氧气的实验室制取与性质探究-九年级化学教学设计

氧气的实验室制取与性质探究——九年级化学教学设计一、教学内容分析  本课内容隶属于《义务教育化学课程标准（2022年版）》“科学探究与化学实验”及“物质的化学变化”主题。在知识技能图谱上，它处于从认识氧气性质转向主动获取氧气物质的枢纽位置，要求学生从理解层面（高锰酸钾、过氧化氢制氧原理）跃升至综合应用层面（独立完成实验室制取氧气的全过程），是构建“气体制取”一般性思路与方法（发生装置与收集装置的选择依据）的奠基之作。课标强调通过“实验探究”发展学生的科学思维，本课正是将“科学探究”这一学科思想方法转化为具体行动的绝佳载体：引导学生经历从原理分析、装置选择到动手实践、反思优化的完整探究链条。在素养价值层面，本课通过严谨的实验操作规范教育、对“催化剂”概念的辩证认识以及对实验异常现象的追因，旨在潜移默化地培养学生的“科学态度与责任”、“证据推理与模型认知”等核心素养，使学生体会到化学创造物质、服务社会的价值。  从学情研判看，学生已初步了解氧气的部分性质（助燃性），并具备了基本的实验观察与简单操作能力，但对“气体的制取”这一系统性工程完全陌生。可能的认知障碍点在于：第一，对“催化剂”概念易产生“催化剂参与反应并被消耗”的前科学概念；第二，面对多种仪器，难以自主建构发生装置与反应物状态、反应条件的关联模型；第三，实验步骤多，易出现操作顺序混乱或遗漏。因此，教学对策将以“问题链”和“模型建构”为脚手架，通过“预测观察解释”化解概念误区，利用对比分析、拼装模拟等活动搭建装置选择思维的阶梯，并通过任务分解与流程图示化解操作复杂性。课堂中将嵌入“一分钟随堂测”、“实验操作纠错”等形成性评价，动态诊断学情，为小组提供差异化的指导提示卡（如对操作困难学生提供步骤分解图，对思维活跃学生提出装置改进挑战）。二、教学目标  知识目标：学生能够准确阐述实验室制取氧气（高锰酸钾法、过氧化氢法）的化学反应原理，并能用化学方程式进行表征；能依据反应原理、反应物状态及条件，理性分析并选择合适的气体发生装置与收集装置，说出选择的依据，从而建构起实验室制取气体的一般思路模型。  能力目标：学生能初步学会用高锰酸钾制取并收集氧气的规范操作技能，包括装置的连接、气密性检查、加热、收集及检验等系列操作；能基于实验现象（如气泡产生速率、木条复燃情况）对实验过程进行初步分析与简单调控，并尝试对异常现象（如开始有气泡立即收集）进行合理推测。  情感态度与价值观目标：学生在小组合作实验过程中，能主动承担角色任务，积极倾听同伴意见，共同遵守安全规范，体验到严谨、有序的科学态度在实验成功中的决定性作用，并初步形成对化学实验的安全意识和环保意识。  科学思维目标：重点发展“模型认知”与“证据推理”思维。通过对比不同制氧原理与装置，引导学生归纳、概括气体制取装置选择的一般模型（固固加热型、固液常温型）；在实验探究中，培养学生基于观察到的证据（如导管口气泡连续均匀冒出）进行推理判断（此时方可收集）的逻辑能力。  评价与元认知目标：引导学生利用实验操作评分量表进行小组间的互评与自评；在课堂小结阶段，能够反思自己在“原理→装置→操作”这一逻辑链中的学习障碍点，并尝试提出优化个人学习策略的具体方法（如绘制流程图加强记忆）。三、教学重点与难点  教学重点：实验室制取氧气的反应原理、实验装置及操作步骤。确立依据：从课标来看，这属于“物质的化学变化”和“科学探究”两大核心主题的交汇点，是学生首次系统性学习气体的制备，所形成的研究思路与方法（原理决定装置，性质决定收集方法）是后续学习二氧化碳等气体制取的“大概念”与思维模型。