基于科学探究的氧气制取原理与实践-九年级化学单元教学设计

基于科学探究的氧气制取原理与实践——九年级化学单元教学设计一、教学内容分析  本教学设计依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》，聚焦“物质的化学变化”主题下的“化学反应与能量转化”大概念。从知识图谱看，本课承接“空气与氧气性质”的认知，开启“实验室制取气体”的方法论学习，是构建“性质决定用途、反应原理决定制取方法”学科逻辑的关键节点。核心技能涉及“学习基本的实验技能”与“完成基础的学生实验”，要求学生从理解反应原理出发，经过装置设计、动手操作到收集检验，完成一次完整的科学探究实践。过程方法上，本课是渗透“科学探究”与“证据推理”素养的典型载体，通过高锰酸钾、过氧化氢两种制氧方案的对比探究，引导学生经历“发现问题—设计实验—验证假设—得出结论”的完整路径。素养价值层面，旨在通过科学史话（如催化剂发现史）与生活应用（如医用氧、航天供氧），培育严谨求实的科学态度，感悟化学技术对社会发展的推动作用，实现知识传授与价值引领的有机统一。  授课对象为九年级学生，他们初步具备了基本的实验观察能力和简单的逻辑推理能力，对化学实验充满好奇。已有基础包括：知晓氧气支持燃烧和呼吸的用途，了解空气成分及分离液态空气的工业制氧原理。可能存在的认知障碍在于：对“催化剂”概念的理解易停留于“加快反应”的表象，难以把握其“一变两不变”的本质；对“固固加热”与“固液常温”两类装置的选择依据易混淆；首次系统性进行气体制取，在装置连接、气密性检查、操作顺序等技能上可能生疏。为此，教学将通过前置性问题诊断、小组合作中的观察与介入、阶梯式任务设计，动态评估学情。针对理解能力较强的学生，引导其深入剖析装置设计的化学原理；对于动手操作或逻辑推理暂时有困难的学生，提供步骤拆解图示、关键操作视频慢放、以及“助学伙伴”等支持，确保所有学生能在自身认知基础上获得发展。二、教学目标  知识目标：学生能准确复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），并能用化学方程式予以表征；能根据反应物状态和条件，说出典型的气体发生装置，并依据气体性质选择相应的收集与验满方法，形成实验室制取气体的一般思路模型。  能力目标：学生能独立或合作完成“加热高锰酸钾制取氧气”的基础实验操作，规范进行仪器的连接、气密性检查、加热、收集及撤卸；能基于对比实验的现象，分析、归纳出催化剂的概念特征，并设计简单实验验证其“在反应前后化学性质不变”。  情感态度与价值观目标：在小组合作探究中，学生能主动承担角色任务，积极交流观点，形成安全、有序、环保的实验意识；通过讨论工业制氧与实验室制氧的区别与联系，初步建立“科学”与“技术”服务于不同需求的辩证认识。  科学思维目标：发展“宏观微观符号”三重表征思维，能将从实验现象（宏观）获得的认知，关联到反应物分子破裂与原子重组（微观），并用化学方程式（符号）进行概括；通过对比、归纳不同制氧方案，初步建立“条件控制”与“变量分析”的实验思想。  评价与元认知目标：学生能依据教师提供的实验操作评价量表，对自身或同伴的实验步骤进行初步评价与反思；能在课堂小结环节，用思维导图等形式自主梳理本课知识网络，并识别出自己理解最透彻或仍存困惑的知识点。三、教学重点与难点 &sp; 教学重点：实验室制取氧气的反应原理、实验装置及操作步骤。确立依据在于，该内容是《课程标准》中明确要求的学生必做基础实验，是“学习基本的实验技能”和“初步形成‘实验探究与创新意识’”的核心抓手。从中考评价导向看，气体制备的原理、装置选择与评价是高频考点，综合考查学生对化学反应原理的理解和知识迁移应用能力，是后续学习二氧化碳等气体制备的通用模型基础。  教学难点：催化剂概念的理解及科学探究能力的形成。难点成因在于，“催化剂”的定义涉及“改变化学反应速率”和“本身质量与化学性质反应前后不变”两个关键点，这对学生抽象概括和证据推理能力提出了较高要求。学生常见误区是认为催化剂“一定加快”反应或“一定参与”反应。