2.4跨学科实践活动学习探究水的组成的科学史并制作分子模型（教学设计）化学科粤版2024九年级上册

2.4跨学科实践活动：学习探究水的组成的科学史并制作分子模型一、知识目标1.梳理科学家探究物质组成与构成的历程，掌握水的组成发现史中的关键实验（如氢气与氧气反应生成水、铁与水蒸气反应等）。2.通过电解水实验，理解探究物质组成的一般思路，明确水由氢、氧两种元素组成。3.学会制作简单分子模型（如氢分子、氧分子、水分子等），并通过模型演示电解水的微观过程，理解化学变化的微观实质。4.能编写并展示“水分子漫游记”情景剧，将水的三态变化、化学变化与生活实际相结合。二、核心素养目标1.宏观辨识与微观探析：从宏观上观察电解水的实验现象（气体体积比、燃烧特性），从微观上通过分子模型理解水分子分解为氢原子和氧原子、再重新组合为氢分子和氧分子的过程，建立“宏观现象—微观本质”的联系。2.证据推理与模型认知：以电解水实验中“正氧负氢、体积比1:2”的现象为证据，推理水的元素组成；通过分子模型建构，理解化学变化中原子种类不变、分子种类改变的规律。3.科学探究与创新意识：参与电解水实验的设计与操作，体验科学探究的基本流程（提出问题→设计实验→收集证据→得出结论）；通过制作模型和情景剧展示，培养创新表达能力。4.科学态度与社会责任：通过学习科学家探索水组成的历程，感受严谨求实的科学精神；认识水对生命和环境的重要性，树立保护水资源的意识。一、教学重点1.电解水实验的操作与分析（现象观察、产物检验、结论推导）。2.分子模型的制作与电解水微观过程的演示。3.水的组成发现史中的关键实验与科学方法。二、教学难点1.从微观角度理解化学变化中分子的分裂与原子的重新组合。2.探究物质组成的一般思路（通过分解或化合反应推断物质元素组成）。3.跨学科融合（化学、历史、艺术等）在实践活动中的体现。本节跨学科实践活动源于科粤版九年级化学上册第二章《空气、物质的构成与组成》，是在学习“元素”“单质与化合物”“分子与原子”等概念后的综合实践课。它既是对物质组成探究方法的深化，也是对微观粒子概念的具象化理解。教材通过“科学史学习—实验探究—模型制作—情景剧展示”的逻辑线索，打破了传统化学课的学科界限，融合了历史、物理（电解原理）、艺术（模型制作与表演）等学科知识。其设计旨在让学生通过多感官参与，从“做中学”“用中学”中理解水的组成，培养科学探究能力和跨学科思维，为后续学习化学方程式、物质结构等知识奠定基础教学对象为九年级学生，已具备以下基础：知识基础：知道水的物理性质（三态变化），了解元素、单质、化合物的概念，对电解水实验有初步认知（如“正氧负氢”）。技能基础：能进行简单的实验操作（如使用试管、酒精灯），具备一定的观察和分析能力。思维特点：处于从形象思维向抽象思维过渡阶段，对微观粒子（分子、原子）的理解仍需借助直观模型；对实践活动和小组合作表现出较高兴趣，但跨学科整合能力有待提升。学生的认知难点在于：难以将宏观实验现象与微观粒子运动联系起来，对“化学变化中原子不变、分子改变”的规律理解不深刻。教学环节一新课导入【情境创设】展示两组对比素材：素材一：中国古代“五行之说”示意图（金、木、水、火、土），配文“古人认为水是构成自然界的基本元素，不可再分”。素材二：2022年祝融号火星车拍摄的火星地表照片，配文“我国祝融号火星车发现火星近期存在水活动迹象，引发科学界对‘火星水组成’的热议”。【提问】1.