探秘与创制：实验室制取氧气的原理与实践-九年级化学教学设计

探秘与创制：实验室制取氧气的原理与实践——九年级化学教学设计一、教学内容分析从《义务教育化学课程标准（2022年版）》视角审视，本课居于“科学探究与化学实验”、“物质的性质与应用”两大主题的交汇点，是学生系统学习气体实验室制法原理与操作的启蒙与典范。在知识技能图谱上，它上承“空气的成分”、“氧气的性质”，下启“二氧化碳的制取”及后续更多气体的制备学习，是构建“反应原理决定发生装置，物质性质决定收集方法”这一核心思路的关键节点。认知要求从识记（药品、步骤）跃升至理解与应用（原理分析、装置设计），并初步触及“条件控制”对化学反应的影响。在过程方法路径上，本课是践行科学探究（提出问题、设计实验、进行实验、解释与结论）的绝佳载体。学生将从观察教师演示实验入手，经历从现象到原理的分析，再迁移至设计并完成新的制取方案，完整体验“实践认识再实践”的科学认知过程。在素养价值渗透上，本课蕴含丰富的育人内涵：通过对比不同制氧原理，培养“绿色化学”的可持续发展观念；通过严谨的实验操作训练，锤炼科学态度与责任；通过从“模仿”到“设计”的探究历程，发展勇于创新、基于证据进行推理的科学思维。基于“以学定教”原则，进行如下学情研判：学生已具备的基础包括氧气的部分物理性质（不易溶于水）和化学性质（助燃性），以及对化学变化有初步认识。潜在的兴趣点在于对“制造”物质的好奇与动手实践的渴望。然而，可能存在的认知障碍在于：一是将“工业制氧”与“实验室制氧”混淆；二是对“催化剂”概念的理解停留在“加快反应”的表层，难以领会其“一变两不变”的本质及在装置设计中的关键作用；三是在装置选择与连接上缺乏系统思维，易出现零散、错误的搭配。为此，教学中将设计“前测性问题”探查前概念，通过“任务驱动”和“可视化”的装置拼图活动，使思维过程外显。对于动手能力较强的学生，鼓励其担任小组实验核心，并尝试对装置提出优化建议；对于善于思辨的学生，引导其深入分析反应原理与装置细节的内在逻辑；对于学习存在困难的学生，提供步骤分解图示和关键操作要点的“助学锦囊”，确保其在协作中能有效参与并建立信心。二、教学目标知识目标方面，学生将能准确表述实验室制取氧气的两种主要反应原理（高锰酸钾加热分解、过氧化氢在二氧化锰催化下分解），并以其化学反应文字表达式予以表征；能系统性阐述“发生装置”与“收集装置”的选择依据，并能根据给定的反应物状态和反应条件，绘制或组装合理的实验装置图。能力目标聚焦于实验探究与迁移应用。学生能够独立、规范地完成用高锰酸钾制取并收集氧气的全套操作；能够基于教师提供的“问题链”和药品，小组协作设计出用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气的实验方案，并安全实施。情感态度与价值观目标旨在涵养科学精神与社会责任感。学生能在实验过程中表现出严谨、有序的操作习惯和团队协作意识；通过对不同制氧方法的比较与讨论，初步建立起“条件不同、方法各异”的辩证视角，并认同在实验室研究中寻求简便、安全、环保方案的价值取向。科学思维目标着力于模型建构与证据推理。学生通过对比分析两种制氧方法，初步建构起“气体制备”的思维模型（原理→发生装置→收集装置→检验验满）；能依据实验现象（如气泡产生的速率、木炭燃烧的剧烈程度）合理推断反应进行的程度与生成物的性质。评价与元认知目标关注学习过程的调控。学生能依据清晰的实验操作评价量表，对自身或同伴的操作进行客观评价与反思；能在课堂小结环节，用自己的语言梳理出实验室制取气体的一般思路与方法，实现认知的结构化。三、教学重点与难点教学重点确立为“实验室制取氧气的反应原理、装置特点及操作规范”。