氧气的制取：从实验室到工业-九年级化学教学设计

氧气的制取：从实验室到工业——九年级化学教学设计一、教学内容分析《义务教育化学课程标准（2022年版）》对本部分内容的要求是：初步学习氧气的实验室制取方法；了解自然界中的氧循环；认识物质的性质与应用的关系。本课时内容处于“我们周围的空气”这一核心单元，是学生系统学习气体制备原理与方法的开端，对后续学习二氧化碳等气体的制取具有重要的范式迁移价值。在知识技能图谱上，它上承氧气的性质，下启制取气体的系统性思维（反应原理→发生装置→收集装置→检验验满），是连接元素化合物知识与基本实验技能的枢纽。其认知层级要求从识记（如药品名称）跃升至理解与应用（如选择装置的依据），并初步涉及分析与评价（如方案优劣比较）。过程方法上，本课是践行科学探究（提出问题、设计实验、进行实验、解释结论）的绝佳载体，通过对比实验室与工业制法的差异，引导学生建立“科学”与“技术”不同维度的认知模型。素养价值渗透点丰富：通过动手实验，培养严谨求实的科学态度与合作精神；通过讨论工业制法的选择依据，感悟化学原理在规模化生产中的工程智慧，理解“绿色化学”与资源利用的社会责任感，实现知识学习与素养发展的同频共振。九年级学生初步接触化学，对实验充满好奇与热情，具备一定的观察与描述现象的能力。已有基础包括：对氧气助燃性等性质的了解，以及第一课时对高锰酸钾制氧气的初步认识。可能的认知障碍在于：对催化剂概念的理解易停留在“加快反应”的表象，忽视其“一变两不变”的本质；对气体发生装置的选择依据缺乏系统分析，常与收集装置混淆；难以从“定性”的实验室制备跨越到“定量”、“经济”的工业制备思维。教学中需通过递进式的问题链和对比鲜明的活动，将抽象原理可视化、模型化。我将通过“前测”问题（如：除了加热高锰酸钾，还能如何制得氧气？）、实验过程中的追问与观察、以及后测练习，动态评估学生认知发展。针对不同层次的学生，策略如下：为理解较快者设计“装置设计师”、“原理评鉴师”等挑战角色，引导其进行深度分析与批判性思考；为需要支持者提供“实验步骤提示卡”、“装置选择决策树”等可视化支架，并安排小组内“小老师”帮扶，确保每一位学生都能在“最近发展区”内获得成长。二、教学目标知识目标：学生能够准确复述过氧化氢分解制氧气的反应原理，辨析催化剂的核心特征（“一变两不变”）；能系统阐述实验室制取气体时，发生装置与收集装置的选择依据，并能根据给定的反应原理与气体性质，初步设计简易制取方案；能对比说明实验室制法与工业制法（分离液态空气）在目的、原理、装置、成本等方面的本质差异。能力目标：学生能安全、规范地协作完成“过氧化氢制氧气”的探究实验，并准确记录、描述实验现象；通过对多组实验装置（固液不加热型vs.固固加热型；排水法vs.向上排空气法）的观察、分析与分类，形成基于物质性质与反应条件选择实验装置的模型认知与推理能力。情感态度与价值观目标：在小组实验与讨论中，学生能主动参与、积极倾听同伴意见，形成合作共享的团队意识；通过对工业制氧原理的探讨，体会到化学知识在生产实践中的巨大价值，初步建立将科学技术应用于社会发展的责任感。科学（学科）思维目标：重点发展学生的“证据推理与模型认知”思维。通过对比不同条件下过氧化氢分解的速率差异，推理催化剂的作用，建立“控制变量”的思想；通过将具体装置抽象为发生与收集两大功能模块，建构气体制备的通用思维模型。评价与元认知目标：引导学生依据“实验操作评价量表”对自身或同伴的操作进行简要评价；在课堂小结环节，鼓励学生反思“我是如何学会选择装置的？”等策略性问题，提升学习过程的自省能力。三、教学重点与难点教学重点：过氧化氢分解制取氧气的反应原理、实验操作及催化剂概念；实验室制取气体时，发生装置与收集装置的选择模型。确立依据：从课标角度看，该内容是“学习基本的实验技能”、“完成基础的学生实验”要求的具体体现，是“科学探究”这一核心素养落地的关键实践。