探究氧气之源：实验室制取氧气的原理与催化剂的神奇作用

探究氧气之源：实验室制取氧气的原理与催化剂的神奇作用一、教学内容分析  本课隶属《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。课程标准要求学生“认识催化剂在化学反应中的作用”，并“初步学习在实验室制取氧气的方法”。本课“实验室制取氧气的原理”是学生系统学习气体实验室制法的开端，在知识链上，它上承“空气的成分”与“氧气的性质”，下启“二氧化碳的制取研究”乃至高中阶段更复杂的气体制备，具有典型的方法论意义。其核心概念——分解反应与催化剂，是理解化学反应类型和调控化学反应速率的重要基石，认知要求从识记（反应原理表达式）跃升至理解（催化剂作用机理）与应用（选择与评价制取方案）。课标蕴含的“科学探究”思想，应转化为本课“原理探究方案设计证据推理”的完整活动链条；而“变化观念”素养的渗透，则体现在引导学生从“物质变化”与“能量变化”视角审视制氧反应。  针对九年级学生，其认知基础呈现多样性。知识上，他们已了解氧气性质及空气中氧气含量，但对“如何从化合物中获取氧气”充满好奇；生活中对“双氧水消毒”、“鱼缸增氧剂”有所耳闻，这构成了宝贵的情境起点。然而，学生的思维障碍点清晰：一是对“催化剂”概念易产生“催化剂只加快反应”的片面认知，且对“一变两不变”中“质量与化学性质不变”缺乏微观理解；二是对“分解反应”的判别易与化合反应混淆，需强化从“一变多”的宏观特征到分子分裂的微观想象。教学调适策略在于：通过对比实验的强烈视觉冲击破除前概念；搭建“宏观现象微观解释符号表征”的认知阶梯；设计分层任务单，为实验操作能力较弱的学生提供图文并茂的操作指引，为思维敏捷者设置“催化剂能否改变产物？”等进阶思考题，实现差异共进。二、教学目标  知识目标：学生能准确书写加热高锰酸钾和过氧化氢分解制取氧气的文字表达式与符号表达式；能基于实验事实归纳分解反应的特征，并据此判断典型的分解反应；能完整阐述催化剂“一变两不变”的核心内涵，并辨析其与“反应物”、“生成物”的本质区别，初步建立从定性到定量认识催化剂的视角。  能力目标：学生能通过观察教师演示实验和对实验现象的分析、比较，自主归纳出过氧化氢制氧气的反应条件及催化剂的作用，发展证据推理能力；能模仿已有制氧方案，尝试设计用其他含氧物质（如氯酸钾）制取氧气的简单探究思路，初步形成实验设计中的变量控制意识。  情感态度与价值观目标：通过催化剂的“神奇”效应，激发学生对化学反应可控性的探究热情；在小组讨论制氧方案优劣时，能倾听他人观点，辩证看待不同方法的适用情境，体会化学技术的进步服务于特定需求。  科学思维目标：重点发展“宏观辨识与微观探析”及“证据推理”思维。通过将“气泡产生”、“带火星木条复燃”等宏观现象与“过氧化氢分子分解”、“二氧化锰表面反应”的微观过程相联系，建立“宏观微观符号”三重表征；通过对比“加入二氧化锰前后反应速率变化”的证据，推理得出催化剂作用的结论。  评价与元认知目标：引导学生依据“操作规范、观察全面、结论有据”的简易量规，对实验视频或同伴描述进行评价；在课堂小结环节，通过绘制概念图反思自己对本课核心概念（制氧原理、催化剂、分解反应）间逻辑关系的理解程度，识别知识连接的薄弱点。三、教学重点与难点  教学重点：实验室制取氧气（过氧化氢分解）的反应原理及催化剂的概念。确立依据：从课标看，这是学生必须掌握的、体现“物质制备”这一化学核心实践的基础知识，是“科学探究”素养落地的重要载体。从学业评价看，制氧原理是中考的必考内容，催化剂更是高频考点，常以实验探究题形式考查学生的深度理解与应用能力。掌握此重点，方能顺利迁移至其他气体的制取学习。  教学难点：对催化剂“一变两不变”内涵的深度理解，特别是“化学性质不变”的微观本质。难点成因：首先，概念本身较为抽象，学生难以直接感知催化剂“参与反应但最终复原”的过程；其次，学生易受“催化剂是‘催’快反应”的生活化表述影响，形成“催化剂必加快反应”的误解；再者，“化学性质不变”需要结合后续反应事实进行验证，逻辑链条较长。