基于科学探究与模型建构的初中科学教学设计-以《空气的组成与氧气性质》为例

基于科学探究与模型建构的初中科学教学设计——以《空气的组成与氧气性质》为例一、教学内容分析

本课隶属于《义务教育科学课程标准（2022年版）》中“物质的结构与性质”主题下的核心内容。课标明确指出，学生需“认识空气的主要成分，了解氧气等常见物质的主要性质，并初步学习运用实验探究等方法研究物质”。从单元知识链看，本节是学生系统学习“身边的化学物质”的开篇，上承物质的三态变化、微粒观等基础，下启燃烧、呼吸作用、氧化还原等一系列化学反应的学习，具有重要的奠基作用。知识图谱上，核心概念包括“空气的组成（定性及定量）”、“氧气的主要物理与化学性质（以助燃性为核心）”；关键技能聚焦于“基于实验事实进行推理分析”和“初步设计简单实验方案”。过程方法上，本节是渗透科学史教育（拉瓦锡实验）与科学探究基本流程（提出问题设计方案实验观察得出结论）的绝佳载体。素养价值方面，通过揭秘身边的空气，培养学生“科学观念”中的物质观与变化观；通过重现定量实验，发展“科学思维”中的模型建构与证据推理能力；通过小组协作探究，锤炼“探究实践”中的合作与操作技能；通过讨论空气污染与保护，内化“态度责任”中的社会责任感与环保意识。其教学重难点预判为：如何引导学生跨越从“空气是单一物质”的前概念到“空气是混合物”的科学概念，以及如何理解从定性感知到定量测定的科学思维跨越。

学情方面，八年级学生已具备“空气存在”的生活经验和“氧气支持呼吸与燃烧”的模糊认知，但认知多停留于感性层面，对空气的组成成分及其体积分数缺乏准确、量化的理解。潜在的认知障碍在于：一是难以想象看不见、摸不着的空气由多种成分构成；二是对“测定氧气含量”实验中涉及的水压变化、药品选择等原理感到抽象。此外，学生个体在逻辑推理能力、实验操作精细度和团队协作意愿上存在显著差异。因此，教学需设计多感官参与的活动（如实验、动画模拟）化抽象为具体，并搭建阶梯式任务与差异化指导。课堂中将通过前置性问题、实验操作观察、小组讨论记录等形成性评价手段动态把握学情。针对基础薄弱学生，提供更具体的操作提示和概念类比（如将空气比作“混合物沙拉”）；针对学有余力者，则引导其深入分析实验误差来源或设计验证氮气性质的微型实验，实现分层提升。二、教学目标

1.知识目标：学生能够准确陈述空气的主要成分（氮气、氧气等）及其大致体积分数，并解释氧气体积分数测定实验的基本原理；能系统描述氧气的物理性质（如无色无味气体、不易溶于水）和核心化学性质（助燃性），并辨析其与常见物质（如碳、硫、铁）反应的现象特征。

2.能力目标：学生能够以小组为单位，相对规范地完成“测定空气中氧气含量”的模拟实验或演示观察，并记录、处理和分析实验数据；能基于实验现象和科学史资料，运用归纳与演绎的思维方法，推理得出空气组成与氧气性质的结论；初步尝试设计简单的对比实验，验证氧气对燃烧的影响。

3.情感态度与价值观目标：在探究空气组成的活动中，学生能感受到科学发现的不易与严谨求实的科学精神价值；在讨论空气污染与保护的议题时，能结合本地实例，提出具体的环保建议，表现出改善环境的社会责任感。

4.科学思维目标：重点发展“模型建构”与“证据推理”思维。学生能将拉瓦锡的实验精简化、模型化为课堂可操作的实验装置，理解模型在科学研究中的作用；能依据红磷燃烧后集气瓶内水位上升约1/5的现象，有理有据地推论出氧气约占空气体积1/5的结论，并学会评估证据的可靠性。