古人认为“水是不可再分的元素”，结合你的生活经验或已有知识，你觉得这个观点正确吗？为什么？2.火星上的水和地球上的水，在组成上可能存在差异吗？我们可以通过什么方法探究水的组成？【学生讨论】（预留2分钟）鼓励学生自由发言，如：“水烧开后会变成水蒸气，可能只是状态变化，没有分解”“电解水实验好像能产生气体，说明水可以再分”“火星水和地球水应该都是由氢和氧组成的吧？”【引入】古人对水的认知受限于当时的科技水平，而今天我们将通过一场跨学科实践活动，沿着科学家的足迹探索水的组成——包括学习科学史、设计实验、制作分子模型，最后还要用情景剧演绎“水分子的旅程”。让我们一起揭开“水的组成”之谜！设计意图1.激发认知冲突：通过“古人观点”与“现代科学发现”的对比，打破学生对水的固有认知，引发探究欲望。2.联系前沿科技：以祝融号火星车的发现为切入点，将课堂知识与航天探索结合，体现化学的现实意义。3.明确活动主线：在导入中预告“科学史学习—实验探究—模型制作—情景剧展示”的实践环节，让学生对本节课的任务有清晰预期，为后续活动铺垫。教学环节二学习探索物质组成与构成的历程活动一：科学家探索物质组成与构成的时间轴梳理【展示】科学家探索物质组成的时间轴（配图及关键信息）：公元前10世纪前后：中国“阴阳说、五行说”等。公元前5世纪前后：古希腊德谟克利特提出相关思想。18世纪末：英国普里斯特利、卡文迪什进行相关气体实验；法国拉瓦锡“分解水”获得“可燃空气”，建立原子学说。19世纪初：英国道尔顿创立“原子论”；法国盖吕萨克提出气体化合体积定律；意大利阿伏伽德罗提出分子学说。【提问】1.在这些科学家中，哪位通过实验首次明确提出了水的组成相关的关键结论？2.阿伏伽德罗的“分子学说”相比之前的理论，在解释物质组成和化学反应上有何优势？【小组讨论】（5分钟）结合时间轴，归纳不同时期科学家在探索物质组成与构成方面的核心贡献。【学生回答】拉瓦锡通过实验得出了与水的组成相关的重要结论。阿伏伽德罗的“分子学说”引入了分子的概念，能更好地解释气体反应的体积关系等，使对物质组成和化学反应的解释更合理。【讲解】这些科学家通过不断的实验和理论完善，逐步揭开了物质组成与构成的奥秘，他们的探索精神和研究方法值得我们学习。设计意图通过梳理时间轴，让学生了解科学发展的历程，感受科学家们的探索精神，为后续学习水的组成探究奠定历史和理论基础。活动二：水的组成的发现——关键实验分析【讲解】现代【展示】水的组成发现相关实验介绍：（1）1781年，英国科学家普里斯特利、卡文迪什分别将“可燃空气（氢气）”与空气或“脱燃素空气（氧气）”混合后点燃爆炸，发现有水生成。（2）拉瓦锡利用自制装置（图2.42），将玻璃曲颈甑中的蒸馏水加热，水蒸气进入用陶瓷密封的红热铁管后，在试管中收集到了“可燃空气（氢气）”。【提问】1.拉瓦锡的实验中，反应物是铁和水蒸气，生成物有四氧化三铁和氢气，结合反应物和生成物的元素组成，能得出什么关于水的组成的结论？2.普里斯特利和卡文迪什的实验，从另一个角度支持了水的组成结论，为什么？【学生回答】铁和水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气，四氧化三铁含有氧元素，氢气含有氢元素，而铁中不含氢和氧元素，所以水中一定含有氢元素和氧元素。他们的实验中，氢气和氧气反应生成水，说明水的组成与氢、氧元素有关，与拉瓦锡的实验结论相互印证。