同时，首次完整经历“原理装置操作检验”的科学探究全过程，学生易出现“重操作、轻思考”或步骤逻辑混乱的情况。突破方向在于设计层层递进的探究活动，引导学生从实验现象中自主归纳，并通过反思性提问深化理解。四、教学准备清单1.教师准备 1.1媒体与教具：多媒体课件（含反应原理动画、错误操作后果演示视频）、实物投影仪。 1.2实验器材（分组与演示）：高锰酸钾、过氧化氢溶液（5%）、二氧化锰、木炭、铁丝、药匙、试管、带导管单孔橡皮塞、铁架台、酒精灯、水槽、集气瓶、毛玻璃片、棉花、火柴；制备氧气及其性质实验的配套仪器（每小组一套）。 1.3学习材料：分层学习任务单（含前置诊断题、课堂探究记录表、分层巩固练习）、实验操作评价量表、课堂小结思维导图模板。2.学生准备 2.1预习任务：阅读教材，初步了解两种制氧方法；思考“为什么工业上不用过氧化氢大量制氧气？”。 2.2物品准备：携带教材、笔记本。3.环境布置 教室桌椅按“U”形排列，便于小组讨论与教师巡视；黑板划分为原理区、装置区、步骤区和反思区。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与动机激发：同学们，请大家看一段视频剪辑：医院急救室里医生使用氧气面罩、潜水员身背氧气瓶潜入深海、航天员在空间站中工作生活。看完后，老师想问大家一个问题：这些场景中至关重要的氧气，是如何被“制造”出来并为我们所用的呢？工业上通过分离液态空气能获得大量氧气，但这需要极低的温度和庞大的设备。那么，在学校的实验室里，我们能否利用有限的仪器和药品，“制造”出可供研究的氧气呢？  1.1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”，一起来探究这个课题。我们的核心任务是：如何在实验室中安全、有效地制取并收集一瓶纯净的氧气？我们将分三步走：首先，寻找合适的“原料”和“配方”（反应原理）；其次，设计并搭建“生产流水线”（实验装置）；最后，动手“生产”并“检验产品”（实验操作与性质验证）。回想一下，氧气有哪些独特的“性格”（物理性质和化学性质）？这些“性格”会如何影响我们收集和检验它的方法呢？让我们带着思考，开启今天的探究之旅。第二、新授环节  本环节采用“原理探究装置建模实践操作反思提升”的递进式任务链，引导学生自主建构知识。任务一：探寻“制氧秘方”——分解反应原理的探究  教师活动：首先，教师演示：加热少量高锰酸钾固体，用带火星的木条伸入试管口检验。“大家观察到什么现象？这说明了什么？”引导学生得出结论：高锰酸钾受热可产生氧气。接着，教师展示过氧化氢溶液，直接加入带火星木条无明显现象。“它含有氧元素，能否‘变’出氧气呢？”教师向其中加入少量二氧化锰黑色粉末，迅速产生大量气泡，带火星木条复燃。“神奇吗？二氧化锰在这里扮演了什么角色？”教师引导学生对比加入二氧化锰前后反应速率的变化。然后，补充演示：反应后过滤、洗涤、烘干二氧化锰，再次加入等量新过氧化氢溶液，现象依旧。“这个‘重现’的实验，能告诉我们关于二氧化锰的什么信息？”通过系列追问，引导学生聚焦催化剂的关键特征。  学生活动：学生仔细观察演示实验，记录关键现象。针对教师提问，进行思考和同桌间的简短交流。尝试用自己的语言描述二氧化锰在反应中的作用，并基于“反应前后”的对比演示，推理二氧化锰可能具有“反应前后自身不变”的特点。在教师引导下，阅读教材，规范书写两个反应的化学方程式。  即时评价标准：①观察是否细致，能否准确描述关键现象（如“木条复燃”、“迅速产生气泡”）。②在讨论催化剂作用时，表达观点是否有实验现象作为依据。③书写化学方程式时，是否关注反应条件、气体符号等细节。  形成知识、思维、方法清单：①★实验室制氧原理（一）：高锰酸钾在加热条件下分解生成锰酸钾、二氧化锰和氧气。这是典型的固固加热型反应。书写方程式时注意注明“加热”条件。②★实验室制氧原理（二）：过氧化氢在二氧化锰作催化剂的条件下，于常温下分解生成水和氧气。这是固液常温型反应。