氧气的制取：从实验室探究到工业智慧-九年级化学单元教学设计

氧气的制取：从实验室探究到工业智慧——九年级化学单元教学设计一、教学内容分析《义务教育化学课程标准（2022年版）》将“常见的物质”和“物质的化学变化”作为核心主题，本课“氧气的制取”正处于两大主题的交汇点，是学生系统学习气体制备的起始与典范。从知识技能图谱看，它上承物质的性质与变化，下启二氧化碳等气体的制取研究，其认知要求从具体反应（高锰酸钾分解）的“理解”与“操作”，上升至对气体制备一般思路与方法（原理、装置、步骤、检验）的“应用”与“迁移”，构成了完整的实验方法链。过程方法上，本课是践行“科学探究”的绝佳载体，引导学生完整经历“提出问题设计实验进行实验分析解释反思评价”的探究闭环，同时渗透“技术与社会”视角，通过对比实验室与工业制法的差异，初步建立“科学原理”与“工程技术”既有联系又有区别的跨学科观念。素养价值渗透方面，严谨的实验操作规范培养科学态度与责任；从微观角度分析高锰酸钾分解的过程，强化宏观辨识与微观探析的结合；而对工业制氧（分离液态空气法）原理的探讨，则能让学生体会化学技术对社会发展（如医疗、航天）的支撑，感悟化学的实用价值与创新精神。基于“以学定教”原则，九年级学生已初步接触化学实验基本操作，对氧气性质有基础认识，对动手实验充满好奇，此为教学的有利支点。然而，其思维仍具较强具象性，对“催化剂”、“物理变化与化学变化的工业应用选择”等抽象概念理解可能存在障碍；在实验设计中易关注现象而忽略系统性思维，在步骤上易出现顺序混淆（如“先撤导管后熄灯”）。因此，教学需通过预设“前测问题”（如：绘制你想象中的制氧装置图）诊断迷思概念，并在课堂中嵌入多轮形成性评价：如通过小组讨论中的观点呈现评估理解深度，通过实验操作巡视为个别学生提供即时的手势或言语提示，通过变式练习的完成情况判断知识迁移能力。针对不同层次学生，策略上需分层设问：对基础薄弱者，强化操作口诀与流程图的引导；对思维活跃者，则挑战其设计“错误装置”并分析后果，或探讨“是否有其他实验室制氧原理”，以满足差异化需求。二、教学目标知识目标：学生能够系统阐述高锰酸钾制取氧气的反应原理、实验装置、操作步骤及注意事项，并准确书写化学方程式；能说分离液态空气法制氧的基本原理，并基于物质沸点差异解释其过程，辨析其物理变化本质。最终建构起“依据反应物状态和条件选择发生装置，依据气体性质选择收集与验满方法”的气体制备初步模型。能力目标：学生能够以小组合作形式，安全、规范地完成高锰酸钾制取氧气的全过程实验操作，并能基于观察如实记录现象、分析异常（如试管破裂、水槽水变红）；初步学会从“科学性、安全性、简约性”等维度评价实验设计方案；能够通过对比表格，归纳实验室制法与工业制法的核心差异及其背后的经济、规模考量。情感态度与价值观目标：在亲历制氧实验的过程中，感受化学实验的严谨与秩序之美，形成规范操作、安全第一的实验意识；通过了解氧气在医疗、金属切割等领域的广泛应用，体会化学对社会生产生活的巨大贡献，激发学以致用的内在动机。科学（学科）思维目标：发展“证据推理与模型认知”思维，能依据反应原理推测装置特点，又能从装置反推反应物状态及条件；强化“宏观微观符号”三重表征，能将高锰酸钾分解的实验现象、锰原子和氧原子的重新组合、以及化学方程式进行有机联系与转换。评价与元认知目标：引导学生依据清晰的实验操作评价量表，进行小组内互评与自我反思，识别自身在“仪器连接”、“步骤顺序”等方面的优势与不足；在课堂小结时，能够用自己的话复述学习路径，并明确“对比分析”是本课攻克难点（辨析两种制取方法）的核心思维方法。三、教学重点与难点教学重点为高锰酸钾制取氧气的实验操作体系及气体制备的初步思路模型。其确立依据源于课标对“基础实验操作技能”和“科学探究能力”的刚性要求，以及该内容在初中化学学业水平考试中的高频考查地位。它不仅是本单元的核心操作技能，更是后续学习二氧化碳等气体制备的“模板”与“范式”，掌握了此模型，便掌握了开启一类化学实验的钥匙。