突破方向在于：设计关键性对比实验，放大视觉差异；运用动画模拟二氧化锰在反应中的“工作”过程，将微观机制可视化；设置认知冲突，如提问“如何证明反应后的二氧化锰还是二氧化锰？”，驱动探究。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、工业制氧短片）、实物投影仪。1.2实验器材与药品：1.演示实验：5%过氧化氢溶液、二氧化锰粉末、高锰酸钾、药匙、试管、木条、酒精灯、火柴、锥形瓶。2.分组探究（可选）：小份过氧化氢溶液、土豆块、红砖粉末等替代催化剂材料。1.3学习材料：分层学习任务单（A基础型/B挑战型）、课堂巩固练习活页。2.学生准备2.1知识准备：复习氧气支持燃烧的性质；预习教材相关内容，记录疑问。2.2物品准备：化学笔记本、笔。3.环境布置3.1座位安排：分组围坐，便于讨论与观察演示实验。3.2板书记划：预留左中右三区，分别用于呈现核心问题、原理与现象、概念定义。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题提出：展示一幅生动的图片：医院急救吸氧、潜水员水下作业、鱼缸增氧泵工作。“同学们，无论是生命救治、深海探索还是宠物饲养，都需要用到纯净的氧气。空气中的氧气固然多，但我们很难直接收集利用。那么，化学家如何在实验室里‘制造’出这些救命的、助燃的氧气呢？今天，我们就来当一回‘制氧工程师’，探究氧气之源。”2.建立联系与明晰路径：“要‘制造’氧气，我们得找到含有氧元素的物质。还记得我们学过哪些含有氧元素的物质吗？（水、二氧化碳、高锰酸钾……）对，就像从矿石中炼铁，我们需要找到合适的‘氧气矿石’。”呈现高锰酸钾、过氧化氢等药品。“这节课，我们将重点探究两种经典的实验室制氧方法，特别要揭开一种叫做‘催化剂’的物质的神秘面纱，看看它如何像魔术师一样，让制氧过程变得又快又好。”第二、新授环节任务一：【感知原理：从高锰酸钾加热说起】教师活动：“首先，我们来看一种紫黑色的固体——高锰酸钾。加热它，会有什么变化呢？”教师进行演示实验：取少量高锰酸钾放入试管加热，用带火星木条在管口检验。“请大家像科学家一样，聚焦三个关键点：反应物的状态颜色变化、是否有新物质生成的证据、能量的变化。注意看，木条怎么样了？‘复燃’这个现象告诉了我们什么？”引导学生描述现象后，板书反应原理。“这种‘一变多’的反应类型，我们称之为分解反应。请大家对比之前学的化合反应（多变一），找找它们的‘反义词’关系。”学生活动：集中观察演示实验，准确描述“固体粉末变为黑色、产生能使带火星木条复燃的气体”。在教师引导下，对比化合反应（如碳燃烧），从反应物和生成物的数量特征上初步归纳分解反应的概念。书写高锰酸钾分解的文字与符号表达式。即时评价标准：1.观察是否全面，能否准确描述“带火星木条复燃”这一关键证据。2.能否在教师提示下，从“一变多”的角度初步概括分解反应特征。3.表达式书写是否规范，特别是反应条件“加热”的标注。形成知识、思维、方法清单：★实验室制氧原理之一：加热高锰酸钾。化学表达式为核心知识。▲分解反应初步认识：特征为“一变多”，与化合反应对立统一，是化学反应基本类型学习的重要一环。★科学探究方法：利用特定现象（如木条复燃）检验气体（氧气），是物质检验的典型思路。任务二：【探究奇兵：过氧化氢分解与催化剂初探】教师活动：“高锰酸钾加热制氧需要较高温度，操作稍显复杂。有没有更‘温和’的方法呢？”出示过氧化氢溶液（双氧水）。“它常温下能产生氧气吗？我们来试一下。”演示：向一支盛有过氧化氢溶液的试管中伸入带火星木条。“咦，木条没复燃？是没有氧气，还是氧气产生得太慢太少了呢？我们请一位‘帮手’试试。”向另一支盛有过氧化氢的试管中加入少量二氧化锰粉末。“大家注意看，奇迹要发生了！看到什么了？