氧气制取：从原理到实践的探究之旅 - 基于科学探究的九年级化学教学设计

氧气制取：从原理到实践的探究之旅——基于科学探究的九年级化学教学设计一、教学内容分析  本课选自人教版九年级化学上册第二单元《我们周围的空气》，是学生系统学习化学实验的起始与典范。从《义务教育化学课程标准（2022年版）》视角解构，其坐标清晰：在知识技能图谱上，它要求学生从微观角度理解“分解反应”这一基本反应类型，掌握用高锰酸钾或过氧化氢制取氧气的原理、装置与操作步骤，是连接“物质性质”与“物质制备”的关键枢纽，为后续学习二氧化碳等气体的制取奠定了方法论基础。在过程方法路径上，本课是践行“科学探究”核心素养的绝佳载体。课标强调的提出问题、设计实验、进行实验、收集证据、解释结论、反思评价等要素，可具象化为“选择何种药品制氧？”“如何设计并组装装置？”“操作中为何要遵循特定顺序？”等驱动性问题链，引导学生在动手动脑中体验完整的探究循环。在素养价值渗透上，通过对实验室与工业制氧（如空气分离法）方法的对比，渗透“科学服务于社会”的STS理念；在严谨的实验操作规范训练中，培养求真务实、安全规范的科学态度与责任担当。因此，教学重难点预判为：对催化剂概念的理解与证据推理，以及气体制备实验的系统化思维与规范化操作技能的初步建立。  基于“以学定教”原则，进行学情研判：学生已初步认识氧气的性质，具备简单的仪器辨识能力，对化学实验充满好奇，但将理论知识转化为实践能力存在明显跨度。已有基础与障碍在于：学生能从生活经验中感知氧气的重要性，但“如何制取”是认知空白；他们可能将“制取”等同于“制造”，难以理解化学反应的本质是物质转化；在操作层面，对装置连接的逻辑性、步骤顺序的必要性缺乏理性认识。过程评估设计上，将通过导入环节的头脑风暴（“你有哪些获得氧气的方法？”）、新授中的关键设问（“为何要先撤导管后熄灯？”）及随堂实验表现，动态诊断学生的前概念、思维层次与技能水平。教学调适策略则体现差异化：对于基础薄弱学生，提供“实验步骤排序卡”等可视化支架；对于思维活跃学生，挑战其设计“用过氧化氢制氧的多种改进装置图”；通过异质分组，确保实验操作中生生互助，教师巡回指导，进行个性化点拨。二、教学目标  知识目标：学生能准确书写高锰酸钾、过氧化氢（以二氧化锰为催化剂）制取氧气的化学反应文字表达式，并据此理解分解反应的特征；能系统阐述实验室制取氧气（排水法与向上排空气法）的原理、装置选择依据、操作步骤及注意事项，构建气体制备的初步认知模型。  能力目标：学生能够根据反应原理，独立或合作完成“加热高锰酸钾制取氧气”的实验装置组装与规范操作，成功收集并验满气体；能够在教师引导下，设计简单实验方案验证二氧化锰在过氧化氢分解中的催化作用，并基于证据进行推理和解释，初步形成科学探究能力。  情感态度与价值观目标：在小组实验合作中，体验严谨、有序、协作的科学实践过程，树立安全意识和环保意识；通过对比实验室与工业制氧方法，体会化学知识的应用价值，激发持续探索物质世界的兴趣。  科学思维目标：发展“基于证据的推理”思维。通过对比不同制氧方案，学习从反应条件、产物纯度、操作难度等多角度评价方案的优劣；通过分析实验步骤间的逻辑关系，培养系统思维和程序化思维，理解“为什么这样做”背后的科学原理。  评价与元认知目标：引导学生参照“实验操作评价量规”进行小组内互评与自评，反思操作中的得失；在课堂小结阶段，鼓励学生用思维导图梳理本节课的知识脉络，并总结“学习如何学习化学实验”的策略，如将操作步骤口诀化、将装置选择规律化。三、教学重点与难点  教学重点：实验室用高锰酸钾制取氧气的反应原理、实验装置及操作步骤。确立依据在于，该内容是《课程标准》中“学习基本的实验技能”和“完成基础的学生实验”要求的直接体现，是初中化学气体制备知识的“原型”与“大概念”。