其依据在于：从课程标准的“大概念”看，该内容是“物质在特定条件下可以发生转化”这一观念的典型例证，是理解“通过化学反应可以获取所需物质”的起点。从学业评价导向分析，气体制备的原理、装置选择与连接、操作步骤及错误分析，是初中化学实验考查的核心与高频考点，贯穿于学业水平测试，并深刻体现“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”等素养的考查立意。教学难点预计有二。其一是“催化剂概念的深度理解及其在装置设计中的考量”。成因在于该概念较为抽象，学生易将二氧化锰视为“反应物”或“单纯的加快者”，而忽视其“反应前后质量与化学性质不变”的核心特质，进而在设计过氧化氢制氧装置时，对如何添加和回收催化剂产生困惑。突破方向是借助对比实验（有无二氧化锰时过氧化氢的分解速率）和问题链引导，让概念在应用中内化。其二是“从具体操作到一般思路的迁移与建模”。学生能够按步骤完成高锰酸钾制氧，但面对新情境（如用双氧水制氧）时，往往难以自主调用知识进行设计。这源于学生思维尚处于具体经验阶段，抽象概括能力不足。预设通过搭建“思维脚手架”——提供核心问题清单（用什么反应？用什么装置发生？用什么装置收集？如何验证？），引导其完成从“个例”到“类别”的思维跨越。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、装置组装微视频）、高锰酸钾制氧与过氧化氢制氧的成套实验装置（可拆卸模块化教具）。1.2实验器材与药品：高锰酸钾、过氧化氢溶液（6%）、二氧化锰、木炭、澄清石灰水；铁架台（带铁夹）、大试管、单孔橡胶塞（配导管）、水槽、集气瓶、毛玻璃片、酒精灯、药匙、棉花等；分组实验器材（对应过氧化氢制氧方案）8套。1.3学习材料：分层学习任务单（含前测问题、探究记录、巩固练习）、实验操作评价量表。2.学生准备2.1预习任务：阅读教材，初步了解实验室制取氧气的几种方法；思考“如何收集一瓶教室里的空气？”（类比收集方法）。2.2物品准备：教材、笔记。3.环境布置3.1座位安排：四人小组合作式就坐，便于讨论与实验。3.2板书记划：预留左中右三块区域，分别用于呈现核心问题、探究过程（原理、装置、步骤）与模型建构（气体制备一般思路）。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——（播放医院急救、潜水员深海作业的简短画面）。无论是生命救援还是深海探索，都离不开一种关键的气体，那就是氧气。那么，在化学实验室里，我们能否‘制造’出这种维系生命的气体呢？如果可以，我们需要哪些‘材料’（药品），又需要怎样的‘工具’（装置）和‘方法’（步骤）？”2.核心问题提出与路径明晰：“今天，我们就化身实验室里的‘制氧工程师’，一起来探秘氧气的制备。我们的探索将分两步走：首先，观摩一种经典制法，像科学家一样分析其原理与装置；然后，我们将挑战自我，运用获得的智慧，设计并实施一套全新的制氧方案。准备好开启这场创造之旅了吗？让我们先从观察开始。”第二、新授环节任务一：观察与记录——高锰酸钾制氧初体验教师活动：教师进行演示实验，边操作边用清晰、规范的语言解说关键步骤。“大家看，我先检查装置的气密性，为什么要这样做呢？对，确保我们的系统是密闭的，气体不会‘漏跑’。”“现在装入药品，注意试管口要放一团棉花，猜猜它的作用是什么？是为了防止加热时粉末状的固体随气流冲进导管。”“开始加热了，我们先将酒精灯在试管下方来回移动预热，然后固定在有药品的部位加热。注意观察，导管口开始有气泡冒出时，它们是立即收集吗？