5.评价与元认知目标：学生能够依据实验操作评价量规，对自身或同伴的实验规范性进行简要评价；能在课堂小结时，反思“从生活经验到科学结论”的学习路径，说出自己是如何克服认知冲突、建立新概念的。三、教学重点与难点

教学重点：空气的组成（特别是氧气约占1/5体积的定量认识）以及氧气支持燃烧的化学性质。确立依据在于，这两者是本课需要建构的最核心科学观念，是课标明确要求掌握的“大概念”。从学科逻辑看，空气组成是研究大气环境、呼吸作用、燃烧条件的知识基石；氧气性质则是理解氧化反应这一大类化学反应的起点。在学业评价中，相关实验原理、现象及结论分析是高频考点，且常以探究题形式出现，综合考查学生的理解与应用能力。

教学难点：学生理解“测定空气中氧气含量”的实验设计原理，并能分析实验成功的关键因素与常见误差原因。难点成因在于，该理解过程需要学生完成多重思维跨越：首先，要将无形的空气体积变化转化为有形的液面高度变化，涉及抽象的等量替代思想；其次，需要理解为何选择特定药品（如红磷）及装置必须气密性良好，这涉及到对化学反应原理和气体压强知识的综合应用。预设突破方向是：通过演示实验与动画模拟将微观过程可视化，通过搭建“为什么选择红磷？”“如果装置漏气会怎样？”等问题链引导学生深入思考。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含空气成分饼状图、拉瓦锡实验介绍动画、氧气性质实验视频）；空气组成测定演示实验装置（或分组实验器材）数套。1.2实验材料：红磷、酒精灯、集气瓶、燃烧匙、弹簧夹、橡胶塞、烧杯、水槽、水；氧气瓶（储有排水法收集的氧气）、木炭、硫粉、细铁丝、砂纸、火柴。1.3学习材料：分层学习任务单（含基础记录表与拓展思考题）、课堂巩固练习活页。2.学生准备2.1知识预备：预习教材，思考“空气除了氧气，还有什么？”。2.2物品准备：笔、科学笔记本。3.环境布置3.1座位安排：实验课小组合作式座位（46人一组），便于讨论与操作。3.2板书记划：预留主板书区用于呈现知识结构图，副板书区用于记录学生观点和关键现象。五、教学过程第一、导入环节

1.情境创设与认知冲突：教师手持一个空烧杯，提问：“同学们，这个烧杯真的是‘空’的吗？”（停顿，等待学生反应）。随后，将烧杯倒扣入水槽中，观察到水无法充满烧杯。“看，水进不去，说明里面真的有东西占着空间。我们每时每刻都在呼吸，但它却看不见摸不着。大家有没有想过，我们身边的空气，它到底是个‘单纯’的家伙，还是由许多‘成员’组成的大家庭呢？”

1.1提出核心问题：“今天，我们就化身小科学家，一起来破解‘空气的组成之谜’，并重点结识其中一位至关重要的成员——氧气。我们不仅要‘看到’它，还要‘测出’它的含量，更要‘摸清’它的脾气。”

1.2明晰学习路径：“我们的探索之旅将分三步走：第一步，回溯历史，看看科学家拉瓦锡是怎么揭开空气神秘面纱的；第二步，亲手（或观察）一个经典实验，定量测定空气中的氧气含量；第三步，制备并近距离观察氧气，看看它到底有哪些独特的性质。请大家带着好奇心，开启我们的探究吧！”第二、新授环节任务一：追溯科学史——定性认识空气的组成

教师活动：首先，讲述拉瓦锡研究空气成分的故事，重点突出其“定量研究”和“敢于挑战权威”的科学精神。“同学们，在拉瓦锡之前，人们认为空气是一种单一元素。但他不盲从，设计了一个极其精巧的实验。”利用动画演示拉瓦锡的汞加热实验过程，引导学生观察：密闭容器中部分汞变成红色粉末（氧化汞），同时空气体积减少了约1/5；剩余4/5气体不支持燃烧和呼吸。关键提问：“①减少的那部分气体是什么？拉瓦锡如何推断？②剩下的气体又有什么性质？这说明了什么？”