从学业评价看，它是中考实验操作考试与笔试中的高频核心考点，对培养学生规范的实验技能和系统的实验思维具有不可替代的奠基作用。  教学难点：一是对“催化剂”概念的理解，特别是其在化学反应前后“质量与化学性质不变”的特点；二是理解实验操作中某些关键步骤的顺序及其必要性（如“先撤导管后熄灯”）。难点成因在于，催化剂概念抽象，学生易将其误解为“反应物”；而实验步骤的逻辑性需要学生突破“照方抓药”的层面，从装置内气压变化等角度进行理性分析，这对初步接触化学实验的九年级学生存在思维跨度。突破方向在于，通过对比实验提供直观证据，并借助模拟动画将微观、抽象的过程可视化、具象化。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含制氧原理动画、工业制氧短片、实验操作微视频）；高锰酸钾、过氧化氢溶液、二氧化锰等药品；铁架台、试管、导管、集气瓶、水槽、酒精灯等实验器材（分组准备）；“学习任务单”与“实验操作评价量规”（每人一份）。1.2环境布置：实验室座位按四人小组布置，便于合作探究；黑板预先划分出“原理区”、“装置区”、“步骤与要点区”。2.学生准备2.1知识预习：复习氧气的物理化学性质；阅读教材中关于制取氧气的部分，思考“有哪些可能的制氧方法”。2.2物品携带：教材、笔记本。五、教学过程第一、导入环节  1.创设真实情境，引发认知冲突：同学们，请看屏幕（播放一段潜水员深海作业或病人急救吸氧的视频）。氧气是生命支撑的关键。如果实验室需要一瓶纯净的氧气，我们该如何获得呢？大家可能听说过医院有氧气瓶，但那属于工业制备。今天，我们就化身实验室里的“制氧工程师”，自己动手，利用化学方法制备氧气。来，开动脑筋想一想：“根据氧气的性质，你能否大胆猜测一两种在实验室里可能制得氧气的方法？”  1.1提出核心驱动问题，勾勒学习路径：学生的猜想可能涉及加热某些物质、电解水等。教师点评后聚焦：“大家的猜想都体现了物质转化的思想。在实验室中，我们常采用一些含氧物质，通过加热或加入特定物质促使其分解来获取氧气。那么，具体哪些药品可行？需要怎样的装置？操作中又有哪些‘不能错’的细节呢？这就是我们本节课要破解的‘制氧密码’。我们将从原理探秘开始，到装置搭建，再到亲手制取，最后总结规律。”第二、新授环节任务一：初探制氧——从工业到实验室的视野1.教师活动：首先，通过短片简介工业上大规模制氧的两种主要方法：分离液态空气法和膜分离技术。引导学生思考：“工业制氧主要利用了什么原理？（物理变化，基于沸点差异）那么，实验室制氧，由于规模小、要求快速，我们更倾向于选择什么类型的反应？（化学变化）”由此引出实验室制氧的核心思路：使含氧物质发生分解。提出引导性问题：“哪些物质含有氧且能在较温和条件下分解释放氧气？请大家结合资料和已有知识，在小组内提出一两种候选物质。”2.学生活动：观看视频，思考并讨论工业与实验室制氧思路的差异。根据教师提供的线索（如高锰酸钾为紫黑色固体、过氧化氢溶液俗称双氧水）及生活经验（双氧水消毒时产生气泡），提出可能的药品猜想，并简要说明理由。3.即时评价标准：1.能否清晰说出工业制氧与实验室制氧的本质区别（物理变化vs.化学变化）。2.提出的药品猜想是否有一定的依据（如物质组成含氧、生活中相关现象）。4.形成知识、思维、方法清单：★工业制氧vs.实验室制氧：工业大规模制备常用物理方法（如分离液态空气），核心是利用物质沸点不同；实验室小规模制备常用化学方法，核心是通过化学反应使含氧物质分解。▲候选药品的思考角度：从物质组成（含氧元素）、反应条件（常温或加热）、安全性、反应速率等多维度考虑。