“铁丝在氧气中燃烧的探究”实验教学设计

　　摘要：围绕铁丝在氧气中燃烧的影响因素设计探究实验，重点探究氧气浓度、接触面积对铁燃烧的影响，同时探究铁丝燃烧过程中产生火星四射现象与铁丝中含碳量的关系。
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　　关键词：铁丝燃烧；氧气浓度；含碳量
　　文章编号：1005–6629（2014）2–0037–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
　　1 设计理念
　　“铁丝在氧气中燃烧”实验是沪教版九年级化学教材中一个关于氧气性质的简单验证实验。因考虑到学情等因素，新授课的教学重点是实验基本操作、实验现象观察、反应文字表达式书写等方面。经过近一年的学习，学生的化学观念已基本形成，化学学习及科学探究能力也有了一定的提高，故而在复习课教学中，对该实验展开深度探究就有了可能。在教学中，要通过对学生的思维潜能的挖掘，培养学生的化学学科素养，真正体现“把培养学生学习化学的兴趣、提高科学素养放在首要的位置”。
　　2 实验教学目标分析
　　2.1 知识与技能
　　（1）学会用排水法收集一定体积分数的氧气；
　　（2）学会酒精灯、坩埚钳等常见化学仪器的使用方法；
　　（3）学会铁丝燃烧实验的操作技巧和实验规范。
　　2.2 过程与方法
　　培养学生的问题意识、质疑意识及动手能力，使学生逐步形成独立思考的能力。
　　2.3 情感态度与价值观
　　（1）培养学生的化学观、探究观，体验化学探究的乐趣，感受化学物质及反应的魅力；
　　（2）培养学生深度思考的习惯，体验化学世界的美妙；
　　（3）引导学生赞赏化学，提升科学素养和激发研究潜能。
　　3 实验教学过程
　　实验：在空气中点燃镁条及铁丝（铁丝末端系一根火柴），观察实验现象。
　　学生：讨论、分析铁丝燃烧实验失败原因。
　　教师：提示从燃烧条件角度进行分析。
　　（引导学生联系铁丝在氧气中顺利燃烧的现象进行讨论、分析，得出实验失败的原因和氧气有关。可能原因是：氧气浓度不足或和氧气接触不充分）
　　设计意图：通过对实验现象的对比观察，引发学生质疑，结合已有知识进行分析、讨论，得出铁丝燃烧失败的原因，并为后续学习中讨论铁丝燃烧产生火星四射现象的原因做实验铺垫。
　　提问：铁丝燃烧是不是一定需要纯氧？
　　学生：讨论，设计方案（有难度，教师提示）探究铁丝燃烧和氧气浓度的关系[1]，并进行如表1所示对比实验，观察实验现象。
　　探究活动1：
　　教师：引导学生讨论、分析，得出结论——铁丝燃烧不一定需要纯氧。
　　设计意图：通过对氧气浓度是否影响实验的思考及讨论，鼓励学生设计相应的探究方案，并进行实验，进而对学生已有知识体系中的内容作出修正。并鼓励学生在课后的学习中做更多、更完备的系列氧气浓度的实验，最终得出铁丝燃烧所需的最低氧气浓度范围，同时进一步训练学生的实验基本操作技能（如收集不同浓度的氧气操作等）。
　　提问：如何收集一瓶（330 mL）体积分数为80%的氧气（瓶底要预留50 mL水）？
　　学生：思考、讨论，如何收集一定体积分数的氧气。
　　板书：收集体积分数为80%的氧气需预留的空气体积为x mL，则计算如下：
　　故应需向集气瓶中加入水的体积为（330-70）mL= 260 mL。
　　教师：用排水法收集时，只需将水排到50 mL预留水标志线处，即可停止收集，此时收集到的氧气的体积分数即约为80%。
　　过渡：如何才能增加铁和氧气的接触面积？
　　学生：回答——将铁丝换成铁粉。
　　学生：讨论，分析，得出结论——随着铁粉粒径的减小，铁的活性也随之增强，故纳米铁粉可以在空气中自燃。
　　设计意图：通过实验及视频的展示，使学生得出铁和氧气的接触程度也是影响铁在氧气中能否顺利燃烧的因素。对于其中还原铁粉在酒精灯火焰上抖落的实验，可以邀请学生进行演示，从而对学生产生强烈的实验刺激，激发学生实验探究的热情。铁粉自燃的视频也印证了实验的结论。
　　提问：铁丝在燃烧时都出现了火星四射的现象，而镁条燃烧却没有，是什么原因？
　　实验演示及视频展示：薄片状小木炭（小煤块）在氧气中燃烧（图4）、钢铁厂炼钢时钢花四溅的视频（图5）。
　　学生：讨论、初步联想。
　　教师：炼钢的主要原料是生铁，其中含有较多的碳元素，所以钢厂工人会根据钢花四射的现象由经验判断出所炼得的钢是否已达到要求。