【讲解】正是通过这些实验，科学家们逐步明确了水是由氢、氧两种元素组成的。设计意图通过分析关键实验，引导学生从反应物和生成物的元素组成角度推理水的组成，培养学生的逻辑推理能力。活动三：讨论与交流——对科学家结论及观点的思考【展示】相关讨论问题及背景信息：（1）拉瓦锡通过“铁和水蒸气反应”实验收集到了“可燃空气（氢气）”，结合普里斯特利、卡文迪什的实验结果，推理得出结论：水由氢、氧两种元素组成。（2）道尔顿、盖－吕萨克、阿伏伽德罗对“氢气和氧气反应”实验做出了不同的解释：道尔顿：认为物质是由原子构成的，原子在化学变化中不可分，氢气和氧气结合成水的微观过程是氢原子、氧原子结合成水原子。盖吕萨克：通过实验发现2体积氢气和1体积氧气反应生成2体积水蒸气并进行推测。阿伏伽德罗：认为物质是由分子构成的，分子由原子构成，提出“相同条件下，相同体积气体含有相同数目分子”，推测氢气分子、氧气分子结合成水分子。【提问】1.你认同拉瓦锡关于水的组成的结论吗？请说明理由。2.你更赞成哪一位科学家对“氢气和氧气反应”的解释？为什么？他们运用了什么方法探索物质的组成与构成？【小组讨论】（7分钟）各小组针对问题展开深入讨论，形成统一观点。【学生回答】认同拉瓦锡的结论，因为多个实验从不同角度都能证明水含有氢和氧两种元素。更赞成阿伏伽德罗的观点，因为他的分子学说能更合理地解释气体反应的体积关系，他们都运用了化学实验的方法来探索。【讲解】科学结论的得出往往需要多个实验的验证，科学家们通过不断提出假设、进行实验、修正理论，推动着科学的发展。化学实验是探索物质组成与构成的重要方法。设计意图通过讨论，让学生深入理解科学家得出结论的过程，体会科学探究的严谨性，同时认识到化学实验在科学研究中的重要作用。活动四：实验探究——水的组成及变化（1）提出问题【提问】结合前面的学习，我们知道了水由氢、氧两种元素组成，那我们如何通过实验来进一步探究水的组成及变化呢？【引入】接下来我们进行【实验25】水的组成及变化的探究。设计意图：明确实验目的，激发学生的实验探究兴趣。（2）实验装置设计【展示】两种电解水装置图：方案一：水电解器（球形漏斗、活塞、氧气刻度管、氢气刻度管、水、电源、负极、正极）。方案二：简易电解水装置（H₂、废弃小试管、矿泉水瓶、带有两个大头针的胶塞、水、负极、正极、电源）。【任务】请同学们仔细分析这两种装置的特点，利用水槽1个、试管2支、胶塞2个（中间打孔插入电极）、电极2个、电源1个、导线2根，设计出方案三的简易电解水装置图。【学生展示】选取23个小组的设计图进行展示，由学生进行点评，分析设计的合理性。【展示】方案三简易电解水装置示意图（标注负极、正极、H₂气、O₂气）。【讲解】设计电解水装置时，要保证电极能与水充分接触，便于气体的收集。设计意图：培养学生的实验设计能力和创新思维，让学生理解实验装置的设计原理。（3）检验生成物的方法【讲解】在电解水实验中，我们会得到两种气体，分别是氢气和氧气，它们的检验方法如下：氢气：用燃着的木条点燃气体，并在火焰上方罩一个干冷的烧杯，观察到火焰为淡蓝色，烧杯内壁有小水珠出现，则证明生成的气体为氢气。氧气：用燃着的木条靠近气体，燃着的木条燃烧得更旺，证明生成的气体是氧气。设计意图：让学生掌握氢气和氧气的检验方法，为实验顺利进行做好准备。（4）进行实验【讲解】实验步骤：在水电解器中加满水。向水中加入少量氢氧化钠（或稀硫酸）。接通电源，开始电解过程。