学生活动：观看动画与讲述，思考并回答教师提问。尝试用自己的语言描述拉瓦锡的实验发现：空气至少由两种气体组成，一部分支持燃烧（后被命名为氧气），另一部分不支持。小组初步讨论：这个实验的设计妙在哪里？（如：密闭体系、定量测量）。

即时评价标准：1.能否根据动画信息，准确指出氧气和支持燃烧性质之间的关联。2.能否初步体会到“定量”在化学研究中的重要性。3.小组讨论时，能否倾听他人意见并表达自己的观点。

形成知识、思维、方法清单：★空气不是单一物质，而是混合物。★拉瓦锡通过定量实验，首次证明空气由氧气（支持燃烧）和氮气（当时称为“不能维持生命的气体”）等组成。▲科学思维：定量研究是化学成为一门科学的重要标志。▲科学态度：不盲从权威，以实验事实为依据。任务二：构建实验模型——定量测定空气中氧气的含量

教师活动：“拉瓦锡的实验很经典，但用到汞，有毒且复杂。我们能设计一个更安全、更简便的实验来测定空气中氧气的含量吗？”展示改进后的“红磷燃烧测定空气组成”装置图，并演示或组织分组实验。关键引导步骤：1.介绍装置各部分名称与连接。2.强调检查气密性的操作与重要性。“大家想想，如果装置漏气，我们的‘测量’还会准吗？”3.演示红磷燃烧并迅速塞紧瓶塞。“注意看，红磷燃烧时产生了大量白烟，这白烟是什么？（五氧化二磷）”。4.待冷却至室温后，打开弹簧夹，观察水倒吸入集气瓶的现象。“好，水位上升到大约什么位置？请大家测量并记录。”

学生活动：观察教师演示或分组协作进行实验。记录实验现象：红磷燃烧，产生大量白烟；冷却后打开止水夹，烧杯中的水进入集气瓶，约占原集气瓶内空气体积的1/5。分析现象：红磷燃烧消耗了空气中的氧气，导致瓶内气压减小，外界大气压将水压入。根据进入水的体积，推断消耗的氧气体积。计算氧气体积分数。

即时评价标准：1.实验操作是否规范（特别是气密性检查、点燃与塞瓶塞的时机）。2.观察记录是否准确、完整（现象描述、体积测量）。3.能否根据现象合理解释原理，并推导出“氧气约占空气体积1/5”的结论。

形成知识、思维、方法清单：★实验原理：利用红磷燃烧消耗密闭容器内的氧气，导致压强减小，通过进入水的体积来测定氧气的体积。★结论：空气中氧气的体积分数约为21%（约1/5）。★关键操作：药品足量、装置气密性良好、冷却至室温后再打开弹簧夹。▲误差分析：若测得结果偏小，可能原因有：装置漏气、红磷量不足、未冷却就打开弹簧夹等。▲模型建构：将拉瓦锡的经典实验简化为课堂可操作的模型，体现了科学方法的传承与创新。任务三：揭秘空气家族——认识其他成分

教师活动：“我们测定了氧气，那剩下的约4/5主要是谁呢？”引导学生阅读教材图表，了解空气的成分及体积分数。“除了氮气和氧气这两位‘主角’，空气中还有哪些‘配角’？”（稀有气体、二氧化碳、其他气体和杂质）。通过展示霓虹灯、飞艇等图片，说明稀有气体的用途；联系温室效应，简述二氧化碳的双重角色。“所以，空气是一个复杂的混合物，每一种成分都扮演着自己的角色。”

