0 引言

科學(xué)探究與化學(xué)實(shí)驗(yàn)是義務(wù)教育化學(xué)課程重要的學(xué)習(xí)主題，貫穿九年級(jí)化學(xué)教學(xué)整個(gè)過程。教師應(yīng)該在日常教學(xué)中充分以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體，設(shè)計(jì)并組織有深度的探究活動(dòng)，幫助學(xué)生體會(huì)化學(xué)學(xué)科的研究過程，進(jìn)而促進(jìn)其化學(xué)觀念、科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等核心素養(yǎng)全面發(fā)展。

“空氣的組成”這一教學(xué)單元中最為核心的內(nèi)容就是“空氣中氧氣含量的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，涉及的基本化學(xué)概念有燃燒、氧化和質(zhì)量守恒等，因而備受重視。原教材中測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)，采用紅磷燃燒消耗氧氣，使集氣瓶中壓強(qiáng)減小，從而水進(jìn)入集氣瓶中，進(jìn)入集氣瓶中的水的體積約為氧氣體積。這個(gè)實(shí)驗(yàn)忽略了紅磷不能夠?qū)⒓瘹馄恐锌諝庵械难鯕馔耆谋M的情形，教師在引導(dǎo)學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)誤差時(shí)，如果僅僅是從操作的單一方面進(jìn)行分析，就會(huì)使學(xué)生錯(cuò)失一次全面看待物質(zhì)變化的思維訓(xùn)練機(jī)會(huì)。基于此，筆者以測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)的再認(rèn)識(shí)為例，把氧氣剩余的事實(shí)包括在誤差的分析和討論中，融合數(shù)字化數(shù)據(jù)分析，引導(dǎo)學(xué)生自主探究，在深度學(xué)習(xí)過程中提高科學(xué)思維能力。

1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及現(xiàn)狀分析

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容源自人教版《義務(wù)教育教科書化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)》[第二單元“我們周圍的空氣”課題1“空氣”，本課時(shí)教學(xué)的主要內(nèi)容：復(fù)習(xí)教材中測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)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(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)等方面，加深對(duì)測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)。

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.2.1 學(xué)生方面

在認(rèn)知上，現(xiàn)階段的學(xué)生處于感性思維為主、理性思維不斷發(fā)展的階段，思維的可塑性很強(qiáng)。

學(xué)生通過學(xué)習(xí)新課，已經(jīng)基本掌握本課題內(nèi)容，但是實(shí)驗(yàn)探究能力有待提高。

1.2.2 教師方面

在以往的教學(xué)中，該實(shí)驗(yàn)通常是以演示實(shí)驗(yàn)展開，教師將該實(shí)驗(yàn)作為輔助講課的工具，預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)論，學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)非常少，忽視了其實(shí)驗(yàn)探究的功能。因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)對(duì)教師的操作水平要求比較高，教師演示該實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入的研究分析。

2實(shí)驗(yàn)思路與創(chuàng)新點(diǎn)

2.1傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化技術(shù)相融合，讓學(xué)生獲得多樣化的學(xué)習(xí)感受

在驗(yàn)證紅磷等耗氧劑燃燒、氧氣不能夠被完全耗盡的實(shí)驗(yàn)中，采用氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)相連接的方式，直接將氧氣傳感器的測(cè)量值上傳至計(jì)算機(jī)，得到的數(shù)據(jù)曲線顯示氧氣含量從 21% 減少到 10% 左右，讓學(xué)生得到直觀的實(shí)驗(yàn)感受，獲得直接的氧氣含量結(jié)果。數(shù)字化技術(shù)以精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)輔助實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，讓學(xué)生思考、感悟出：吸水這一直觀現(xiàn)象背后的真正原因是氧氣的減少，教材實(shí)驗(yàn)中吸水量達(dá)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(cè)定空氣中的氧氣含量時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果充分證明，暖寶寶可以作為非常理想的耗氧劑，這一運(yùn)用可以培養(yǎng)學(xué)生采用多種方法進(jìn)行驗(yàn)證的科學(xué)意識(shí)和科學(xué)思維，使學(xué)生深刻體會(huì)數(shù)字化技術(shù)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)越性。

因?yàn)閿?shù)字化技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各有其應(yīng)用價(jià)值，筆者形成相互融合、共促發(fā)展的思路：在授課過程中先對(duì)拉瓦錫測(cè)定空氣成分實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單回顧，通過對(duì)反應(yīng)原理和誤差分析的梳理，總結(jié)基本的實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵；課堂上演示傳統(tǒng)教材實(shí)驗(yàn)，通過讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的異常；向?qū)W生介紹氧氣傳感器，讓學(xué)生了解到數(shù)字化技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充；設(shè)計(jì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟，最后再通過數(shù)字化技術(shù)的表征，建立深刻的科學(xué)認(rèn)知。