【分组实验】学生按照实验步骤进行操作，观察实验现象并记录。【学生操作】分组使用简易装置进行实验，重点记录气体体积数据。【提问】为什么向水中加入氢氧化钠或稀硫酸？（引导学生思考“增强导电性”）（5）撰写实验报告（电解水阶段）【展示】实验报告表格（电解水阶段）：实验示意图实验步骤观察与记录（配图）1.取水加氢氧化钠搅拌溶液温度升高（配图）2.注液、通电；3.观察现象①电极表面有气泡产生；②负极气体体积约11.5mL，正极约5.6mL，体积比2:1【提问】1.表格中①处“水中加氢氧化钠”的目的是什么？（【答案】增强导电性）2.刻度管内为何不能留有空气？（【答案】防止点燃时爆炸）【学生填写】根据实验现象完成报告，教师巡视指导。设计意图：通过亲自动手实验，让学生直观感受电解水的过程，培养学生的实验操作能力和观察能力。活动五：检验电解水产物【演示实验】教师检验两极气体：1.负极气体：用燃着的木条靠近，气体燃烧产生淡蓝色火焰，烧杯内壁出现水珠→证明是氢气。2.正极气体：用燃着的木条靠近，木条燃烧更旺→证明是氧气。【分组实验】学生重复检验操作，记录现象。【提问】1.负极气体燃烧产生水珠，说明氢气中含有什么元素？2.正极气体使木条燃烧更旺，说明氧气的化学性质有何特点？【学生回答】氢气含氢元素，氧气具有助燃性。设计意图：通过产物检验，明确气体种类，为推断水的组成提供关键证据，强化“物质性质决定检验方法”的思维。活动六：撰写实验报告（检验产物阶段）【展示】实验报告表格（检验产物阶段）：实验示意图 实验步骤 观察与记录（配图） 5.检验负极气体 气体燃烧，淡蓝色火焰，烧杯内壁有小水珠（配图） 6.检验正极气体 木条燃烧更旺【提问】表格中②处“控制活塞开启速度”的目的是什么？（【答案】防止气体燃烧爆炸）结合现象，两极气体分别是什么？（【答案】负极氢气，正极氧气）【学生总结】填写报告并归纳：V（氢气）：V（氧气）≈2：1。设计意图：通过现象记录与分析，将宏观实验与物质性质关联，为推导水的组成铺路。活动七：实验结果与讨论【展示】实验结果分析表格：项目 反应物 生成物物质种类 水（H₂O） 氢气（H₂）、氧气（O₂）元素组成 ？ 氢元素（H）、氧元素（O）【提问】结合“化学变化前后元素种类不变”，水的元素组成是什么？（【答案】氢、氧元素）如何记忆电解水的现象与产物？（引导学生总结“正氧负氢，一氧二氢”）【学生推理】水分解为氢气和氧气，氢气含氢元素，氧气含氧元素，故水由氢、氧元素组成。设计意图：运用元素守恒定律推导结论，培养逻辑推理能力，突破“水的组成”这一核心知识点。活动八：反思与评价【提问】电解水和煮沸水都有气泡，本质区别是什么？（【答案】电解水是化学变化，生成新物质；煮沸是物理变化，仅状态改变）哪些现象或数据能证明水不是一种元素？（【答案】生成两种不同元素的气体，体积比恒定）【小组讨论】结合实验过程，分享操作中的注意事项（如防止爆炸、准确读数）。设计意图：区分物理变化与化学变化的本质，强化对实验结论的理解，培养严谨的科学态度。活动九：探究物质组成的一般思路【讲解】科学家探究物质组成的通用方法：将未知组成的物质通过分解或化合反应，转化为已知组成的物质。根据“化学变化前后元素种类不变”，由产物推反应物组成。【举例】若某气体燃烧生成CO₂和H₂O，则该气体一定含C、H元素。【拓展】现代科技手段：元素分析仪、红外光谱仪等可直接测定物质组成。设计意图：提炼科学探究方法，实现从具体实验到通用思路的升华，培养知识迁移能力。