因此，教学必须确保学生对此形成清晰、准确、可迁移的认知结构。教学难点在于引导学生从“科学探究”维度深刻理解实验室制法，并从“技术经济”视角初步认识工业制法，实现二者认知层面的区分与关联。难点成因在于学生易将二者简单理解为“规模大小不同”，难以理解实验室制法追求“原理鲜明、快速获取”，而工业制法追求“成本低廉、大规模连续生产”这一根本逻辑差异，易混淆“化学变化”与“物理变化”在各自领域的应用选择。预设突破方向是：通过创设“如果为医院供氧，能否沿用实验室方法？”这一两难情境，引发认知冲突，再借助分离液态空气的动画模拟与成本讨论，将思维引向深入。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式课件（含高锰酸钾分解微观动画、工业制氧流程视频）、实验操作规范短视频、实物展台。1.2实验器材（分组）：铁架台（带铁夹）、试管、单孔橡胶塞（连导管）、水槽、集气瓶、毛玻璃片、酒精灯、药匙、棉花、高锰酸钾。1.3学习材料：分层学习任务单（含预习导学案、课堂探究记录表、分层巩固练习）、实验操作评价量表。2.学生准备完成预习导学案，复习化学实验基本操作；以小组为单位，明确组内分工（操作员、记录员、安全员等）。3.环境布置教室呈小组合作式布局（46人一组）；黑板划分出“原理区”、“装置图区”、“步骤要点区”与“对比总结区”。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题驱动：同学们，请看屏幕上的这张图片——一位病人正在吸氧。氧气，是维持生命的必需气体。那么，如果此时病房急需氧气，我们能直接用高锰酸钾加热来供应吗？许多同学可能会觉得“能，因为实验室就是这样制的”。但事实真的如此简单吗？这其中就涉及到我们今天的核心课题：如何根据不同的需求，智慧地选择制取氧气的方法。1.1唤醒旧知与明晰路径：我们先快速回顾一下，氧气的哪些性质决定了它的收集方法？对，不易溶于水且密度比空气略大。那么，实验室里我们通常怎么获取它呢？今天，我们将化身“化学工程师”，完成两个使命：第一，在实验室里亲手制取并收集一瓶纯净的氧气；第二，探究工厂里是如何大规模、低成本生产氧气的。让我们从第一个，也是最基础的任务开始。第二、新授环节任务一：拆解原理——从宏观反应到微观本质教师活动：首先，请大家齐读高锰酸钾制氧的化学方程式。注意，加热是条件，生成的物质除了氧气，还有锰酸钾和二氧化锰。好，现在我要问一个关键问题：加热后，氧气从哪里“跑”出来的？仅仅是高锰酸钾里的“氧”吗？让我们借助一段微观动画来透视这个过程。（播放动画）看，高锰酸钾分子在加热作用下“分家”，氧原子重新组合成氧分子。所以，这里的氧气，是高锰酸钾发生化学变化后新生成的物质。大家能根据这个原理，推测反应装置需要哪些特点吗？学生活动：观看动画，尝试描述高锰酸钾分解的微观过程。思考并回答教师提问：需要加热，所以要用到酒精灯；反应物是固体，需要在试管中进行；生成气体，所以需要导管导出。即时评价标准：1.能否准确指出氧气是“新生成”的产物而非“原有”。2.能否将反应原理（固体、加热）与装置的基本需求（试管、酒精灯、导管）进行合理关联。形成知识、思维、方法清单：★反应原理：高锰酸钾在加热条件下生成锰酸钾、二氧化锰和氧气。书写方程式时务必注明条件，并配平。▲微观视角：化学变化的本质是原子重新组合，此反应中氧原子组合成氧分子。★原理与装置的关联思维：分析反应物状态（固）和条件（加热），是选择发生装置（固体加热型）的第一依据。提示：这是模型建构的起点。任务二：建构装置——基于原理的设计与优化教师活动：大家的推测很准！现在，请各小组利用桌上的仪器，尝试组装一套制取氧气的发生和收集装置。（巡视，捕捉典型组装方式）好，我看到了几种不同的连接。我们来展示一下这一组（选择有代表性的）。