学生活动：阅读教材，识记空气的主要成分及其体积分数。观看图片与讲解，了解氮气、稀有气体的性质与用途。联系生活，讨论二氧化碳与当前环境问题的关系。

即时评价标准：1.能否准确说出空气的主要成分及体积分数排序。2.能否举例说明至少一种空气成分的用途。3.讨论时能否结合实例，观点明确。

形成知识、思维、方法清单：★空气成分（按体积分数）：氮气（约78%）>氧气（约21%）>稀有气体（0.94%）>二氧化碳（0.04%）>其他气体和杂质（0.02%）。★氮气：化学性质不活泼，常用作保护气。▲稀有气体：化学性质极不活泼，通电时发出不同颜色的光。▲联系实际：空气成分相对稳定，但人类活动可能改变局部比例（如CO₂增加），引发环境问题。任务四：制取与观察——初识氧气的物理性质

教师活动：（出示一瓶预先用排水法收集的氧气）“刚才我们一直在‘空气中’找氧气，现在让我们请出这位主角，单独看看它。这瓶气体就是氧气。大家先观察，它是什么颜色、什么状态的？”（引导学生观察）“我们怎么知道它是氧气而不是空气呢？需要检验。大家回忆一下，有什么简单方法可以快速检验氧气？”（氧气能使带火星的木条复燃）。教师演示：将带火星的木条伸入集气瓶中，木条复燃。“这就是氧气的‘身份证’！”

学生活动：观察氧气的颜色、状态。学习氧气的检验方法：将带火星的木条伸入集气瓶，若木条复燃，则该气体是氧气。思考并回答：为何用排水法收集？由此推断氧气具有什么物理性质？（不易溶于水）

即时评价标准：1.能否准确描述氧气的物理性质（无色、无味、气体、不易溶于水）。2.是否掌握氧气检验的正确操作与判断依据。

形成知识、思维、方法清单：★氧气的物理性质：通常状况下，是无色、无味的气体，不易溶于水。★氧气的检验方法：将带火星的木条伸入集气瓶中，若木条复燃，则为氧气。▲方法关联：物质的检验需依据其特性反应。任务五：探究与归纳——深探氧气的化学性质（助燃性）

教师活动：“氧气的‘助燃性’我们早有耳闻，但不同物质在空气中和在纯氧中燃烧，会有什么不同呢？让我们通过对比实验来发现。”演示或播放视频：1.木炭在空气中和氧气中燃烧的对比（现象：在氧气中燃烧更旺，发出白光）。2.硫在空气中和氧气中燃烧的对比（现象：在氧气中燃烧更剧烈，发出明亮的蓝紫色火焰，生成有刺激性气味的气体）。3.细铁丝在空气中红热，在氧气中剧烈燃烧、火星四射、生成黑色固体。“请同学们注意观察并记录反应物、反应条件、现象和生成物的特性。”引导归纳：“这些反应有什么共同点？”（都是物质与氧气反应，都发光放热）。

学生活动：认真观察对比实验，完成记录表。比较同一物质在不同浓度氧气中反应的差异，得出“氧气浓度越高，燃烧越剧烈”的规律。小组讨论并归纳氧气的化学性质：氧气是一种化学性质比较活泼的气体，能支持燃烧（具有助燃性），能与许多物质发生氧化反应。

即时评价标准：1.观察记录是否细致、准确，能区分不同物质燃烧的独特现象。2.能否从具体实验现象中归纳出氧气化学性质的普遍规律。3.能否准确使用“助燃性”、“氧化反应”等术语进行描述。

形成知识、思维、方法清单：★氧气的化学性质：化学性质比较活泼，具有助燃性（本身不燃烧）。★典型反应现象：C+O₂→燃烧发出白光；S+O₂→燃烧发出蓝紫色火焰，生成有刺激性气味气体；Fe+O₂→剧烈燃烧，火星四射，生成黑色固体。▲规律：反应物浓度影响反应速率。氧气浓度越高，反应越剧烈。▲核心概念：物质与氧发生的反应属于氧化反应。▲安全提示：某些氧化反应（如燃烧）伴随能量释放，实验需规范操作，注意安全。第三、当堂巩固训练

