探究制氧原理：开启实验室氧气制备之门-九年级化学上册教学设计

探究制氧原理：开启实验室氧气制备之门——九年级化学上册教学设计一、教学内容分析  本课隶属于“我们周围的空气”这一核心单元，是学生系统学习气体实验室制备原理与方法的起始与奠基课。从《义务教育化学课程标准（2022年版）》审视，本课坐标明确：在“知识技能图谱”上，它要求学生从定性的性质认识（氧气的助燃性）迈向定量的制备原理探究，核心在于理解高锰酸钾、过氧化氢分解制取氧气的化学反应原理，并初步形成“依据反应物状态和条件选择发生装置”的模型雏形。这一认知构成了后续学习二氧化碳等气体制备、乃至高中化学反应原理的思维阶梯。在“过程方法路径”上，课标强调的“科学探究与创新意识”在本课具象化为对化学反应条件的控制与变量的初步辨识（如催化剂概念的引入），教学需设计对比实验、证据推理等活动，将学科思想转化为学生的探究行动。“素养价值渗透”方面，通过追溯从工业制氧到实验室简便制法的历程，体会科学技术的进步性；在严谨的装置选择讨论中，培育“科学态度与社会责任”，理解规范操作与安全的重要性。  立足学情，九年级学生已初步了解氧气的部分性质，具备最基本的物质分类观，但对化学反应的认知尚处于宏观现象阶段，微观理解与符号表征能力薄弱。可能的认知障碍在于：其一，难以从多个反应中抽提共性（固体加热制气）与差异（催化剂的作用）；其二，易将催化剂“改变化学反应速率”片面理解为“加快”，且对“本身化学性质不变”缺乏信服。因此，教学策略上需强化直观实验与证据链分析，如通过过氧化氢溶液在有无二氧化锰条件下产生气泡速率的鲜明对比，搭建从现象到概念的桥梁。过程性评价将贯穿始终，例如通过提问“如何设计实验证明二氧化锰反应前后质量不变？”，即时诊断学生思维的严谨性，并为理解困难的学生提供“可视化”的思考支架（如画图示意实验步骤），实现差异化的引导与支持。二、教学目标  知识目标：学生能准确书写高锰酸钾、过氧化氢分解制取氧气的化学方程式，并能从反应物状态、反应条件及产物角度对比分析两个反应的特点；能初步阐释催化剂在化学反应中“一变两不变”的核心内涵，并举例说明其在生产生活中的应用价值。  能力目标：学生通过观察对比实验，发展证据意识与初步的实验设计能力，例如能设计简单方案验证催化剂的质量在反应前后是否改变；通过对不同制氧原理的比较与装置选择的初步推理，提升基于信息进行分析、归纳与模型建构的思维能力。  情感态度与价值观目标：学生在探究催化剂奥秘的活动中，体验科学探究的严谨与乐趣，形成大胆猜想、小心求证的实证精神；在小组讨论装置选择时，能积极倾听、有理有据地表达观点，感受化学知识应用于解决实际问题的价值。  科学思维目标：本课重点发展“模型认知”与“变化观念”。引导学生从具体反应事实中抽提出“固体加热制取气体”的反应类型模型，并初步建立“反应物状态与条件”决定“发生装置”的装置选择思维模型，理解化学变化是有条件的、可控的。  评价与元认知目标：引导学生在学习过程中，运用“证据结论”的框架评价自己或同伴的推理过程；在课堂小结时，能自主梳理本课的知识逻辑线（从原理到初步应用），并反思“对比实验”方法在解决化学问题中的关键作用。三、教学重点与难点  教学重点：实验室制取氧气的化学反应原理（特别是高锰酸钾与过氧化氢分解的反应）。确立依据在于，该原理是《课程标准》中“学习基本的实验技能”和“认识常见物质及其变化”要求的集中体现，是构建气体实验室制备知识体系（包括原理、装置、操作、检验）的逻辑起点，也是后续各类学业评价中考查化学方程式书写、反应类型判断及实验探究能力的核心载体。掌握原理，方能理解装置选择的依据，实现从知识到能力的迁移。  教学难点：对催化剂概念的理解，特别是其“化学性质在反应前后不变”的抽象性。预设难点成因在于：学生首次接触“改变反应速率”但自身“不参与反应”或“最终不变”的复杂角色，这与他们“反应物被消耗”的朴素前概念易产生冲突；且“化学性质不变”的验证需要间接的、严密的实验推理，对学生逻辑思维要求较高。