九年级化学（沪教版）第三单元 课题2：氧气的实验室制备-基于探究与模型的深度学习设计

九年级化学（沪教版）第三单元课题2：氧气的实验室制备——基于探究与模型的深度学习设计一、教学内容分析  本课内容隶属于《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。从知识图谱看，它是学生系统学习“气体制备”的起始课，前承“认识化学实验室”和“物质的变化”，后启“二氧化碳的制备”乃至高中化学更为复杂的气体制备体系，处于从定性认识到定量设计的关键节点。核心技能要求学生能识别并操作典型仪器（如酒精灯、试管、集气瓶），理解并实践“制取—收集—验满”的完整流程，其认知层级需从“识记”走向“应用”。过程方法层面，本课是落实“科学探究”素养的绝佳载体：通过对比分析高锰酸钾与过氧化氢两种制取方案，引导学生经历“提出问题—设计实验—进行实验—分析解释—得出结论”的完整探究历程，初步建立“控制变量”和“模型认知”的思想。其素养价值深远，不仅在于培养学生严谨求实的科学态度与规范操作的实验习惯，更在于通过“一原理多装置”的探究，使学生体悟化学知识服务于生产生活的实践理性，例如，实验室制法如何启迪和优化工业规模生产。  学情研判需立体化。学生已有基础包括：对氧气支持燃烧性质的了解、对部分化学仪器（如试管）的初步认识，以及从生活经验（如鱼缸增氧）中对氧气存在的感知。潜在的认知障碍可能在于：一是对“催化剂”概念中“一变两不变”本质的抽象理解；二是对气体发生装置与收集装置的选择依据建立“模型化”关联存在困难，易陷入机械记忆。教学对策上，将通过“前测问题”（如：“你知道哪些获取氧气的方法？”）迅速诊断学生经验起点，并在探究任务中嵌入“思维可视化”工具（如装置选择流程图），为不同思维类型的学生提供支持。针对可能出现的操作畏难情绪或思维活跃度差异，设计“任务分层”（基础操作与并行）与“协作角色”（操作员、记录员、发言人），确保每位学生都能在“最近发展区”获得成功体验。二、教学目标  知识目标：学生能准确复述高锰酸钾和过氧化氢分解制取氧气的化学反应文字表达式，并能从反应物状态、反应条件角度比较其异同；能系统性陈述实验室制取氧气从“检查气密性”到“验满”的操作步骤、现象及原理，并解释每一步骤的必要性。  能力目标：学生能根据反应原理，独立或合作完成用高锰酸钾制取并收集一瓶氧气的实验操作；能基于对两种制法的对比分析，初步归纳出“固体加热型”和“固液常温型”气体发生装置的模型特点，并尝试将此模型迁移应用于为其他已知反应原理选择合适装置。  情感态度与价值观目标：在实验探究中，学生能表现出对实验细节的专注和对异常现象的curiosity（好奇心），如“哎，为什么这边的导管口刚开始有气泡冒出不能立即收集呢？”；通过讨论医用氧气的制备与储存，初步建立化学知识应用于保障生命健康的社会责任感。  科学思维目标：重点发展“模型认知”与“证据推理”思维。通过构建“气体发生装置选择模型”，引导学生从具体案例中抽提共性规律；通过分析“催化剂”在反应前后质量与化学性质不变的实验证据，学习基于事实进行推理和得出结论的科学方法。  评价与元认知目标：学生能运用教师提供的“实验操作评价量规”，对自身或同伴的实验操作进行简要评价；能在课堂小结时，用思维导图反思本课的知识建构路径，说出“我是通过对比和建模的方法掌握了制氧气的核心知识”。三、教学重点与难点  教学重点：实验室制取氧气的反应原理、实验装置及操作流程。其确立依据在于，该内容是课标明确要求的核心知识与技能，是“物质的制备”这一大概念下的首次系统性学习，对后续所有气体制备学习具有奠基性和范例性作用。从学业评价看，该部分内容常以实验题形式出现，综合考查学生对原理、装置、操作、细节的全盘掌握，分值占比高且能力立意鲜明。  