作者：李辉汤发有
教学仪器与实验 2006年10期
人教版高中课程标准实验教科书《化学》（必修1）金属的化学性质中，作为科学探究要求学生设计铁与水蒸气反应装置图。该科学探究确实体现了新课标的精神，培养学生实验设计能力，锻炼学生动手操作能力，激发学生对化学的兴趣。我要求学生以小组合作的方式进行实验设计。挑选设计新颖的实验方案，提供实验室及仪器，让学生根据自己的设计装配仪器和药品，并在课堂上作为成果交流、展示。
一、实验探究活动目的
1.通过铁粉与水蒸气的实验设计，培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生实验操作的能力。
2.通过对问题的讨论，培养学生积极思考和创新能力。
二、实验探究活动过程
1.引导学生知道铁粉与水蒸气反应的原理。
2.引导学生找出铁粉与水蒸气的反应条件和装置组成：反应条件—红热的铁粉与水蒸气；装置组成一水蒸气发生装置、水蒸气与铁粉反应装置、产生的气体检验装置。
3.在上述要求下，学生分组进行了热烈的讨论，在讨论的过程中不断修改他们自己设计的装置图，直到满意为止。
三、学生的实验设计
【小组1】 （学生自主装配并讲述）按照图1装配仪器，并实验（以下装置中必要的铁架台、铁夹、铁圈等在图中均已略去）。
设计意图：改变检验气体的形式。如果反应有氢气生成，则能还原氧化铜，反应后应该会有红色物质生成。
图1
实验现象：圆底烧瓶里的水不断沸腾，向还原铁粉中提供了充足的水蒸气；灰黑色的铁粉逐渐变成黑色的晶体；黑色的氧化铜粉末逐渐变成红色。
实验结论：水蒸气与铁粉发生了反应，氧化铜被还原，实验有氢气生成。
师生点评：通过学生讨论，得出实验的优缺点。能产生大量的水蒸气，因而能生成较大量的氢气；黑色的氧化铜还原成红色的单质铜，现象明显。但需要的实验仪器比较多，反应装置比较复杂。
【小组2】 （学生自主装置并讲述）按照图2装配仪器，并实验。
图2
设计意图：改变反应物水蒸气的来源，固体A是胆矾。胆矾在加热的条件下发生如下反应，能产生水蒸气，。通过胆矾与铁粉的混合，使分解出来的水蒸气与铁粉反应。用燃着的木条点燃生成的小气泡，则会有爆鸣声。
实验现象：蓝色的胆矾由于受热分解，变成白色的硫酸铜粉末。有气体生成，生成的小气泡多且很稳定，实验效果很好。
实验结论：胆矾受热分解生成水蒸气，水蒸气与铁粉发生了反应，生成氢气。
师生点评：通过学生讨论，得出实验的优缺点。实验现象明显，需要的实验仪器较少，装置简单；用沾水的棉花比胆矾要经济、节约。
【其他小组】 请学生到黑板上画实验设计图（图3～图6），并请提出意见。
图3的设计，利用圆底烧瓶加热水，能源源不断地为铁粉提供水蒸气，可是装铁粉的试管口斜向上，可能会导致部分水蒸气冷凝后倒流至试管底部，降低加热铁粉的温度的同时使试管炸裂；图4的设计与图3有点相似，利用了3支试管，分别用于水蒸气的产生、水蒸气与铁粉反应、检验产生的气体，简洁，很好。
图5、图6的设计包含着无尽的假设。假设一：是对铁丝发热的思考。考虑到生活中的电热棒通电可以发热，是否可以找到一个适合的电压，使该铁丝也能像电热棒一样自己发热呢？假设二：如果不存在以上的电压，则是否可以找到一种只能让气体通过而液体不通过的特殊功能材料，如图6所示，加热试管底部的水让水蒸气通过特殊功能材料溢出，并与前面红热的铁粉发生反应。假设三：如果以上2个假设都不能实现，能否用酒精灯加热铁丝到发红再直接伸入到充满水蒸水的试管中？
师生点评：首先，要形成回路，铁丝才能会发热。如果真的存在假设的特殊电压和假设的特殊功能材料，则假设一和假设二从理论上都能够成功，可惜在中学允许的范围内很难实现。假设三基本上不能成立，原因在于铁丝本来就与水蒸气的接触面小，当铁丝离开热源酒精灯伸入到充满水蒸气的试管时，铁丝的温度一定会立刻降低，反应根本不可能进行。
四、小结
学生都发挥了自己的想像，设计出许多新颖的实验装置图。一个好的实验设计必须遵循以下4个基本原则：科学性—实验原理、实验操作程序和方法必须正确；安全性—尽量避免使用有毒药品和进行具有一定危险性的实验操作；可行性—实验所选用的药品、仪器、设备和方法等在中学现有实验条件下能够满足；简约性—方案简单易行，应采用简单的实验装置，用较少的步骤和药品，并能在较短的时间内完成实验。
五、反思
1.给学生思维空间，鼓励他们，相信学生能设计出很多新颖的实验方案。
2.要相信学生有能力完成这样的实验，不要担心学生设计的装置会失败，只要找出失败的原因，对学生实验设计能力，动手操作能力，培养学生的创新意识，都有很大的帮助，这也是探究性实验的初衷。
3.在叙述清楚还原铁粉和水蒸气反应的原理后，就让学生在原理的指导下自己想办法，自己设计，自己安装仪器，他们认为需要什么仪器就提供什么仪器，同时也不要出现教材中安排的铁粉与水蒸气反应装置图，这样就易使学生有了先入为主的感觉，思维会受到束缚。只需叙述清楚还原铁粉和高温水蒸气反应的原理，把装置图删掉，添加在教师教学用书中，让教师作为参考就可以了。
4.教材中铁粉与水蒸气反应装置图有一个需要改进的地方：湿棉花处没有酒精灯加热，容易倒吸，引起试管炸裂，出现危险；且蒸发，皿中的气泡不稳定，影响实验效果。
作者介绍：李辉 汤发有 陕西师范大学，710062