“空气中氧气的含量”的探究性学习与实践

吴金莲

摘要：以空气为探究情境，开展“空气中氧气的含量”的教学，学生完成“证明空气的存在…‘对拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验课堂探究～实验室探讨测定空气中氧气的含量”等三个探究任务，运用实验探究的方法，解决真实的化学问题，培养了学生证据推理与模型认知，科学探究与创新能力等化学核心素养。

关键词：空气；项目化学习；科学探究

文章编号：1008-0546（ 2022 ）llx-0015-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.llx.004

探究性学习是一种以学生为中心的教学和学习方法。教师结合学生的实际情况，通过驱动性问题组织并展开教学活动，学生在活动中通过相互合作解决问题，最终呈现、展示问题解决的成果。…

一、内容主题分析

《义务教育化学课程标准（2011年版）》指出：化学是一门以实验为基础的学科，在教学中创设以实验为主的科学探究活动，有助于激发学生对科学的兴趣，引导学生在观察、实验和交流讨论中学习化学知识，提高学生的科学探究能力。[2]科学探究能力包括：学习能力、实践能力和创新能力。现在的课堂已经从知识为中心走向能力为中心，课堂上不再是将课本实验重复做一遍，让学生机械地记忆概念。而是通过教学，让学生在学习中获取数据、运用科学推理分析数据并生成概念的理解能力，在实践中根据实际问题设计实验方案、实施实验方案，并通过反思改进方案、提出新问题的能力，逐步培养科学探究能力。

空气对学生来讲并不陌生，在小学科学的学习中，学生已经知道了空气的组成，基于学生对空气的已有认知，设计“空气中氧气的含量”探究性学习，有利于学生系统地、全面地、更深层次地认识空气，又能在探究过程中培养学生的学习能力、实践能力和创新能力，激发学生学习化学的兴趣，让学生感受到化学与生活紧密联系在一起，为后续化学学习打下良好的基础。

空气在生活中无处不在，但空气看不见摸不着，如何证明空气的存在？本节课以“喝完饮料的空瓶还剩什么？”引入，展开对空气的探究，接着讨论空气中有哪些成分？如何测定空气中氧气的含量？通过阅读拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验，由小组讨论总结出拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验原理。实验室中如何测定空气中氧气的含量呢？以一系列问题为驱动，引导学生进行探究性学习。问题由简到难，层层深入，引导学生一步步进行探究。在实验探究、解决问题的过程中，激发学生学习的内在动力，从而培养学生的科学探究能力。

二、教学目标

1．学生自己动手设计实验证明空气的存在，增加对空气的认识。

2．阅读拉瓦锡测定空气中氧气含量实验，知道拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验原理。了解科学探究的一般思路，培养实验动手能力、实验观察能力和批判质疑的能力。

3．小组合作完成“测定空气中氧气含量”的实验，准确规范地进行装置的连接、装置气密性检查、药品的取用、药品加热等基本实验操作。

设定以上教学目标，有利于将学生带领到化学世界中，对身边的物质进行探究。实验室测定空气中氧气的含量是借助拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验原理，但实验的装置和药品还可以继续优化，从而培养学生的逻辑推理和信息处理能力，提升学生实验操作能力和科学探究能力，形成勇于探索的科学精神和依靠证据进行科学推理的化学学科素养。

三、探究任务及教学流程

表1是探究任务及教学流程。

四、实施过程

任务一：如何证明空气的存在？

[情境]展示一个空的饮料瓶。问：空的饮料瓶中还剩什么？

[学生]空气。

[过渡]生活中还有什么方法来证明空气的存在？能用简单的实验或列举实例来证明空气的存在？

[小组实验]实验仪器：水槽、塑料瓶、塑料袋、扇子。

实验1：将一个压扁的塑料袋打开，再将袋口封住，用双手挤压塑料袋，有压力，因为塑料袋里充满空气。

实验2：用扇子朝臉扇，感觉有风，就是因为空气的存在。

实验3：空的塑料瓶向水中挤，会有很多气泡产生，松手后，瓶中出现水柱，因为空气的存在。

[结论]空气是客观真实存在的。

[提问]空气中有哪些物质呢？

[学生]氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气等。

[过渡]在某些情况下，仅仅知道空气中有哪些物质是不够的，还需要知道空气中某些气体的含量，比如氧气的含量。那么我们怎么测定空气中氧气的含量呢？阅读课本资料。

任务二：探讨拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验

[小组合作归纳]拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验原理：在密闭容器里，用汞和空气中氧气反应生成固态的氧化汞，使容器内强压强减小，在大气压的作用下，液体进入容器中的体积，就是空气中氧气的体积。

[提问]实验室测定空气中氧气的含量，能否直接用拉瓦锡的这套实验装置？为什么？

[小组合作归纳]1.拉瓦锡做这个实验的时间太长了，用了12天；2．这个装置太大，使用不方便；3．汞有毒性，会使人中毒。

任务三：实验探究测定空气中氧气的含量

[问题]实验室中测定空气中氧气的含量，反应物的选择应考虑哪些方面？

[学生]1.在空气中能燃烧，能在短时间内能得到实验结论；2．只能和氧气反应，生成物为固体。

[教师]蜡烛、木炭和硫在空气中都能燃烧，能否用这些物质作为测定空气中氧气含量的反应物？为什么？

[学生]不能，蜡烛和木炭燃烧消耗了氧气，但是生成了二氧化碳气体，硫燃烧消耗了氧气但是生成了二氧化硫气体。生成物都是气体，不是固体，无法准确测定出反应前后的压强变化。

