基于科学探究与社会议题的深度学习-初中化学“氧气的实验室制取与性质探究”单元教学设计（2课时）

基于科学探究与社会议题的深度学习——初中化学“氧气的实验室制取与性质探究”单元教学设计（2课时）一、教学内容分析  本课内容隶属于初中化学课程标准中“身边的化学物质”及“物质的化学变化”主题，是学生系统学习气体制备的起始课，具有承上启下的关键作用。从知识技能图谱看，它上承物质的性质（氧气助燃性）、下启气体的收集与检验方法，是构建“反应原理—发生装置—收集装置—检验验满”气体制备通用模型的关键节点，要求学生从识记步骤上升到理解原理并初步应用。过程方法上，课标强调“科学探究”，本课是学生体验完整实验探究流程（提出问题、猜想与假设、进行实验、获得结论）的绝佳载体。通过对催化剂概念的初步接触，渗透“控制变量”的科学思维方法。素养价值渗透方面，本课知识载体背后，指向“科学探究与创新意识”（严谨设计并动手实践）、“证据推理与模型认知”（从具体反应抽象出制取模型）以及“科学态度与社会责任”（理解化学对社会发展的贡献，如医用氧气的制备，树立安全规范意识）。  从学情研判，九年级学生已初步了解氧气的部分性质，对化学实验充满好奇与动手热情，这是宝贵的教学起点。然而，学生的认知基础存在分化：部分学生具备较好的观察与描述能力，但在将具体实验现象与抽象反应原理关联、将零散操作整合成系统方法方面存在障碍；另一部分学生可能对“催化剂”等概念感到抽象难懂。常见认知误区包括：误认为催化剂是反应物、混淆不同制氧方法的装置选择依据。因此，教学必须坚持“以学定教”。课堂中将通过前置性问题（如“你认为可以用哪些物质获得氧气？”）进行前测，在探究活动中通过巡视、提问和小组展示进行动态评估。针对差异，将提供可视化思维支架（如装置选择流程图）、分层任务单（基础操作指导与拓展思考题并行），并为动手能力较弱的学生配备操作微视频辅助，确保所有学生都能在“最近发展区”内获得发展。二、教学目标  知识目标：学生能够准确书写高锰酸钾、过氧化氢分解制取氧气的化学方程式，理解其反应原理；能依据反应物状态和条件，合理选择并组装实验室制取氧气的发生与收集装置，清晰阐述选择依据；初步了解催化剂的概念与作用，能辨析其在反应前后的“一变两不变”特征。  能力目标：通过小组合作，能够独立、规范地完成高锰酸钾制取氧气的实验操作，并成功收集一瓶氧气；在探究过氧化氢制氧的活动中，能初步设计简单对比实验，观察并记录现象，基于证据推理二氧化锰的催化作用；初步形成基于反应原理选择实验装置的系统化思维模型。  情感态度与价值观目标：在实验探究中体验科学发现的严谨与乐趣，增强团队协作意识；通过讨论医用氧、航天供氧等社会议题，体会化学技术在保障生命健康、推动科技进步中的价值，激发学习化学的社会责任感。  科学思维目标：发展“宏观微观符号”三重表征思维，能将具体的实验现象（气泡产生）、微观的反应过程（分子分解）、抽象的化学方程式进行有机联系；运用“控制变量”思想设计对比实验，初步建立基于证据进行推理的思维习惯。  评价与元认知目标：能够依据实验操作评价量规，对自身或同伴的实验规范性进行评价；在课堂小结环节，能运用思维导图等工具自主梳理知识脉络，反思“我是如何学会选择装置”的思维过程，提升学习策略的元认知水平。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（发生与收集）的选择与组装。确立依据：从课程标准看，此为“学习基本的实验技能”和“完成基础的学生实验”的核心要求，是构建气体制备这一“大概念”的基石。从学业评价看，气体制备原理与装置选择是中考化学的经典考点，贯穿于推断、实验探究等多种题型，深刻体现了从知识记忆到能力应用、从孤立操作到系统思维的命题立意。  教学难点：对催化剂概念的理解，以及从具体反应中抽象概括出“固体加热型”和“固液常温型”两类发生装置的选择模型。