2.2尊重學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，深度挖掘?qū)嶒?yàn)的探究功能

基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的思路，筆者展開三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供豐富的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。在設(shè)計(jì)分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟，初步激發(fā)開展定量研究的思維火花。學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差分析，體驗(yàn)科學(xué)探究過程，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多方面改進(jìn)，主要集中在四個(gè)方面：

1）對(duì)燃燒方式的改進(jìn)，從外燃法改成內(nèi)燃法，避免集氣瓶?jī)?nèi)外物質(zhì)的交換；

2）對(duì)耗氧劑的嘗試改進(jìn)，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(xué)生明確藥品的選擇原則；

3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)，使用注射器、量筒等儀器測(cè)量倒吸入集氣瓶中的水的體積；

4）數(shù)字化技術(shù)的引入，精確測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中的氧氣濃度。

3數(shù)字化技術(shù)帶來(lái)的經(jīng)驗(yàn)拓展

3.1教材實(shí)驗(yàn)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(xué)家研究空氣組成的故事，對(duì)拉瓦錫著名的12天和20天實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單回顧，目的是通過科學(xué)史介紹引出實(shí)驗(yàn)主題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。溫故知新之后，組裝教材實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行演示。實(shí)驗(yàn)儀器和試劑包括集氣瓶、燃燒匙、燒杯、止水夾、單孔膠塞、導(dǎo)管和紅磷等。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1教材中測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)演示實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，設(shè)疑啟思，提出問題：為什么用紅磷燃燒的方法測(cè)量空氣中氧氣含量會(huì)低于或高于1/5？學(xué)生已經(jīng)學(xué)過教材實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，將這部分知識(shí)遷移過來(lái)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的異?，F(xiàn)象，可以更深刻地理解實(shí)驗(yàn)原理。分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因并匯報(bào)如下。

進(jìn)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(jìn)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?jī)?nèi)氣體從導(dǎo)管逸出。

通過回顧實(shí)驗(yàn)異?，F(xiàn)象，幫助學(xué)生理解變化過程，引導(dǎo)學(xué)生分析教材實(shí)驗(yàn)裝置在測(cè)定空氣中氧氣含量這一實(shí)驗(yàn)中的不足，得出裝置內(nèi)氣體不密閉，裝置內(nèi)外氣體有交換，容易造成實(shí)驗(yàn)誤差的結(jié)論。

在認(rèn)識(shí)到教材實(shí)驗(yàn)的不足之后，學(xué)生選擇儀器，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，師生交流、互相評(píng)價(jià)，為融合數(shù)字化技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鋪墊。

3.2 融合數(shù)字化技術(shù)

完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示及剖析后，緊接著向?qū)W生介紹氧氣傳感器，并進(jìn)一步使用其進(jìn)行測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)，最后清晰展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在依次進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，利用氧氣傳感器這一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控設(shè)備，學(xué)生可以實(shí)時(shí)捕捉數(shù)據(jù)變化，通過科學(xué)數(shù)據(jù)表征，建立對(duì)裝置內(nèi)氧氣含量變化的科學(xué)認(rèn)知，充分認(rèn)識(shí)運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)設(shè)備輔助實(shí)驗(yàn)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(cè)定空氣中氧氣含量，打開止水夾后進(jìn)入集氣瓶的水的體積仍然小于1/5。

1）實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

3）實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)開始前，集氣瓶?jī)?nèi)氧氣含量與空氣中氧氣含量相同。改進(jìn)燃燒方式，使裝置在實(shí)驗(yàn)過程中始終密閉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，紅磷燃燒結(jié)束，待冷卻至室溫，打開止水夾，進(jìn)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(jìn)操作方式，不能夠充分反應(yīng)掉瓶?jī)?nèi)的氧氣，因此，采用更精確的方法測(cè)定空氣中的氧氣含量，具有相當(dāng)?shù)钠惹行院秃侠硇浴?/p>

教師介紹氧氣傳感器及其使用原理，親自演示，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)變化，讓學(xué)生親身感悟數(shù)字化技術(shù)帶來(lái)的直接測(cè)量法對(duì)間接測(cè)量法的有益替代。