教学难点：催化剂概念的理解，以及基于反应原理自主选择发生装置和收集装置的模型建构。难点成因在于：第一，催化剂“改变化学反应速率”而本身“不变”的特性较为抽象，与学生“参与反应就会被消耗”的潜在前概念冲突；第二，装置选择需要学生综合反应物状态、反应条件、气体性质等多重变量进行逻辑判断，对学生的系统思维和迁移能力提出了较高要求。突破方向在于设计对比实验提供直观证据，并运用图示化工具将选择逻辑外显化、程序化。四、教学准备清单1.教师准备  1.1媒体与教具：多媒体课件（含制备氧气工业流程、微观动画）、高锰酸钾与过氧化氢制氧气实验视频（备用）、气体发生与收集装置选择模型图卡。  1.2实验器材（分组）：铁架台、酒精灯、试管、导管、集气瓶、水槽、高锰酸钾、过氧化氢溶液、二氧化锰、药匙、棉花、火柴等。准备“实验任务单”及“分层探究指引卡”。2.学生准备  复习物质分类及物质变化相关知识；预习课本相关章节；思考“除了光合作用，还有哪些方法能获得氧气？”。3.环境布置  教室座椅调整为四人小组合作式；黑板分区预留，一侧用于呈现核心反应原理与步骤，一侧用于构建装置选择模型。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设：展示一张急救室内病人吸氧的图片，并播放一段航天员在空间站工作的短视频。“同学们，无论是在拯救生命的病房，还是在远离地球的空间站，氧气都至关重要。那么，这些场合所需的氧气，是如何被‘制造’出来的呢？”  1.1问题提出：“工业上通过分离液态空气来大量制氧，这在我们实验室里能实现吗？显然不行，我们需要找到适合实验室规模、快速、安全获得氧气的方法。今天，我们就化身‘实验室制氧工程师’，一起来探索这个课题。”  1.2路径明晰：“我们将从一种叫高锰酸钾的紫色固体入手，学习制取氧气的‘经典方法’；然后，探索一种更便捷的‘绿色方法’。最终，我们要总结出实验室制取气体的一般思路。先考考大家，根据之前的学习，氧气有哪些物理性质，会帮助我们收集它？”（唤醒旧知：密度、溶解性）。第二、新授环节任务一：回顾与预判——基于性质，规划收集  教师活动：首先明确实验室制取气体需解决两大核心问题：如何产生（发生装置）、如何收集（收集装置）。聚焦收集装置：“上节课我们知道氧气密度比空气略大、不易溶于水，根据这些性质，你能设计出几种收集方案？”引导学生画出示意图。随后追问：“两种方法各有什么优劣？什么情况下用水法，什么情况下用排空气法？”引出“纯度”概念，为后续验满作铺垫。提供“方法选择指引卡”，帮助思路受阻的学生。  学生活动：根据氧气性质，小组讨论并尝试绘制排水法和向上排空气法的收集装置简图。比较两种方法，得出排水法收集更纯、排空气法更干燥的初步结论。思考并回答教师的情境化提问，如“如果需要收集干燥的氧气，该选哪种方法？”  即时评价标准：1.能否准确关联气体性质与收集方法。2.绘制的装置简图是否科学、规范（如导管位置）。3.在讨论中能否清晰表达自己的观点并倾听同伴意见。  形成知识、思维、方法清单：★收集方法选择依据：气体在水中的溶解性及与空气的密度对比。▲排水集气法：适用于不易或难溶于水的气体，收集的气体纯度较高。▲向上排空气法：适用于密度比空气大的气体，收集的气体相对干燥。思维提示：“性质决定方法”，这是化学中重要的学科思想。任务二：探究与实践——高锰酸钾制氧，掌握经典流程  教师活动：展示高锰酸钾固体，介绍其为实验室常用原料。“加热它就能获得氧气，让我们通过实验来验证。”首先，播放规范操作视频或教师进行关键步骤演示，同步讲解并设问：“为什么试管口要略向下倾斜？‘先撤导管后熄灯’的顺序如果颠倒，会有什么后果？”强调安全与原理。然后，分发任务单，指导学生分组进行实验。