迅速将带火星木条伸入……复燃了！这个对比太强烈了！”学生活动：观察对比实验，产生强烈认知冲突。目睹二氧化锰加入后迅速产生大量气泡，并成功使带火星木条复燃。惊呼并讨论二氧化锰所起的作用，初步形成“它加快了反应”的感性认识。即时评价标准：1.能否清晰描述两组实验现象的显著差异。2.能否基于“木条复燃”现象，推断出生成物是氧气。3.能否尝试用“加快”、“促进”等词语描述二氧化锰的作用。形成知识、思维、方法清单：★实验室制氧原理之二：过氧化氢在二氧化锰催化下分解。此为常温制氧法，更安全便捷。★催化剂概念建立（一变）：能改变（通常是加快）其他物质的化学反应速率。此处强调“改变”而非仅“加快”，为后续学习留伏笔。★对比实验思想：这是化学探究的利器，通过控制变量（是否加二氧化锰），凸显单一因素（催化剂）的影响，是培养证据推理素养的关键方法。任务三：【揭秘本质：催化剂“两不变”的深度剖析】教师活动：“二氧化锰像是个‘超级加速器’，那它本身会消耗掉吗？反应后它变成了什么？”通过实物投影展示反应后剩余固体，并引导过滤、干燥。“看，这些黑色粉末还是二氧化锰。如何证明它‘化学性质没变’呢？我们让它‘再干一次活’！”将反应后的二氧化锰再次加入一份新的过氧化氢溶液中。“看，气泡又迅速产生了！这说明了什么？——它还能继续起催化作用，‘宝刀未老’！”引出“一变两不变”完整定义，并播放动画模拟二氧化锰在反应中“参与中间过程但最终复原”的微观机理。“所以，催化剂就像个‘化学红娘’，促成反应，自己却全身而退。”学生活动：观察教师对反应后固体的处理及再催化实验，形成“二氧化锰质量和化学性质反应前后不变”的深刻印象。观看动画，努力将宏观的“加速”与微观的“表面反应脱附”过程建立联系。理解“催化剂不是反应物也不是生成物”的定位。即时评价标准：1.能否理解“再催化实验”的设计意图，并据此认同“化学性质不变”。2.能否在教师讲解后，较完整复述催化剂“一变两不变”的核心内涵。3.能否初步区分“加入的物质”中哪些是反应物，哪些是催化剂。形成知识、思维、方法清单：★催化剂完整定义（一变两不变）：能改变反应速率，反应前后质量和化学性质不变。这是本课核心概念，需深度理解。▲易错点辨析：催化剂是“条件”而非“反应物/生成物”，不写进生成物。★微观探析视角：通过动画理解催化剂作用的微观本质，突破抽象认知难点，是“宏观辨识与微观探析”素养的具体落实。任务四：【概念辨析与符号表征整合】教师活动：“现在，我们掌握了两种制氧‘武功秘籍’。请大家在任务单上，独立写出这两个反应的文字和符号表达式，并思考：它们都属于哪种基本反应类型？判断依据是什么？”巡视指导，重点关注学生对“催化剂作条件写在箭头上方”的书写规范性。随后展示学生作品，点评纠错。“过氧化氢分解，不加二氧化锰行吗？行，但慢如蜗牛；加了它，就快如闪电。这正体现了化学的智慧——寻找合适的‘钥匙’，高效开启反应之门。”学生活动：独立书写两个反应的表达式，明确标注反应条件（加热、催化剂）。根据反应物和生成物的种类数量，确认二者均为分解反应，并尝试用自己的语言解释。通过同伴互评，检查表达式书写的规范性。即时评价标准：1.表达式书写是否准确、完整（包括反应条件）。2.能否准确判断两个反应均为分解反应，并依据“一变多”特征说明理由。3.小组互评时能否指出他人的错误并友好说明。形成知识、思维、方法清单：★化学用语规范化：催化反应中，催化剂作为条件写在箭头上方。这是重要的书写规则。★分解反应概念巩固：通过两个实例强化从“一变多”的宏观特征判断分解反应的能力。▲学科价值认识：体会催化剂对于提高化学反应效率、实现温和条件生产的巨大价值，感受化学的“可控”之美。任务五：【迁移与应用：寻找身边的“催化剂”】教师活动：“催化剂并非实验室的专利。生活中有很多例子：比如，生物体内各种各样的‘酶’，就是高效、专一的生物催化剂。我们也能做个小探究。”展示土豆块、红砖粉末。“它们能催化过氧化氢分解吗？