氧气的获取：从工业规模到实验室探究-九年级化学教学设计

氧气的获取：从工业规模到实验室探究——九年级化学教学设计一、教学内容分析  本节课隶属于“身边的化学物质”这一主题，是学生系统学习物质制备的起始课，在初中化学知识体系中起着承上启下的枢纽作用。从课标要求看，它不仅是“学习基本的实验技能”和“初步形成基本的化学实验能力”的关键载体，更是落实“变化观念”与“证据推理”核心素养的重要阵地。知识技能上，学生需掌握工业制氧（分离液态空气法）的基本原理，理解其作为物理变化的本质；并深入探究实验室用过氧化氢制氧气的反应原理、装置选择与操作要领，特别是催化剂的概念及其作用，这是构建“制备一种气体需从原理、装置、操作、检验多角度系统规划”这一化学方法论的基石。过程方法上，本节课将通过“宏观现象微观解释符号表征”的三重表征思维，引导学生像科学家一样思考：从工业生产的宏大量级对比实验室研究的精细操作，理解科学探究的层次性；通过对比实验的设计与观察，学习控制变量和基于证据推理的科学方法。素养价值渗透上，通过展现工业制氧的规模与智慧，可以渗透技术应用与社会发展的关系；而实验室探究则着重培养严谨求实的科学态度与合作精神，实现知识传授与价值引领的有机统一。  学情方面，学生已初步了解氧气的性质与用途，对“化学变化”有基本概念，且具备一定的实验观察能力。然而，他们的认知可能存在以下节点：一是容易混淆工业制法与实验室制法的选择依据，认为“好”的方法就应通用；二是对“催化剂”概念易产生“参与反应”或“用量越多越好”等迷思概念；三是在设计简单实验方案时，逻辑的严密性和步骤的条理性有待提升。因此，教学将通过创设对比鲜明的真实情境，引发认知冲突；设计层层递进的探究任务，暴露并纠正前概念；并在关键环节设置“停顿点”，通过针对性提问和小组互评，动态评估学生理解程度，及时调整教学节奏与策略，为不同思维速度的学生提供可视化支架和个性化指导。二、教学目标  知识目标：学生能阐明工业上采用分离液态空气法制取氧气的原理及物理变化本质，并能从原料、成本、规模等角度比较其与实验室制法的差异；能准确书写过氧化氢分解制氧气的文字表达式，并解释催化剂在该反应中的作用特点，初步形成根据反应物状态和条件选择气体发生装置的意识。  能力目标：学生能独立或协作完成“过氧化氢分解制氧气”的基础性实验操作，初步学会排水法收集气体；能基于教师提供的线索，设计简单的对比实验方案（如探究催化剂的存在对反应速率的影响），并尝试对实验现象进行合理解释与概括，发展实验设计与证据推理能力。  情感态度与价值观目标：学生在小组合作探究中，能主动分享观点、倾听他人意见，共同解决问题，体验科学探究的协作乐趣；通过讨论工业制氧与实验室制氧的不同价值，初步体会化学技术在生产与科研中的不同角色，培养从多角度审视技术应用的意识。  科学（学科）思维目标：重点发展学生的“对比思维”与“系统思维”。通过工业与实验室、不同催化剂、不同装置的多维对比，学会在差异中把握事物本质；通过构建“原理—装置—操作—检验”的气体制备思维模型，学习用系统化的思路解决化学问题。  评价与元认知目标：引导学生依据清晰的实验操作评价量表，对自身或同伴的实验规范性进行初步评判；在课堂小结阶段，能用自己的语言复述学习路径，反思“我最清晰的一点是什么？”以及“我还想进一步探究的问题是什么？”，初步培养学习监控与反思习惯。三、教学重点与难点  教学重点为实验室用过氧化氢制取氧气的反应原理、实验装置与操作技能。确立依据在于，课标将此作为学生必须掌握的“基础知识和基本技能”，是后续学习二氧化碳等气体制备的认知模型基础，也是中考考查科学探究能力的经典载体。掌握这一模型，意味着学生初步学会了从化学视角规划并实施一项物质制备任务。  教学难点在于对“催化剂”概念的理解，特别是其“一变两不变”内涵的深度把握，以及根据反应原理自主选择合适的气体发生装置。难点成因在于，“催化剂”概念较为抽象，学生易受生活用语干扰；而装置选择需要综合反应物状态、反应条件等多重信息，对学生逻辑关联能力要求较高。预设通过可视化实验、关键特征归纳和思维建模来搭建认知阶梯，逐步突破。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含工业制氧原理动画、不同气体发生装置图）、板书设计（预留对比表格与思维模型区）。