突破方向在于，设计层层递进的认知活动：先通过宏观现象对比建立“改变化学反应速率”的直观认识，再抛出“二氧化锰本身是反应物吗”的深度问题，引导学生设计思维实验，从而逼近概念本质。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含反应原理动画、工业制氧短片）、精心设计的探究学习任务单（分基础版与进阶版）。1.2实验器材与药品：1.演示实验：锥形瓶、分液漏斗、导管、集气瓶、水槽、酒精灯、铁架台；过氧化氢溶液、二氧化锰、高锰酸钾、木条。2.学生分组实验（可选）：试管、药匙；过氧化氢溶液、二氧化锰、水泥块或碎瓷片（作为对照）。2.学生准备3.预习：阅读教材，初步了解两种制氧方法，并思考“如何让过氧化氢更快地放出氧气？”4.物品：课本、笔记本、学习任务单。3.环境布置5.座位：分组式，便于开展合作探究与讨论。6.板书记划：预留中心区域用于构建“实验室制氧原理”知识结构图。五、教学过程第一、导入环节1.情境激疑，提出问题：“同学们，我们上节课认识了氧气这位‘助燃英雄’。那么，在实验室里，我们怎样才能‘请’出这位英雄，为我们的探究服务呢？”（停顿，引发思考）。随即演示一个“神秘”小实验：向一瓶无色液体（过氧化氢溶液）中投入少量黑色粉末（二氧化锰），立即将带火星的木条伸入瓶口。“注意观察！木条发生了什么变化？这个现象说明了什么？”“对，复燃了，说明有氧气产生！那么，这瓶‘清水’和黑色粉末究竟藏着什么秘密？我们今天就化身化学侦探，揭开实验室制取氧气的原理之谜。”2.建立联系，明确路径：“其实，实验室制氧的方法不止一种。除了刚才看到的‘液固混合’法，还有经典的‘固体加热’法。我们这节课的核心任务就是：第一，搞懂这两种方法的化学反应原理究竟是什么；第二，对比分析它们的特点；第三，初步思考，知道了原理，对我们后续选择实验装置有什么启示？让我们带着这三个任务，开始今天的探究之旅。”第二、新授环节任务一：明确实验室制氧的“原料”——认识反应药品教师活动：首先展示高锰酸钾（暗紫色固体）、过氧化氢溶液（无色液体）和二氧化锰（黑色粉末）三种药品。提出问题链引导：“从物质分类看，它们分别属于哪一类？大家可以观察实物和标签。”接着，进行安全提示：“高锰酸钾是一种强氧化剂，使用时要避免直接接触皮肤；过氧化氢溶液有一定的腐蚀性，我们通常用的是浓度较低的医用或实验室规格。”然后，引导学生阅读教材相关段落，圈画出两种制氧方法对应的核心药品。“哪位同学能简要说说，用高锰酸钾制氧需要什么条件？用过氧化氢呢？是的，一个需要加热，一个通常在常温下。”学生活动：观察教师展示的药品实物或图片，尝试从颜色、状态进行描述和分类（如固体、液体）。阅读教材，提取关键信息，明确高锰酸钾加热可制氧，过氧化氢在常温下（常加入二氧化锰）可制氧。在任务单上完成药品与方法的连线匹配。即时评价标准：1.能否准确描述三种药品的物理特征（颜色、状态）。2.能否正确指出两种制氧方法各自对应的主要反应物。3.是否具有实验安全意识，关注到药品使用的注意事项。形成知识、思维、方法清单：  ★核心药品与条件：实验室常用高锰酸钾（KMnO₄，暗紫色固体）加热制取氧气；也常用过氧化氢（H₂O₂，无色液体，俗称双氧水）在常温下分解制氧，常加入二氧化锰（MnO₂，黑色粉末）以加快反应。  ▲安全认知：认识化学药品时，需同时关注其物理性质、化学用途及安全注意事项，这是进行化学实验的基本素养。任务二：揭开反应的“面纱”——书写化学方程式教师活动：引导学生从宏观现象深入到微观本质和符号表征。首先回顾高锰酸钾加热实验（或播放视频）：“加热高锰酸钾固体，除了生成氧气，试管中剩余的固体是什么？颜色有何变化？”引导学生推导产物还有锰酸钾和二氧化锰。接着，利用多媒体动画模拟该反应中分子分裂与原子重组的过程，帮助学生建立宏观微观符号的三重联系。“现在，请大家尝试将这个反应用化学方程式表示出来。注意配平哦！”巡视指导，对常见错误（如生成物漏写、化学式错误、未配平）进行个别点拨。