不，我们要让试管内的空气先排尽。”“现在用排水法收集一瓶氧气，看，集气瓶口有大气泡冒出时，说明已经收集满了。”收集满后，先将导管移出水槽，再熄灭酒精灯，并强调顺序颠倒的严重后果。学生活动：学生集中观察教师的规范操作，倾听讲解，在任务单上记录关键步骤和观察到的现象（如：药品颜色、加热时产生的气体、收集方法、验满方式）。同时，思考教师提出的嵌入性问题（如棉花的作用、收集时机）。即时评价标准：1.观察是否专注，能否准确记录主要实验现象。2.能否针对教师提出的引导性问题，给出合理的初步猜测或回应。3.小组内能否就观察到的细节进行简短的交流。形成知识、思维、方法清单：★1.高锰酸钾制氧原理：文字表达式为：高锰酸钾→（加热）锰酸钾+二氧化锰+氧气。这是典型的固体加热分解反应。提示：书写表达式时，反应条件（加热）、生成物状态（固体用“+”连接）需准确。★2.实验操作关键步骤与顺序：查（气密性）、装（药品）、定（固定装置）、点（加热）、收（收集）、移（导管出水）、熄（灭酒精灯）。谐音记忆为“茶庄定点收利息”。重点：“先移后熄”是安全关键，防止水倒吸炸裂试管。▲3.装置细节分析：试管口略向下倾斜（防止冷凝水倒流）；导管稍伸出橡胶塞即可（利于气体导出）；用排水法收集（因氧气不易溶于水）。思考：还能用什么方法收集？依据是什么？任务二：分析与建模——揭秘装置选择背后的逻辑教师活动：演示实验后，教师不急于给出结论，而是利用模块化教具或动画，引导学生思考：“我们来当一回‘装置侦探’。这个制氧实验的装置可以分为哪两大核心部分？”“对，发生装置和收集装置。那么，请小组讨论：为什么发生装置要选用‘固体加热型’的试管？如果反应物是液体和固体，不需要加热，装置又会怎样变化？”“再看收集装置，为什么可以用排水法？除了排水法，基于氧气的性质，还有没有‘备选方案’？”教师巡视指导，听取各小组观点，最后引导学生共同归纳出选择依据。学生活动：小组展开讨论，分析教师提供的装置组件。尝试用“因为反应物是固体，需要加热，所以用……”的句式解释发生装置的选择。同理，用“因为氧气具有……的性质，所以可以用……法收集”来阐明收集装置的选择。可能提出“向上排空气法”，并尝试说明理由（密度比空气略大）。即时评价标准：1.讨论是否围绕“反应物状态/条件”与“气体性质”这两个核心维度展开。2.表达观点时，能否使用“因为……所以……”的因果逻辑链。3.能否倾听并补充、修正同伴的意见。形成知识、思维、方法清单：★4.气体发生装置的选择模型：主要由反应物的状态和反应条件决定。固体加热型（如高锰酸钾制氧）与固液常温型（后续学习）。核心思路：装置服务于反应原理。★5.气体收集方法的选择模型：主要由气体的物理性质（密度、溶解性）决定。排水法（不易溶于水的气体）；向上排空气法（密度比空气大）；向下排空气法（密度比空气小）。辨析：用排空气法收集时，导管应伸到集气瓶底部，以利排尽空气。▲6.多功能瓶（储液瓶）的初步感知：展示用排水法收集氧气后正放与倒放的图片，引发思考：为何要毛玻璃片盖住？为后续学习多功能瓶（用于洗气、收集、测量体积等）作铺垫。任务三：迁移与设计——挑战双氧水制氧方案教师活动：提出新挑战：“刚才我们成功用高锰酸钾制得了氧气，但该方法需要加热，有一定风险。实验室还有一种更简便安全的方法——用过氧化氢（双氧水）和二氧化锰。提供给你们的‘材料包’有：过氧化氢溶液、二氧化锰粉末、以及一些常见的仪器。请各小组化身为研发团队，参考我们刚总结的‘选择模型’，设计一套制取并收集氧气的方案草图。”教师提供设计提纲：“1.反应原理（尝试写出表达式）；2.发生装置（如何组装？二氧化锰如何加入？）；3.收集装置；4.简要步骤。”