思维提示：这里不急于给出标准答案，重在打开思路，体会科学探究中“提出假设”的环节。任务二：聚焦原理——理解化学反应的选择1.教师活动：肯定学生的合理猜想，明确实验室常用药品：高锰酸钾（KMnO₄）和过氧化氢（H₂O₂）溶液。首先聚焦高锰酸钾，演示加热少量高锰酸钾的实验（提醒观察颜色变化和是否生成气体，可用带火星木条快速检验）。引导学生书写反应文字表达式。提问：“这个反应从反应物和生成物的种类上看，有什么特点？”引导学生与化合反应对比，自主归纳“分解反应”的概念。口诀可以这样记：“一变多，是分解”。2.学生活动：观察教师演示实验，描述现象（紫黑色固体变为黑褐色，生成能使带火星木条复燃的气体）。尝试书写高锰酸钾受热分解的文字表达式。通过对比之前学过的化合反应（如红磷燃烧），归纳分解反应的特征。3.即时评价标准：1.能否准确描述实验现象并与氧气性质关联。2.能否正确书写文字表达式。3.能否通过对比，准确说出分解反应的特征（一变多）。4.形成知识、思维、方法清单：★高锰酸钾制氧原理：高锰酸钾→（加热）→锰酸钾+二氧化锰+氧气。注意反应条件“加热”的标注。★分解反应概念：由一种反应物生成两种或两种以上其他物质的反应。特征：A→B+C+…。易错点：与化合反应（多变一）混淆。记忆口诀：“化合多变一，分解一变多”。任务三：揭秘催化剂——认识反应中的“助手”1.教师活动：转向过氧化氢溶液制氧。先演示：向一支盛有过氧化氢溶液的试管中伸入带火星木条，现象不明显。设问：“如何让它快速产生氧气？”加入少量二氧化锰粉末，立即产生大量气泡，木条复燃。制造认知冲突：“二氧化锰是反应物吗？”引导学生设计实验证明：反应后分离、洗涤、干燥二氧化锰，再次加入过氧化氢溶液，观察是否依然有效。讲解催化剂概念，强调“一变两不变”。打个比方：“二氧化锰就像足球比赛的裁判，不亲自上场（不是反应物），但能大大加快比赛进程（改变化学反应速率），赛后裁判还是那个裁判（本身不变）。”2.学生活动：观察对比实验，感受二氧化锰的“神奇”作用。在教师引导下，讨论并理解验证二氧化锰“两不变”的实验设计思路。理解并记忆催化剂的定义与特点。3.即时评价标准：1.能否通过对比实验现象，认识到二氧化锰改变了反应速率。2.能否理解验证催化剂“反应前后质量与化学性质不变”的实验逻辑。4.形成知识、思维、方法清单：★过氧化氢制氧原理：过氧化氢→（二氧化锰）→水+氧气。注意二氧化锰写在箭头上方，作为反应条件。★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。关键点：“一变”是改变速率，可能加快也可能减慢；“两不变”是本身质量和化学性质不变。认知说明：这是教学难点，需借助实验证据和形象比喻帮助学生跨越抽象概念的理解障碍。任务四：构建装置——搭建气体产生的“流水线”1.教师活动：原理已明，如何实现？以高锰酸钾制氧为例，引导学生“反向设计”。提问：“1.反应需要什么条件？（加热）→需要哪些仪器？（酒精灯、试管等）。2.生成的气体如何导出？（带导管的单孔塞）。3.如何收集纯净的氧气？（回顾氧气物理性质，不易溶于水且密度比空气大）→引出排水集气法和向上排空气法。”利用交互式课件，让学生上台拖动仪器图标，组装两套完整装置图。针对排水法，追问：“为什么导管口刚开始有气泡冒出时不能立即收集？”（排出的是装置内空气）。2.学生活动：根据反应条件和气体性质，逆向推导所需仪器。参与互动组装，理解装置各部分的功能（发生装置、收集装置）。讨论并回答教师提出的细节问题，深化对装置设计原理的理解。3.即时评价标准：1.能否根据反应物状态和反应条件正确选择发生装置（固体加热型）。2.能否根据气体溶解性和密度正确选择收集装置。3.能否解释装置中某些设计的用意（如试管口略向下倾斜）。