对于过氧化氢分解，先写出反应物和已知产物（H₂O和O₂），引导学生根据质量守恒定律推断并配平。“大家配平后数一数各原子个数，守恒了吗？这个反应和加热高锰酸钾有什么不同？对，它不需要加热，而且是‘一变二’，一种反应物生成两种产物。”学生活动：观察实验现象或视频，描述高锰酸钾加热后固体颜色由紫变黑（或黑绿）。在教师引导下，结合原子守恒观点，尝试书写两个反应的化学方程式。小组内互相检查化学式书写是否正确、方程式是否配平。思考并比较两个反应在条件、反应物和生成物种类数量上的差异。即时评价标准：1.书写的化学方程式是否准确（化学式正确、配平、条件标注完整）。2.能否从方程式中归纳出反应物、生成物的种类及反应条件信息。3.在小组互查中，能否发现并纠正同伴的错误。形成知识、思维、方法清单：  ★核心原理（方程式）：  ①高锰酸钾加热分解：2KMnO₄ △ K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑（条件“加热”不可省）。  ②过氧化氢分解：2H₂O₂ MnO₂ 2H₂O+O₂↑（MnO₂作为条件写在箭头上方）。  ★反应类型初识：过氧化氢分解属于“分解反应”（一变多）。高锰酸钾分解也符合此特征，为后续系统学习反应类型埋伏笔。  ▲方法提炼：书写化学方程式是严谨的思维过程，需遵循客观事实（以实验为基础）、明确反应条件、遵守质量守恒定律（配平）。任务三：探究神秘的“助手”——建立催化剂概念教师活动：这是突破难点的核心任务。设计对比实验：取三支试管，分别加入等量、等浓度的过氧化氢溶液。第一支不做处理；第二支加入少量二氧化锰；第三支加入等量的水泥块或碎瓷片。“请大家预测并仔细观察，三支试管中产生气泡的速率有何不同？这说明了什么？”引导学生聚焦第二支试管现象异常明显。追问：“二氧化锰在这里扮演了什么角色？它是反应物吗？如果是，它应该被消耗，我们有没有办法验证它反应后是否存在、质量是否改变？”组织小组讨论，鼓励学生设计简单的验证实验思路。汇总想法后，教师可简述或图示后续实验方案（如反应后过滤、洗涤、干燥、称量二氧化锰）。然后给出科学定义：“化学上，把像二氧化锰这样，能改变化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都不变的物质，叫作催化剂。它所起的作用叫催化作用。”“生活中也有很多催化剂，比如汽车尾气处理装置中的铂、铑等贵金属。谁能再举个例子？”学生活动：认真观察对比实验，记录现象差异，得出“二氧化锰能极大地加快过氧化氢分解速率”的结论。针对教师提出的深度问题，进行小组讨论，积极思考并尝试设计验证二氧化锰“变与不变”的实验方案（如：反应后分离出来再称重；用分离出的物质再次加入过氧化氢看是否还能加速）。在教师引导下，理解并复述催化剂“一变两不变”的核心内涵。联系生活实际，举例说明（如生物酶、合成氨工业中的铁触媒等）。即时评价标准：1.观察是否细致，能否准确描述对比实验的现象差异。2.讨论中提出的验证思路是否体现了“控制变量”的思想。3.能否用自己的语言解释催化剂的定义，并区分“改变速率”与“决定反应能否发生”。形成知识、思维、方法清单：  ★催化剂概念：在化学反应里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。催化剂的“改变”包括加快和减慢。  ▲概念辨析：催化剂不是反应物，也不一定是“加快”反应。“一变”指反应速率改变；“两不变”指催化剂自身质量与化学性质不变。  ★科学方法：“对比实验”是科学研究中识别关键因素、建立因果关系的利器。本任务通过设置空白对照（无添加）、实验组（加MnO₂）、无关变量对照（加水泥块），有力证明了MnO₂的独特催化作用。任务四：原理的比较与初步应用——探寻选择依据教师活动：引导学生将所学知识结构化、系统化。提出总结性问题：“现在我们对两种实验室制氧原理都有了深入了解，请大家从反应物状态、反应条件、是否使用催化剂等方面，列表格或画图对比它们的主要特点。”请学生代表上台分享对比结果。