从学业评价看，此部分内容是中考实验探究题的高频与核心考点，不仅考查知识记忆，更重在考查对原理的理解与应用、对装置的选择与评价能力。  教学难点：对催化剂概念的理解，以及制取氧气实验操作步骤的逻辑关联与有序实施。难点成因：催化剂概念抽象，其“一变两不变”的特点与学生日常“参与即消耗”的直观经验相悖，形成认知冲突。实验操作涉及多个环节的严格顺序（如“先查密，后装药”、“先撤管，后熄灯”），其内在逻辑（防止倒吸、保障安全、提高纯度）对于初次接触复杂实验的九年级学生而言，信息负载大，易混淆。突破方向在于：将抽象概念融入过氧化氢分解的对比实验探究中，让数据与现象说话；将复杂操作拆解为模块（准备模块、发生模块、收集模块、结束模块），并用口诀、动画或模拟拼装游戏辅助理解内在逻辑。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含原理动画、错误操作后果模拟视频）、高锰酸钾制氧与过氧化氢制氧的整套实验仪器模型（磁贴式或拼插式）。1.2实验器材（分组与演示）：铁架台、酒精灯、试管、导管、集气瓶、水槽、高锰酸钾、过氧化氢溶液、二氧化锰、药匙、棉花、火柴等。备好“实验任务单”及“分层提示卡”。2.学生准备2.1知识准备：预习教材，回顾氧气的物理性质（尤其是密度与溶解性）与检验方法。2.2物品准备：携带教材、笔记本。3.环境准备3.1座位布置：小组合作式座位（46人一组），确保实验活动空间安全、畅通。3.2板书记划：预留板书区域，规划为“原理区”、“装置选择模型区”、“操作要点区”与“问题生成区”。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与问题驱动：“同学们，上节课我们认识了氧气这位‘助燃高手’，它在医疗急救、航天焊接中不可或缺。那么，一个现实问题来了：如果实验室需要一瓶氧气，我们该如何‘制造’它呢？”（稍作停顿，引发思考）。随即播放一段简短的医疗供氧或工业制氧的片段，然后话锋一转：“大型生产有工业方法，那在实验室的方寸之间，我们如何利用有限的药品和仪器，安全、高效地制取并收集它呢？今天，我们就化身实验室里的‘制氧工程师’，一起来攻克这个项目。”  1.1提出核心问题与路径勾勒：“我们的核心任务就是——‘制备并收集一瓶干燥的氧气’。要完成它，我们需要分三步走：第一，选择‘原料’并搞清楚反应原理（用什么药、发生什么变化）；第二，设计并搭建‘生产流水线’（用什么装置、如何连接）；第三，动手实践并确保‘安全生产’（如何规范操作）。大家准备好了吗？我们的探索之旅，现在开始！”第二、新授环节  本环节围绕“原理→装置→操作”的主线，搭建五个循序渐进的探究任务支架，引导学生主动建构。任务一：探究制氧原理——理解反应的“源代码”  教师活动：首先，以“实验室常用制氧药箱”引入高锰酸钾和过氧化氢溶液。提出问题链：“直接加热它们，就能得到氧气吗？请写出可能的反应方程式。”“对于过氧化氢，二氧化锰在这里扮演什么角色？是反应物吗？”接着，演示对比实验：向两支分别加入等量过氧化氢溶液的试管中，一支加入少量二氧化锰，另一支不加。引导学生观察气泡产生的速率差异。“看，这支试管里迅速涌出大量气泡，而另一支却几乎‘风平浪静’，这说明了什么？”引导学生得出“改变速率”的结论。进而通过反应前后二氧化锰的质量与化学性质是否改变的史料介绍或补充实验说明，阐释“催化剂”的“一变两不变”内涵。“所以，我们可以说，二氧化锰是这把化学反应的‘钥匙’，打开了快速制氧的大门。”  学生活动：观察教师演示实验，记录现象对比。思考并讨论教师提出的问题链，尝试描述二氧化锰的作用。