4.形成知识、思维、方法清单：★固体加热型气体发生装置：适用于反应物为固体、需要加热的反应。要点：试管口略向下倾斜（防止冷凝水倒流炸裂试管）；铁夹夹在距试管口约1/3处；导管稍露出橡胶塞即可。★氧气收集方法：排水法（氧气不易溶于水，收集较纯净）；向上排空气法（氧气密度比空气略大，操作较简便，但纯度可能不高）。选择依据：气体在水中的溶解性、与空气密度的相对大小比较。任务五：规范操作——掌握制氧“七字诀”1.教师活动：这是本节课的重头戏。播放规范操作微视频，同时提炼并板书操作步骤口诀：“查装定点收移熄”（谐音：茶庄定点收利息）。每一步都要详细解说原理：“查”是检查装置气密性，如何检查？（双手握紧法）；“装”是装药品并固定装置，注意事项？（试管口放一团棉花）；“定”是固定装置；“点”是点燃酒精灯加热，先预热；“收”是待气泡连续均匀冒出时开始收集；“移”是收集完毕后，先将导管移出水面；“熄”是最后熄灭酒精灯。尤其要强调“先移后熄”的原因，可借助气球模拟装置内气压变化进行解释，防止倒吸。2.学生活动：观看视频，跟读并理解操作口诀。在教师讲解时，同步进行模拟操作或跟随复述。针对关键步骤（如气密性检查、开始收集的时机、结束时的顺序）进行重点记忆和原理理解。3.即时评价标准：1.能否按顺序说出“查装定点收移熄”七步骤。2.能否解释关键步骤（如放棉花、连续均匀气泡时收集、先移后熄）的科学原理。4.形成知识、思维、方法清单：★实验操作七步骤（口诀）：查（气密性）→装（药品，固定）→定（装置）→点（酒精灯，预热）→收（连续均匀气泡时）→移（导管出水）→熄（酒精灯）。核心原理：先移导管后熄灯，防止水槽中的水倒吸入热的试管，导致试管炸裂。这是必须严格遵守的安全规范。易错点：刚开始有气泡就收集（混有空气）；结束时顺序颠倒（导致倒吸）。任务六：对比归纳——形成气体制备认知模型1.教师活动：引导学生回顾两种实验室制氧方法，从反应原理、反应装置、操作要点、优缺点等方面进行对比总结。进一步提问：“如果实验室要制取其他气体（比如下节课要学的二氧化碳），我们该如何设计实验方案？应该考虑哪些方面？”引导学生归纳出气体制备的一般思路：明确反应原理→根据反应物状态和反应条件选择发生装置→根据气体性质（溶解性、密度、毒性等）选择收集与验满方法→设计规范操作步骤。2.学生活动：在教师引导下，通过表格或思维导图的形式，对比高锰酸钾法和过氧化氢法。尝试归纳气体制备的通用思维模型，实现知识的迁移与结构化。3.即时评价标准：1.能否从多个维度清晰比较两种制氧方法。2.能否初步归纳出实验室制取气体的一般思路和方法。4.形成知识、思维、方法清单：▲两种实验室制氧方法对比：高锰酸钾法（需加热，装置较复杂，操作步骤多，但原料易得）；过氧化氢法（常温反应，装置简单，操作简便，可随开随用）。学科思维方法：气体制备的系统思维模型：原理→装置（发生、收集）→操作→检验。这是解决一类问题的通法，是比具体知识更上位的思维方式。第三、当堂巩固训练  设计分层训练任务，学生根据自身情况选择完成：  基础层（必做）：1.判断正误并改错：“用排水法收集氧气时，一有气泡冒出就应立即开始收集。”2.将打乱顺序的制氧操作步骤（查、装、定、点、收、移、熄）重新正确排序。  综合层（选做，鼓励完成）：3.情境应用题：实验室只有过氧化氢溶液、二氧化锰、试管、带导管的单孔塞、集气瓶和水槽，能否制取并收集一瓶氧气？若能，请画出简单的装置示意图，并说明收集方法。4.解释题：请用化学原理解释，用高锰酸钾制氧结束时，若先熄灭酒精灯，再将导管移出水面，可能会造成什么后果？为什么？  挑战层（选做，供学有余力者）：5.微型探究设计：已知氧化铜（CuO）也可能对过氧化氢分解有催化作用。