基础层（全体必做）：1.填空题：空气的成分中，体积分数最大的是____，能支持燃烧的是____。2.选择题：下列物质在氧气中燃烧，能生成黑色固体的是（）A.木炭B.硫粉C.铁丝D.红磷。（反馈：通过提问学生并解释，巩固基础知识）

综合层（大多数学生完成）：3.情境应用题：某同学用红磷测定空气中氧气含量的实验，测得结果明显小于1/5。请帮他分析可能的原因（至少两点）。4.现象描述题：描述硫在氧气中燃烧的现象，并与在空气中燃烧的现象进行对比。（反馈：小组讨论后派代表分享，教师点评并梳理常见错误）

挑战层（学有余力选做）：5.推理设计题：已知镁条不仅能在氧气中燃烧，还能在氮气中燃烧生成氮化镁。能否用镁条来代替红磷测定空气中氧气的含量？为什么？（反馈：教师提供思路点拨，鼓励学生课后深入探究，并在下一节课前进行简要分享）第四、课堂小结

“同学们，今天的探索之旅即将结束，谁能用一句话概括你最大的收获？”邀请12名学生分享。随后，教师引导学生共同构建本节课的知识概念图（板书或学生绘制草图）：中心是“空气和氧气”，分支包括“空气的组成（成分与含量）”、“氧气的性质（物理与化学）”、“研究方法（科学史、定量实验、对比观察）”。“请大家回顾一下，我们从生活经验出发，经历猜想、实验、推理，最终建立了科学的空气组成模型，并深入探究了氧气的性质。这个过程，正是科学家探究世界的缩影。”

作业布置：必做作业：1.整理课堂笔记，完善知识概念图。2.完成练习册本节基础题。选做作业（二选一）：1.查阅资料，了解“惰性气体”改名为“稀有气体”的原因，并制作一份关于氦、氖、氩其中一种气体用途的小报。2.设计一个家庭小实验，安全地验证蜡烛燃烧需要消耗氧气（可画图说明）。六、作业设计

基础性作业（必做）：1.完成教材本节后配套的基础练习题，重点巩固空气组成、氧气性质及实验原理等核心知识点。2.默写空气的主要成分及其体积分数（大致比例）。3.用文字描述氧气检验的方法及现象。

拓展性作业（建议完成）：1.情境应用：假如你是一名环保宣传员，请结合本节课所学，写一段约200字的短文，向社区居民解释“为什么说保护空气就是保护氧气资源”，并提出两项具体的家庭环保建议。2.微型项目：以“寻找生活中的氧化现象”为主题，拍摄35张照片（如铁锈、苹果变色、食物腐败等），并为每张照片配上简要的科学说明。

探究性/创造性作业（选做）：1.实验再探究：查阅资料，了解除了红磷，还有哪些物质可用于测定空气中氧气含量（如白磷、铜丝等），比较其原理和优缺点，形成一份简单的分析报告。2.创意设计：如果未来人类要在月球基地建立生命维持系统，你需要设计一个“人工空气”配方。请根据地球空气的成分和作用，提出你的配方设想，并说明每种成分设定的理由。（可绘制示意图）七、本节知识清单及拓展

★1.空气的混合物本质：空气不是单一物质，而是由多种气体组成的混合物。其成分相对固定，但并非绝对均匀，局部地区可能因污染而改变。

★2.空气的主要成分及体积分数：氮气（N₂）约占78%，氧气（O₂）约占21%，稀有气体约占0.94%，二氧化碳（CO₂）约占0.04%，其他气体和杂质约占0.02%。记忆口诀：“氮七八，氧二一，零点九四是稀气；还有两个点零四，二氧化碳杂废气”。

★3.拉瓦锡实验的启示：法国化学家拉瓦锡通过定量实验，首次证明空气由氧气和氮气等组成。该实验确立了“质量守恒定律”，并标志着化学研究进入定量化科学阶段。

★4.空气中氧气含量的测定实验：原理：利用可燃物（如红磷）在密闭容器中燃烧，消耗氧气，使容器内压强减小，通过进入水的体积来测定氧气的体积。关键点：药品需足量、装置气密性须好、冷却至室温再读数。现象：红磷燃烧，产生大量白烟（五氧化二磷固体）；冷却后打开弹簧夹，水倒吸入集气瓶，体积约占原空气体积的1/5。