4）實(shí)驗(yàn)步驟。如圖3所示，連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和氧氣傳感器；打開計(jì)算機(jī)，打開“組合圖像”，添加“氧氣體積一時(shí)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(shù)據(jù)，得到氧氣含量的變化曲線，如圖4所示。

5）數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，待裝置冷卻至室溫，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，集氣瓶?jī)?nèi)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(shí)驗(yàn)“約五分之一”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，也可以推測(cè)紅磷燃燒并沒有完全耗盡瓶?jī)?nèi)氧氣。

圖2采用激光照射引燃紅磷測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)裝置

圖3使用氧氣傳感器測(cè)定紅磷燃燒導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟。如圖5所示，連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和氧氣傳感器；打開計(jì)算機(jī)，打開“組合圖像”，添加“氧氣體積一時(shí)間”曲線。點(diǎn)燃蠟燭，倒置燒杯，利用氧氣傳感器收集燒杯內(nèi)氧氣體積的變化，得到曲線圖如圖6所示。

3）數(shù)據(jù)分析。在蠟燭的實(shí)驗(yàn)中也得到相同的結(jié)論，自然引出有關(guān)氧氣濃度下限的知識(shí)，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(shí)，燃燒即自行停止。教材實(shí)驗(yàn)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(cè)定蠟燭燃燒導(dǎo)致的氧氣含量變化等的因素，因而水進(jìn)入瓶?jī)?nèi)約1/5體積。

3.2.3暖寶寶內(nèi)芯發(fā)熱過程中氧氣含量變化研究

學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用暖寶寶內(nèi)芯材料與氧氣反應(yīng)，測(cè)定空氣中氧氣含量。利用分組實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體會(huì)合作學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)探究的樂趣，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。

1）實(shí)驗(yàn)儀器和試劑包括錐形瓶、量筒、帶導(dǎo)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(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)裝置

2）實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

3）數(shù)據(jù)分析。教師利用數(shù)字化技術(shù)輔助驗(yàn)證學(xué)生實(shí)驗(yàn)，如圖8所示，連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和氧氣傳感器；打開計(jì)算機(jī)，打開“組合圖像”，添加“氧氣體積一時(shí)間”曲線。鐵粉作為暖寶寶內(nèi)芯中的主要成分，可以消耗錐形瓶?jī)?nèi)的氧氣，發(fā)生氧化反應(yīng)。如圖9所示，暖寶寶對(duì)氧氣的消耗率超過了紅磷。暖寶寶內(nèi)芯材料是非常良好的家庭實(shí)驗(yàn)藥品，將其用于測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生真正學(xué)會(huì)從定量的角度分析和解決問題，理解實(shí)驗(yàn)原理。

4 實(shí)驗(yàn)反思

學(xué)生能力獲得發(fā)展是義務(wù)教育階段課程教學(xué)實(shí)施過程中應(yīng)該達(dá)成的主要目的。學(xué)習(xí)內(nèi)容相同，但學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不同，所產(chǎn)生的發(fā)展結(jié)果也肯定不同。實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)生進(jìn)行物質(zhì)研究的重要手段，多角度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，嚴(yán)謹(jǐn)全面的推理論證，也為學(xué)生的化學(xué)啟蒙提供了豐富而感性的素材和認(rèn)識(shí)方法。在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，教師應(yīng)該加強(qiáng)研究，深度挖掘?qū)嶒?yàn)的探究功能，積極開展實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，努力提升實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

圖8使用氧氣傳感器測(cè)定暖寶寶導(dǎo)致的氧氣含量變化

在化學(xué)科學(xué)本質(zhì)大概念統(tǒng)領(lǐng)之下，《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》[2的學(xué)習(xí)主題一“科學(xué)探究與化學(xué)實(shí)驗(yàn)”貫穿義務(wù)教育階段化學(xué)教學(xué)全過程。學(xué)生只有親身經(jīng)歷學(xué)習(xí)過程的改進(jìn)和學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，才能認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究是理解科學(xué)本質(zhì)的重要途徑，才能真正掌握實(shí)驗(yàn)探究的思路與方法。

本實(shí)驗(yàn)融合數(shù)字化技術(shù)對(duì)教材傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度探究，從實(shí)驗(yàn)藥品、實(shí)驗(yàn)裝置、加熱方式等方面分別進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的氧氣含量進(jìn)行精確測(cè)量，使學(xué)生了解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在可燃物燃燒不能將氧氣耗盡而產(chǎn)生誤差的情況，還原實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和真實(shí)性，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)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(xiàn)

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)[M].：人民教育出版社，2012.[2]中華人民共和國(guó)教育部．義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].：師范大學(xué)出版社，2022.