教学环节三制作分子模型活动一：对比两组纯净物的元素组成认识分子模型的意义【讲解】模型建构是化学科学研究的基本方法，通过拼装分子模型，我们可以从微观视角直观认识物质的组成与构成。【展示】常见分子模型图（氢分子、氧分子、水分子、二氧化碳分子等），标注各原子的表示方法（如氢原子用白色球，氧原子用红色球）。【提问】观察图中水分子模型，1个水分子由几个氢原子和几个氧原子构成？（引导学生回答“2个氢原子和1个氧原子”）设计意图明确模型建构的意义，通过直观图示让学生了解分子的构成，为后续制作模型奠定基础。活动二：制作分子模型【布置任务】根据表格要求制作模型：分子种类数量氢分子（H₂）2个氧分子（O₂）2个氮分子（N₂）1个水分子（H₂O）6个二氧化碳分子（CO₂）1个氨分子（NH₃）1个【准备材料】两种颜色的橡皮泥（或黏土）、牙签（作为化学键）。【演示步骤】1.将橡皮泥捏成小圆球（代表原子，氢原子稍小，氧原子稍大）。2.用牙签连接原子：如2个白色球+1个红色球→水分子模型。【学生操作】分组制作，教师巡视指导（重点纠正水分子中原子的连接方式）。设计意图结合通过动手制作，加深对分子构成的理解，培养空间想象能力和动手能力。活动三：用模型演示电解水的微观过程方案一：2个水分子模型演示【演示】教师示范：1.拆分：2个水分子（2H₂O）→4个氢原子（4H）+2个氧原子（2O）。2.组合：4个氢原子→2个氢分子（2H₂）；2个氧原子→1个氧分子（O₂）。【提问】拆分前后，原子的种类和数目是否改变？（【答案】不变）设计意图通过简单模型演示，初步理解电解水的微观本质——分子拆分与原子重组。方案二：4个水分子模型演示【小组任务】用4个水分子模型重复上述过程：拆分：4H₂O→8H+4O。组合：8H→4H₂；4O→2O₂。【记录】填写表格：步骤分子/原子种类数量拆分前水分子（H₂O）4个拆分后氢原子（H）、氧原子（O）8个、4个组合后氢分子（H₂）、氧分子（O₂）4个、2个【讨论】水分子与生成的氢分子、氧分子的个数比是多少？（【答案】4：4：2=2：2：1）设计意图：通过增加分子数量，强化“原子守恒”和“分子个数比”的理解，为归纳规律做铺垫。方案三：6个水分子模型演示【小组合作】自主完成6个水分子的拆分与组合，推导：拆分：6H₂O→12H+6O。组合：12H→6H₂；6O→3O₂。【结论】无论水分子数量多少，拆分后氢原子与氧原子个数比均为2：1，分子个数比均为H₂O：H₂：O₂=2：2：1。设计意图：通过多次实验，让学生认识到微观变化的规律性，培养归纳能力。活动四：讨论与交流——化学变化的微观实质【提问】对比方案一、二、三，拆分后氢原子和氧原子的个数比均为2:1，这与电解水实验中气体体积比1:2是否一致？（引导学生联系宏观与微观）化学变化中，分子种类、原子种类、元素种类是否改变？【学生回答】一致，因为原子个数比决定了分子个数比，进而影响气体体积比。分子种类改变，原子和元素种类不变。【总结】化学变化的微观实质：分子分裂成原子，原子重新组合成新分子。设计意图：将微观模型与宏观实验现象关联，突破“化学变化本质”这一难点，建立“宏微结合”的思维。活动五：模型分类【任务】将制作的模型按“单质分子”“化合物分子”分类：单质分子：氢分子（H₂）、氧分子（O₂）、氮分子（N₂）。化合物分子：水分子（H₂O）、二氧化碳分子（CO₂）、氨分子（NH₃）。