高锰酸钾法制取氧气的实验探究-基于科学探究的初中化学教学设计

高锰酸钾法制取氧气的实验探究——基于科学探究的初中化学教学设计一、教学内容分析

《义务教育化学课程标准（2022年版）》明确指出，科学探究是化学学科核心素养的重要组成部分，要求学生能经历提出问题、设计实验、进行实验、分析证据、得出结论、反思评价的完整过程。本节课作为学生系统学习“气体制备”的起始课，承载着构建“原料—原理—装置—操作—检验—验证”系统性思维模型的关键任务。在知识技能图谱上，它上承“氧气的性质”，下启“二氧化碳的制取研究”，是学生从认识具体物质性质转向学习物质制备方法的重要枢纽，认知层级要求从“理解”跃升至“综合应用”。过程方法上，本节课是训练学生“科学探究”能力的绝佳载体，学生需在教师引导下，将“反应原理决定发生装置，气体性质决定收集方法”这一核心思想方法，转化为具体的实验设计与操作行动。素养价值渗透方面，通过严谨的实验操作规范教育与对“异常现象”的追问，旨在培养学生的科学态度与社会责任，理解化学实验的安全性与绿色化学思想，感悟化学技术在生命支持（如医疗供氧）领域的价值。

从学情视角研判，九年级学生已初步了解氧气的助燃性，具备基本的实验安全常识和简单仪器识别能力，对化学实验充满好奇心。然而，学生普遍存在的认知障碍在于：难以将零散的仪器组合成一个功能化、逻辑化的系统装置；对实验步骤的先后顺序缺乏原理性理解，易机械化记忆；面对“异常现象”（如刚加热时导管口冒气泡、水槽中水倒吸）时易陷入困惑或忽视。因此，教学调适策略的核心在于“化抽象为具象，化零散为系统”。我将通过“问题驱动”和“任务分解”，引导学生在“做”中“思”。例如，通过前置性问题“为什么用高锰酸钾而不用空气直接提取氧气？”评估学生对反应原理的理解起点；在实验操作环节，通过巡回观察与即时提问（如“试管口为何要略向下倾斜？”）动态把握学生对操作要点的掌握程度，并为有困难的学生提供“微步骤”图示支架或同伴协作支持，对学有余力的学生则提出“能否设计一套可随时控制反应发生与停止的装置？”的挑战性问题，实现差异化引导。二、教学目标

学生能够准确描述高锰酸钾加热制取氧气的化学反应原理（文字表达式），并基于此原理，系统地阐述选择固体加热型发生装置和排水法（或向上排空气法）收集装置的科学依据，从而在知识层面构建起实验室制取气体的一般性分析框架。

学生能够小组协作，安全、规范地完成“加热高锰酸钾制取氧气并检验”的整套实验操作，重点掌握“查、装、定、点、收、离、熄”的操作顺序，并能够独立、清晰地解释每一个步骤的目的及不当操作可能引发的后果，将理论知识转化为实践能力。

学生在探究过程中能体验到科学发现的严谨与乐趣，通过成功制得并检验氧气建立学习自信；在小组合作中培养倾听、协作与分享的意识；通过对实验安全规范的严格遵守，初步形成“规范即安全”的实验态度和绿色化学的意识。

学生经历完整的实验探究过程，重点发展“基于物质性质预测与选择实验方法”的推理能力，以及“将复杂实验系统分解为发生、收集、检验等功能模块”的系统化思维。通过分析对比不同收集方法的优劣，初步形成基于证据进行权衡与决策的思维习惯。

学生能够依据清晰的实验操作评价量表，对自己和同伴的实验操作进行客观评价与反思；能够在实验结束后，主动回顾探究过程，梳理成功经验与失败教训，并提出具体的改进设想，逐步提升元认知能力。三、教学重点与难点

