瓶中的秘密
—— “空氣中有什么”實驗探討

陳 曄

廈門市江頭中心小學

筆者多年從事四、五年級科學教學，在課堂教學中發現，蘇教版科學教科書四年級上冊，《空氣中有什么》中的實驗，學生很難自主根據此實驗的現象得出實驗目標所指出的結論。究竟是何原因？本文針對該實驗在課堂教學時出現的問題，進行分析，并提出改進方案。

一、實驗概要

這個實驗的方法是：（1）把蠟燭固定在玻璃片上，放進有水的水槽中，點燃蠟燭；再用去掉底的飲料瓶罩上，然后立即蓋上瓶蓋，擰緊。（2）先把水槽的水加到與瓶內水面一樣高，再擰開飲料瓶的蓋子，把燃燒的火柴迅速插入瓶內。[1]

實驗的現象是：（1）蠟燭燃燒一會后熄滅，瓶內水位上升。（2）燃燒的火柴立即熄滅。

實驗的結論是：空氣至少有兩種成分，一種支持燃燒，一種不支持燃燒。

實驗的設計意圖是，使學生發現空氣的成分并不是只有一種，而是至少有支持燃燒和不支持燃燒的兩種。也有教師會讓孩子在瓶子上畫線，把瓶子的容量五等分，再根據水位上升五分之一的現象，讓學生知道空氣中支持燃燒的成分約占五分之一，不支持燃燒的約占五分之四。

二、課堂實驗情況簡述

實驗過后，四年級學生第一反應會根據“蠟燭熄滅”這一現象說出“瓶中沒有空氣了”這一觀點。但瓶中水位是上升五分之一，不難得出是瓶中的氣體少掉了五分之一，學生繼而提出新的觀點，主要有幾種具體表述：“瓶中的空氣變成了熱空氣”、“瓶中的某種氣體被燒掉了”、“瓶中的氣體變成了另一種氣體”。

之后的燃著火柴驗證，火柴的火立即熄滅。部分學生認為這說明此時瓶內氣體“不能夠讓火燃燒了”，也有學生認為，是因為瓶子密閉不通風導致火熄滅，甚至有學生認為，“火柴可能有問題，應該用蠟燭試一下”。

三、實驗分析

實驗針對的是四年級的學生，他們對物質世界的認知還很有限，所以此處的分析都是拋開成人已有的科學認知，建立在盡可能接近四年級學生認知的基礎上，同時以成人的思維確保了科學的嚴謹性。

（一）蠟燭在瓶中燃燒一會后逐漸熄滅

有學生認為這是因為“瓶中的空氣變成了熱空氣”，這樣理解的學生認為，瓶中因為蠟燭燃燒，使得冷空氣變化為熱空氣，而熱空氣不支持燃燒，所以蠟燭、火柴的火熄滅了。

為了驗證這個猜想，筆者帶著學生等到瓶中的空氣冷卻之后再驗證，火柴的火依然熄滅，有學生仍會認為，“加熱過的空氣，即使冷卻，也不能用了”。概括起來就是瓶內空氣因為蠟燭的高溫而變質了，所以不再能使蠟燭燃燒。

“熱空氣”的觀點站不住腳，但“變質”的觀點也并非沒有道理，且以小學實驗室的條件無法驗證。

（二）瓶中水位上升

有學生認為這是因為加熱使空氣收縮了，也就是熱空氣的體積比冷空氣要小，“騰出”了空間，使水位上升。

根據教材的編排，熱脹冷縮是下一單元的內容。雖說熱脹冷縮可以認為是生活常識，但現實也確實存在熱縮冷漲的例外。若驗證，則需要引入一個新的實驗。

如果基于這個觀點，瓶中空氣被消耗掉一部分的結論將不成立。

（三）插入燃著的火柴，火立即熄滅

學生除了提出此時瓶中空氣不支持燃燒之外，還提出了另外兩種觀點。不支持火燃燒的觀點是正確的，但能夠自主理解到其意義的學生不超過半數。

（1）“瓶子密閉不通風”導致火熄滅。筆者讓學生不點燃蠟燭，重復相同的實驗步驟，發現火柴的火并不會立即熄滅，這種說法很容易擊破，不加贅述。

（2）“火柴可能有問題，應該用蠟燭試一下”。四年級學生處于由具體形象思維向抽象思維過渡的階段[2]，思維靈活，會認為蠟燭的火和火柴的火不是一種火。其次這也是一種嚴謹的看法，就如同紙張的火可以被水撲滅，金屬鈉卻會因接觸水而著火一樣，蠟燭和火柴不是一類物質，燃燒的條件不一定相同。用蠟燭來驗證是可行的，但提高了實驗的操作難度。