预设依据：催化剂“一变两不变”的特性抽象，学生易受“参与反应”这一前概念干扰。装置选择需综合反应物状态、反应条件等多重因素，逻辑复杂度较高，是学生从模仿操作到理性设计的关键跨越点。突破方向在于，通过鲜明的对比实验建立催化剂表象，再通过原理与装置的匹配性讨论，引导学生自主归纳选择规律。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含工业制氧、急救吸氧等视频片段）、交互式电子白板。1.2实验器材与药品：（分组实验，4人一组）铁架台、酒精灯、试管、导管、集气瓶、水槽、棉花；高锰酸钾、过氧化氢溶液、二氧化锰、木条、火柴。另备演示实验一套。1.3学习材料：分层学习任务单（含基础任务与挑战任务）、实验操作评价量规、课堂巩固分层练习卷。2.学生准备2.1知识预备：复习氧气的主要物理性质和化学性质。2.2物品准备：教材、笔记本。3.环境布置3.1座位安排：小组合作式座位，便于实验与讨论。3.2板书记划：预留左侧板书核心原理与装置图，右侧作为学生观点展示与生成区。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（播放医院急救吸氧、潜水员深海作业、火箭发射助燃的短片）。氧气，是生命支持和技术发展的关键物质。那么，在实验室里，我们如何才能高效、安全地获得这纯净的氧气呢？这和我们工业上分离空气制氧有什么不同？2.核心问题提出与路径规划：今天，我们就化身小小化学工程师，一起来探索实验室制取氧气的奥秘。我们将从“反应原理”这座灯塔出发，设计并搭建“实验装置”这座桥梁，最终成功抵达“制得纯净氧气”的彼岸。大家回忆一下，氧气有哪些特性能帮助我们“捕捉”它？（引导学生回顾密度、溶解性，为收集方法做铺垫）。第二、新授环节任务一：回顾工业之法，初探化学之径——制氧思路的转变教师活动：首先，我们来对比一下思路。工业上通过分离液态空气制氧，利用的是氧气和氮气的什么不同？（物理性质，沸点）。这是一种物理变化。但在实验室，我们通常追求快速、少量，更倾向于选择通过什么变化来制取？（化学变化）。对，通过某些物质的分解反应来制取。那么，哪些含氧物质在特定条件下能分解放出氧气呢？请大家结合预习和已有知识大胆猜想。（板书学生猜想，如过氧化氢、高锰酸钾、氯酸钾等）。好，猜想需要实验来验证，今天我们就聚焦其中最典型的两种方法。学生活动：观看视频，联系已有物理知识回答工业制氧原理。对比思考实验室与工业需求的差异。基于预习和常识，提出可能用于实验室制氧的物质，并与同学交流。即时评价标准：1.能否清晰表述工业制氧的物理原理。2.能否理解实验室制氧的出发点（快速、少量、化学变化）。3.猜想是否合理，能否提供简单依据（如物质中含有氧元素）。形成知识、思维、方法清单：★工业与实验室制氧区别：工业规模大，利用物理性质差异（沸点）；实验室规模小，常利用含氧物质的化学分解反应。▲思路引导：这是从物理方法到化学方法的思维转换点，也是建立“需求决定方法”的工程思维起点。★反应物猜想原则：物质需含氧元素，且在实验条件下能发生分解。▲方法提示：大胆猜想是科学探究的第一步，后续需严谨验证。任务二：探究“悄然生变”的奥秘——过氧化氢分解与催化剂概念建构教师活动：我们先探究第一种方法：过氧化氢（双氧水）溶液分解。大家看，这瓶普通的过氧化氢溶液，室温下平静吗？（倾倒少许，无明显现象）。它自己能快速产生氧气吗？怎样能让它“活跃”起来？我向其中加入少量黑色粉末（二氧化锰），请大家仔细观察，告诉我你看到了什么？（大量气泡迅速产生）。这黑色粉末是反应物吗？我们如何证明？别急，我们来做个小侦探：反应结束后，我将混合物过滤、洗涤、干燥，得到黑色粉末，再放入一份新的过氧化氢溶液中——看，气泡再次迅速产生！