教学重点为高锰酸钾制取氧气的实验原理、操作步骤及装置选择依据。其确立首先源于课程标准对该主题“初步学习基本的化学实验技能，完成简单的学生实验”的要求，它构成了“科学探究”素养发展的核心实践基础。从学科知识结构看，该内容是“气体制备”思维模型的首次系统性建构，是后续学习二氧化碳等气体制取的认知原型。从中考考点分析来看，该实验是高频考点，不仅考查细节记忆，更常以装置评价、流程设计等形式，考查学生对原理与装置间逻辑关系的深度理解，充分体现了能力立意的命题导向。

教学难点在于引导学生理解实验装置设计的科学依据及操作步骤间的逻辑关联。成因在于：第一，从“是什么”到“为什么”存在认知跨度。学生容易记住“试管口要略向下倾斜”，但难以从“防止冷凝水倒流引起试管炸裂”的化学反应条件（加热固体）和物质状态（生成水）角度理解其必然性。第二，操作步骤顺序（如“先撤离导管后熄灭酒精灯”）逻辑严密，但学生若缺乏对装置内气压变化的微观想象，则易形成机械记忆，稍有打乱便可能导致实验失败甚至危险。预设突破方向是：利用动画模拟或简易物理模型演示气压变化；设计“错例分析”任务，让学生在辨析错误后果中逆向理解操作规范的重要性。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式课件（含反应原理动画、装置组装微视频、错误操作后果模拟）、实物投影仪。1.2实验器材（分组）：铁架台（带铁夹）、酒精灯、大试管、单孔橡胶塞（配导管）、水槽、集气瓶、毛玻璃片、高锰酸钾、药匙、棉花团、坩埚钳、火柴。另备：澄清石灰水、带火星的木条（复检用）。1.3学习材料：分层学习任务单（含预习指引、课堂探究记录、分层巩固练习）、实验操作评价量表（学生互评用）。2.学生准备2.1知识预习：阅读教材，初步了解高锰酸钾制氧气的步骤；思考“为何不用过氧化氢溶液制氧作为第一学习内容？”。2.2物品：笔、课本。3.环境布置3.1座位：实验小组形式（46人一组），便于协作与讨论。3.2板书：左侧预留板面用于呈现核心问题链与思维模型图，右侧用于记录学生生成的关键点与结论。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题激发：同学们，请看屏幕上的这张图片（展示医疗急救中使用的氧气瓶），还有这段视频（播放潜水员深海作业的画面）。氧气，是生命呼吸和许多科技活动不可或缺的气体。那么，一个现实的问题摆在我们面前：这些被储存、被利用的氧气，是如何被“制造”出来的呢？工业上通过分离液态空气获得大量氧气，但设备庞大。如果我们想在实验室里，利用有限的化学药品和仪器，安全、快速、方便地获得一些氧气用于研究，又该如何实现？1.1提出核心问题与路径规划：今天，我们就化身实验室的研究员，一起来攻克“在实验室中用高锰酸钾制取氧气”这个项目。我们将沿着“为什么选它？”（原理）→“用什么装置？”（设计）→“如何规范操作？”（实践）→“怎样知道成功了？”（验证）的路径展开探究。请大家回忆一下，氧气有哪些突出的性质？这或许会为我们收集和检验它提供关键思路。第二、新授环节任务一：探究反应原理——为何选择高锰酸钾？1.教师活动：首先，引导学生从物质分类和已知性质角度分析高锰酸钾。提问：“高锰酸钾是什么状态？它需要什么条件才能发生反应？”接着，通过播放高锰酸钾加热分解的微观模拟动画，直观展示反应过程。然后板书文字表达式：高锰酸钾→(加热)→锰酸钾+二氧化锰+氧气。重点追问：“请大家观察这个表达式，从反应物和生成物的种类与状态，你能推断出这个反应有哪些特点？这为我们设计发生装置提供了什么线索？”（引导学生得出“固体、需要加热、生成气体”的结论）。2.学生活动：观察高锰酸钾样品，回忆其物理性质。观看动画，认识反应的本质是物质的分解。