（四）“瓶中的某種氣體被燒掉了”和“瓶中的氣體變成了另一種氣體”

兩者都關注到了瓶中的空氣被消耗這一點，但它們是有很大不同的。這是實驗的一個核心問題所在。

前者只關注了消耗。這樣理解的學生認為蠟燭燃燒消耗了一部分空氣，其余的空氣由于“濃度不夠”，不能再被消耗，所以不支持燃燒了，這部分被消耗了，所以水位上升。這樣的理解沒有錯誤。

后者側重消耗之后又有新的成分出現，這樣理解的學生認為，瓶中原有的氣體是被完全消耗掉了，同時產生了一些新的氣體，而新的氣體被燃燒過了，不能再次燃燒，所以蠟燭、火柴的火熄滅了。至于水位上升，是因為新氣體的體積比原有的空氣小，“騰出”了空間，使水位上升。這樣的理解也沒有錯誤。

前者關注了消耗，卻忽略了生成，蠟燭燃燒是一個化學反應，是蠟燭和氧氣反應，生成二氧化碳和水。事實是消耗1份氧氣，將生成約0.7份二氧化碳氣體，二氧化碳不易溶于水。有些學生會知道燃燒有二氧化碳生成，但不一定知道氧氣的消耗，不論知道與否，不消耗只生成，和有消耗也有生成，就與水位上升瓶內空氣變少的事實不符了，學生的前概念[3]反而成為了探究的障礙，看到現象時顯得茫然。

后者關注了瓶中原有空氣被消耗，之后又有新的成分出現。事實是約五分之一的空氣（氧氣）被消耗，剩下了約五分之四的空氣（氮氣），但實驗現象是無法看出來的。因此學生理解為五份的空氣被全部燃燒掉，產生了四份的“廢氣”，也是有道理的。

綜合上述分析：

蠟燭熄滅的現象可以得出的結論有：

①空氣中支持燃燒的部分被耗盡，剩不支持燃燒的；

②空氣被全部消耗，生成了不支持燃燒的新氣體；

③空氣高溫變質。

水位上升五分之一的現象可以得出的結論有：

①空氣被消耗掉五分之一；

②空氣被全部消耗，生成的新氣體體積是原來的五分之四；

③空氣熱縮冷漲。

插入燃著的火柴或蠟燭，火立即熄滅的現象可以得出的結論有：

①瓶內剩余的氣體不支持燃燒；

②瓶內的是新產生的氣體，新氣體不支持燃燒；

③空氣高溫變質。

同樣的現象能得出不同結論，其中第①個是正確結論，其它是錯誤但無法通過實驗驗證的結論。這些現象貫穿了整個實驗，包含了實驗的所有重要操作和現象。據此筆者認為實驗設計不嚴謹。

四、實驗新方案提出和探討

針對上述分析指出實驗的不足，以下提出新實驗方案：

實驗方法是：（1）把去掉底的飲料瓶放進有水的水槽中，將燃燒匙固定在飲料瓶蓋上，放入紅磷，點燃，然后立即蓋上瓶蓋，擰緊，讓紅磷在瓶中燃燒，觀察現象。（2）先把水槽的水加到與瓶內水面一樣高，待實驗裝置稍冷卻后，再擰開飲料瓶的蓋子取出燃燒匙，再次把紅磷點燃并迅速插入瓶內，觀察現象。（3）先蓋好瓶蓋，把鎂條點燃，觀察其在空氣中燃燒的現象，然后迅速插入瓶內，觀察現象。

本實驗方案優點在于：（1）紅磷燃燒只消耗氧氣，并且只產生五氧化二磷固體，能在很大程度上消除干擾。中學化學教材亦是采用這種方法[4]。（2）紅磷只能和空氣中的氧氣反應，而鎂條不僅能和氧氣反應，還能和氮氣、二氧化碳反應，生成物都是固體，燃燒時現象明顯（發出強光），容易區分現象；并且鎂條與氧氣、氮氣、二氧化碳反應的產物外觀不同，容易辨認。

缺點在于：（1）紅磷、鎂條并非小學生日常接觸的物品。（2）紅磷燃燒時異味略大于蠟燭。

綜合起來，這種的方案（1）降低了化學反應生成物對實驗結果的干擾；（2）從實驗現象上更易區分；（3）實驗步驟雖然增多，但多是簡單重復，沒有使實驗更復雜；（4）提高了實驗的探究性和思考空間。