从学科知识结构看，气体制备的装置选择模型是贯穿初中化学的重要“大概念”，是后续学习二氧化碳等气体制取的必要基础。从中考命题趋势看，该部分内容常以实验探究题、装置选择题等形式出现，分值高且综合性强，重点考查学生运用模型解决新情境问题的能力。教学难点：催化剂概念的本质理解；基于反应原理和气体性质，自主分析与选择发生、收集装置的思维模型的建立。预设依据：学生对催化剂的认识易受“催化”字面意思干扰，易将“改变反应速率”片面理解为“加快”，且对“本身质量和化学性质不变”缺乏实证感知，认知跨度大。装置选择涉及对反应物状态、反应条件、气体密度、溶解性等多重因素的综合考量，逻辑链条长，对学生的系统思维和知识迁移能力要求较高，是作业和考试中常见的思维障碍点和失分点。突破方向：通过设计对比实验（有无催化剂、不同催化剂）、搭建“决策树”式问题链，将抽象思维可视化、程序化。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式课件（含实验室与工业制氧对比动画、装置选择互动环节）；板书设计框架图。1.2实验器材（分组，46人/组）：锥形瓶（或平底烧瓶）、分液漏斗（或长颈漏斗）、双孔胶塞、导气管、集气瓶、水槽、玻璃片；5%过氧化氢溶液、二氧化锰粉末、水泥块（或新鲜土豆片）；火柴、木条。1.3学习材料：分层学习任务单（含前测题、实验记录表、装置选择分析图、分层巩固练习）。2.学生准备2.1知识准备：复习氧气性质及高锰酸钾制氧步骤；预习课本关于过氧化氢制氧及工业制氧部分。2.2物品准备：教材、笔记本、笔。3.环境准备3.1座位布置：实验小组U型排列，便于合作与观察。3.2安全预备：检查通风，准备废液缸，强调实验安全守则。五、教学过程第一、导入环节1.情境激疑与旧知唤醒教师活动：展示两组图片/视频：一组是实验室中加热高锰酸钾制取氧气，装置复杂，需加热；另一组是急救箱中的“氧气发生器”，通常只需混合两种物质，常温下快速产生氧气。“大家先不忙翻书，我们来玩一个‘大家来找茬’的游戏，看看这两类制氧场景，在目的、速度、装置上有什么显著不同？”引导学生自由发言。学生活动：观察、对比，基于已有经验和预习，指出实验室制法更注重“制取和研究”，而急救更注重“快速和便携”；装置一复杂一简单。1.1提出问题与路径明晰教师活动：“同学们的观察很敏锐！这引出了我们今天要探究的核心问题：如何根据不同的需要，选择不同的原理和方法来制取氧气？”“上节课我们学习了需要加热的高锰酸钾法，今天我们将解锁一种常温下就能快速制氧的新方法，并走进工厂，看看他们是如何大规模生产‘空气面包’——氧气的。我们将沿着‘探究新原理→构建选择模型→对比工业法’的路线展开探索。”第二、新授环节任务一：探究常温制氧新原理——过氧化氢的分解教师活动：首先进行演示实验：向两支试管中分别倒入等量、等浓度的过氧化氢溶液。一支静置，另一支加入少量二氧化锰粉末。“请大家屏息凝视，仔细观察两支试管中现象的差异，并思考：是什么导致了这种差异？”引导学生描述气泡产生的剧烈程度。随后，用带火星的木条检验加入二氧化锰的试管中产生的气体。“木条复燃了，证明生成的气体确实是氧气。那么，二氧化锰在这里扮演了什么角色？它是不是一种反应物？”紧接着，通过问题链引导深入探究：“如果我反应后把二氧化锰分离出来，再称量，它的质量变了吗？如果我把它再次加入到新的过氧化氢溶液中，还会起作用吗？我们如何设计实验来证明？”引导学生理解“一变两不变”。学生活动：集中观察演示实验，准确描述“未加二氧化锰的试管中仅有少量气泡，加入后产生大量急速气泡”的现象。根据木条复燃的结果，确认产物为氧气。针对教师提问，进行小组讨论，推测二氧化锰的作用。在教师引导下，理解并推理验证“反应前后质量与化学性质不变”的实验设计思路，初步形成催化剂概念。