请设计一个实验思路，证明氧化铜在反应后化学性质是否发生了改变。  反馈机制：基础题通过全班齐答或手势反馈快速核对；综合题请不同层次学生展示答案，教师点评并追问思维过程；挑战题可作为课后小组研究课题，下节课分享。展示典型错误（如装置图错误），组织学生进行“错因诊断”，强化理解。第四、课堂小结  引导学生进行结构化总结与元认知反思。“同学们，今天的‘制氧之旅’即将到站。请大家闭上眼睛回顾一下，这节课我们沿着怎样的路径学习的？你收获了哪些最重要的‘宝藏’？”给学生12分钟静思，然后邀请学生分享。教师最后用简洁的板书或概念图进行升华：从“原理（分解反应、催化剂）”到“装置（发生、收集）”，再到“操作（七字诀）”，最终凝练为“方法（气体制备模型）”。作业布置：1.基础性作业（必做）：整理本节课完整笔记，包括两个原理表达式、装置图、操作步骤及要点。完成练习册对应基础习题。2.拓展性作业（选做）：调查家庭中哪些物品可能含有过氧化氢（如某些消毒剂、染发剂），了解其使用注意事项，写一份简单的调查报告。3.探究性作业（选做）：尝试用家里常见的材料（如饮料瓶、吸管等）制作一个简易的排水集气法模型，并拍视频或画图说明工作原理。六、作业设计  基础性作业（全体必做）：1.默写实验室用高锰酸钾和过氧化氢制取氧气的化学反应文字表达式，并指出基本反应类型。2.绘制用高锰酸钾制取氧气并用排水法收集的装置图，标注主要仪器名称。3.简述实验操作步骤（查装定点收移熄），并解释“先移导管后熄灯”的原因。  拓展性作业（建议大多数学生完成）：4.请从反应条件、装置复杂性、操作安全性、环保性等角度，对比分析高锰酸钾法和过氧化氢法两种实验室制氧方法的优缺点，并说明在何种情况下你会优先选择哪一种方法。5.寻找生活中与“催化剂”作用类似的现象或实例（如演讲中的主持人、化学反应中的酶），并简要说明其相似之处。  探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：6.微型项目：设计并制作一份“实验室制氧安全操作指南”宣传海报或电子手册。要求图文并茂，涵盖原理简介、装置示意图、操作步骤动画图解（可手绘或使用绘图软件）、安全警示（如防烫、防炸、棉花的作用等）。7.开放探究：查阅资料，了解除二氧化锰外，还有哪些物质可以作过氧化氢分解的催化剂（如硫酸铜溶液、新鲜猪肝等）。设计一个简单的家庭小实验方案（需确保安全，在家长陪同下进行），验证其中一种物质的催化效果，并记录现象。七、本节知识清单及拓展  1.★工业制氧方法：主要采用分离液态空气法（物理变化），利用空气中各成分沸点不同进行分离。了解此方法有助于建立大规模生产与实验室制备的尺度观。....★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（A→B+C+...）。与化合反应（多变一）互为逆过程，是认识化学反应类型的基石。  3.★高锰酸钾制氧原理：高锰酸钾（KMnO₄）→（加热）→锰酸钾（K₂MnO₄）+二氧化锰（MnO₂）+氧气（O₂）。注意反应条件“加热”，生成物有三种。  4.★催化剂：能改变（通常指加快）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不变的物质。核心是“一变两不变”。  5.★过氧化氢制氧原理：过氧化氢（H₂O₂）→（二氧化锰）→水（H₂O）+氧气（O₂）。二氧化锰是催化剂，写在反应条件位置。  6.▲催化剂的特性理解：“一变”指改变化学反应速率，包括加快和减慢；“两不变”指本身质量和化学性质不变。化学性质不变需要通过反应后能否继续催化来验证。  7.★固体加热型发生装置：适用于反应物为固体、需要加热的反应。