③▲催化剂概念解析：“一变”是指改变化学反应速率（加快或减慢）；“两不变”是指反应前后本身的质量和化学性质不变。其物理性质（如状态）可能改变。理解这个概念，关键在于抓住“变”与“不变”的辩证关系。④科学方法：对比实验。通过设置对照（如过氧化氢加二氧化锰与不加二氧化锰），可以清晰呈现某一因素（如催化剂）对结果（如反应速率）的影响。任务二：设计“制氧流水线”——气体发生与收集装置建模  教师活动：“原理确定了，‘生产线’如何设计呢？”教师引导学生分组讨论：根据两种反应原理中反应物的状态和反应条件，应选择怎样的发生装置？利用实物投影展示几种典型试管、锥形瓶、长颈漏斗、分液漏斗等仪器。“大家看，这套装置像不像一个‘大象鼻子’？长颈漏斗下端管口为什么要伸入液面以下？”引导学生理解液封原理。然后聚焦收集方法：“我们如何把生成的气体‘请’到集气瓶里？”回顾氧气密度略大于空气、不易溶于水的性质，引导学生自主推导出向上排空气法和排水法。“两种方法各有什么优缺点？什么情况下收集到的氧气更纯净？”组织小组辩论，深化理解。  学生活动：学生以小组为单位，利用教师提供的仪器卡片，尝试拼装出适用于两种原理的发生装置简图，并说明设计理由。讨论收集方法的选择，分析排水法（纯度较高、但氧气潮湿）与向上排空气法（干燥但纯度较低）的利弊。派代表展示本组设计方案，并接受其他小组质询。  即时评价标准：①装置设计是否与反应原理（固固加热/固液常温）匹配。②解释设计理由时，能否运用化学原理（如液封防漏气、导管伸入集气瓶的位置与密度关系）进行说明。③小组协作是否有效，每位成员是否有明确分工和贡献。  形成知识、思维、方法清单：①★气体发生装置选择依据：核心依据是反应物的状态和反应条件。固固加热型多用试管配酒精灯；固液常温型则需考虑液体添加和控制（如使用分液漏斗）。②★气体收集方法选择依据：核心依据是气体的密度（与空气比较）和溶解性。氧气可用向上排空气法（密度>空气）或排水法（不易溶于水）。③易错点辨析：排水法收集时，导管口刚有气泡冒出不宜立即收集（为何？），因为开始排出的是装置内的空气。④模型建构思想：从具体制氧装置中，抽提出实验室制取气体“发生装置收集装置”的通用选择模型，这是知识迁移的关键。任务三：实战“制氧行动”——加热高锰酸钾制取氧气的实验操作  教师活动：教师首先播放一段规范操作视频，并同步讲解关键步骤与安全注意事项。“万事俱备，现在开始实战！请大家严格按照任务单上的步骤提示进行操作。”教师巡视全场，重点关注：1.装置气密性检查方法是否正确（“手捂法”看气泡）；2.试管口是否略向下倾斜（防止冷凝水倒流）；3.导管伸入试管内是否过长；4.加热时是否先预热，再集中加热药品部位；5.收集时机判断；6.实验结束时的“撤管熄灯”顺序。对于操作困难的小组，进行手把手指导。同时，提醒学生利用评价量表进行组内互评。  学生活动：学生以小组为单位，分工协作（如操作员、记录员、安全员），动手完成加热高锰酸钾制取并收集12瓶氧气的实验任务。记录实验现象和关键步骤的要点。利用排水法收集氧气，并尝试用向上排空气法收集一瓶。收集完毕后，进行氧气性质的验证实验（如木炭、铁丝在氧气中燃烧），观察并记录与在空气中燃烧的不同现象。  即时评价标准：①操作是否规范、安全，特别是加热、收集、撤卸顺序。②实验现象记录是否完整、准确。③小组内部是否有序协作，妥善处理实验废弃物。  形成知识、思维、方法清单：①★实验操作步骤口诀：“查装定点收离熄”（谐音：茶庄定点收利息），分别对应检查气密性、装药品、固定装置、点燃酒精灯、收集、撤离导管、熄灭酒精灯。顺序至关重要！②关键操作解析：试管口略向下倾斜（防冷凝水倒流炸裂试管）；用排水法收集时，当导管口有连续均匀气泡冒出时再开始收集（保证氧气纯度）；实验结束时，先将导管移出水面，再熄灭酒精灯（防水倒吸）。③性质验证衔接：利用自制氧气进行性质实验，完美体现了“制法”为“性质研究”服务的学科逻辑，增强了学习的目的性和成就感。任务四：评价与反思——“工程师”的复盘时刻  教师活动：实验结束后，教师组织学生进行复盘。“各位‘工程师’，请复盘你们的‘生产’过程：哪一步最顺利？