即时评价标准：1.观察描述是否全面、客观（如气泡产生的速率、数量）。2.在讨论催化剂角色时，推理是否基于实验现象（如“因为它加快了产生氧气的速度，但本身好像没消耗”）。3.能否用“如果…那么…”的句式提出简单的验证猜想方案。形成知识、思维、方法清单：★过氧化氢（H₂O₂）制氧气原理：过氧化氢二氧化锰→水+氧气（文字表达式）。这是实验室制氧的另一种重要方法，反应条件温和。★催化剂：像二氧化锰这样，能改变（加快或减慢）化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都不变的物质。概念核心是“一变两不变”，理解时切忌片面。▲控制变量思想：在对比过氧化氢分解速率时，保证了过氧化氢的浓度、体积等条件相同，只改变是否加入催化剂，这是科学探究的重要方法。任务二：认识固液常温型发生装置教师活动：“原理掌握了，如何将它实现为可操作的实验装置呢？请大家根据反应物是‘液体+固体，常温进行’的特点，参考课本或桌上的仪器，以小组为单位，尝试组装一套能够随时添加液体、并能顺利导出气体的发生装置。”巡视指导，特别关注分液漏斗与长颈漏斗在使用上（液封）的区别。邀请一组展示并解说他们的装置。“他们用分液漏斗代替长颈漏斗，大家想想，好处是什么？对，可以控制液体滴加的速率，从而控制反应速率，这就像给反应装了个‘油门’。”学生活动：小组合作，利用提供的仪器进行拼装、尝试。可能组装出带有分液漏斗（或长颈漏斗）与导管的锥形瓶装置。展示小组讲解设计思路，其他小组评价、补充或提出改进意见。即时评价标准：1.装置组装是否合理、稳固、密封（检查气密性的意识）。2.小组内分工是否明确，协作是否高效。3.展示时，能否清晰说明各仪器部件的作用（如锥形瓶作反应容器，漏斗添加液体等）。形成知识、思维、方法清单：★发生装置的选择依据：核心取决于反应物的状态和反应条件。固液常温型是常见类型之一。▲仪器功能解析：锥形瓶（反应容器）、分液漏斗/长颈漏斗（添加液体药品，分液漏斗可控制流速）、双孔橡胶塞（固定漏斗和导管）。★装置对比：长颈漏斗下端管口必须液封，防止气体逸出；分液漏斗则无需担心此问题，且能控制反应。任务三：构建收集装置的选择模型教师活动：指着已组装好的发生装置问：“氧气从导管导出后，我们如何收集它？有几种方法？选择的依据又是什么？”引导学生回忆氧气的物理性质（密度、溶解性）。在黑板上绘制一个简单的决策树：“选择收集方法，我们先问第一个问题：气体是否易溶于水？是→不能用排水法；否→可以考虑。再问：气体密度与空气相比如何？比空气大→向上排空气法；比空气小→向下排空气法。”“那么，对于氧气，我们如何选择？两种方法各有何优缺点？排水法收集到的气体更纯，但不够干燥；排空气法操作简便，但纯度难保证。我们需要根据实验目的来权衡。”学生活动：跟随教师的决策树思路，应用氧气密度比空气略大、不易溶于水的性质，推导出氧气可用排水法或向上排空气法收集。讨论比较两种方法的优缺点。即时评价标准：1.能否准确关联气体性质与收集方法。2.能否理解并应用“决策树”这一模型化工具进行分析。3.在比较优缺点时，视角是否全面（纯度、干燥度、操作难度等）。形成知识、思维、方法清单：★收集装置的选择依据：主要取决于气体的溶解性和密度（与空气比较）。这是普适性模型。★氧气的收集方法：排水法（因不易溶于水）和向上排空气法（因密度略大于空气）。▲方法比较：排水法纯度较高，便于观察是否集满；向上排空气法需验满，操作简便但纯度稍低。任务四：分组实验——制取并收集一瓶氧气教师活动：发布明确的实验任务指令：“现在，请各小组利用任务二组装的装置，用排水法收集一瓶氧气，并用带火星的木条进行验满。”巡视全场，重点观察：1.二氧化锰加入顺序是否合理（先固后液）。2.气泡连续均匀冒出时才开始收集。3.验满操作是否规范（木条放瓶口）。