在教师引导下，修正对催化剂的初步认识，理解其作为反应条件（而非反应物）的角色。正确书写两个反应的化学方程式。  即时评价标准：1.能否准确描述对比实验中的现象差异。2.在讨论中，能否初步用“改变反应速率”而非“参与反应”来解释催化剂作用。3.书写化学方程式是否规范、配平。  形成知识、思维、方法清单：  ★核心原理：实验室制取氧气通常采用分解反应，主要有高锰酸钾加热分解（化学方程式：2KMnO₄∆K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑）和过氧化氢在二氧化锰催化下分解（化学方程式：2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑）。这是制取行动的“出发点”。  ▲催化剂概念：像二氧化锰这样，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，叫作催化剂。理解其“一变两不变”是难点，可比喻为“化学反应赛道的裁判员或加速器”，本身不跑比赛（不参与反应）。  ★书写规范：书写化学方程式必须注明反应条件（如“△”、“MnO₂”）和生成物状态（气体标“↑”）。这是化学表达的“语法规则”。任务二：设计发生装置——建构装置的“选择模型”  教师活动：“原理已定，接下来我们需要为反应搭建一个‘家’，这就是发生装置。请大家观察，高锰酸钾和过氧化氢制氧，在反应物状态和反应条件上有何不同？”（引导学生得出“固体加热”与“固液常温”）。出示多种仪器图片（试管、酒精灯、锥形瓶、长颈漏斗、带孔橡皮塞等）。“你能为这两种反应类型，分别挑选并‘组装’出合适的发生装置吗？请以小组为单位，利用发放的仪器磁贴进行拼装设计。”巡视指导，关注学生设计思路。邀请不同小组展示并解说设计。“大家看，这组同学为过氧化氢设计时，考虑到了长颈漏斗便于添加液体，很棒！但有没有想过，如何防止气体从这个漏斗口‘逃逸’呢？”引出液封的概念。  学生活动：小组合作，对比分析两种反应类型的差异。利用仪器模型进行拼装组合，设计出至少两种不同的发生装置。派代表展示设计成果，并阐述选择这些仪器的理由。倾听其他小组方案，思考并讨论液封等细节问题。  即时评价标准：1.装置设计是否与反应类型（固固加热/固液常温）匹配。2.解说时能否清晰表达选择依据（如“试管可用于加热固体”、“长颈漏斗方便加液”）。3.小组协作是否有效，每个人是否参与讨论。  形成知识、思维、方法清单：  ★装置选择模型：气体发生装置的选择核心依据是反应物的状态和反应条件。固+固加热型（如高锰酸钾制氧）常用试管、酒精灯组合；固+液常温型（如过氧化氢制氧）常用锥形瓶（或试管）、长颈漏斗（或分液漏斗）、带导管橡皮塞组合。这是举一反三的思维模型。  ▲装置细节与优化：对于固液常温型，长颈漏斗末端必须液封（伸入液面以下），以防止气体从漏斗逸出。分液漏斗可以控制液体滴加速率，从而控制反应速率。思考装置细节是工程思维的体现。  ★模型认知方法：通过对比、归纳不同反应类型对应的装置特点，从中抽象出普适性的选择原则，这是学习化学乃至科学的重要方法。任务三：选择收集方法——建立性质与方法的“链接”  教师活动：“反应产生的氧气，我们需要把它‘捕捉’到集气瓶中。怎样才能高效地收集呢？这取决于氧气本身的哪些性质？”引导学生回顾氧气的密度（略大于空气）和溶解性（不易溶于水）。“基于这些性质，你有几种收集方案？每种方案对应的装置又是怎样的？”让学生画出排水集气法和向上排空气法的示意图。“那么，两种方法收集到的氧气，在纯度上可能会有何差异？