关键点：试管口略向下倾斜（防冷凝水倒流）；导管稍露出胶塞；铁夹夹在试管中上部。  8.★氧气收集方法：排水法（因氧气不易溶于水，收集的气体较纯净）；向上排空气法（因氧气密度略大于空气）。排水法导管应伸入集气瓶口即可。  9.★操作步骤口诀：“查装定点收移熄”。这是程序化思维的体现，每一步都有其科学目的，不可颠倒。  10.★气密性检查方法（手握法）：将导管一端浸入水中，用手紧握试管外壁，若导管口有气泡冒出，松开手后导管内形成一段稳定水柱，则气密性良好。原理是气体热胀冷缩。  11.★开始收集的时机：导管口有连续均匀气泡冒出时。因为刚开始排出的是装置内的空气，气体不纯。  12.★实验结束操作顺序：必须先将导管移出水面，再熄灭酒精灯。目的是防止水槽中的水倒吸进入热的试管，引起试管炸裂。这是最重要的安全操作要点。  13.▲棉花的作用：加热高锰酸钾时，在试管口放一团棉花，可防止加热时高锰酸钾粉末随气流进入导管，堵塞导管。  14.▲验满方法：排水法：当集气瓶口有大气泡冒出时，说明已满；向上排空气法：将带火星的木条放在集气瓶口，若木条复燃，则已满。  15.▲多功能瓶（集气瓶）的使用：了解排水法收集时“短管进（水出）”的原则，为后续学习洗气、贮气等拓展应用埋下伏笔。  16.★气体制备的一般思路模型：确定反应原理→选择发生装置（据反应物状态和条件）→选择收集装置（据气体密度、溶解性）→设计操作步骤与验满方法。这是迁移性知识。  17.▲过氧化氢法的装置优点：装置简单（“固液常温型”），无需加热，操作安全，可通过控制滴加过氧化氢的速率来控制反应速率，实现“随开随用，随关随停”。  18.▲催化剂的选择性：一种催化剂只对特定的反应有催化作用，并非“万能”。例如二氧化锰对过氧化氢分解催化效果好，但对其他反应未必有效。  19.▲工业催化剂的开发：简要提及催化剂在化工生产中的巨大作用（如合成氨、汽车尾气处理），体会化学对社会的贡献，激发专业兴趣。  20.科学探究要素在本课的体现：本课完整经历了“提出问题（如何制氧）→猜想与假设（药品选择）→设计实验（装置搭建）→进行实验（规范操作）→解释与结论（原理分析）→反思与评价（对比归纳）”的过程，是体验科学探究方法的典型案例。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析：假设本节课后，通过观察学生实验操作规范性、课堂练习反馈及课后作业情况，预计大部分学生能达成知识与技能目标，能规范完成实验并理解原理。能力目标中，实验操作能力得到切实锻炼，但科学探究中的“设计实验”环节对部分学生仍有挑战，需在后续课程中持续强化。情感与价值观目标在小组合作的氛围和成功制得氧气的喜悦中得到了较好的渗透，学生普遍表现出较高的参与热情和安全意识。  （二）教学环节有效性评估：导入环节的生活化情境能快速抓住学生注意力，核心问题驱动明确。新授环节的六个任务层层递进，从原理到实践，逻辑线清晰。其中，“揭秘催化剂”任务通过对比实验和形象比喻，有效突破了抽象概念的理解难点；“规范操作”任务结合微视频和口诀，将复杂的操作程序化、可视化，降低了学习难度。巩固环节的分层设计照顾了差异，但挑战层任务的课堂讨论时间可能不足，可考虑移至课后探究小组。小结环节的学生自主总结，虽能反映其结构化程度，但需教师更有效的引导，避免流于知识点的简单罗列。  （三）学生表现的深度剖析：在小组实验中观察发现，动手能力强的学生往往成为操作主力，而部分学生可能仅限于观察或辅助。虽然异质分组促进了互助，但如何确保每位学生都有平等的深度参与机会，是需要设计的细节，例如可实行“角色轮换制”（操作员、记录员、安全员、汇报员）。对于理解速度较快的学