对操作规范的小组给予肯定：“这个小组很有耐心，等到气泡连续均匀了才收集，这样气体更纯。”对遇到问题的小组进行针对性提示。学生活动：小组分工合作，严格按照步骤制取氧气。一人负责添加药品，一人负责固定装置和收集，一人负责验满并记录。体验完整的实验室制取气体流程。即时评价标准：1.实验操作是否规范、安全（特别是药品添加顺序和验满操作）。2.是否成功收集到一瓶氧气（集气瓶口有大气泡冒出）。3.实验记录是否清晰、完整。形成知识、思维、方法清单：★实验步骤要点：检查气密性→装药品（先固后液）→收集（待气泡连续均匀冒出时）→验满（排水法：瓶口有大气泡；向上排空气法：带火星木条放瓶口复燃）。★操作细节：用分液漏斗时，可通过活塞控制反应节奏；实验结束，先撤导管再停止加热（若需加热），防止倒吸。任务五：工业视角——空气分离制氧气教师活动：“我们成功在实验室制得了宝贵的氧气。但如果医院、工厂每天需要数以吨计的氧气，还能用这个方法吗？为什么？”引导学生从成本、原料、产量、纯度等角度思考。“所以，工业上需要寻找更经济、规模化的方法。我们的原料从哪里来？对，空气，取之不尽。”播放“分离液态空气法”的工业流程动画，并解说道：“这其实是一个物理变化，利用的是空气中各成分沸点的不同。‘蒸馏’这个词汇大家不陌生吧？这就像是给空气进行一次超级低温下的分馏。”“思考一下，工业制法和我们刚学的实验室制法，从目的到本质，有哪些根本性的区别？请大家完成学习任务单上的对比表格。”学生活动：观看动画，理解“加压降温使空气液化→升温蒸馏分离氮气和氧气”的过程。小组讨论，从原理（化学vs物理）、装置（简易vs复杂）、成本、产量、纯度要求等多维度对比实验室制法与工业制法，完成对比表格。即时评价标准：1.能否辨别工业制氧属于物理变化。2.对比表格的填写是否准确、全面，能否抓住“规模”与“目的”这一核心差异。3.能否理解技术选择受经济、资源等多因素制约。形成知识、思维、方法清单：★工业制氧（分离液态空气法）原理：利用液态氮和液态氧的沸点不同（氮气沸点196℃，氧气沸点183℃），进行蒸馏分离，是物理变化。▲实验室与工业制法的本质区别：前者是科学探究，目的为研究、小规模制备，注重原理的探究与验证；后者是技术应用，目的为大规模、连续化生产，注重经济性、安全性和效率。★绿色化学启示：工业制氧原料来自空气，体现了资源利用的可持续性。第三、当堂巩固训练教师活动：出示分层练习题。基础层：“写出过氧化氢制氧的文字表达式；判断：催化剂一定能加快化学反应速率（）。”综合层：展示一幅有错误（如长颈漏斗未液封、用向下排空气法收集氧气）的装置图，“请找出图中的两处错误并改正。”挑战层：“已知实验室用锌粒与稀硫酸反应制取氢气（氢气密度远小于空气，难溶于水）。请画出你设计的制取与收集氢气的装置简图，并说明理由。”学生独立完成后，组织小组内互批基础题。针对综合层和挑战层题目，请不同学生展示答案，并引导全班讨论、辨析，特别强调模型的应用。展示典型的错误设计，进行“错例诊断”。学生活动：根据自身情况选择完成至少两个层次的题目。在小组内交换批改基础题，互相讲解。认真听同学展示，参与讨论，特别是对挑战层的不同设计方案进行评价，深化对气体制备模型的理解。第四、课堂小结教师活动：“旅程接近尾声，哪位同学能扮演‘知识架构师’，用流程图或关键词的方式，为我们梳理一下，今天我们从哪些维度学会了‘制取氧气’？”鼓励学生上台展示或口头总结。教师最后用板书框架进行系统化整合，强调“原理→装置（发生、收集）→操作→应用（实验室/工业）”的逻辑主线。“课后，请大家根据自己掌握的情况，完成分层作业。同时思考一个延伸问题：工业上除了分离液态空气，还有没有其他制氧方法？（如膜分离技术），有兴趣的同学可以查阅资料，下节课我们花两分钟进行分享。”六、作业设计基础性作业（必做）：1.