我们该如何检验氧气是否收集满？”（引出验满方法：排水法看气泡；向上排空气法用带火星木条放瓶口）。  学生活动：回忆并陈述氧气的相关物理性质。根据性质推导出可能的收集方法（排水法、向上排空气法）。动手绘制两种收集方法的装置简图。讨论并比较两种方法的优缺点（如纯度、干燥程度）。明确验满的操作与判断依据。  即时评价标准：1.能否准确建立“氧气不易溶于水→可用排水法”、“密度比空气大→可用向上排空气法”的推理链条。2.绘制的装置图是否科学、清晰。3.是否清楚不同收集方法对应的不同验满技巧。  形成知识、思维、方法清单：  ★收集方法选择模型：气体收集方法的选择主要取决于气体的溶解性和密度（与空气比较）。不易（或难）溶于水且不与水反应的气体可用排水法；密度大于空气的气体可用向上排空气法，反之用向下排空气法。这是另一个关键模型。  ★验满操作：排水法收集时，当导管口有连续均匀气泡冒出时才开始收集，集满的标志是瓶口有大气泡冒出。向上排空气法收集时，将带火星的木条置于集气瓶口，若复燃则已满。这是确保实验成功的关键操作点。  ▲证据推理：根据气体性质（证据）推理出收集方法（结论），再根据收集方法（新情境）推理出相应的验满方法（新结论），这是一个完整的逻辑推理过程。任务四：整合与模拟——梳理制取“全流程”  教师活动：“现在，原理、装置、收集方法我们都明确了。让我们以高锰酸钾制氧为例，将整个流程串联起来。请大家小组合作，在实验任务单上，用流程图的形式梳理出从连接仪器到收集完毕的全部操作步骤，并思考每一个关键步骤的目的是什么。”随后，利用动画或虚拟实验软件，演示一套完整、规范的操作流程，并特意设置12个常见错误（如试管口未略向下倾斜），让学生“找茬”。“大家找找看，这个模拟操作中有哪些不当之处？可能会引起什么后果？”  学生活动：小组讨论，合作绘制高锰酸钾制取并收集氧气的操作流程图。观看模拟演示，积极寻找并指出其中的错误操作（如试管口方向、导管伸入长度、加热前未预热等），并分析可能后果（如冷凝水倒流炸裂试管、收集效率低等）。  即时评价标准：1.绘制的流程图是否完整、逻辑顺序是否正确。2.能否准确找出模拟演示中的错误并合理解释其后果。3.小组内分工是否明确，讨论是否聚焦于操作逻辑。  形成知识、思维、方法清单：  ★操作步骤口诀化梳理：可概括为“查、装、定、点、收、离、熄”七字诀（检查气密性；装药品；固定装置；点燃酒精灯；收集气体；将导管撤离水槽；熄灭酒精灯）。理解每一步的内在逻辑是记忆的关键。  ▲关键操作与安全：①试管口略向下倾斜：防止冷凝水倒流炸裂试管。②导管伸入试管内不宜过长：利于气体导出。③加热前先预热，后对药品部位集中加热。④实验结束时，先移导管后熄灯：防止水槽中的水倒吸炸裂试管。安全是实验的生命线。  ★流程化思维：将复杂的实验任务分解为有序的、逻辑清晰的步骤，是解决综合性问题的重要能力。任务五：动手实践与探究——体验“工程师”的角色  教师活动：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。现在，请各小组根据任务单和流程图，实地操作，用高锰酸钾制取并收集一瓶氧气。操作前，请再次默念安全规范。开始行动！”巡视各小组，重点关注操作规范性（如铁夹夹持位置、酒精灯使用、导管连接）和小组协作情况。对操作迅速规范的小组提出进阶问题：“如何证明你收集到的气体就是氧气？”（引导进行性质验证）；对遇到困难的小组，发放分层提示卡，提供步骤图示或关键点提醒。“大家注意看，这位同学的操作很规范，‘一倾斜、二靠紧、三缓慢’，这样才能收集到更纯净的氧气。”  