接着，将问题引向应用：“如果现在需要你在实验室里制取一瓶氧气，知道了反应原理，对你选择实验装置有什么启发吗？比如，高锰酸钾制氧，反应物是固体，需要加热，你猜想发生装置会是什么样？过氧化氢制氧呢，是液体和固体催化剂在常温下混合，发生装置可能有何不同？”此时不急于给出标准答案，而是激发学生基于原理进行合理推测。“大家猜想的都很有道理，这为我们下节课亲手搭建装置、制取氧气打下了坚实的理论基础。”学生活动：以小组为单位，系统梳理并对比高锰酸钾加热分解与过氧化氢催化分解两种原理的特点，完成学习任务单上的对比表格或思维导图。基于对比结果，进行推理和猜想：高锰酸钾制氧可能需要类似“试管+酒精灯”的加热装置；过氧化氢制氧可能需要便于“液固常温接触”的装置（如带分液漏斗的锥形瓶）。在班级分享讨论中，修正和完善自己的理解。即时评价标准：1.制作的对比图表是否全面、准确地反映了两种原理的核心差异。2.从原理特点到装置选择的推理是否合理、有逻辑。3.在小组合作中，是否能有效分工、整合观点。形成知识、思维、方法清单：  ★原理对比：高锰酸钾制氧——固体反应物、需要加热、非催化；过氧化氢制氧——液体与固体接触、常温、使用催化剂（MnO₂）。  ★初步建模：反应原理（反应物状态、条件）是选择气体发生装置的首要依据。这建立了“性质决定用途，原理决定装置”的化学学科思维逻辑。  ▲知识结构化：学习化学不仅要记忆单个知识点，更要学会比较、归纳，将知识连成线、织成网，形成自己的认知结构。第三、当堂巩固训练  设计分层练习，满足差异化需求，并提供即时反馈。  基础层（全员必做）：  1.写出实验室用高锰酸钾和过氧化氢制取氧气的化学方程式，并标注反应条件。  2.判断：“二氧化锰是过氧化氢分解的催化剂，因此没有二氧化锰，该反应就不能发生。”这句话对吗？为什么？  （反馈：通过投影展示正确方程式，学生自批自改。第2题组织简短讨论，澄清催化剂是“改变”而非“决定”反应。）  综合层（鼓励多数学生挑战）：  3.已知氯酸钾（KClO₃，白色固体）在加热和二氧化锰催化下也能快速产生氧气。试推测其反应物状态、条件，并对比它与本课两种方法的异同。  （反馈：请学生分享对比结果，教师点评其分析框架是否清晰，是否抓住“固体加热催化”这一新组合特点。）  挑战层（供学有余力学生选做）：  4.微型项目设计：查阅资料，了解“氧立得”等便携式制氧器的原理（通常是过碳酸钠与水反应）。尝试从反应原理角度，分析其设计思路与我们今天所学的实验室制法有何异曲同工之妙。  （反馈：可作为课外兴趣点，在班级科学角或下一节课前进行简短分享，鼓励跨学科联系与创新思维。）第四、课堂小结  引导学生进行自主结构化总结与元认知反思。“同学们，经过一节课的探究，我们的‘化学侦探’任务完成得如何？请大家闭上眼睛回想一下，本节课你最核心的收获是什么？可以用几个关键词或一幅简单的示意图表示出来。”邀请12位学生分享他们的“知识地图”。教师随后利用板书，与学生共同构建以“实验室制氧原理”为中心，辐射出“两种方法（高锰酸钾加热/过氧化氢催化）”、“化学方程式”、“催化剂概念”、“原理对比与应用”的结构化知识网络图。“回顾我们的探究过程，‘对比’的方法是不是帮了我们大忙？从对比现象到对比原理，这就是化学学习中非常重要的思维方式。”  作业布置：  基础性作业（必做）：整理并熟记两个化学方程式；完成教材本节后基础练习题。  拓展性作业（建议完成）：以“神奇的催化剂”为主题，制作一份微型科普小报，介绍其定义、特点及一个生活中的具体应用实例。  探究性作业（选做）：设计一个家庭小实验（确保安全！），探究除了二氧化锰，还有哪些日常物质（如土豆块、猪肝、生锈的铁钉）可能对过氧化氢的分解有催化作用，并记录现象。六、作业设计基础性作业：  1.书面作业：准确书写高锰酸钾加热分解和过氧化氢在二氧化锰催化下分解的化学方程式（各3遍），并默写一遍。  2.完成课本本节练习中涉及反应原理判断、催化剂概念辨析的基础题目。拓展性作业：  3.