铁和水蒸气反应的科学探究 教学设计

一、教学目标：1．知识与技能（1）了解铁与水蒸气反应的原理（2）设计出简单可行的铁与水蒸气的反应装置（2）完成铁与水蒸气反应实验2．过程与方法（1）培养学生查找、阅读资料的能力（2）培养学生实验设计和实验操作能力（3）培养学生良好的解决问题的思维习惯和提高学生的实验操作水平3．情感态度与价值观（1）让学生体会到设计并完成实验的成功感，增加学生学习化学的兴趣（2）培养学生发现问题的意识二、教学重点和难点本节教学重点：铁与水蒸气反应的条件本节教学难点：如何成功地完成铁与水蒸气的反应三、课时安排1课时四、教学方法和策略实验探究五、教材分析必修（Ⅰ）第三章《金属及其化合物》中铁与水蒸气的反应是以科学探究的形式呈现的，高中化学新课程的基本理念中提到：“通过以化学实验为主的多种探究活动使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力”。科学探究的目的是让学生在获得结论的同时，体验科学探究的过程，了解科学探究的方法。所以人教版新教材特意将它设计成科学探究，这个实验难度非常大，现在要刚进入高中的学生来设计这个实验难度就更大了。在对学生初中化学实验学习情况作了调查后，我发现学生对于简单实验的基本操作掌握的还可以，但是几乎没有实验设计的经历，所以让他们贸然进行这个科学探究，可能会让学生对化学实验产生畏难情绪从而降低学习化学的热情。所以我将这个科学探究设计成由简到难三个实验设计（见后附实验报告），让学生循序渐进地领会科学探究的方法。对于刚刚体验科学探究的同学，为避免学生过于茫然不知从何入手，我在实验设计1中对学生做了一些指导，将实验设计1设计成教师提出实验目标、学生在教师的指导下按步骤完成设计。实验设计2是教师只提出实验目标、学生自己完成实验设计；开展实验设计2的科学探究活动时，我特别注意探究过程的开放性，不给学生规定框框，不束缚学生的思维，让学生动手实践，学生的思维非常活跃。实验设计3是教师不给设计目标、学生自己在实践过程中寻找问题、自己制订实验目标并完成实验设计；实验设计3是让学生不仅学会通过实践来解决问题，更要从实践中发现新的问题。探究过程中合作是非常重要的，所以在课堂上我们采用了全体讨论、小组讨论、小组实验等多种合作形式。最后通过学生多角度的思考、取众人之长，学生共设计出5种非常成功的装置。六、教学过程：（课前准备）课前教师布置作业让学生完成实验报告，教师批阅，将思路相近的同学分在一个小组中，共分为八个小组。（课上引言）今天我们一起研究铁和水蒸气反应。铁和水蒸气反应以往是演示实验，难度非常大，老师做这个实验也很难成功，希望今天大家能帮出老师解决这个难题。在以往的实践中我觉得这个实验有几点注意的地方，希望大家注意：1. 要保证水蒸气和铁粉反应，铁粉和冷水和热水都不反应。2. 使用酒精喷灯有一定的危险，可以使用加防风罩的酒精灯代替。（科学探究1）展示几位同学的实验设计：设计1－1设计1－2设计1－3设计1－4设计1－5（学生评价）1. 设计1-1采用圆底烧瓶盛装水来制备水蒸气，圆底烧瓶中的水很多，又要间接加热产生水蒸气需要较长时间。相比而言设计1-2、设计1-3使用的试管可以直接加热，水也比较少，可以更快的产生水蒸气。2. 对比设计1-2、设计1-3两组装置很相似，但是设计1-2产生水蒸气的装置和铁粉的反应装置间的导管更短，这样可以防止水蒸气在导管中又冷凝为水。3. 设计1-4选择直玻璃管作为水蒸气与铁粉反应装置，应该也可以。但后面设计的浓硫酸和无水硫酸铜比较复杂，应该简化。4. 设计1-5使用氢气还原氧化铜来检验氢气的存在装置很烦琐，实际操作中很难保证气密性，同时需要大量氢气，而少量的铁粉和水蒸气反应很难满足要求，最好用点燃的方法来检验氢气。（经过大家的建议和改进，制定以下两种实验装置，由两组同学分别实验）（科学探究2）展示几位同学的设计方案实验2－1实验2－2实验2－3实验2－4（学生评价）：1. 设计2-1的优点是水蒸气的产生装置和铁粉和水蒸气的反应装置合并在一起，装置整体看上去很简单，但是铁粉洒在带孔的铝片上会漏到水中致使反应实验。没有书上第46页图3-8的实验装置合理。2. 设计2-2的优点是可以补充水蒸气，但是用手推注射器很难控制加水量，而且注射器的气密性不好，设计2-3的思路与设计2-2非常相似，用输液瓶向湿棉花中不断补充水，可以反应较长时间，可以进一步实验检验。3. 设计2-4的创意非常新颖，使用碱式碳酸铜可以分解生成水蒸气，但是同时产生CO₂，设计中用NaOH溶液吸收CO₂，但这样水蒸气也被吸收，相当于直接用水发生水蒸气，可以将碱式碳酸铜改进为分解只产生水蒸气一种气体的物质。