请大家做“评审专家”，依据“能否顺利制取并收集”、“是否安全”、“是否合理”来点评。特别注意：试管口为什么要略向下倾斜？导管为什么刚露出橡胶塞即可？棉花团的作用是什么？“大家注意看，导管口刚冒出的气泡能立即收集吗？为什么？”——对，要先排出装置内的空气。学生活动：小组合作动手组装仪器。观察他组装置并进行评价、辩论。在教师引导下，总结出“固体加热型”发生装置的要点：试管口略向下倾斜（防冷凝水倒流）、铁夹夹在距管口约1/3处、导管稍露出胶塞（利导气）。明确收集方法（排水法或向上排空气法）的选择依据。即时评价标准：1.组装装置是否准确、稳固、美观。2.评价他人时，能否说出关键设计点的理由（如试管口向下倾斜的原因）。3.小组内部能否有效协作，轮流操作与发言。形成知识、思维、方法清单：★发生装置（固体加热型）核心要点：试管口略向下倾斜；导管稍出胶塞；用外焰加热。★收集方法选择依据：氧气性质→排水法（纯度高）或向上排空气法（干燥）。★实验安全与规范意识：棉花团防粉末堵塞导管；预热防试管受热不均炸裂。▲评价与优化思维：学会从科学性、安全性、简约性、环保性等多维度审视实验设计。任务三：实战操作——规范下的探究与记录教师活动：装置已就绪，现在进入实战阶段！操作前，请大家再次默念步骤口诀：“查装定点收移熄”。（结合视频强调关键点）接下来，各小组按分工开始实验，目标是成功收集一瓶氧气。我会巡视，你们都是安全员，要互相监督。特别关注：加热后导管口有连续均匀气泡冒出时再收集；集气瓶口有大气泡冒出表示已满；结束时，切记要先将导管移出水面，再熄灭酒精灯！想一想，“如果顺序颠倒，会发生什么后果？”学生活动：以小组为单位，严格按照步骤进行实验操作。观察并记录现象：加热时高锰酸钾颜色变化、导管口气泡产生的速率、集气瓶中水被排出、收集到的氧气颜色状态等。尝试用带火星的木条进行验满。即时评价标准：1.操作步骤是否正确、流畅，尤其是“移管熄灯”的顺序。2.观察记录是否细致、客观。3.小组分工是否明确，合作是否有序。形成知识、思维、方法清单：★操作步骤口诀及内涵：“查”（气密性）“装”（装药品）“定”（定装置）“点”（点酒精灯加热）“收”（收集气体）“移”（移导管）“熄”（熄酒精灯）。★关键现象与判断：连续均匀气泡始收集；集气瓶口冒大气泡为满。★核心安全步骤：实验结束时，先移导管后熄灯，防止水倒吸炸裂试管。此乃绝对易错点！▲科学探究实践：亲身经历从原理到产品的完整过程，体验规范操作的重要性。任务四：对比迁移——从实验室到工厂的思维跃迁教师活动：恭喜大家都成功制得了氧气！现在回到最初的问题：医院能这样制氧吗？（学生讨论）显然不现实，成本高、速度慢、不安全。那么，工厂是怎么做的？请看这段工业制氧的短片。（播放分离液态空气法视频）看明白了吗？它的核心原理是什么？——对，利用液态氮和液态氧的沸点不同进行分离。“请大家思考：这个过程是物理变化还是化学变化？为什么工厂要选择这种方法，而不是找一个像高锰酸钾分解这样的化学反应？”学生活动：观看视频，理解空气降温液化、升温分馏的过程。小组讨论并回答：这是物理变化，因为没有新物质生成。工厂选择此法是因为空气原料廉价易得、能大规模连续生产、成本远低于化学方法。即时评价标准：1.能否准确说出工业制氧的核心原理是“利用沸点差异”。2.能否清晰辨析其属于物理变化。3.能否从“原料”、“成本”、“规模”、“过程”等角度对比两种制法的差异。形成知识、思维、方法清单：★工业制法（分离液态空气法）原理：利用液态氮（沸点196℃）与液态氧（沸点183℃）的沸点不同，通过分馏（先气化）获得氧气。★变化类型辨析：此过程为物理变化（状态改变、分离混合物）。★对比维度建立：从目的（实验室：探究原理/工业：大规模生产）、原理（化学变化/物理变化）、原料（化学药品/空气）、成本与规模等维度进行系统对比。▲技术与社会视角：理解化学原理在实验室与工业生产中应用方式的差异，体会技术选择需综合考虑科学、经济、社会因素。