哪一步遇到了问题？如何解决的？”邀请不同小组分享成功经验或失败教训，特别是针对收集到的氧气不纯、加热时试管破裂等典型问题，引导学生从原理和操作上分析原因。教师进行总结提升，强调规范操作与科学思维并重。  学生活动：学生小组内部首先根据评价量表进行自评与互评。然后，派代表进行全班分享，交流实验心得、困惑与发现。倾听其他小组的汇报，反思本组操作的优劣。在教师引导下，共同归纳实验室制取气体的一般思路和注意事项。  即时评价标准：①反思是否深入，能否将实验现象（问题）与操作细节或原理联系起来分析。②分享时表达是否清晰，能否从具体经验中提炼出一般性结论。③能否虚心听取他人意见，并进行自我修正。  形成知识、思维、方法清单：①★实验室制取气体的一般思路：“原理→装置→操作→检验”。这是一个系统化的科学工作流程。②★误差分析与安全观念：对实验中出现的问题（如氧气不纯、装置漏气）能进行合理归因，是科学探究能力的重要组成部分。始终将安全（防炸、防倒吸、防火）放在首位。③元认知策略：通过复盘与分享，将实践体验上升为理性认识，这是将知识内化、能力固化的关键环节。第三、当堂巩固训练  基础层（全体必做）：1.写出实验室制取氧气的两个化学方程式，并标注反应基本类型。2.判断：催化剂一定能加快化学反应速率。（辨析题）3.选择题：排水法收集氧气时，导管口开始有气泡即收集，会导致什么后果？  综合层（鼓励完成）：4.根据提供的仪器示意图，分别绘制出利用过氧化氢制氧气的发生装置和收集装置简图，并标注仪器名称。5.情境题：某同学用高锰酸钾制氧，发现水槽中的水变红了，请分析可能的原因及改进措施。  挑战层（学有余力选做）：6.微型项目设计：设计一个家庭小实验方案，利用生活中易得的材料（如食用双氧水、土豆块或红砖粉），安全地验证催化剂的存在，并简述原理和步骤。  反馈机制：基础层题目通过集体口答或手势反馈快速核对；综合层题目采取小组互评后教师点评关键点的方式；挑战层设计进行课堂展示，由师生共同从科学性、创新性、可行性角度进行评议。第四、课堂小结  知识整合：“同学们，经过三节课的探索，我们的‘制氧工程’圆满收官。现在，请大家暂停一下，尝试用思维导图的形式，将‘制取氧气’这颗知识树的主要枝干画出来。”教师提供核心关键词（原理、装置、操作、检验）作为支架，学生自主梳理，构建结构化知识网络。随后教师用板书呈现完整的知识框架，进行对照与强化。  方法提炼：“回顾整个过程，除了具体的知识，你认为最重要的收获是什么？是学会了某个操作，还是掌握了一种思考问题的方法（比如如何选择装置）？”引导学生提炼本课蕴含的“科学探究一般步骤”、“对比实验”、“模型建构”等学科思想方法。  作业布置与延伸：公布分层作业（见第六部分）。并设问引出下节课联系：“今天我们成功制取了氧气。如果我们要制取另一种常见气体——二氧化碳，它的反应原理、装置和操作，是会与我们制氧气完全一样，还是有所不同呢？请大家带着这个疑问进行预习。”六、作业设计  基础性作业（必做）：1.整理课堂笔记，完整梳理实验室制取氧气的两种方法（包括原理、装置图、步骤、注意事项）。2.完成教材本节后对应的基础练习题。3.背诵两个制氧反应的化学方程式。  拓展性作业（建议大部分学生完成）：4.查阅资料，了解工业上除分离液态空气外，还有哪些制氧方法（如分子筛变压吸附），并与实验室制法进行比较，填写对比表格（从原理、规模、成本、产品纯度等角度）。5.写一篇简短的化学日记，描述你今天在实验中最印象深刻的一个环节或一个发现。  探究性/创造性作业（选做）：6.“寻找身边的催化剂”探究活动：寻找家中或生活中可能具有催化作用的物质（如新鲜猪肝、土豆、锈铁钉等），设计并实施一个简单的对比实验，探究它们对过氧化氢分解是否有催化作用，并撰写一份迷你探究报告（包含问题、假设、实验设计、现象、结论）。7.“我是装置设计师”：尝试利用生活中可得的废弃物（如饮料瓶、吸管、注射器等），设计并制作一个简易的“固液常温型气体发生装置”模型，并拍照或绘图说明其工作原理。七、本节知识清单及拓展  1.