（师生合作、改进实验装置，分成小组实验）（以小组形式展示，师生评价）实验1：实验成功，看到加热时铁粉变红，验纯后点燃尖嘴处有火焰。但是由于产生的水蒸气气流太大很快干燥管中氯化钙吸水呈糊状，后撤去干燥管后尖嘴处的氢气中含有大量的水蒸气点燃时火焰时有时无，非常不稳定，而且反应一段时间后，铁粉与水蒸气反应的大试管的管口处积存了较多的水。实验2：实验基本成功，看到加热时铁粉变红，但是验纯时没有听到“噗”的声音或尖锐的爆鸣声，可能是由于环境太嘈杂。后改为将导管通入蒸发皿中的泡泡剂时看到有气泡出现，用木条点燃泡泡有蓝色火焰。但是在实验结束后同学忘记将导管从泡泡剂中撤出而只撤去酒精灯，所以出现倒吸现象而导致试管炸裂。实验3：实验成功，使用普通试管加热好几次出现试管炸裂的问题后来将试管换成加厚试管，没有出现试管炸裂的问题，看到加热时铁粉变红，导管通入蒸发皿中的泡泡剂时看到有气泡出现，用木条点燃泡泡有蓝色火焰。实验4：实验成功。在直玻璃管中相距3cm的地方分别放置铁粉和略湿的棉花，将输液瓶中装满水，拔去针头将软短管插入湿棉花中，控制流速让水逐滴留下，看到加热时铁粉变红，导管通入蒸发皿中的泡泡剂时看到有气泡出现，用木条点燃泡泡有蓝色火焰，而且反应可以持续很长时间。实验5：实验成功。看到加热时铁粉变红，导管通入蒸发皿中的泡泡剂时看到有气泡出现，用木条点燃泡泡有蓝色火焰，而且验纯后用尖嘴点燃看到米粒大小的稳定的火焰。（教师总结）看到大家齐心合力、集思广益设计出这么多种装置并且很多都取得了成功，我感到非常的惊喜，我想很多同学还沉浸在成功的喜悦中，现在我们一起总结：设计一个成功的实验装置需要注意哪些问题？1．设计实验时我们要尽可能的简化装置，让实验体现出简洁美。2．设计实验时我们特别要注意反应物的状态和反应条件，有的同学设计了铁钉放入热水中等错误的实验装置，就是由于对只有铁粉和水蒸气在高温条件下才能反应这一点认识不清。3．设计实验时我们要打开思路、大胆想象，今天很多同学设计的都很新颖，实验效果也很好，这也证明了实验的多样性。4．有的小组很遗憾出现了问题，向第二小组的同学由于没有将导管从泡泡剂中撤出而只撤去酒精灯，所以出现倒吸现象而导致试管炸裂。这说明在实验中要注意操作的规范性和准确性。5．设计实验时要考虑现有的实验室条件，有的同学设计的石英试管、铁质试管都很好，但是由于我们实验室条件有限没有选用。（探究3）对于这个实验，你还希望知道什么？有没有什么设想？1． 我们在实验中只检验了氢气，那么如何检验另一种产物—Fe₃O₄？2．氢气在加热情况下可以还原Fe₃O₄，这两个反应是不是可逆反应？（学生小组讨论，回答）1． 对于第一个问题：（1）可以通过观察反应前后试管中固体的颜色来判断：反应前固体是灰黑色的粉末，反应后的固体是黑色晶体，由此说明生成了Fe₃O₄。（2）可以利用Fe₃O₄有磁性来判断：反应后将试管中的固体倒在白纸上，用吸铁石靠近固体，吸铁石吸上来一些黑色晶体。2．这两个反应是在不同温度下进行的，所以不是可逆反应。在一定条件下用普通铁粉和水蒸气反应，可以得到铁的氧化物，该氧化物又可以经过此反应的逆反应生成颗粒很细的铁粉。这种铁粉具有很高的反应活性，在空气中受撞击或加热时会燃烧，所以俗称“引火铁”。七、课后反思新课程标准特别提出：一是体验科学探究的过程和问题意识的培养，二是化学学习的方法和终生学习能力的培养。所以在进行这节课的教学活动时我也始终贯彻这两点。下了后同学们仍然留在实验室中仔细的观察每一套装置，有的实验还要在做一遍，真的很难的看到学生对实验有这么高的兴趣，我想这节课很有意义的一点是让学生体会了科学探究的过程，让它们的思维和实践有了一次强烈的碰撞，激起了火花。通过这节课更坚定了我进行科学探究的信心。

附：铁和水蒸气反应的科学探究报告

[目的]探究铁和水蒸气反应的实验装置

[仪器和药品]

[实验设计1]

探究点：1. 能够在实验室条件下进行该反应

2. 该反应包括三部分

3. 要保证在高温条件下铁和水蒸气反应

4. 生成的氢气应有足够的量供检验和收集

步骤： 1. 请你设计一套水蒸气的发生装置 2. 请你设计一套水蒸气与铁粉发生反应的装置 3. 请你设计一套产生气体的检验装置 4. 请你将前三部分装置联系起来设计一套组合装置	装置图：
现象
结论
评价

[实验设计2]探究点：1. 仪器和装置尽可能简单 2. 操作尽可能简便（你可以参考书上第46页图3-8，更欢迎大家标新立异，设计新的方法。）

步骤：	装置图：
现象
结论
评价

[实验设计3]

请你给出探究点：

能够自己解决吗？

步骤：	装置图：
现象
结论
评价