学生活动：小组分工协作（如一人负责组装，一人负责加热，一人负责收集与验满），严格按照流程和规范进行实验操作。成功收集一瓶氧气后，用带火星的木条（或燃着的木条）进行验证。观察实验现象，记录成功或遇到的问题。清理实验台。  即时评价标准：1.操作是否规范、有序，是否符合安全要求。2.小组分工是否合理，成员间能否有效配合、互相提醒。3.能否成功收集并验证氧气。4.实验结束后能否主动整理仪器、处理废物。  形成知识、思维、方法清单：  ★实践出真知：只有亲自动手，才能深刻理解装置连接的气密性重要性、加热的技巧、收集时机的把握等书本无法完全传达的“默会知识”。  ▲异常现象分析：若开始加热时导管口即有气泡冒出，但收集时木条不复燃，可能原因是装置气密性不良或开始产生的气泡是受热膨胀的空气。这培养了根据现象推理原因的能力。  ★团队协作与科学精神：实验的成功离不开小组成员间的精密配合与严谨求实的态度。尊重实验事实，如实记录现象（无论成功与否），是科学精神的基本要求。第三、当堂巩固训练  设计分层训练任务，并提供即时反馈。  基础层（全体必做）：1.判断题：①催化剂在化学反应前后性质不变。（）②收集满氧气的集气瓶应正放在桌面上。（）2.填空题：高锰酸钾制氧，实验结束时，应先将______，再______，目的是防止______。  综合层（多数学生完成）：3.情境应用题：实验室欲用双氧水和二氧化锰制取氧气，并从反应后的混合物中回收二氧化锰。请选择并连接所需仪器装置图（发生、收集），并简述回收二氧化锰的实验操作步骤（过滤、洗涤、干燥）。  挑战层（学有余力选做）：4.探究设计题：现有氯酸钾和二氧化锰的混合物，已知加热也可制取氧气。请对比高锰酸钾制氧，从反应原理、发生装置、操作要点等方面，分析其异同，并设计一个简单的实验方案验证二氧化锰在该反应中也是催化剂。  反馈机制：基础题答案通过全班齐答或手势反馈快速核对。综合题请学生上台展示装置连接并讲解思路，教师点评并强调“固液常温型”装置的选择与气密性检查方法。挑战题作为课后思考亮点，在班级学习园地展示优秀设计方案，鼓励学生查阅资料深入探究。第四、课堂小结  引导学生进行结构化总结与元认知反思。  知识整合：“同学们，今天我们完成了一项完整的‘制氧工程’。谁能用一幅简图或几个关键词，为我们梳理一下，要制取一种气体，我们需要思考和解决哪些问题？”鼓励学生上台绘制思维导图，从“原理（药品、方程式）→装置（发生、收集）→操作（步骤、验满）→检验（性质验证）”进行梳理。  方法提炼：“回顾整个探索过程，我们运用了哪些科学方法？比如，如何确定收集方法的？（推理法）如何认识催化剂作用的？（对比实验法）如何掌握复杂操作的？（流程分解法）。”  作业布置与延伸：“今天的旅程暂告一段落，但思考可以延续。请完成：1.（必做）整理课堂笔记，绘制本课知识结构图。2.（必做）完成练习册中关于制取氧气的基础习题。3.（选做）‘家庭小实验’：查阅资料，尝试设计利用家庭常见材料（如马铃薯、双氧水等）产生氧气的简易方法，并评估其可行性。下节课，我们将利用制得的氧气，更深入地探究它的化学性质，看看这位‘助燃高手’还有哪些非凡的本领。”六、作业设计  基础性作业（必做）：  1.书面作业：完成教材课后相关练习，重点巩固化学方程式的书写、实验步骤的排序与填空、装置图的识别。  2.整理作业：在笔记本上系统整理实验室制取氧气（两种方法）的原理、装置图、操作步骤及注意事项，形成个人专属的“制氧秘籍”。  拓展性作业（建议大多数学生完成）：  3.情境应用：以“实验室制氧工程师”的身份，写一份简短的实验报告，描述今天小组实验的过程（包括遇到的困难及解决办法），并对比排水法和向上排空气法收集氧气的优缺点。  