▲5.实验误差分析：结果偏小可能原因：装置漏气、红磷量不足、未冷却至室温就打开弹簧夹。结果偏大可能原因：燃烧匙伸入过慢导致气体逸出、弹簧夹未夹紧导致红磷燃烧时气体受热从导管逸出。

★6.氧气的物理性质：在通常状况下，氧气是一种无色、无味的气体，不易溶于水（故可用排水法收集），密度比空气略大（故可用向上排空气法收集）。

★7.氧气的检验方法：将带火星的木条伸入集气瓶中，若木条复燃，则证明该气体是氧气。这是氧气特有的助燃性所决定的。

★8.氧气的化学性质（助燃性）：氧气化学性质比较活泼，能支持燃烧，但本身不燃烧（故称“助燃性”，不可说“可燃性”）。许多物质在纯氧中燃烧比在空气中更剧烈，说明反应速率与反应物浓度有关。

★9.碳在氧气中燃烧：现象：发出白光，放出热量，生成能使澄清石灰水变浑浊的气体（二氧化碳）。文字表达式：碳+氧气→(点燃)二氧化碳。

★10.硫在氧气中燃烧：现象：发出明亮的蓝紫色火焰（空气中为淡蓝色火焰），放出热量，生成有刺激性气味的气体（二氧化硫）。文字表达式：硫+氧气→(点燃)二氧化硫。实验时集气瓶底常放少量水，以吸收二氧化硫，防止污染。

★11.铁在氧气中燃烧：现象：剧烈燃烧，火星四射，放出大量热，生成一种黑色固体（四氧化三铁）。文字表达式：铁+氧气→(点燃)四氧化三铁。实验注意事项：铁丝需绕成螺旋状（增大受热面积）、末端系一根火柴（引燃）、集气瓶底要放少量水或铺一层细沙（防止高温熔化物溅落炸裂瓶底）。

▲12.氧化反应：物质与氧发生的反应属于氧化反应。并非所有氧化反应都像燃烧那样剧烈发光放热，如铁生锈、呼吸作用则是缓慢氧化。

▲13.氮气的性质与用途：氮气化学性质不活泼，常温下很难与其他物质反应。用途：作保护气（如食品防腐、灯泡填充气）、制硝酸和化肥的原料、液氮用作冷冻剂。

▲14.稀有气体的性质与用途：包括氦、氖、氩等，化学性质极不活泼（曾称“惰性气体”）。用途：作保护气（如焊接金属）、电光源（通电发出不同颜色的光，如霓虹灯）、氦气用于填充飞艇（密度小且不可燃）。

▲15.空气污染与保护：主要污染物包括粉尘和有害气体（如SO₂、NO₂、CO）。污染源：工业排放、汽车尾气、化石燃料燃烧等。防治措施：加强监测、使用清洁能源、植树造林等。保护空气是每个人的责任。八、教学反思

（一）目标达成度评估：本课预设的知识与技能目标基本达成。通过后测练习和课堂观察，绝大多数学生能准确说出空气的主要成分及氧气含量，能描述氧气检验方法和典型燃烧现象。能力目标上，学生通过小组实验或观察，亲历了探究过程，但在独立设计对比实验方案方面仍显薄弱，需在后续单元教学中持续强化。情感与价值观目标在“空气保护”讨论环节得到较好渗透，学生能结合本地雾霾现象发表见解。

（二）环节有效性分析：导入环节的“空杯”实验成功引发了认知冲突，迅速聚焦了学生的注意力。“任务二”的定量实验是本节课的高潮与难点所在。在实际教学中，我发现部分小组在“冷却至室温”这一环节耐心不足，导致测量数据偏差较大。这提醒我，下次是不是可以在实验前用更生动的比喻强调“温度对气体体