1.2实验器材与药品：工业制氧设备模型（或图片展板）。分组实验用品：5%过氧化氢溶液、二氧化锰、水泥块、猪肝小块（或其他生物催化剂）、药匙、锥形瓶、带导管的单孔橡皮塞、集气瓶、水槽、酒精灯、木条；演示实验用品：压强传感器（可选，用于直观展示催化剂作用）。1.3学习材料：分层学习任务单（含引导性问题、实验记录表格、巩固练习）、小组合作评价量规。2.学生准备2.1知识准备：复习氧气的性质（特别是助燃性）；预习课本，列出关于“制取氧气”的2个疑问。2.2物品准备：教材、笔记本、笔。3.环境布置3.1座位安排：学生46人为一合作小组，实验台器材预先按组摆放整齐。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题驱动：“同学们，请看屏幕。这是一座大型的医用氧气生产工厂，这些是潜水员用的氧气瓶，而这个是我们实验室里小小的集气瓶。它们都需要氧气，那么，获取这些氧气的方法会一样吗？”（展示对比强烈的图片）“为什么不一样？如果让你来为不同需求‘定制’氧气，你会考虑哪些因素呢？”2.路径明晰与旧知唤醒：“今天，我们就化身‘制氧工程师’，从大规模的工业生产走进我们的实验室，探寻获取氧气的不同密码。首先，我们要解决两个核心问题：工业上如何‘巧取’氧气？实验室里又如何‘智得’氧气？回想一下，氧气有哪些特性可以帮助我们检验它？”第二、新授环节任务一：揭秘工业规模制氧——分离液态空气法1.教师活动：首先播放空气成分饼状图与工业制氧简短动画，并提出引导性问题链：“空气中含有氧气，如何把它‘拿出来’？直接过滤行吗？”引导学生认识到需要利用氧气与其他成分的物理性质差异。“比较氮气和氧气的沸点，你能想到什么方法？”接着，利用动画或示意图，分步讲解“压缩降温→液态空气→升温分馏”的过程，并着重强调：“在整个过程中，有没有新的物质生成？”从而引导学生自主得出该变化属于物理变化的结论。最后设问：“这种方法适合在我们的化学实验室里进行吗？为什么？”2.学生活动：观看动画与图表，思考并回答教师提问。基于沸点差异数据，尝试描述分离原理。对比物理变化与化学变化的定义，判断工业制氧的本质。小组讨论该方法对设备、能耗的要求，初步体会工业制备与实验室研究在目标与手段上的区别。3.即时评价标准：①能否准确指出利用的是氧气与氮气沸点的差异。②能否清晰表述“先液化后分馏”的核心步骤。③能否基于“无新物质生成”判定其为物理变化，并能从成本、安全等角度说出至少一个工业法与实验室法不通用的理由。4.形成知识、思维、方法清单：★工业制法（分离液态空气法）：原理是利用空气中各组分沸点不同。过程：空气液化后分馏。本质是物理变化。▲工业思维：首要考虑原料是否易得、成本是否低廉、能否大规模生产。口诀提示：“工业制氧用空气，压缩降温变液体，升温分馏得氧气，物理变化要牢记。”任务二：初探实验室制氧——过氧化氢的分解1.教师活动：“实验室里，我们需要快速、安全、方便地获取少量氧气。过氧化氢（双氧水）是一种常见的消毒剂，它能在某些条件下缓慢释放氧气。如何让它更快地产生氧气呢？”教师进行演示实验：向两支分别装有等量过氧化氢溶液的试管中，其中一支加入少量二氧化锰。引导学生观察对比产生气泡的剧烈程度，并用带火星的木条检验。“大家看到了什么惊人的不同？这小小的黑色粉末起到了什么作用？”引导学生描述现象，并初步感知二氧化锰能“改变”反应速率。2.学生活动：集中观察演示实验，记录两支试管中产生气泡的速率差异及木条复燃现象。惊叹于现象对比的明显程度。尝试用语言描述二氧化锰的作用：“它让反应变快了！”。3.即时评价标准：①观察是否细致，能否准确描述气泡产生的快慢对比。②能否将“带火星木条复燃”的现象与“生成氧气”的结论正确关联。③能否初步概括出二氧化锰“加快反应”的作用。4.形成知识、思维、方法清单：★反应原理：过氧化氢在二氧化锰作用下分解生成水和氧气。★文字表达式：过氧化氢→（二氧化锰）水+氧气（此时可引入“→”和反应条件“上方写催化剂”的书写规范）。★催化剂：能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后不变。（此处强调“改变”，包括加快和减慢，初中阶段以加快为主）方法：对照实验是科学探究中识别关键因素的利器。