形成科学认知，然后进行如下教学过程。

提出问题：如果去掉弹簧夹，请同学们预测会产生什么现象？分析产生此现象的原因是什么？

2.2.4 实验探究活动2

(1)连接仪器，检查装置的气密性。

(2)向瓶中倒入80 mL红水(实验过程中，瓶内导管末端应一直处于水面以下，防止气体从导管中逸出)，去掉弹簧夹，在燃烧匙中加入足量白磷后将其放入集气瓶中，塞紧橡皮塞。

(3)用激光笔点燃白磷，观察到白磷燃烧，产生大量白烟，瓶壁发热，瓶中的水沿导管向烧杯中流动，瓶中水面下降。接下来烧杯中的水沿导管流入瓶中，瓶中水面升高。待白磷熄灭，装置冷却至室温后，观察到瓶中水面最终处于瓶中空气体积的约1/5处。

在此实验过程中，学生可以切身体验白磷燃烧放热的现象；能直观观察到白磷燃烧放出热量导致瓶中气体受热膨胀，气压变大，导致瓶中的水被压入烧杯中的现象；还能直观观察到氧气被反应生成固体后，瓶内气压降低，导致烧杯中的水被吸入瓶内的现象。

通过探究活动2，学生很容易理解白磷燃烧放出热量，使瓶内气体受热膨胀对实验结果造成的影响，如应保持装置的气密性良好、应将燃着的白磷迅速放入瓶内并塞紧橡皮塞、应等装置冷却至室温后再打开弹簧夹读数等实验注意事项。此改进实验还有助于培养学生科学求真、精益求精的科学态度与精神，帮助学生树立绿色环保的理念。

3 教学反思

在化学教学中，我们经常会遇到各种教学难点，在进行教学设计之前，我们应提前思考清楚以下几个问题：学生学习的难点是什么？造成此难点的原因是什么？结合学生的认知结构和认知规律，我们有哪些方法突破教学难点？

刘知新教授指出化学实验具有认识论、方法论和教学论的功能，巧用化学实验是突破难点的常用方法之一。在教学过程中，我们可以对教材设计的实验进行合理改进和优化，以此突破教学难点，提升教学的有效性。