在教师引导下分析反应表达式，尝试总结反应特征，并初步建立“反应物状态和反应条件决定发生装置”的关联意识。3.即时评价标准：1.能否准确复述反应原理。2.能否从原理中有效提取出“固体”、“加热”、“生成气体”等关键信息。3.在小组讨论中，能否为“发生装置的选择线索”提供基于反应原理的合理解释。4.形成知识、思维、方法清单：1.★核心原理：高锰酸钾在加热条件下分解生成氧气，这是实验室制氧的一种经典方法。2.★思维方法：分析一个制备反应，首先要关注反应物的状态（固态、液态等）和反应条件（加热、常温等），这是设计气体发生装置的“第一依据”。3.易错点提醒：文字表达式中“加热”条件不可省略，且生成物有三种，需记全。4.关联思考：与分离液态空气的物理方法对比，这是利用化学反应制取物质的化学方法。任务二：设计发生装置——如何“制造”出氧气？1.教师活动：出示试管、酒精灯、铁架台、带导管的橡胶塞等仪器实物。“同学们，根据刚才总结的‘固体加热制气’特点，请以小组为单位，尝试将这些仪器组装成一套合理的发生装置。组装时思考并记录：为什么这样组装？每一个仪器的摆放有什么讲究？”巡回指导，收集典型组装方案。之后请一组同学上台展示并解说，教师利用实物投影，聚焦关键细节提问引导：“大家看，他们组的试管口是怎么放的？哎，为什么不是朝上而是略向下倾斜？如果朝上可能会怎样？”通过讨论和可能出现的错误组装对比，强化认知。2.学生活动：小组合作，动手尝试组装固体加热型气体发生装置。在组装过程中讨论仪器的功能与摆放理由。倾听他组汇报，积极参与对关键细节（如试管口方向、导管伸出橡皮塞的长度、铁夹夹持位置）的辩论与辨析。3.即时评价标准：1.组装方案的科学性与安全性。2.小组成员间协作的流畅性与有效性。3.解说时能否用规范的语言（如“防止冷凝水倒流”）解释设计意图。4.形成知识、思维、方法清单：1.★核心装置：“固体加热型”气体发生装置，典型仪器包括：铁架台（固定）、试管（反应容器）、酒精灯（热源）、带导管的单孔橡胶塞（导出气体）。2.★关键细节：试管口应略向下倾斜，防止加热时产生的水蒸气冷凝回流至试管底部，导致试管受热不均而炸裂。导管伸入试管不宜过长，刚露出橡胶塞即可，利于气体导出。3.安全规范：仪器组装应遵循“从下至上，从左到右”的原则，确保稳定、安全。4.方法提炼：装置设计服务于反应原理，每一个结构细节都有其科学目的和安全考量。任务三：设计收集与检验方案——如何“捕捉”并确认氧气？1.教师活动：提问唤醒旧知：“我们学过的氧气有哪些物理性质和化学性质？”引导学生聚焦“密度比空气略大”和“不易溶于水”。接着提出核心问题：“根据这些性质，你可以设计出几种‘捕捉’（收集）氧气的方法？每种方法各有什么优缺点？”组织小组讨论，并引导对比排水法（纯度较高、便于观察集满）与向上排空气法（较干燥但纯度不易判断）。确定方案后，追问检验方法：“当集气瓶中的气体满了，我们凭什么说它就是氧气？”引出用带火星的木条复燃进行验满和检验。2.学生活动：回顾氧气性质，积极提出排水集气法和向上排空气法。在教师引导下，从操作难度、气体纯度、干燥程度等角度对比两种方法，形成基于证据的决策。明确用带火星的木条进行检验的具体操作（置于集气瓶口验满，伸入瓶内检验）。3.即时评价标准：1.能否准确关联气体性质与收集方法。2.在对比不同收集方法时，论证是否清晰、有据。3.能否完整、准确地描述氧气的检验与验满操作。4.形成知识、思维、方法清单：1.★收集方法选择依据：气体的溶解性和密度决定收集方法。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。2.★检验与验满方法：用带火星的木条检验，若木条复燃则为氧气；验满时，将带火星木条放在集气瓶口，若复燃则已集满。3.对比与决策思维：没有完美的方案，只有适合的情境。需根据实验具体需求（如要纯氧还是干燥氧）权衡选择。