情境应用题：某同学在实验室看到两瓶标签模糊的固体，已知可能是高锰酸钾和二氧化锰。请利用今天所学的知识，设计一个最简单的实验方案（不依赖复杂仪器）将它们区分开来，并写出判断依据。  4.制作任务：绘制一张对比两种实验室制氧原理的思维导图或表格，要求涵盖反应物、条件、催化剂、化学方程式及主要特点。探究性/创造性作业：  5.家庭探究项目：“寻找身边的催化剂”。在家中安全的前提下（需家长同意或协助），收集少量新鲜土豆汁、动物肝脏研磨液、水泥灰、食盐等，分别与少量3%的医用双氧水（过氧化氢溶液）混合，观察并比较产生气泡的剧烈程度。记录你的发现，并尝试（查阅资料）解释可能的原因。以照片或短视频加文字说明的形式提交报告。七、本节知识清单及拓展  ★1.高锰酸钾制氧原理：化学方程式为2KMnO₄△K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑。核心要点：反应物为暗紫色固体，反应条件为加热，无需催化剂。这是实验室最经典的方法之一，操作相对规范，但加热时需防止固体粉末进入导管。  ★2.过氧化氢制氧原理：化学方程式为2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑。核心要点：反应物为无色液体（过氧化氢溶液），通常加入黑色粉末二氧化锰作为催化剂，在常温下即可快速反应。该方法操作简便、安全，是课堂演示和探究的常用方法。  ★3.催化剂：定义务必牢记“一变两不变”——能改变化学反应速率，反应前后本身的质量和化学性质不变。易错点：催化剂不一定是加快反应（也可能是减慢）；它不参与反应，不是反应物或生成物，只是“外援”。教学提示：可通过“反应前后过滤、称重、再使用”的实验设计思路来加深理解。  ▲4.催化作用：催化剂所起的作用称为催化作用。工业上许多反应都依赖高效的催化剂来提升生产效率、降低能耗，如合成氨、石油裂化等。理解催化剂的价值是理解现代化学工业的钥匙。  ★5.分解反应：由一种反应物生成两种或两种以上其他物质的反应。从本课的两个化学方程式可以直观看出，它们都符合“一变多”的特征，是学习基本反应类型的第一个实例。初步建立分类观。  ★6.原理对比（关键）：务必从反应物状态（固/液）、反应条件（加热/常温）、是否使用催化剂三个维度对比两种方法。这是将零散知识系统化、并导向实际应用（选择装置）的关键步骤。建议用表格梳理。  ▲7.工业制氧简介：实验室制法追求简便、可控；工业上大规模制氧主要采用分离液态空气法（物理变化），利用空气中各组分沸点不同进行分离。了解二者区别，体会科学应用因“需求”和“规模”而异。  ★8.化学方程式的意义（复习与深化）：本课的两个方程式，不仅表示了什么物质在什么条件下生成了什么物质，还通过“△”、“MnO₂”等标注明确了反应条件，体现了化学变化的客观规律。书写时必须严谨规范。八、教学反思  本设计试图将结构化教学模型、差异化理念与化学核心素养进行深度融合。假设教学实施后，从预设目标达成度看，“知识目标”通过层层任务驱动与及时书写练习，大部分学生应能掌握两个核心方程式；对催化剂概念的理解，预计通过宏微符结合的探究活动，多数学生能建立起“改变化学反应速率”的直观认识，但对“化学性质不变”的深层理解可能需要后续实验的持续验证，这正是教学难点所在。“能力与思维目标”方面，对比实验的设计与原理对比的任务，有效锻炼了学生的证据意识和归纳建模能力，课堂生成的学生推理（如对装置的猜想）是评估其思维发展的鲜活证据。  （一）各环节有效性评估：导入环节的“神秘实验”迅速聚焦，驱动性强。新授环节的四个任务环环相扣，任务三（催化剂探究）作为核心探究活动，时间分配与认知阶梯搭建至关重要。若在实际课堂中发现学生设计验证方案时卡壳，需准备更具体的“脚手架”，如提供“过滤”、“称量”、“再实验”等关键词提示。当堂巩固的分层设计照顾了差异，但需确保讲评反馈的及时性与针对性，避免“重布置、轻反馈”。课堂小结引导学生自主构建知识网络，是培养元认知能力的宝贵时机。  （二