巡视指导，特别关注加热操作、导管口连续均匀气泡产生时才开始收集、水中取出导管再停止加热等关键点。“大家注意观察，集气瓶里的水被排空了，说明什么？我们怎么证明瓶口收集到的就是氧气？”  学生活动：观看演示，理解每个操作步骤背后的原理。分组协作完成实验：检查装置气密性、装药品并固定装置、加热、收集氧气（用排水法）、验满（用带火星木条）、结束实验。记录实验现象，特别是加热时、收集时、验满时的现象。  即时评价标准：1.实验操作是否规范、有序，尤其是加热与撤管顺序。2.是否能在观察到导管口连续均匀气泡冒出时才收集气体。3.能否正确使用带火星木条进行验满操作并描述现象（木条复燃）。  形成知识、思维、方法清单：★高锰酸钾制氧气反应原理：高锰酸钾→加热→锰酸钾+二氧化锰+氧气（文字表达式）。★实验步骤及关键点：查、装、定、点、收、离、熄。★关键操作解析：试管口略向下倾斜（防水倒流炸裂试管）；用排水法收集时，待气泡连续均匀冒出再收集（防止混入空气）；实验结束，先移导管后熄灯（防水倒吸）。★验满方法：用带火星木条放在集气瓶口，若复燃则已满。任务三：分析与建模——抽提反应特点，初建发生装置模型  教师活动：实验结束后，引导学生反思考：“我们刚才搭建的这套让反应发生的装置，有什么特点？”将学生注意力引向反应物（固态）、反应条件（加热）。在黑板上画出该装置简图，并标注“反应物：固体”、“条件：加热”。“像这样，反应物是固体，需要加热来产生气体的装置，我们可以给它一个模型名称，叫‘固体加热型’发生装置。请大家想想，如果未来学到其他也是固体加热制气体的反应，我们能直接套用这个模型吗？”“同学们反应很快！这就是建模的价值，它能帮我们举一反三。”  学生活动：分析高锰酸钾制氧实验，总结反应物状态和反应条件。理解“固体加热型”发生装置的模型特征。尝试进行初步迁移思考。  即时评价标准：1.能否从具体实验中准确抽提出反应物状态和反应条件两个关键变量。2.能否理解“模型”是对一类事物共同特征的抽象概括。  形成知识、思维、方法清单：★气体发生装置选择核心变量：反应物状态、反应条件。★“固体加热型”发生装置模型：适用于反应物为固体（或固体混合物），且需要加热的反应。思维提示：“建模”是化繁为简、实现知识迁移的高阶思维工具。任务四：对比与深化——双氧水制氧，认识催化剂  教师活动：“高锰酸钾法需要加热，操作相对复杂。有没有常温下就能快速制氧的方法？”展示过氧化氢溶液（双氧水）和二氧化锰。首先演示：向少量过氧化氢溶液中加入二氧化锰，立即产生大量气泡，用带火星木条检验。“神奇吗？二氧化锰在这里扮演了什么角色？”引导学生阅读教材关于催化剂的定义。设计对比实验启发思考：“如何证明二氧化锰在反应前后质量不变？化学性质不变？大家可以讨论一下设计方案。”之后，展示一套适用于该反应的简易发生装置（如锥形瓶+分液漏斗）。“大家看，这套装置和‘固体加热型’比，有什么不同？反应物状态和条件有何特点？”  学生活动：观察对比实验，被常温下快速产生氧气的现象吸引。阅读并勾画催化剂定义。小组讨论如何设计实验验证催化剂“两不变”的特性，提出初步想法（如反应后过滤、称量、再放入新双氧水中看是否仍能催化）。对比两套发生装置，分析得出：此反应为“固体+液体，常温”条件。  即时评价标准：1.能否通过观察现象，认识到二氧化锰改变了过氧化氢的分解速率。2.能否准确复述催化剂“一变两不变”的核心内涵。3.在讨论验证方案时，是否体现出一定的逻辑性和创新性。  形成知识、思维、方法清单：★过氧化氢制氧气反应原理：过氧化氢→二氧化锰→水+氧气。★★催化剂概念：能改变化学反应速率，而本身质量和化学性质在反应前后均不变的物质。▲催化作用：催化剂所起的作用。★“固液常温型”发生装置模型：适用于块状固体与液体在常温下反应制取气体。