【提问】分类依据是什么？（【答案】单质分子由同种原子构成，化合物分子由不同种原子构成）设计意图：通过分类，巩固单质与化合物的微观区别，强化物质分类的逻辑。教学环节三展示“水分子漫游记”情景剧活动一：明确情景剧要求【讲解】以“水分子的旅程”为主题，编写并展示5分钟情景剧，需包含以下要素：主角：水分子（可多人扮演，代表多个水分子）。内容：体现水的状态变化（如蒸发、凝结）、化学变化（如电解、光合作用中的角色）。场景：涵盖自然环境（湖泊、云层）、生物体内（植物细胞）等。形式：现场表演或视频展示，可使用自制道具（如分子模型、头箍等）。【提问】生活中常见的水的变化有哪些？（引导学生列举“湖水蒸发”“下雨”“植物吸水”等）设计意图：明确任务要求，结合生活经验启发创作思路，为情景剧编写铺垫素材。活动二：编写剧本与准备道具【小组合作】头脑风暴：讨论水分子的“旅程”路线（如“湖泊→水蒸气→云层→雨水→植物→光合作用”）。分配角色：水分子、太阳、植物细胞等。制作道具：利用之前的分子模型、彩纸制作云朵/树叶道具、角色头箍等。【示例场景】情境1（蒸发）：“我是水分子，太阳晒得我好热，和伙伴们挣脱束缚飞向天空……”情境2（光合作用）：“我进入树叶细胞，和二氧化碳一起变成了葡萄糖，为植物生长提供能量……”设计意图：通过合作创作，将化学知识（水的三态变化、化学性质）融入剧情，培养创新表达与团队协作能力。活动三：展示与评价情景剧【分组展示】各小组依次表演，要求：说明场景中水分子的变化类型（物理变化/化学变化）。解释变化的微观原因（如“蒸发时分子间隔变大”“电解时分子分裂为原子”）。【互评标准】科学性：是否准确体现水的变化原理。创意性：剧情设计、道具使用是否新颖。表现力：角色演绎是否生动易懂。【学生点评】举例：“某组用分子模型演示电解过程，直观展示了原子重组，科学性强……”设计意图：通过展示与互评，加深对水的变化的理解，同时培养批判思维和表达能力。活动四：项目反思与评价【个人反思】填写评价表：本次活动中，你在制作模型/编写剧本/表演中承担了什么角色？通过活动，对“水的组成”“分子变化”有哪些新的认识？团队合作中遇到了什么问题？如何改进？【教师总结】肯定各小组的创意，强调“宏观现象与微观本质”的联系，如“情景剧里的‘水分子旅行’，本质是分子在不断运动和变化”。设计意图：通过反思梳理知识收获与合作经验，实现从“做”到“悟”的提升，巩固跨学科实践的核心成果。2.4跨学科实践活动：探究水的组成一、水的组成发现史1.关键实验普里斯特利、卡文迪什：拉瓦锡：2.结论：水由氢元素（H）和氧元素（O）组成二、电解水实验1.现象：正氧负氢，体积比约1：2（“正氧负氢，一氧二氢”）2.化学方程式：三、微观实质（分子模型）1.过程：水分子→氢原子+氧原子→氢分子+氧分子2.规律：化学变化中，原子种类、数目不变，分子种类改变四、水分子漫游记（情景剧）1.物理变化：蒸发（分子间隔变大）、凝结（分子间隔变小）2.化学变化：电解（分子分裂重组）、光合作用（参与物质合成）1.下列关于电解水实验的说法正确的是（）A.正极产生的气体是氢气B.负极产生的气体能使带火星的木条复燃C.正、负极产生气体的体积比约为1：2D.该实验证明水是由氢气和氧气组成的【答案】C【解析】电解水时“正氧负氢”，正极产生氧气（能使木条复燃），负极产生氢气（能燃烧），体积比1:2，证明水由氢、氧元素组成，故C正确。2.从微观角度分析，电解水时发