请各小组根据任务单B（挑战型）的提示，设计一个简单的验证方案，说说你们的思路。”此环节不要求动手实验，重在方案构思。学生活动：小组讨论，利用“对比实验”思想，设计验证土豆块或红砖粉末是否具有催化作用的方案（如：向等量过氧化氢中分别加入等量土豆块和红砖粉末，观察气泡产生速率，并与空白对照）。推选代表简述设计思路。即时评价标准：1.方案设计中是否体现了“控制变量”的意识（如等量过氧化氢、等量待测物）。2.能否清晰陈述预期现象与结论之间的逻辑关系。3.小组协作是否有效，每位成员是否参与讨论。形成知识、思维、方法清单：▲催化剂的生活化与普适性：认识催化剂广泛存在于化学、生物乃至工业生产中。★科学探究能力迁移：将课堂习得的“对比实验”、“控制变量”方法应用于新的探究情境，实现能力内化。★创新意识萌芽：鼓励寻找非传统的催化材料，体会科学探索的开放性。第三、当堂巩固训练  同学们，经过一番探究，我们来看看是否真的掌握了“制氧工程师”的核心技能。1.基础层（全体必做）：1.2.(1)写出实验室用加热高锰酸钾和用过氧化氢制取氧气的化学方程式。2.3.(2)判断“铁丝燃烧”和“水电解”两个反应，哪个属于分解反应？简述理由。3.4.(设计意图：巩固最核心的原理知识与概念应用。)5.综合层（多数学生挑战）：1.6.已知氯酸钾（KClO₃）是一种白色固体，加热能缓慢分解放出氧气，若混入二氧化锰，则反应大大加快。请问：二氧化锰在该反应中是什么？反应前后它的质量会减少吗？如何设计实验证明你的后一个观点？2.7.(设计意图：在新情境（氯酸钾）中综合应用催化剂概念，并涉及简单的实验设计思路。)8.挑战层（学有余力选做）：1.9.查阅资料或结合生活经验，列举一个工业生产或日常生活中使用催化剂的实例，并简要说明其作用。思考：催化剂的使用对社会发展（如环保、能源）可能带来哪些影响？2.10.(设计意图：建立学科与社会的联系，进行初步的STS思考，培养社会责任感。)反馈机制：学生独立完成后，小组内交换批改基础题，教师投影展示综合层问题的典型思路（强调实验设计的严谨性），并请完成挑战层的同学分享其发现，教师予以点评和升华。第四、课堂小结  “旅程接近尾声，让我们一起来梳理今天的收获。请大家不翻书，用一分钟时间，在笔记本上画一个简易的概念图，把‘实验室制氧气’、‘高锰酸钾分解’、‘过氧化氢分解’、‘催化剂’、‘分解反应’这几个核心词连接起来，并标注它们之间的关系。”学生绘制后，邀请几位同学展示并解说。“大家看，这位同学把‘催化剂’放在‘过氧化氢分解’的旁边作为条件，非常清晰。另一位同学用‘属于’连接了两种制氧方法和‘分解反应’，逻辑严密。”  “今天我们不仅学到了两种制取氧气的方法，更重要的是，我们认识了催化剂这位‘神奇的帮手’，掌握了从对比实验中寻找证据的科学方法。化学的世界，就是不断寻找更高效、更绿色的‘钥匙’，去开启物质转化的大门。”六、作业设计基础性作业（必做）：1.熟记两种实验室制氧气的反应原理（文字及符号表达式）。2.完成课本本节后对应的基础练习题。3.列举催化剂“一变两不变”的具体含义。拓展性作业（建议完成）：1.家庭小实验（安全第一）：在家长陪同下，取少量医用双氧水（浓度勿高）于透明杯中，观察是否缓慢冒泡？投入一小块新鲜土豆或几粒生绿豆，观察现象，并尝试用所学知识解释。2.以“我身边的催化剂”为主题，撰写一篇不超过300字的科学短文，介绍一种生活或自然界中的催化现象。探究性/创造性作业（选做）：1.查阅资料，了解工业上如何大规模制取氧气（如分离液态空气法），并与实验室方法进行比较，从原理、规模、成本、纯度等角度制作一个简易对比表。2.未来创想：如果请你为未来的火星基地设计一套氧气供应系统，你会考虑采用哪种或哪几种制氧方法？为什么？画出简单的原理示意图。七、本节知识清单及拓展★1.实验室制氧原理（一）：加热高锰酸钾。表达式为：高锰酸钾→（加热）→锰酸钾+二氧化锰+氧气。这是固体加热制气的典型代表，装置相对复杂，需注意试管口略向下倾斜。★2.