学生活动：小组合作，展开“头脑风暴”。首先尝试书写过氧化氢在二氧化锰催化下分解的文字表达式。然后利用教师提供的仪器图片或实物模块，拼摆出设计的装置图。关键争论点可能在于：二氧化锰是固体，过氧化氢是液体，反应在常温下进行，该用什么发生装置？分液漏斗和锥形瓶的组合是否可行？普通试管如何改装？如何控制反应的发生与停止？即时评价标准：1.能否准确写出或描述反应原理。2.设计的装置草图是否体现了“固液常温”的反应特点。3.小组内分工是否明确，是否每位成员都参与了讨论与设计。形成知识、思维、方法清单：★7.过氧化氢制氧原理：文字表达式为：过氧化氢→（二氧化锰）水+氧气。核心概念：此处二氧化锰是催化剂，其特点是“一变（改变化学反应速率）两不变（本身质量和化学性质在反应前后不变）”。★8.固液常温型发生装置的设计：基础装置为“试管+带长颈漏斗（或分液漏斗）的双孔塞”。关键点：长颈漏斗末端必须液封（伸入液面以下），防止气体从漏斗逸出。分液漏斗可以更好地控制液体滴加速率，从而控制反应。▲9.催化剂的作用与添加方式：二氧化锰作为粉末状固体催化剂，通常在反应前加入锥形瓶或试管中。讨论：反应后如何分离回收二氧化锰？过滤。这体现了化学实验的绿色与节约思想。任务四：实践与优化——动手实施双氧水制氧教师活动：待各小组完成设计草图后，教师组织简要交流，展示一两套典型方案（包括可能有误的设计），引导学生互评、优化。然后，提供与优化后方案匹配的实物器材，宣布：“现在，请将你们的图纸变为现实！按照设计组装装置，并制取一瓶氧气。注意操作规范和安全。”教师巡视指导，重点关注装置气密性检查、催化剂的添加、液体药品的倾倒与控制、以及收集操作的规范性。学生活动：小组分工协作，按照优化后的方案组装实验装置。检查气密性后，先向容器中加入二氧化锰，再倒入过氧化氢溶液，迅速连接好收集装置，用排水法收集一瓶氧气。观察反应现象（气泡产生的速率、放热等），并尝试用带火星的木条检验收集到的氧气。即时评价标准：1.装置组装是否正确、稳固，特别是气密性是否检查。2.药品取用和添加是否符合规范，有无洒落。3.小组合作是否高效有序，操作员、记录员、安全员角色是否清晰。4.能否成功收集并检验出氧气。形成知识、思维、方法清单：★10.固液常温反应的操作要点：先固后液，连接好后，再添加液体反应物。安全提示：过氧化氢有一定腐蚀性，取用勿溅到皮肤或眼睛。反应可能较剧烈，药品用量需适中。★11.氧气的检验与验满方法：检验：将带火星的木条伸入集气瓶内，若复燃，则为氧气。验满（排水法）：集气瓶口有大气泡冒出；验满（向上排空气法）：将带火星的木条放在集气瓶口，若复燃，则已满。辨析：“检验”是针对“是不是”氧气，伸入瓶内；“验满”是针对“满没满”，放在瓶口。▲12.对比两种制氧方法：从反应条件、装置复杂性、操作简便性、环保性（高锰酸钾法有固体残留）等角度进行比较，体会实验室选择制取方法时需要综合考量。任务五：整合与凝练——建构气体制备的一般思路教师活动：在学生经历完整探究后，教师在黑板的核心区域引导总结：“经历了从观察、分析到设计、实践的完整旅程，现在，请大家一起头脑风暴：如果我们未来在实验室要制取任何一种气体，我们应该遵循怎样的思考路径？”教师可以板书关键词进行引导：首先确定什么？——反应原理。原理决定了什么？——发生装置。然后考虑什么？——气体的性质。性质决定了什么？——收集与检验方法。学生活动：在教师引导下，全班共同总结、提炼。学生尝试用流程图或关键词概括实验室制取气体的一般思路：明确反应原理（药品、条件）→选择合适发生装置→根据气体性质（密度、溶解性、毒性等）选择收集方法与验满方法→设计实验步骤并规范操作→进行气体的检验。