而且这粉末的质量和化学性质在反应前后保持不变。这种神奇的物质，我们称之为“催化剂”。它像一位热情的“红娘”，加快了反应的“缘分”，但自己“容颜未改”。学生活动：观察教师演示实验，准确描述“加入二氧化锰前后，气泡产生速率剧烈变化”的现象。思考并讨论如何设计实验证明二氧化锰不是反应物。在教师引导下，理解催化剂“改变反应速率，本身质量和化学性质不变”的核心内涵。尝试口头描述催化剂的“一变两不变”。即时评价标准：1.观察是否细致，描述现象是否准确、完整。2.在讨论证明方法时，逻辑是否清晰（如分离、再验证）。3.能否用自己的话初步解释催化剂的作用。形成知识、思维、方法清单：★过氧化氢制氧原理：过氧化氢（H₂O₂）在二氧化锰（MnO₂）催化下分解为水和氧气。化学方程式是学习的重点，需配平并强调反应条件。▲实验观察要点：对比是关键，要聚焦于反应速率（气泡产生的快慢）的显著变化。★催化剂概念：能改变（多为加快）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。其特点概括为“一变两不变”。▲思维方法：此处是渗透“控制变量”思想的良机（比较加入MnO₂前后，其他条件相同）。★概念辨析：催化剂是反应“条件”，非“反应物”，也不决定反应能否发生。任务三：动手“搭建产线”——高锰酸钾制氧的反应原理与装置探究教师活动：接下来，我们亲自动手，搭建第二条“生产线”：加热高锰酸钾制氧。请大家先别急着动手，我们一起来设计。首先，看反应原理（展示高锰酸钾固体，写出化学方程式）。这个反应需要什么条件？（加热）。反应物是什么状态？（固态）。好，反应物是固体，需要加热，那么发生装置该选择哪种类型？回忆一下我们学过的仪器。（引导学生选择试管、酒精灯等，并组装成“固体加热型”装置）。装置中为何要塞一团棉花？（防止固体粉末堵塞导管，是安全规范教育点）。氧气如何收集？根据它的性质，有几种方法？（排水法——不易溶于水；向上排空气法——密度比空气略大）。哪种方法更纯、更便于观察？（排水法）。现在，请大家根据任务单上的步骤提示，小组合作，开始你们的制氧工程！学生活动：阅读教材或任务单，理解高锰酸钾制氧的化学方程式及反应条件。在教师引导下，基于反应物状态（固态）和条件（加热），小组讨论并选择合适的仪器，尝试画出发生装置草图。理解棉花的作用。根据氧气密度和溶解性，确定收集方法。小组分工，动手实验，用排水法收集一瓶氧气。即时评价标准：1.能否根据反应原理正确选择发生装置类型（固体加热型）。2.实验操作是否规范（如试管口略向下倾斜、用外焰加热、导管刚露出橡皮塞等）。3.小组分工是否明确，协作是否有序。4.能否成功收集到一瓶氧气。形成知识、思维、方法清单：★高锰酸钾制氧原理：高锰酸钾（KMnO₄）加热分解为锰酸钾、二氧化锰和氧气。化学方程式需准确书写，强调配平与加热条件。★“固体加热型”发生装置：核心仪器组合：铁架台（带铁夹）+酒精灯+试管（口略向下倾斜）。这是第一个气体制备模型，务必掌握。▲安全与规范：试管口略向下倾斜（防冷凝水倒流炸裂）；导管稍伸出橡皮塞即可（利于排气）；管口塞棉花（防粉末喷出）。这是培养严谨科学态度的关键细节。★收集方法选择依据：排水法（氧气不易溶于水）——气体较纯；向上排空气法（密度比空气大）——气体较干燥。培养基于性质选择方法的能力。任务四：检验“产品”与模型初建——氧气的检验及装置选择归纳教师活动：各小组陆续收集到了气体，但如何证明我们收集到的就是氧气呢？对，用带火星的木条。（演示或请学生操作：将带火星的木条伸入集气瓶口，若复燃，则为氧气）。恭喜大家，产品检验合格！现在，让我们停下手中的操作，抬头思考。我们学习了两种制氧方法：加热高锰酸钾（固体，加热）和过氧化氢加二氧化锰（液体+固体，常温）。请大家对比一下，它们对应的发生装置有何根本不同？（引导得出“固体加热型”和“固液常温型”）。