任务五：模型初建——气体制备思路的归纳教师活动：经历了两种制氧方法的学习，我们现在可以站在更高的视角来总结一下：如果要制备一种气体，我们的思考路径应该是怎样的？请大家以小组为单位，结合今天的经验，试着画一个简单的思维导图。学生活动：小组讨论，尝试提炼气体制备的一般思路。可能总结出：先确定反应原理→根据反应物状态和条件选择发生装置→根据生成气体的性质（密度、溶解性、毒性等）选择收集与验满方法→考虑操作步骤与安全事项。即时评价标准：1.提炼的思路框架是否完整、逻辑是否清晰。2.能否将氧气的制备实例顺利嵌入到该框架中进行解释。形成知识、思维、方法清单：★气体制备一般思路模型：原理→发生装置→收集方法→操作步骤→检验/验满。此模型具有可迁移性。★发生装置选择依据：反应物状态（固/液）和反应条件（加热/常温）。★收集方法选择依据：气体的物理性质（密度、溶解性）及化学性质（是否与水或空气反应）。▲模型认知素养：从具体实例中抽象出普适性思路，是实现知识迁移和能力发展的关键。第三、当堂巩固训练现在，我们通过分层练习来巩固所学。请大家根据自身情况，至少完成A、B两组题。A.基础应用（全体必做）：1.判断正误：工业制氧是化学变化。（）2.填空题：实验室用高锰酸钾制氧，实验结束时，应先将______，再______，防止水倒吸。B.综合迁移（建议多数同学完成）：3.已知过氧化氢溶液（液态）在二氧化锰（固态）催化下能常温快速分解制氧。请画出你认为适合的发生装置简图，并与高锰酸钾制氧装置对比，说明理由。C.挑战探究（学有余力选做）：4.查阅资料，了解“分子筛”制氧的原理（常用于家用制氧机）。它与我们今日所学的两种主流方法有何异同？从原理、规模、应用场景角度简要分析。反馈机制：A组题通过集体口答即时反馈；B组题抽取不同小组的装置图投影展示，由学生互评，教师最后总结“固液常温型”装置特点，与“固体加热型”形成对比；C组题作为拓展，鼓励学生在课后分享研究成果，激发持续探究兴趣。第四、课堂小结知识整合：现在，请大家闭上眼睛，用一分钟时间回顾今天的学习之旅，然后尝试用一句话概括你最大的收获。（学生分享）很好。让我们共同完善黑板上的知识网络图：中心是“氧气的制取”，分出“实验室制法”与“工业制法”两大分支，每个分支下梳理出原理、装置、步骤、特点等关键词。方法提炼：今天我们攻克难题的一个重要方法是——对比分析。通过对比，我们看清了实验室探究与工业生产的本质不同。同时，我们还初步建构了气体制备的通用思考模型。作业布置与延伸：必做作业：整理课堂笔记，绘制高锰酸钾制氧的实验流程图。选做作业（二选一）：①撰写一篇小短文《如果我是氧气厂长》，阐述你选择生产方法的理由；②设计一张海报，对比实验室与工业制氧。下节课我们将学习氧气的化学性质，看看今天我们辛苦制得的氧气，究竟能跟哪些物质发生精彩的反应。六、作业设计基础性作业（全体必做）：1.默写高锰酸钾制取氧气的化学方程式，并注明反应条件。2.完成课本相关基础习题，巩固实验步骤与注意事项。3.以图示形式，说明排水法收集氧气时，何时表明气体已收集满。拓展性作业（建议大多数学生完成）：4.情境应用题：某化学兴趣小组在实验室用高锰酸钾制氧时，发现收集到的氧气呈淡红色，且能使带火星木条复燃的速度较慢。请你扮演“实验诊断师”，分析可能的原因（至少两点），并提出改进建议。5.微型项目：利用家庭常见材料（如吸管、瓶子等），制作一个简易的“固液常温型”气体发生装置模型，并录制一段1分钟视频，讲解其工作原理。探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：6.跨学科探究：工业制氧中的“分离液态空气法”主要利用了物质的何种物理性质？请结合物理学科中“物态变化”和“沸点”的知识，撰写一份简要的原理分析报告，并探讨该方法在石油化工等其它工业领域可能的应用。7.