4.▲拓展联系：此法为后续学习其他气体（如氢气、二氧化碳）的收集奠定了方法论基础。任务四：整合与实战——完整制取并检验一瓶氧气1.教师活动：在学生对各环节理解基础上，播放规范的完整操作微视频，视频中以醒目字幕和慢动作强调“查、装、定、点、收、离、熄”七个关键步骤顺序。视频后，教师提炼口诀并阐释每一步的逻辑：“‘查’是检查气密性，防止装置漏气白忙活；‘离’与‘熄’的顺序至关重要，先移导管后熄灯，是为了防止水槽中的水倒吸进热试管……”随后，分发实验器材与任务单，明确安全要求，组织学生分组实验。教师巡回指导，重点关注：1.高锰酸钾装入试管是否在管底铺平、是否在管口放了棉花（防粉末堵塞导管）？2.加热时是否先预热再集中加热？3.收集时机判断（导管口气泡连续均匀冒出时才收集）。4.“撤离熄灭”顺序的执行。2.学生活动：观看视频，结合口诀理解完整流程的内在逻辑。以小组为单位，分工协作，严格按照规范进行实验操作。记录实验现象，成功收集至少一瓶氧气并进行检验。在任务单上反思操作过程中的得失。3.即时评价标准：1.操作规范性：是否严格遵守“七字步骤”及各个细节要点。2.实验成功率：能否成功制得并收集到氧气。3.小组协作：分工是否明确，操作是否有序，是否有相互提醒与安全监督。4.观察与记录：是否如实、详细地记录了关键现象（如加热时固体颜色变化、气泡产生情况、木条复燃现象）。4.形成知识、思维、方法清单：1.★核心操作步骤（七字诀）：查（检查装置气密性）、装（装药品，试管口塞一团棉花）、定（固定装置）、点（点燃酒精灯加热）、收（待气泡连续均匀时收集）、离（将导管移出水槽）、熄（熄灭酒精灯）。2.★关键操作解析：加热前检查气密性是实验前提。用一团棉花堵住试管口可防止加热时高锰酸钾粉末随气流冲入导管。收集时机：待导管口气泡连续均匀冒出时再收集，以排除初期试管内空气的干扰。停止实验顺序：务必先移出导管再熄灭酒精灯，防止水倒吸。3.★异常现象分析：刚开始加热时导管口有气泡（空气受热膨胀），不宜收集。实验结束若先熄灯，水槽中的水会沿导管倒吸入试管，可能使试管炸裂。4.科学态度养成：实验的成功源于对每一个细节的严谨把控，科学探究需要规范、耐心与协作。任务五：反思与建模——从“制氧气”到“制气体”1.教师活动：实验结束后，组织学生进行简要汇报交流。随后，提出升华性问题：“如果我们把今天学习的高锰酸钾制氧气，看作一个‘项目’，现在项目完成了，请大家一起复盘，我们是如何一步步从无到有实现这个目标的？这其中有没有一个通用的思维模型？”引导学生在黑板（或课件）上共同梳理、提炼出实验室制取任何气体的一般思路与方法：1.选择反应原理（药品与条件）→2.根据反应物状态和条件选择发生装置→3.根据生成气体的性质（密度、溶解性）选择收集与验满方法→4.设计验证气体成分的方法。教师总结：“看，我们今天不仅制得了氧气，更‘炼制’出了一把解决气体制备问题的‘金钥匙’！”2.学生活动：分享实验成功或遇到问题的体验。在教师引导下，回顾整个探究历程，从具体经验中抽提一般规律，共同参与构建“实验室制取气体的一般思路”思维模型图。3.即时评价标准：1.能否清晰地复述实验流程并解释关键步骤原因。2.能否从具体案例中抽象概括出普适性的思维模型。3.在构建模型过程中，能否进行有效的归纳与表达。4.形成知识、思维、方法清单：1.★核心思维模型：实验室制取气体的系统性分析框架：原理→发生装置→收集装置→检验/验满方法。2.★模型内涵：发生装置由反应物状态和反应条件决定；收集装置由气体的物理性质（密度、溶解性）决定。3.★方法论提升：从具体到一般，从经验到模型，是化学学习的进阶路径。掌握模型比记忆单个实验更重要。4.▲迁移应用预告：此模型将直接应用于下一单元“二氧化碳的实验室制取研究”，请同学们届时进行对比验证。第三、当堂巩固训练