整理课堂笔记，完整写出实验室制取氧气的两种方法（高锰酸钾与过氧化氢）的原理、装置示意图（标出各部分名称）及操作步骤要点。2.完成课后习题中关于催化剂性质和收集方法选择的题目。拓展性作业（建议大多数学生完成）：设计一份“家庭小实验安全指南”，假设你想用厨房中的某些物品（如双氧水消毒液、土豆等）模拟制取微量氧气，你需要考虑哪些安全与环保问题？你的步骤是什么？（注：仅要求设计，不要求实际操作，强调安全意识）。探究性/创造性作业（学有余力者选做）：查阅资料，了解“富氧膜”分离技术的基本原理，并与“分离液态空气法”进行比较，从能耗、成本、设备要求等方面，尝试分析其优缺点及应用前景，制作一个简易的对比分析海报或PPT（不超过5页）。七、本节知识清单及拓展★1.过氧化氢制氧气原理：过氧化氢（H₂O₂）在二氧化锰（MnO₂）催化下，常温分解为水和氧气。文字表达式为：过氧化氢→（二氧化锰）水+氧气。这是实验室常用方法，条件温和。★2.催化剂概念核心：“一变两不变”。“一变”指改变（加快或减慢）化学反应速率；“两不变”指反应前后自身的质量和化学性质不变。催化剂具有选择性，且不改变生成物的质量。▲3.其他催化剂示例：除了二氧化锰，硫酸铜溶液、氧化铁、生物酶（如土豆中的过氧化氢酶）也可催化过氧化氢分解。这拓宽了对催化剂多样性的认识。★4.固液常温型发生装置：由反应容器（锥形瓶）、添加液体的漏斗（分液漏斗或长颈漏斗）、导气管组成。选择依据：反应物为固体和液体，反应在常温下进行。★5.分液漏斗与长颈漏斗的区别：分液漏斗可通过活塞控制液体流速，无需液封；长颈漏斗下端管口必须浸入液面以下（液封），以防气体从漏斗逸出。★6.气体收集方法选择模型：依据气体性质。排水法：适用于不易（或难）溶于水且不与水反应的气体。排空气法：向上排空气法（密度比空气大）；向下排空气法（密度比空气小）。需考虑气体与空气成分是否反应。★7.氧气收集方法：可用排水法（因氧气不易溶于水）或向上排空气法（因密度略大于空气）。排水法纯度更高。★8.实验关键步骤：检查装置气密性→先加固体催化剂，后加液体反应物→待导管口气泡连续均匀冒出时开始收集→验满。★9.验满操作：排水法：集气瓶口有大气泡冒出；向上排空气法：将带火星的木条置于集气瓶口，若复燃则已满。★10.工业制氧主流方法——分离液态空气法：原理是利用液态氮（沸点196℃）和液态氧（沸点183℃）的沸点不同，通过控制温度（蒸馏）进行分离。这是一个物理变化。▲11.工业流程简述：空气→除尘净化→加压降温液化→升温蒸馏→氮气先蒸发，剩余主要为液态氧。可存储于蓝色钢瓶中。★12.实验室与工业制法的本质区别：前者是化学变化，小规模、探究性；后者是物理变化，大规模、经济性。体现了科学与技术不同目标导向下的路径选择。▲13.“绿色化学”在工业制氧中的体现：原料为空气，来源广泛、无污染；过程为物理分离，不产生化学废物。▲14.其他制氧技术简介：变压吸附法（PSA）和膜分离法是新兴技术，能耗和设备要求不同，适用于不同规模和对纯度要求不同的场合。可鼓励学有余力学生探究。★15.气体制备的通用思维模型：确定反应原理→根据反应物状态和条件选择发生装置→根据气体性质选择收集方法→设计操作步骤并进行实验。此模型可迁移至其他气体（如CO₂、H₂）的制取学习。八、教学反思（一）教学目标达成度分析从课堂提问、实验操作、巩固练习反馈来看，绝大多数学生能准确表述过氧化氢制氧原理，能辨识催化剂的核心特征。在装置模型建构上，约80%的学生能独立完成基础选择，但在面对“挑战层”的新情境（制氢气）时，约30%的学生仍表现出迁移困难，需要提示“决策树”工具。这说明模型的内化与应用仍需后续课时反复强化。情感目标在小组实验环节达成较好，学生参与积极，合作有序。（二）核心环节有效性评估“任务一”的对比演示实验效果显著，直观现象引发了有效认知冲突，是理解催化剂概念的突破口。但在引导学生