易错点警示：“催化剂是‘参与’反应，但反应前后‘本身’不变”，理解这一点需借助微观想象或后续实验证据。任务五：整合与升华——构建实验室制取气体的思维模型  教师活动：带领学生回顾本课探索的两条路径。在黑板上画出核心思维导图：中心为“实验室制取气体”，一级分支为“发生装置”和“收集装置”。“发生装置”下，根据本课实例，归纳出选择依据是“反应物状态和反应条件”，并列出“固体加热型”和“固液常温型”两个子类及典型装置图。“收集装置”下列出“排水法”和“向上排空气法”及其选择依据。“看，这就是我们今天建构的‘制气模型’。它是一个决策流程图，未来面对任何新的气体制备任务，我们都可以按这个逻辑去思考、去选择。”  学生活动：跟随教师梳理，在笔记本上绘制属于自己的“实验室制取气体思维模型图”。尝试用该模型解释本节课的所有选择，并思考其迁移应用前景。  即时评价标准：1.绘制的思维模型图是否结构清晰、要素完整、关系正确。2.能否口头阐述模型各部分之间的逻辑关系。  形成知识、思维、方法清单：★★实验室制取气体的通用思维模型：1.明确反应原理（化学方程式）→2.根据反应物状态和条件选择发生装置→3.根据气体密度、溶解性等性质选择收集方法→4.根据气体特性设计验满/检验方法。方法提炼：将具体知识归纳为可迁移的模型或程序，是化学学习的核心方法之一。第三、当堂巩固训练  设计分层训练任务：基础层：1.判断：用过氧化氢制氧气时，二氧化锰是反应物。（）2.选择：排水法收集氧气，何时开始收集最适宜？综合层：3.实验室用氯酸钾（固体）和二氧化锰混合加热制氧气，应选用______型发生装置；若用锌粒（固体）与稀硫酸（液体）在常温下反应制氢气（密度比空气小，难溶于水），应选用______型发生装置，收集方法可选用______或______。挑战层：4.【微型项目】为学校化学兴趣小组设计一份“家庭小实验：用厨房材料制取氧气（可选材料：双氧水消毒液、土豆块/猪肝等生物组织作为天然催化剂）”的简易方案草图与安全须知。反馈机制：基础题和综合题通过学生举手反馈、教师快速巡阅或同桌互查方式即时核对；挑战层方案进行小组间展示交流，教师点评其创新性与科学性。第四、课堂小结  引导学生进行自主小结：“请用一分钟，在脑子里或纸上画出你今天最大的收获。”邀请几位学生分享，教师补充完善。知识整合：强调“原理—装置—操作—检验”的完整性，以及两种制法、两种装置模型、两种收集方法的对比脉络。方法提炼：回顾“科学探究”的步骤和“模型认知”的建立过程。作业布置：必做：1.整理课堂笔记，完善“实验室制取气体思维模型图”。2.完成练习册上对应基础题。选做：查阅资料，了解工业上“深冷法”分离液态空气制氧的原理，并与实验室方法进行对比，撰写一份简短的对比报告（100200字）。预告下节课：“下节课我们将用制得的氧气，更深入地探究它的化学性质，看看这位‘助燃高手’还能与哪些物质发生精彩的对话。”六、作业设计基础性作业：1.默写高锰酸钾、过氧化氢分解制取氧气的文字表达式。2.简述用高锰酸钾制取氧气的实验步骤（可用“查、装、定、点、收、离、熄”关键字辅助记忆），并解释“先撤导管后熄灯”的原因。3.填空：实验室收集氧气，可用______法，因为氧气______；也可用______法，因为氧气______。拓展性作业：4.【情境应用】医院抢救病人时需要用到氧气，你认为医院的氧气钢瓶中的氧气，是更适合用工业制法还是实验室制法获得？请从原料、成本、产量、纯度等角度简要说明理由。5.设计一个表格，对比高锰酸钾和过氧化氢两种实验室制取氧气方法在反应原理、发生装置、操作优点与缺点等方面的异同。探究性/创造性作业：6.【家庭探究】寻找家中的过氧化氢消毒液（注意浓度，勿用手直接接触），尝试用土豆块、新鲜猪肝或红砖粉末等作为催化剂，设计并进行一个简单的氧气产生小实验（在成人监护下进行，注意安全与清洁），记录你的发现和思考。