任务三：揭秘“神奇”的催化剂——概念深化与辨证认识1.教师活动：“只有二氧化锰能扮演这个‘加速者’的角色吗？”组织学生进行分组探究实验：提供二氧化锰、水泥块、猪肝小块等不同物质，让学生分别加入等量、等浓度的过氧化氢溶液中，比较产生气泡的速率。“看，猪肝也能让反应飞快！这说明什么？”引导学生得出“催化剂具有选择性，且不唯一”的结论。紧接着，通过设计问题链深化概念：“反应后，二氧化锰是不是‘用完’了？如何证明它还是原来那个二氧化锰？”引出“一变两不变”的完整内涵，并辨析“参与反应”与“改变反应路径”的高阶理解（用比喻：如同媒人促成一桩婚事）。2.学生活动：以小组为单位，进行多催化剂的对比实验，兴奋地观察不同物质对反应速率的影响差异，并记录结果。讨论并总结催化剂的特性。思考并讨论证明催化剂化学性质不变的可能方法（如分离、再使用），在教师引导下理解“一变两不变”的深刻含义。3.即时评价标准：①实验操作是否规范（如用药匙取用粉末）。②小组是否有效分工合作，并记录下不同催化剂的效果差异。③能否举例说明催化剂的“选择性”和“反应前后不变”的特性。4.形成知识、思维、方法清单：★催化剂核心特点：“一变”指改变化学反应速率；“两不变”指自身的质量和化学性质在反应前后不变。▲催化剂的特性：专一性（选择性）（一种催化剂并非对所有反应都有效）；多样性（同一反应可能有多种催化剂）。易错点辨析：“化学性质不变”不等同于“没有参与反应过程”，它可能参与了中间过程但又恢复原状。教学提示：用“反应舞台上的编导”来比喻催化剂，帮助学生形象化理解。任务四：建构实验室制氧模型——从原理到装置1.教师活动：“我们已经找到了实验室制氧气的‘配方’（原理）和‘秘诀’（催化剂），现在需要搭建一个‘生产线’（装置）。”引导学生分析该反应的特点：“反应物是什么状态？需要加热吗？”由此引出“固体+液体→不加热”型气体发生装置。通过课件展示锥形瓶（或试管）、带导管单孔塞的典型装置图，并提问：“为何可以用这种装置？收集氧气能用什么方法？依据是什么？”联系氧气不易溶于水的物理性质，回顾导入时唤醒的旧知，引出排水集气法。边讲解边演示连接装置、检查气密性、添加药品、收集气体的完整流程。2.学生活动：在教师引导下，分析反应物状态和条件，理解选择该套发生装置的原因。回忆氧气的物理性质（不易溶于水、密度比空气略大），讨论并确认排水法为当前首选收集方法（纯度高、易于观察）。观看教师演示，记下关键操作步骤和注意事项。3.即时评价标准：①能否根据“固体+液体、不加热”准确指出对应的发生装置图。②能否清晰说出选择排水法收集氧气的理由（基于氧气性质）。③是否关注到装置连接顺序与气密性检查等操作细节。4.形成知识、思维、方法清单：★发生装置选择依据：主要取决于反应物的状态和反应条件。对于过氧化氢制氧（固体催化剂+液体反应物、常温），通常选用“固液常温型”装置。★收集方法选择依据：取决于气体的溶解性和密度。氧气不易溶于水，可用排水法；密度比空气大，也可用向上排空气法（本节课侧重排水法）。▲操作要点：连接装置后先检查气密性；排水法收集时，导管口刚有气泡冒出不宜立即收集（为什么？），待气泡连续均匀冒出时再收集。思维模型：实验室制备气体的系统思维：原理→装置（发生、收集）→操作→检验。第三、当堂巩固训练  1.基础层（全体必做）：判断正误并改错：①工业制氧是化学变化；②用过氧化氢制氧气，必须使用二氧化锰作催化剂；③催化剂在反应后质量减少。（设计意图：巩固基本概念，辨析易错点）  2.综合层（多数学生挑战）：提供一份有误的实验室制氧气简易操作说明（如“将过氧化氢倒入盛有二氧化锰的试管后立即收集”），请学生找出错误并说明理由。（设计意图：在情境中综合应用原理与操作知识）  3.挑战层（学有余力选做）：已知高锰酸钾加热也可制氧气（反应物为固体、需要加热）。请你画出其可能的发生装置示意图，并与本节课装置对比，说明差异原因。（设计意图：迁移装置选择思维，为下节课铺垫）  反馈机制：基础题采用全班快速口答，教师即时点评。综合题由小组讨论后派代表分享，其他组补充或质疑，教师聚焦典型错误进行剖析。挑战题请完成的学生在黑板上绘制示意图并讲解，教师给予肯定并提炼思维共性。第四、课堂小结  “同学们，今天的‘制氧之旅’即将到站。请大家在任务单上，用关键词或简单图示梳理一下：我们今天探寻了哪两种获取氧气的路径？