1.基础层（全体必做）：请根据课堂学习，完成下列填空：（1）加热高锰酸钾制氧气，试管口应_____倾斜，原因是_____。（2）用排水法收集氧气，当观察到_____时，才开始收集。（3）实验结束时，应先_____，后_____。

2.综合层（多数学生完成）：实验室现有以下仪器，请你设计一套用高锰酸钾制取氧气的装置，用序号连接表示组装顺序，并说明如此组装的依据。（提供仪器图片及序号）【此题为可视化装置选择与逻辑陈述】

3.挑战层（学有余力选做）：有同学提出，用高锰酸钾制氧，结束时若先熄灭了酒精灯，水槽中的水会倒吸入热的试管。请你利用压强原理，解释水被“吸入”的原因。在此基础上，请你设计一个简单的改进装置（可画示意图），防止这种倒吸现象发生。

反馈机制：完成后，通过投影展示部分学生的答案，组织学生进行同伴互评（依据评价量表相关条目）。教师重点讲评综合层题目的设计逻辑和挑战层题目的创新点，对常见错误进行归因分析（如装置顺序错误源于对功能模块理解不清）。第四、课堂小结

知识整合与反思：现在，请各位“研究员”合上任务单，在笔记本上尝试用关键词或思维导图，梳理一下本节课的收获。你学到了哪些核心知识？更重要的是，你掌握了哪种思考和解决问题的方法？有什么操作细节是你印象最深刻的？

作业布置与延伸：今天的作业分为三个层次（详见任务单）：必做部分是绘制高锰酸钾制氧的实验流程图并标注要点。选做A是撰写一份“家庭小实验安全指南（模拟制氧情境）”。选做B是查阅资料，了解工业上制取氧气的主要方法（如分离液态空气、膜分离技术），并与实验室方法进行对比，思考其选择依据的不同。下节课，我们将利用今天构建的“气体制造”思维模型，去挑战另一位熟悉的气体——二氧化碳的制备。六、作业设计

基础性作业（必做）：1.默写高锰酸钾加热制取氧气的文字表达式，并指出反应类型。2.以图示或流程图形式，完整呈现实验室用高锰酸钾制取并收集氧气的操作步骤（“查”到“熄”），并在每个步骤旁用一句话简述其目的或注意事项。3.完成课本相关的基础习题，巩固对原理和基础知识的理解。

拓展性作业（建议完成）：情境应用——假如你需要为一次班级生物观测活动（如昆虫呼吸实验）准备三瓶干燥的氧气。请设计一份简要的实验方案，内容包括：所需药品仪器清单、主要步骤、如何确保获得的是干燥氧气、以及安全预案（至少两条）。

探究性/创造性作业（选做）：1.微型项目设计：调研医院、养老院或高原地区使用的“小型分子筛制氧机”的工作原理，与化学制氧法进行比较，撰写一份简短的对比分析报告（不少于300字），阐述各自的适用场景和优劣。2.创新改进：针对教材中“固体加热型”装置无法控制反应随时发生和停止的缺点，利用生活中易得的材料（如饮料瓶、吸管、注射器等），设计并绘制一套能实现“随开随用、随关随停”的简易制氧装置草图，并附上简要说明。七、本节知识清单及拓展

★1.反应原理：高锰酸钾（暗紫色固体）在加热条件下分解，生成锰酸钾、二氧化锰和氧气。文字表达式为：高锰酸钾→(加热)→锰酸钾+二氧化锰+氧气。这是分解反应的典型实例。