这实际上是将本课获得的经验升华为可迁移的模型。即时评价标准：1.能否积极参与总结，贡献关键词或思路。2.提炼出的“一般思路”是否逻辑清晰、涵盖核心要素。3.能否用自己的语言向同组成员解释这一思路。形成知识、思维、方法清单：★13.实验室制取气体的一般思路模型：原理→发生装置→收集装置→检验/验满。模型价值：这是解决未知气体制备问题的“思维地图”，具有强大的迁移应用价值。▲14.科学探究方法的体认：本节课完整经历了“观察模仿→分析归纳→迁移设计→实践验证→总结反思”的探究过程，这是学习化学、认识世界的重要方法。▲15.绿色化学与安全意识：在方案选择时，倾向于条件温和、操作安全、污染小的方法；在实验操作中，始终将安全规范放在首位。这是未来从事任何科学活动的基本素养。第三、当堂巩固训练本环节设计分层、变式练习题，通过希沃白板或答题器实时反馈。基础层（全体必做）：1.判断正误并改错：①用高锰酸钾制氧时，试管口应略向上倾斜。（）②用排水法收集氧气时，当导管口开始有气泡冒出，就应立即收集。（）2.填空：实验室用双氧水制氧，二氧化锰起______作用，该反应属于______（填基本反应类型）。综合层（大多数学生完成）：3.情境应用题：实验室现有锌粒、稀硫酸、大理石、稀盐酸、高锰酸钾、过氧化氢溶液、二氧化锰等药品，及常见仪器。若要制备一瓶干燥的氧气（不含水蒸气），你可选择哪些药品？请画出简单的装置连接图（用箭头表示气流方向），并说明各装置的作用。挑战层（学有余力选做）：4.探究开放题：查阅资料，了解工业上如何大规模制取氧气（分离液态空气法）。试从原理、装置、成本、纯度等角度，对比分析工业制氧与实验室制氧的异同，谈谈你的发现。反馈机制：基础题采用集体回答或抢答，快速核对，厘清概念。综合题请不同小组代表上台展示设计图，师生共同评价其合理性、科学性，重点分析装置选择的依据和可能存在的问题。挑战题作为课后延伸思考，鼓励学生形成简短报告在下节课分享。第四、课堂小结“同学们，今天的‘制氧工程’即将收官。请大家用一分钟时间，在笔记本上画一个简单的思维导图，梳理本节课你收获的最重要的三点。”教师随后邀请几位学生分享他们的“知识图谱”，并做精要补充。接着，引导学生回顾方法：“今天我们不仅是学了制氧气，更经历了一次完整的科学探究，掌握了制取气体的一般思路——从原理出发，到装置选择，再到收集检验，这是一把可以打开许多未知之门的钥匙。”最后布置作业：“课后，请完成学习任务单上的分层作业。同时，请大家思考一个有趣的问题：我们能不能设计一个装置，让过氧化氢制氧反应可以随时发生，随时停止，像开关水龙头一样控制气流呢？下次课我们来揭秘这个‘智慧’装置。”六、作业设计基础性作业（必做）：1.整理课堂笔记，完整写出两种实验室制氧的反应原理文字表达式，并配以相应的装置简图。2.完成教材本节后配套的基础练习题，重点巩固操作步骤与装置选择。拓展性作业（建议完成）：3.家庭小实验（安全第一）：利用家中常见的材料（如3%医用双氧水、土豆块或新鲜猪肝作为天然催化剂），在家长陪同下，设计一个微型实验，观察氧气产生的现象（可将气体通入装有洗洁精泡沫的水中观察气泡），并撰写一份简短的实验报告（包括目的、猜测、过程、现象与解释）。探究性/创造性作业（选做）：4.“我是科普员”任务：录制一段不超过3分钟的微视频，向小学高年级同学生动讲解“实验室里如何制造氧气”，要求讲清原理、突出安全、形式有趣。或，绘制一幅“实验室制氧探险”的科普漫画。七、本节知识清单及拓展★1.高锰酸钾制氧反应原理：高锰酸钾（暗紫色固体）在加热条件下分解为锰酸钾、二氧化锰和氧气。这是学习的第一种气体实验室制法，具有示范性。