　　学生：得出结论，火星四射的现象和铁丝中的碳元素相关。
　　设计意图：通过对镁条燃烧及铁丝燃烧实验现象的回忆对比，提出问题——铁丝燃烧为什么会火星四射？演示小木炭（或小煤块）的目的即是引导学生进行知识迁移，根据观察到的实验现象，合理猜想，得出铁丝燃烧时产生火星四射现象的原因和碳元素相关，进而从钢厂炼钢的视频中得到相应的验证，同时为后续学习中含碳量对实验现象的影响探究作必要的铺垫，以免产生跳跃、唐突，影响学生探究结论的形成。
　　提问：既然和碳元素相关，含碳量的多少会对实验现象产生何种影响？
　　学生：讨论，设计方案（有难度，教师需出示实验用品作必要的提示），进行如表2所示对比实验，并观察实验现象。
　　探究活动3：
　　学生：根据实验现象，讨论、分析，得出结论——铁丝含碳量越高，火星四射现象越明显。
　　设计意图：通过前述环节教学，学生已经建立铁丝燃烧过程中火星四射现象的确和其中含碳元素相关，但具体关联程度如何，却是未知，为探究这一问题，在教师提供的必要实验用品范围内，鼓励学生自主或合作，设计出合理的探究方案，并进行探究实验，最终得出正确的实验结论。 　　教师：引导学生回顾本课所学知识，交流所得及仍然存在的困惑，对本课作必要的总结和反思，并给出课后所需完成的任务（如：铁丝在氧气中燃烧产物组成的探究）。
　　学生：交流本课学习的心得体会。
　　4 实验教学说明
　　（1）本实验教学设计所需的实验用品如下：镁条、薄片状木炭（小煤块）、石棉网细铁丝、304L细钢丝、304细钢丝、302细钢丝、还原铁粉（AR）、坩埚钳、石棉网、80%的氧气1瓶，瓶底有水的氧气6瓶、酒精灯、火柴、相关视频课件资料等。
　　（2）本教学设计中所选用的细铁（钢）丝均为河北省唐山市光大银河金属材料有限公司提供的304L、304、302型材，含碳量分别约为0.03%、0.08%、0.15%，直径均为0.2 mm及0.3 mm。如图9（0.2 mm）、图10（0.3 mm）。
　　（3）本实验教学设计的优点主要是：从学生角度出发，在学生已有认知基础（一定浓度的氧气支持燃烧、一定浓度的二氧化碳使燃着木条熄灭）上，采用逐级递进的方式，设计问题链，并通过这些有效的问题的设计，抓住学生学习过程中的兴趣点和问题点，激发学生的探究热情，使他们主动融入探究过程，体验化学探究的乐趣。同时，面对普通的实验现象，通过问题引导，引发学生质疑，鼓励学生猜想，讨论设计合理的实验方案，培养了学生的质疑能力，使他们留有质朴的存疑探疑的原动力，对课堂进行必要且有益的拓展。
　　（4）不足及疑惑。不足表现为：①前期实验准备工作量大，如果学生全员参与，实验进度的掌控及实验效果可能都较难达到预期。②部分实验的成功存在偶然性，如薄片状木炭（小煤块）在氧气中燃烧时火星四射的现象不易得到，需要控制木炭的材质、厚度及大小，否则很难崩裂产生火星。③尽管实验中所用铁丝直径相同，但因为每次燃烧时，铁丝伸入集气瓶的时机及深度不同，降低了对实验结论的支撑力，实验结论的获得仍存在经验性判断倾向的因素。疑惑有二：首先将还原铁粉在酒精灯火焰上方抖落，出现火星四射的现象，是还原铁粉中的微量的碳（<0.02%）[2]所致，还是因为还原铁粉粒径太小，铁粉接触到酒精灯火焰瞬间熔融燃烧，并随热气上升四溅所致，具体何因，有待解释。其次实验中使用的304L、304、302型材细钢丝，虽然在含碳量上有明显的不同，但其中所含其他化学元素及含量是不相同的，这是否对会铁丝燃烧产生的现象造成影响，仍是未知。
　　5 教学建议
　　在做不同含碳量铁丝在氧气中燃烧实验时，为缩短氧气的制备时间，为学生分组实验提供便利，可采用如下方法：在集气瓶中加入一定量市售30%的H2O2溶液，再加入少许MnO2粉末，验满后再进行铁丝燃烧的实验。采用这种实验组合，由于氧气量充足，实验可连续、重复进行。
　　本实验教学设计的撰写和实施得到了扬州市教科所赵华老师、扬州中学王金龙老师、江都区邵伯镇中学陈建安老师的悉心指导和帮助，同时江都区邵伯镇中学毛金津老师为本设计提供了实验和视频录制的支持，在此一并感谢！
　　参考文献：
　　[1]乔金锁，刘冷.铁丝在氧气中燃烧的研究[J].化学教育，2010，（10）：76～79.
　　[2]王崇琳，张春光等.铁精矿还原铁粉的质量稳定性[J].粉末冶金工业，2012，（6）：7～15.