[教师]能否用铁丝呢？

[学生]不能，因为铁丝在空气中无法燃烧。

[过渡]汞不能作为反应物，目前学到的能与氧气反应的物质也不能作为反应物。其实早在拉瓦锡用汞测出空气中氧气的含量之前，他曾做过白磷燃烧的实验，得出结论：空气中只有五分之一的气体具有助燃性，他当时称之为“有用的空气”。但由于白磷的着火点比较低，容易自燃，所以我们课本用红磷代替白磷，红磷在空气中燃烧的产物与白磷燃烧的产物相同，且红磷的着火点比较高，不易自燃。

[教师]现在反应物确定了，那么实验装置又该如何选择？

[学生1]选择集气瓶收集空气，取红磷在集气瓶中燃烧，塞上橡胶塞（见图1）。

[教师]针对图1装置进行讨论，如何点燃红磷？

[学生2]集气瓶不能加热，将橡胶塞换成带有燃烧匙的单孔橡胶塞，红磷放在燃烧匙内，将燃烧匙在酒精灯火焰上点燃，迅速插上橡胶塞（见图2）。

[教师]改进之后的装置解决了点燃红磷的问题，红磷燃烧消耗了瓶内的氧气，压强减小，怎么才能判断出压强减小呢？

[学生]仿照拉瓦锡的实验装置，在图2的基础上，将带燃烧匙的单孔橡胶塞换成带燃烧匙和玻璃导管的双孔橡胶塞，并将玻璃管与胶皮管连接，导管的一端浸没在盛有水的烧杯中（见图3）。实验时瓶内压强减小，外界大气压不变，在大气压的作用下，烧杯内的水进入集气瓶内，进入的水的体积就是消耗的氧气的体积。

[过渡]红磷燃烧消耗的氧气是一定量的，进入瓶中水的体积也是一定量的，为了能快速准确判断进入瓶中水的体积，我们需要在集气瓶上做记号，将瓶分成五等份。图3装置虽然是密闭装置，但在红磷燃烧的过程中，会有空气从导管口处向外逸散．所以在胶皮管处夹上弹簧夹（见图4）。

[教师]整个实验装置选好了，接下来该如何做实验？

[小组讨论]1.检查装置的气密性；2．将集气瓶做五等份记号；3．弹簧夹夹紧胶皮管；4．在燃烧匙内放入足量的红磷；5．点燃红磷后，伸入瓶中并立即塞紧塞子；6．待冷却后，打开弹簧夹。

[学生]小组合作完成红磷燃烧测定空气中氧气含量的实验（见表2）。提供的仪器：集气瓶、双孑L橡胶塞、单孔橡胶塞、橡胶塞、燃烧匙、酒精灯、玻璃管、胶皮管、弹簧夹、烧杯。

[教师]实验过程中，发现有的小组出现了橡膠塞弹出的情况，这是为什么？

[学生]因为红磷燃烧产生大量的热，使瓶内压强增大，导致瓶塞被弹出。

[教师]为了防止出现橡胶塞被弹出的现象，我们在检查完装置的气密性之后，在集气瓶内预先放少量的水。教师按照课本的实验进行演示。

[教师]我们发现水在这个实验中出现了两次，集气瓶中有水，烧杯内有水，这两处的水的作用相同吗？

[学生]不同，集气瓶中的水是降温作用，烧杯内的水是测定空气中氧气的体积。

[教师]集气瓶中的水还有一个作用：可以吸收生成物五氧化二磷，减少空气污染，以后的实验中我们要尽量做到绿色化学，减少污染。

[教师]小组实验的时候，老师也发现有的小组，进入瓶中的水的体积没有达到五分之一，有的小组进入瓶中的水的体积大于五分之一，为什么会出现这样的情况呢？

[学生1]小于五分之一：①装置气密性不好；②红磷不过量；③未冷却至室温就打开止水夹。

[学生2]大于五分之一：①弹簧夹没有夹紧；②点燃红磷后没有立即塞入塞子。

五、教学反思

本节课从学生熟悉的空气着手设计探究性学习，让学生在探究任务活动中，对空气定性认识到定量认识。定量分析是学生通过探究任务一步步完成，而不是直接告诉学生答案。学生是探究活动的主体，教师在整个探究活动中起主导作用，本节课是初中化学定量探究的第一课，实验装置的选择需要教师提出问题，一步步引导学生解决问题，并参与学生的探究活动，与学生讨论实验方案，并验证实验方案。从而培养学生的实验分析能力。师生活动为学生的思考留下时间，也将探究学习中合作、创新的基本理念得到充分地展现。

参考文献

[1] 胡红杏，项目式学习：培养学生核心素养的课堂教学活动[J]．兰州大学学报，2017（6）：165-172.

[2] 中华人民共和国教育部，义务教育化学课程标准（2011年版）[S]．北京：北京师范大学出版社，2012.