实验室制氧原理（二）：过氧化氢分解。表达式为：过氧化氢→（二氧化锰）→水+氧气。此为“固液常温”型制气，装置简单，操作安全，是目前实验室最常用的方法。★3.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。特征为“一变多”。它是化学反应的基本类型之一，与化合反应（多变一）互为逆过程。★4.催化剂。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。催化剂所起的作用叫催化作用。关键提示：“改变”包括加快和减慢，中学阶段以“加快”为主；“化学性质不变”需通过该物质是否能继续催化同一反应来验证。▲5.催化剂在反应中的定位。催化剂是反应条件，不是反应物也不是生成物，因此在书写化学方程式时，应写在箭头的上方或下方（如：二氧化锰作为条件写在箭头上方）。▲6.过氧化氢的自身分解。过氧化氢在没有催化剂时也能缓慢分解生成氧气和水，但速率极慢。催化剂极大地提高了反应的效率。★7.氧气的检验方法。将带火星的木条伸入集气瓶（或靠近气体出口），若木条复燃，则证明是氧气。这是基于氧气支持燃烧的性质。▲8.对比实验的科学方法。通过设置对照组（如不加二氧化锰的过氧化氢）和实验组（加入二氧化锰），控制单一变量，从而清晰、有力地证明某一因素（催化剂）对实验结果的影响。这是科学探究的核心思维。▲9.催化剂的多样性与专一性。二氧化锰对过氧化氢分解是高效催化剂，但对其他反应未必是；同样，过氧化氢分解也可用氧化铁、生物酶等催化，但效率可能不同。★10.“宏观微观符号”三重表征在本课的体现。宏观：气泡产生、木条复燃；微观：过氧化氢分子在二氧化锰表面断裂成氧原子并结合为氧分子；符号：H₂O₂→(MnO₂)H₂O+O₂。建立三者联系是学好化学的关键。▲11.工业制氧与实验室制氧的区别。工业上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；实验室方法为化学变化制取。目的不同，方法迥异。▲12.催化剂的社会意义。催化剂在化工生产（如合成氨、石油裂化）、汽车尾气净化（三元催化器）、生命活动（酶）等领域不可或缺，是现代社会高效、绿色化学工艺的核心技术之一。八、教学反思  假设本课实施完毕，静心复盘，我认为在以下方面基本达成了预设目标。从目标达成度看，学生能准确书写两种制氧原理的表达式，课堂练习正确率高；在“寻找身边催化剂”的讨论中，学生能迁移应用对比实验思想设计方案，表明能力目标初步实现；课堂氛围活跃，学生对“催化魔术”表现出浓厚兴趣，情感目标得以落实。核心素养的渗透上，“宏观微观符号”三重表征通过实验、动画、板书得以连贯呈现，尤其是动画模拟催化剂作用微观过程，有效突破了难点，学生眼神中透露出“原来如此”的恍悟，这是思维目标达成的可喜信号。  各教学环节的有效性评估如下：导入环节的生活化情境快速聚焦了“制氧需求”，驱动性强。新授环节的五个任务构成了螺旋上升的认知阶梯：任务一（高锰酸钾）提供范式；任务二（过氧化氢）制造冲突；任务三（揭秘催化剂）深化本质；任务四（整合辨析）巩固规范；任务五（迁移应用）拓展思维。其中，任务二的对比实验产生了预期的“哇”时刻，是激发探究欲的关键点火器。任务三中“再催化实验”的设计，是证明“化学性质不变”最直观、最有力的证据，胜过千言万语。当堂巩固的分层设计照顾了差异，挑战层问题激发了部分学生的深度思考。  对不同层次学生表现的深度剖析：A层（基础较弱）学生能跟上演示实验观察和原理书写，但在自主设计验证方案（任务五）时存在困难，需依赖任务单上的提示和小组内同伴的带领。B层（中等）学生是课堂互动的主力，能顺利完成各项任务，对催化剂“一变两不变”能复述但深层追问下（如“质量如何精确称量验证？”）略显迟疑。C层（学有余力）学生则不满足于课本知识，在“寻找身边催化剂”时提出了“唾液能否催化？”等有趣猜想，并对工业制氧表现出浓厚兴趣，他们是挑战层作业