它们的核心区别在哪里？”邀请几位学生分享他们的知识图谱。教师随后进行结构化总结，将板书整理为清晰的对比表格（工业vs实验室）和气体实验室制备思维模型图。“最后，请大家完成一个自我反思：今天探究的哪个环节让你觉得最有收获？关于催化剂，你心中是否还有未解的疑问？”作业布置：必做作业：完成课后基础习题；绘制实验室用过氧化氢制取氧气的装置图，并标注各部分名称及注意事项。选做作业（二选一）：①查找资料，了解生活中还有哪些地方用到催化剂（如汽车尾气处理、人体内的酶）。②思考：为何工业制氧不使用过氧化氢？从多角度撰写一份简要分析报告。六、作业设计  基础性作业（必做）：1.默写过氧化氢在二氧化锰催化下分解制氧气的文字表达式。2.简述工业制氧的基本原理，并说明其属于物理变化的理由。3.列表对比工业制氧与实验室（过氧化氢法）制氧在原理、变化类型、主要特点上的不同。  拓展性作业（建议大多数学生完成）：情境应用题：学校实验室需制备两瓶氧气用于课堂实验。现有过氧化氢溶液和二氧化锰。请你设计一份简要的实验方案，说明所需主要仪器、操作步骤（至少4步）及如何验证收集到的气体是氧气。  探究性/创造性作业（选做）：微型项目研究：催化剂一定是“加速”吗？请查阅资料（可阅读教材拓展内容或可信的科学网站），寻找一个化学反应中催化剂“减慢”反应速率的例子（如橡胶抗老化剂），并用图文并茂的方式制作一张简易科普卡片，介绍其原理和应用。七、本节知识清单及拓展  ★1.工业制氧（分离液态空气法）：核心是利用液态氮（沸点196℃）和液态氧（沸点183℃）的沸点差异。空气经降温加压液化后，缓慢升温，氮气先蒸发出来，剩下的主要是液态氧。此过程无新物质生成，属于物理变化。  ★2.过氧化氢分解反应原理：文字表达式：过氧化氢→（二氧化锰）水+氧气。这是实验室制取氧气的常用方法之一，反应在常温下进行。  ★3.催化剂概念与特征：能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质。特征概括为“一变两不变”。催化剂具有选择性和多样性。  ★4.气体发生装置的选择：主要依据反应物的状态和反应条件。过氧化氢（液态）与二氧化锰（固态）在常温下反应，属于“固液常温型”，典型装置包括锥形瓶（或试管）、带导管的单孔塞等。  ★5.气体收集方法的选择：主要依据气体的溶解性和密度。氧气不易溶于水，可用排水法收集，此法收集的气体较纯且易于观察集满；氧气密度比空气大，也可用向上排空气法收集。  ▲6.排水集气法操作要点：集气瓶需预先盛满水倒扣于水槽中；导管口应接近集气瓶底部；当导管口有连续均匀气泡冒出时再开始收集；集满后在水下盖好玻璃片再取出正放。  ▲7.装置气密性检查（对于该套装置）：将导管末端浸入水中，用手紧握锥形瓶外壁，若导管口有气泡冒出，松手后导管内形成一段稳定水柱，则证明装置气密性良好。  ▲8.工业与实验室制法的本质区别：前者追求经济、规模，利用物理方法分离；后者追求便捷、安全、可控，利用化学方法转化。选择何种方法取决于应用目的和具体情境。  ▲9.催化剂“参与反应”的深入理解：催化剂并非“旁观者”，它通过参与反应中间过程，降低反应所需的活化能，从而改变反应速率，反应结束时又恢复原状。这好比是翻越一座山，催化剂的作用是帮我们找到了一条更省力的隧道。  ▲10.其他可催化过氧化氢分解的物质：除二氧化锰外，氧化铁、硫酸铜溶液、生物组织中的过氧化氢酶（如土豆、猪肝）等也能催化此反应，但效率可能不同，体现了催化剂的多样性。八、教学反思  （一）目标达成度评估本节课的核心知识目标达成度较高，通过对比实验和思维建模，大多数学生能清晰区分工业与实验室制氧的原理差异，并能正确书写过氧化氢分解的表达式。能力目标上，学生在分组实验中表现积极，基础操作得到锻炼，但在设计对比实验方案时，逻辑的严谨性仍显不足，需在后续课程中持续强化。情感与协作目标基本实现，课堂氛围活跃。（二）环节有效性分析导入环节的对比情境成功激发了探究动机。“任务二”和“任务三”的演示与分组实验是本节课的高潮，直观现象有效冲击了学生原有认知，为建构催化剂概念提供了坚实证据。但“任务四”中从原理到装置的思维跨越对部分学生仍有难度，尽管有引导性问题，部分学生仍表现出被动接受而非主动推导，此处可考虑增加一个“装置匹