★高锰酸钾制氧气原理：化学方程式为2KMnO₄=Δ=K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑。这是加热固体混合物制取气体的典型代表。注意：试管口要塞一团棉花，防止粉末堵塞导管。  2.★过氧化氢制氧气原理：化学方程式为2H₂O₂=MnO₂=2H₂O+O₂↑。二氧化锰作为催化剂。此反应在常温下进行，是固液不加热型的典范。  3.★催化剂概念：能改变化学反应速率，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。理解要点：“一变”是速率变，“两不变”是自身质量与化学性质不变。催化剂具有选择性。  4.★固固加热型发生装置：核心仪器：试管、酒精灯、铁架台。关键：试管口略向下倾斜；导管稍伸出橡皮塞即可；用外焰加热；实验结束先移导管后熄灯。  5.★固液常温型发生装置：核心仪器：锥形瓶/广口瓶、长颈漏斗/分液漏斗。关键：长颈漏斗下端管口必须液封（浸入液面下）；用分液漏斗可以控制液体滴加速率，从而控制反应。  6.★收集方法——排水法：适用于不易溶于水且不与水反应的气体。优点：纯度较高；缺点：气体潮湿。操作关键：导管口刚有气泡时不收集（是空气），待连续均匀冒出时再收集。  7.★收集方法——向上排空气法：适用于密度比空气大且不与空气中成分反应的气体。优点：干燥；缺点：纯度较低，需验满。操作关键：导管伸入集气瓶底部，便于排尽空气。  8.★验满方法：排水法：集气瓶口有大气泡冒出则满。向上排空气法：将带火星的木条放在集气瓶口，若木条复燃则满。  9.▲检查装置气密性：常用“微热法”（手捂）或“注水法”。原理是使装置内外产生压强差，观察气泡或液面变化。这是实验成功的第一步。  10.★操作步骤口诀（高锰酸钾法）：“查、装、定、点、收、离、熄”。每个字代表一个关键步骤，顺序不可颠倒，特别是“收、离、熄”防止水倒吸。  11.▲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。高锰酸钾和过氧化氢的分解都属于此类型，可表示为AB→A+B（或更多）。  12.▲工业制氧与实验室制氧对比：工业制氧（分离液态空气）是物理变化，规模大、成本低，用于大量生产；实验室制氧是化学变化，规模小、快速便捷，用于科学研究和少量制备。体现了“技术”与“科学”的不同侧重。  13.▲催化剂发现简史：可简单介绍贝采里乌斯提出“催化”概念的过程，感悟科学家的洞察力与概括能力，理解科学概念是在大量实验事实基础上抽象而来。  14.▲氧气的用途与制法关联：医疗急救、潜水、航天等所需的高纯氧，多来自工业制氧；实验室制取的氧气主要用于化学反应研究、物质性质验证等。用途决定了对产量和纯度的不同要求，从而决定了制法的选择。八、教学反思  （一）目标达成度评估：从课堂观察和当堂练习反馈来看，绝大多数学生能准确复述两种制氧原理并书写方程式，“知其然”的目标基本实现。在装置选择环节，约70%的学生能清晰阐述选择依据，体现了初步的模型应用能力，但仍有部分学生在面对新情境（如更换反应物）时出现迁移困难。实验操作环节，学生参与热情极高，“会操作”的技能目标在小组互助下达成度较好，但操作的精准度与熟练度存在明显个体差异，需在后续实验中反复强化。催化剂概念的理解上，通过对比实验和追问，学生基本能抓住核心特征，但课后访谈发现，将“化学性质不变”与“物理状态可能改变”相联系仍有混淆，“知其所以然”的深度有待巩固。  （二）环节有效性剖析：导入环节的“情境问题”双驱动成功激发了探究欲。新授环节的四个任务环环相扣，任务二（装置建模）是承上启下的枢纽，讨论时间充分，生生辩论有效促进了深度学习。任务三（实验操作）是高潮也是难点，尽管准备充分，但在有限时间内，要兼顾所有学生的规范指导仍感力不从心，个别小组因操作失误导致实验延迟。今后可考虑：1.将部分基础操作（如气密性检查、仪器连接）前置到专题训练课；2.录制关键操作的“学生常见错误集锦”微视频，课前预习观看，课中针对性更强。任务四的反思分享环节价值凸显，学生暴露的真实问题（如“导管口