七、本节知识清单及拓展★1.高锰酸钾制氧气反应原理：高锰酸钾→加热→锰酸钾+二氧化锰+氧气。这是必须准确记忆的文本表达式，是实验的出发点。★2.高锰酸钾制氧气实验步骤（七字诀）：查（气密性）、装（药品）、定（装置）、点（酒精灯加热）、收（集气体）、离（将导管移出水槽）、熄（灭酒精灯）。顺序至关重要，关乎实验成败与安全。★3.关键操作与原因：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，待导管口气泡连续均匀冒出后再收集（先排出的是装置内空气）；实验结束，先移导管后熄灯（防水倒吸炸裂试管）。★4.氧气验满方法：用带火星的木条放在集气瓶口，若木条复燃，则证明氧气已收集满。这是基于氧气支持燃烧的性质。★5.过氧化氢制氧气反应原理：过氧化氢→二氧化锰→水+氧气。注意二氧化锰是反应条件，写在箭头上方。★★6.催化剂概念：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。核心是“一变（速率）两不变（本身质量和化学性质）”。★7.“固体加热型”发生装置：适用于反应物为固体（或固体混合物），且需要加热的反应。如高锰酸钾、氯酸钾（与二氧化锰混合）制氧气。★8.“固液常温型”发生装置：适用于块状固体与液体在常温下进行的反应。如过氧化氢溶液与二氧化锰制氧气，锌粒与稀硫酸制氢气。★9.收集方法选择依据：排水法（气体难溶于水或不易溶于水，如O₂、H₂）；排空气法（向上：气体密度比空气大，如O₂、CO₂；向下：气体密度比空气小，如H₂）。▲10.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，再升温控制温度蒸发，先后分离出氮气、氧气等。属于物理变化。★11.检验氧气的方法：将带火星的木条伸入集气瓶内，若木条复燃，则该气体是氧气。注意与“验满”操作（放瓶口）的区别。思维方法清单：★12.科学探究一般步骤：提出问题→猜想与假设→设计实验→进行实验→收集证据→解释与结论→反思与评价→表达与交流。本课完整体现了这一过程。★★13.实验室制取气体的思维模型：明确原理→根据反应物状态和条件选发生装置→根据气体性质选收集方法→设计验满/检验方案。这是可迁移的核心能力。▲14.控制变量思想：在探究过氧化氢分解的催化剂时，若要比较不同催化剂的效率，需保证过氧化氢浓度、体积、温度等其他条件相同。八、教学反思  （一）目标达成度分析。本节课预设的知识与技能目标通过分组实验与思维建模，大部分学生能够达成。从课堂提问和巩固练习反馈看，学生对两种制氧原理、操作步骤及收集方法掌握较好。能力目标方面，“完成实验操作”在小组协作下基本实现，但个体操作熟练度存在差异；“初步建立装置选择模型”通过最后的思维导图构建，约70%的学生能当堂复现模型框架，表明模型建构过程有效，但深度迁移能力需后续课程持续强化。素养目标的达成渗透于过程之中，学生在实验中的专注态度和对比分析时的积极讨论，是科学探究精神与证据推理素养萌发的直观体现。  （二）核心环节有效性评估。导入环节的情境（急救与航天）能快速聚焦学生注意力，成功建立学习必要性认知。“任务二”的分组实验是高潮部分，学生参与度极高，但巡视中发现部分小组在“连续均匀气泡收集”和撤管顺序上仍需教师反复提醒，未来可考虑在关键步骤设置“小组监督员”角色，加强组内互评。任务四中“催化剂”概念的突破，对比实验现象震撼，但对其“两不变”本质的深层理解仍显抽象，虽然讨论了验证方案，但限于课时未能实地开展，部分学生可能存疑。这提示我，是否可以将验证催化剂性质的实验作为课后延伸探究项目，或利用数字化传感器（如反应前后质量称量）制作微课，提供更直观的证据支撑。  （三）学生表现与差异化关照