★2.高锰酸钾制氧实验步骤（“茶庄定点收利息”）：查、装、定、点、收、移、熄。重点理解每一步骤的目的及“先移后熄”的安全逻辑。★3.氧气的收集方法：排水法（氧气不易溶于水）；向上排空气法（氧气密度略大于空气）。根据实验具体要求（如纯度、干燥度）选择。★4.氧气的检验与验满：检验使带火星木条复燃；排水法验满看瓶口大气泡；向上排空气法验满用带火星木条放瓶口。★5.过氧化氢制氧反应原理：过氧化氢（双氧水）在二氧化锰催化下，常温分解为水和氧气。该反应不需加热，操作更简便。★6.催化剂：能改变化学反应速率，而本身质量和化学性质在反应前后不变的物质。二氧化锰是此反应的催化剂。★7.固液常温型发生装置：核心组件为盛固体（催化剂）的容器（如锥形瓶）和加入液体的长颈漏斗（末端液封）或分液漏斗。★8.气体发生装置选择依据：由反应物的状态（固态、液态）和反应条件（加热、常温）共同决定。★9.气体收集装置选择依据：由气体的物理性质（水溶性、密度与空气比较）决定。★10.实验室制取气体的一般思路：确定原理→选择发生装置→依据性质选择收集与验满方法→设计步骤并检验。此为可迁移的核心模型。▲11.装置气密性检查方法：将导管末端浸入水中，用手捂住容器（或微热），观察导管口是否有气泡冒出，松手后是否形成一段稳定水柱。▲12.棉花在高锰酸钾制氧中的作用：防止加热时高锰酸钾粉末进入导管，造成堵塞。▲13.分液漏斗相对于长颈漏斗的优点：可以通过活塞控制液体滴加速率，从而控制反应速率，实现“随开随用，随关随停”。▲14.工业制氧——分离液态空气法：利用空气中各成分沸点不同，通过降温加压使空气液化，再升温蒸馏分离出氧气。属于物理变化。▲15.多功能瓶（储液瓶/集气瓶）的初步认识：该装置用途广泛，通过改变进气管和出气管的长短组合，可用于排水法集气、向上/下排空气法集气、洗气、观察气体流速等。八、教学反思一、教学目标达成度分析从当堂巩固训练的反馈来看，约85%的学生能准确完成基础层题目，表明核心知识与操作要点的识记与初步理解目标基本达成。在综合层情境应用题中，约70%的小组能正确选择药品并绘制基本合理的装置图，但在“干燥”这一附加条件的实现上，约半数小组未能考虑增加干燥装置（如装有浓硫酸的洗气瓶），显示对气体净化的综合处理能力尚在形成中，这属于预期内的学习进阶过程。能力目标方面，各小组均成功设计并完成了过氧化氢制氧实验，动手操作能力得到普遍锻炼，但小组间操作规范性和效率差异明显。情感与科学思维目标在探究过程中有显著体现，学生在设计环节的激烈讨论、对他人方案的质疑与补充，均是证据推理与模型认知素养发展的外显证据。二、核心教学环节的有效性评估（一）导入环节：生活化情境（急救、潜水）迅速聚焦主题，驱动性问题有效激发了学生的“工程师”角色代入感。“两步走”的路线图清晰勾勒了学习路径，起到了定向作用。一句“准备好开启这场创造之旅了吗？”成功调动了课堂情绪。（二）任务链设计：从“观察模仿”（任务一）到“分析建模”（任务二），再到“迁移设计”（任务三）和“实践优化”（任务四），最后“整合凝练”（任务五），环环相扣，符合“最近发展区”理论和支架式教学理念。任务二（分析建模）是本课思维跃升的关键节点，部分学生从具体操作中抽象出选择依据时存在困难，此时教师通过模块化教具进行可视化分解，并引导使用“因为……所以……”句式，提供了有效的思维脚手架。（三）差异化体现：在设计任务三和巩固练习时，提供了分层选择。在实践中发现，学习能力较弱的学生在小组“拼摆”装置图环节贡献了直观的想法（“这个管子应该插在这里”），而能力较强的学生则更关注原理表述和流程优化。任务单中的“助学锦囊”被部分学生主动使用，说明支持路