非常好！这就是我们今天构建的第一个重要模型：选择气体发生装置，关键看什么？——反应物的状态和反应条件。学生活动：观察氧气使带火星木条复燃的现象，巩固氧气检验方法。在教师引导下，对比两种制氧方法的反应物状态与条件，小组讨论并归纳两类发生装置（固体加热型、固液常温型）的适用条件。尝试用简洁的语言或图表表达选择依据。即时评价标准：1.能否规范描述并操作氧气的检验方法。2.能否准确找出两种方法在反应物状态和条件上的差异。3.能否初步概括出选择发生装置的核心依据。形成知识、思维、方法清单：★氧气检验方法：将带火星的木条伸入集气瓶（或瓶口），若木条复燃，则该气体是氧气。这是氧气特征性质的直接应用。★气体制备模型I：发生装置选择：核心依据是反应物的状态和反应条件。固体加热型（如加热KMnO₄）；固液常温型（如H₂O₂与MnO₂混合）。▲模型认知价值：此模型具有可迁移性，为后续学习二氧化碳等气体的制取奠定思维基础。★知识关联：将具体的实验操作（用什么装置）与抽象的反应原理（什么物质、什么条件）建立强关联，是避免死记硬背的关键。任务五：深化理解与辨析——多角度再认识催化剂教师活动：学到这里，让我们再回头审视一下“催化剂”这位神秘嘉宾。是不是所有反应的催化剂都像二氧化锰一样是固体？有没有液体或气体的催化剂？（拓展举例：硫酸是酯化反应的催化剂）。催化剂总是加快反应吗？（引出“负催化剂”或抑制剂概念，如橡胶老化延缓剂）。那么，没有催化剂，反应就一定不能发生吗？想想过氧化氢，不加二氧化锰，它放在那里时间长了自己会不会慢慢分解？（会，但极慢）。所以，催化剂不改变化学反应的可能，只改变实现的“速度”。现在，大家对“一变两不变”的理解是不是更深刻了？学生活动：倾听教师讲解，理解催化剂的多样性和“负催化剂”概念。通过辨析，深化理解催化剂不决定反应能否发生，只改变反应速率。修正和完善对催化剂的初步认识。即时评价标准：1.能否接受催化剂状态多样性的拓展知识。2.能否理解“催化剂不决定反应能否发生”这一关键点，澄清可能存在的误解。形成知识、思维、方法清单：▲催化剂的状态与作用方向：催化剂可以是固、液、气态；多数加快反应，也有减慢反应的（负催化剂）。拓展视野，避免思维定势。★催化剂作用的本质理解：催化剂只改变化学反应速率，不决定反应能否发生（即不改变反应的可能性）。这是深化理解、突破难点的核心论述。★易错点辨析：“一变”是变速率，不是变质量或性质；“两不变”是反应前后催化剂自身的质量和化学性质不变，它可能参与反应中间过程。▲科学态度：认识是不断深化的，要勇于修正和完善自己的观点。第三、当堂巩固训练  现在，我们通过一组分层练习来巩固今天的学习成果。基础层：1.写出实验室用高锰酸钾和用过氧化氢制取氧气的化学方程式。2.判断题：催化剂在化学反应前后性质不变（）；没有催化剂，反应就不能进行（）。综合层：3.根据右图（展示固液常温型发生装置图），判断该装置可用于制取哪些气体？并说明理由。4.实验室用氯酸钾（固体）和二氧化锰混合加热制氧，应选用哪种发生装置？若用排水法收集，实验结束时，应如何操作？为什么？（强调防倒吸）。挑战层：5.设计一个简单实验，证明土豆块（含过氧化氢酶）也能催化过氧化氢分解，并说明设计思路。反馈机制：学生独立完成后，小组内交换批改基础题，教师巡视获取共性问题。针对综合层与挑战层问题，邀请不同层次学生展示答案，教师重点讲评装置选择依据和实验安全操作（如“先移导管后熄灯”），展示典型错误案例并分析原因。对挑战层设计思路给予肯定，鼓励课外实践验证。第四、课堂小结  同学们，今天的“制氧工程”即将竣工。请大家不要急着合上课本，花两分钟时间，在笔记本上画一画本节课的“知识地图”，或者用几句话梳理一下：今天我们主要研究了几件事？它们之间的逻辑关系是什么？（给予学生安静梳理时间）。谁来分享一下你的知识脉络？