4.微型项目：设计一份面向初中生的“实验室制取氧气安全操作须知”宣传海报，要求图文并茂，突出关键安全点。  探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：  5.开放探究：查阅工业上制取氧气的主要方法（如分离液态空气法、膜分离法），与实验室制法进行对比，从原理、规模、成本、纯度等角度制作一个对比分析表，并在班级科技角分享。  6.：思考并绘制草图：能否设计一套装置，实现过氧化氢制氧反应的“随开随用、随关随停”（即控制反应的发生与停止）？简述你的设计思路。七、本节知识清单及拓展  ★1.高锰酸钾制氧原理：2KMnO₄∆K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑。条件“加热”不可省，是典型的固体加热型分解反应。  ★2.过氧化氢制氧原理：2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑。条件“MnO₂”写在上方，表示催化剂。此为固液常温型反应。  ★3.催化剂：能改变反应速率，本身质量和化学性质反应前后不变。核心是“一变两不变”。催化剂具有选择性，且不改变生成物的质量。  ★4.发生装置选择模型：固固加热型（如高锰酸钾制氧装置）；固液常温型（如过氧化氢制氧装置）。选择依据：反应物状态和反应条件。  ▲5.固液常温型装置优化：长颈漏斗需液封；可用分液漏斗替代以控制反应速率；若使用多孔隔板，可实现固液分离，控制反应发生与停止。  ★6.收集方法选择模型：排水法（适用于不易溶于水且不与水反应的气体，如O₂、H₂）；排空气法（向上：密度大于空气，如O₂、CO₂；向下：密度小于空气，如H₂）。  ★7.氧气验满方法：排水法——集气瓶口有大气泡冒出；向上排空气法——将带火星木条放在集气瓶口，木条复燃。  ★8.高锰酸钾制氧操作步骤（七字诀）：查（气密性）、装（药品）、定（装置）、点（灯）、收（集）、离（导管）、熄（灯）。需理解每一步的顺序逻辑。  ★9.关键操作与安全：试管口略向下倾斜（防冷凝水倒流）；导管伸入试管不宜过长；加热前预热；实验结束先移导管后熄灯（防倒吸）。安全是首要原则。  ▲10.气密性检查方法（针对该装置）：将导管末端浸入水槽，用手捂住试管，若导管口有气泡冒出，松手后形成一段水柱，则气密性良好。  ★11.氧气检验方法：将带火星的木条伸入集气瓶内，若木条复燃，则该气体是氧气。注意与“验满”操作的区别。  ▲12.工业制氧方法：主要采用分离液态空气法（物理变化），利用液态氮和液态氧的沸点不同进行分离。了解实验室制法与工业制法的区别。八、教学反思  （一）目标达成度分析：本节课预设的知识与能力目标基本达成。通过课堂观察和随堂练习反馈，绝大多数学生能正确书写制氧方程式，能依据模型选择装置，并能描述主要操作步骤。动手实验环节，约80%的小组能成功制取并验证氧气，表明技能目标初步落实。然而，对催化剂概念内涵的深度理解（特别是“化学性质不变”的实证认识）和实验步骤内在逻辑的流畅表述，仍是部分学生的薄弱点，需要在后续课程中结合具体情境反复强化。  （二）教学环节有效性评估：任务驱动的探究式学习设计有效地将课堂还给了学生。任务二（装置设计）和任务四（流程模拟）中的小组合作与展示，极大地调动了学生的思维活跃度，模型建构过程自然发生。“大家找找看，这个模拟操作中有哪些不当之处？”这类“找茬”活动，学生参与热情极高，错误在辨析中得到强化记忆。然而，任务五（动手实践）时间略