创意设计：假如未来人类要在火星基地建立氧气供应站，结合火星大气成分（主要是二氧化碳），请你大胆设想一种制取氧气的可能方法或技术路径，并简述其优势与挑战。七、本节知识清单及拓展★1.高锰酸钾制氧反应原理：化学方程式为2KMnO₄ΔK₂MnO₄+MnO₂+O₂↑。核心是含氧化合物在加热条件下分解，释放出氧气。书写时注意配平与“↑”符号的使用。★2.实验装置（固体加热型）要点：发生装置：试管口略向下倾斜（防冷凝水回流）；导管稍出胶塞；用外焰加热。收集装置：首选排水法（氧气不易溶于水），也可用向上排空气法（氧气密度略大于空气）。★3.实验操作步骤口诀“查装定点收移熄”：“查”气密性；“装”药品，试管口塞一团棉花；“定”仪器；“点”灯加热；“收”集气体（待连续均匀气泡冒出时开始）；“移”出导管；“熄”灭酒精灯。步骤顺序是生命线。★4.检验与验满方法：检验：将带火星的木条伸入集气瓶内，木条复燃，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，木条复燃。★5.关键安全事项：实验结束时，必须先移导管出水面，后熄灭酒精灯，否则水会倒吸入试管导致炸裂。加热前需预热，试管外壁需干燥。★6.工业制氧主流方法：分离液态空气法。原理：利用空气中各组分（主要是氮气和氧气）的沸点不同，通过降温加压使空气液化，再升温分馏，沸点较低的氮气先蒸发出来，剩余的主要是液态氧。★7.工业制氧原理辨析：该过程属于物理变化。因为没有新物质生成，只是将混合物（空气）中的组分分离。这是理解其与实验室制法本质区别的关键。★8.实验室与工业制氧核心对比：目的：前者为探究原理/小量制备，后者为大规模/连续生产；原理：前者为化学变化，后者为物理变化；原料：前者为化学药品，后者为空气；经济性：前者成本高，后者成本低。▲9.其他实验室制氧方法：除高锰酸钾分解外，还有过氧化氢（双氧水）在二氧化锰催化下分解（2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑），此反应为“固液常温型”，装置与高锰酸钾法不同。▲10.催化剂初步认识：二氧化锰在过氧化氢分解中起催化作用，能加快反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后不变。高锰酸钾分解产物中的二氧化锰对此反应也有催化作用。▲11.装置气密性检查方法：将导管一端浸入水中，用手紧握试管（或微热），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。▲12.氧气的用途与制取方法关联：医疗急救、航天等所需高纯氧通常来自工业制氧（分离液态空气或分子筛吸附）；实验室探究则用化学方法制取。用途决定生产路径的选择。八、教学反思本教学设计以“认知冲突”导入，以“模型建构”收官，力图将知识、能力、素养目标融于一体。从假设的教学实况看，大部分学生能在“任务驱动”与“小组合作”中保持高参与度，成功完成实验并观察到明显现象，知识目标达成度较高，这一点在当堂巩固的基础题正确率上可获印证。然而，不同层次学生的表现深度存在分化：约70%的学生能流畅复述步骤与原理（达成基础目标）；约20%的学生能在B层变式题中准确绘制新装置图，展现出初步的迁移能力（达成综合目标）；少数学生在挑战题中表现出对技术经济因素的兴趣，但分析的系统性有待引导（部分达成高阶目标）。各教学环节的有效性评估如下：导入环节的急救情境成功引发了认知冲突，学生提出的“直接加热供应”等天真想法恰恰是教学的起点，效果良好。新授环节的五个任务构成了螺旋上升的认知阶梯：“任务三”的实战操作是高潮也是难点，预设的“先移后熄”安全要点通过口诀和后果设问得到了强化，巡视中及时纠正了3组学生的操作顺序，防患于未然。但“任务四”的思维跃迁仍显陡峭，部分学生在讨论工业选择时，仍停留在“工厂大所以用空气”的浅层认识，需教师更充分地引导对比维度，或可增加一个“成本估算”的微型计算活动，让“经济性”概念更