★2.发生装置：属于“固体加热型”装置。核心仪器包括：铁架台（固定）、试管（反应容器）、酒精灯（提供热源）、带导管的单孔橡胶塞（气体导出）。

★3.关键操作细节1（防事故）：试管口应略向下倾斜。目的：防止加热时药品中可能存在的水分或反应生成的水蒸气冷凝回流到热的试管底部，引起试管炸裂。

★4.关键操作细节2（防堵塞）：在试管口塞一团棉花。目的：防止加热时高锰酸钾粉末随气流冲入导管，造成导管堵塞。

★5.收集方法选择依据：根据氧气的物理性质。氧气不易溶于水，可采用排水集气法；氧气密度比空气略大，可采用向上排空气法。排水法收集的气体更纯、更易观察是否集满。

★6.检验与验满方法：使用带火星的木条。检验：将带火星的木条伸入集气瓶内，若木条复燃，则为氧气。验满（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，说明已集满。

★7.操作步骤口诀（七字诀）：查、装、定、点、收、离、熄。这是操作顺序和核心要点的精华总结，必须理解其内在逻辑。

★8.步骤解析查：检查装置气密性。方法：将导管末端浸入水槽中，用手握住试管，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。这是实验成功的前提。

★9.步骤解析收的时机：加热后，待导管口有连续均匀的气泡冒出时，再开始收集气体。因为刚开始排出的气泡是试管内的空气，此时收集会导致氧气不纯。

★10.步骤解析离与熄的顺序：实验结束时，必须先将导管移出水槽，再熄灭酒精灯。目的：防止水槽中的水因试管冷却、内部压强减小而倒吸入热的试管，导致试管炸裂。这是最重要的安全操作之一。

▲11.异常现象分析：加热初期导管口即有气泡（空气受热膨胀）；实验完毕若先熄灯，会观察到水倒吸入导管。能解释这些现象是理解原理的标志。

★12.思维模型：气体制备一般思路：选择反应原理→确定发生装置（据反应物状态与条件）→选择收集方法（据气体密度与溶解性）→确定检验/验满方法。这是从具体实验升华出的核心方法论。

▲13.对比与辨析：实验室制氧法（化学变化）与工业分离液态空气法（物理变化）的本质区别。高锰酸钾法（需加热）与后续将学的过氧化氢溶液法（常温）的装置差异。

▲14.绿色化学视角：高锰酸钾法的产物中二氧化锰可作为催化剂用于过氧化氢制氧，体现了原料的循环利用思想。实验后的固体残渣应回收处理，不能随意倾倒。

▲15.安全与规范意识：所有操作规范的背后都是科学原理和安全要求。严谨的态度是科学探究的基石，也是自我保护的必要条件。八、教学反思

（一）目标达成度分析：本节课预设的知识与技能目标达成度较高，通过任务单反馈和课堂观察，绝大多数学生能准确复述原理与步骤，小组实验成功率达90%以上。能力目标中，“规范操作”通过清晰的流程指导和过程评价得到落实，但“系统性设计思维”的深度内化仍需后续课程反复强化。情感与价值观目标在严谨的实验氛围和成功体验中得以渗透，学生表现出较高的专注度与合作意愿。

（二）环节有效性评估：导入环节的情境创设有效激发了学习动机，将“制氧”从一个知识点转化为一个待解决的现实问题。“任务驱动”式的新授环节是本节课的核心，将复杂的实验系统分解为五个环环相扣的子任务，有效降低了认知负荷，特别是任务二（动手组装）和任务四（完整实战）的设计，符合“做中学”的理念，学生参与度极高。但任务五（建模）的时间稍显仓促，部分学生仅能跟随教师梳理，独立提炼模型的能力尚未充分展现，暗示此处思维进阶的“脚手架”还需更精细化设计。当堂巩固的分层设计满足了不同学生的需求，挑战题关于“防倒吸装置”的设计激发了部分学生的创造性思维，是课堂的亮点