（请12名学生展示）。很好，我们不仅学会了两种制氧方法，更重要的是，我们建立了一个选择气体发生装置的思维模型（指板书）。课后，请大家完成分层作业，并预习思考：如果要制取二氧化碳气体（反应原理：大理石与稀盐酸常温反应），该选择哪类装置？为什么？这将是我们下节课的起点。六、作业设计基础性作业（必做）：1.整理课堂笔记，完整写出两种制氧原理的化学方程式，并画出对应的发生装置图。2.完成课本后关于制取氧气的基础练习题。拓展性作业（建议完成）：3.查阅资料，了解家庭急救用的“氧气包”或便携式制氧机的原理，与实验室方法进行对比，写一份不超过200字的简要分析报告。4.以“催化剂的自述”为题，写一篇小短文，介绍自己的特点和功能。探究性/创造性作业（选做）：5.在家务劳动中寻找可能的催化剂：设计实验探究新鲜猪肝、土豆、铁锈等物质对过氧化氢分解是否有催化作用（注意安全，在家长陪同下进行，使用低浓度过氧化氢）。记录现象并尝试解释。七、本节知识清单及拓展★1.实验室制取氧气的两种主要方法：一是加热高锰酸钾（KMnO₄），生成锰酸钾（K₂MnO₄）、二氧化锰（MnO₂）和氧气（O₂）；二是过氧化氢（H₂O₂）在二氧化锰催化下分解为水（H₂O）和氧气（O₂）。掌握化学方程式的书写是核心。★2.催化剂及其特点：催化剂是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不变的物质。特点概括为“一变（反应速率）两不变（自身质量与化学性质）”。★3.“固体加热型”发生装置：适用于反应物为固体，需要加热的反应，如加热高锰酸钾制氧。关键仪器：铁架台、酒精灯、试管（口略向下倾斜）。★4.“固液常温型”发生装置：适用于反应物为固体和液体，在常温下进行的反应，如过氧化氢与二氧化锰混合制氧。关键仪器：锥形瓶/试管、长颈漏斗/分液漏斗、导管。★5.气体发生装置选择模型：选择依据首要看反应物状态和反应条件。此为气体制备的通用思维模型，务必理解并会应用。★6.氧气收集方法：排水法（因氧气不易溶于水）——收集气体较纯；向上排空气法（因氧气密度比空气略大）——收集气体较干燥。★7.氧气检验与验满方法：检验：将带火星的木条伸入集气瓶内，若复燃则为氧气。验满（用排水法时）：集气瓶口有大气泡冒出则满；（用向上排空气法时）：将带火星木条放于集气瓶口，若复燃则满。▲8.加热高锰酸钾制氧的注意事项：试管口略向下倾斜（防冷凝水倒流）；导管刚露出橡皮塞（利排气）；试管口塞一团棉花（防粉末堵塞导管）；实验结束先移导管后熄灯（防水倒吸）。这些是安全与规范操作要点。▲9.催化剂概念的深化：催化剂不一定是固体，也不总是加快反应（有负催化剂）；催化剂不决定反应能否发生，只改变反应的速率。避免对概念的理解片面化。▲10.工业制氧与实验室制氧的区别：工业上主要通过分离液态空气（物理变化），规模大；实验室通过化学分解反应（化学变化），追求快速、少量。体现了“需求决定方法”的应用思路。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析。从课堂反馈和巩固练习完成情况看，大部分学生能准确书写两种制氧反应的化学方程式，并能依据反应原理选择相应的发生装置简图，表明知识目标基本达成。在能力目标上，小组实验成功率高，但观察到少数小组在加热操作、导管连接等细节上存在不规范，需后续加强个别指导与强化训练。对催化剂概念的理解，通过课末的深化辨析，学生普遍能纠正“催化剂是反应物”的错误前概念，但对其参与中间过程的微观本质，理解仍停留在表面，这符合初中阶段认知水平。  （二）核心环节有效性评估。任务二（催化剂探究）的演示实验对比鲜明，成功引发了认知冲突，是概念的强力锚点。任务三（动手制氧）学生参与度高，但时间略显紧张，部分小组忙于操作而疏于思考装置选择的“所以然”。下次可考虑将装