制氧探险队：解码空气守护“天空之城”-九年级化学《制取氧气》项目式教学设计

制氧探险队：解码空气，守护“天空之城”——九年级化学《制取氧气》项目式教学设计一、教学内容分析  本课内容选自人教版九年级化学上册第二单元《我们周围的空气》课题3《制取氧气》。从《义务教育化学课程标准（2022年版）》出发，本课是学生系统学习化学实验的奠基之作，具有承上启下的枢纽地位。知识技能图谱上，它要求学生从宏观上认知氧气的实验室制取原理与操作，从微观上初步理解催化剂的“一变二不变”特性，并掌握分解反应的概念。这不仅是对第一单元基本实验操作的深化应用，更是后续学习二氧化碳等气体制取、理解化学反应分类与定量关系的认知模型原型。过程方法路径上，课标强调“科学探究与化学实验”的核心地位。本课天然是科学探究的绝佳载体，从“反应原理选择”到“装置设计与优化”，再到“操作与检验”，构成了一个完整的探究闭环，旨在培养学生提出问题、设计实验、动手操作、分析证据、得出结论的科学实践能力。素养价值渗透上，本节课的知识载体蕴含着丰富的育人价值。通过“实验室制氧”与“工业制氧”、“航天制氧”的对比联系，引导学生体会科学技术服务于社会发展的应用价值；在严谨的“查、装、定、点、收、离、熄”操作训练中，培育学生一丝不苟、敬畏科学的实证精神与责任意识；整个“探险”情境的创设，旨在激发学生探索自然奥秘、解决真实问题的内在动机与创新意识。  基于“以学定教”原则，进行如下学情研判。已有基础与障碍：学生在课题2已学习了氧气的性质，对氧气的重要性有感性认识，具备初步的观察和描述现象能力。但将具体实验操作整合为系统化实验方案的能力较弱；对“催化剂”这类抽象概念的理解易停留于表面，可能与前概念“催化剂是参与反应的反应物”产生冲突；对实验中的“为什么”（如试管口为何略向下倾斜）缺乏深度思考。过程评估设计：将通过课堂导入的问题反馈、小组方案设计的讨论参与度、实验操作过程的规范性观察、以及针对“催化剂”概念的即时性提问，动态把握学生对原理的理解深度和操作技能的形成程度。教学调适策略：针对原理理解困难的学生，提供“催化剂”微观作用的动画模拟作为可视化支架；针对动手能力强的学生，鼓励其担任小组“安全官”或尝试设计“排水法”与“向上排空气法”的对比方案；针对思维活跃的学生，引导其思考“能否用其他物质（如氧化汞）制氧？为什么教材不选？”等拓展性问题，实现分层引领。二、教学目标  知识目标：学生能准确陈述实验室用过氧化氢溶液和加热高锰酸钾制取氧气的反应原理，并能正确书写相应的文字表达式；能阐明催化剂在化学反应中“改变反应速率、本身质量和化学性质不变”的核心特性；能依据反应物状态和条件，辨析并选择合理的发生与收集装置，构建气体制取的一般认知模型。  能力目标：学生能独立或在小组合作中，规范、安全地完成加热高锰酸钾制取氧气的实验操作；能基于实验现象和数据（如带火星木条复燃），进行证据推理，得出氧气已收集满的结论；能初步运用“变量控制”思想，设计简单对比实验（如探究二氧化锰的催化作用），提升科学探究能力。  情感态度与价值观目标：学生在模拟“为天空之城供氧”的项目探索中，体验科学知识解决实际问题的价值，增强社会责任感；在小组合作实验过程中，培养严谨求实、相互协作的科学态度与安全意识，形成对化学实验的积极情感。  科学思维目标：通过“反应原理→发生装置→收集装置”的线性推理，发展学生的“模型认知”能力，初步建立根据反应物和生成物特性选择气体实验装置的系统思维；通过辨析“催化剂”与“反应物”的本质区别，以及对比实验室与工业制氧方法的异同，培养学生的“证据推理与模型认知”及“科学态度与社会责任”核心素养。  评价与元认知目标：引导学生利用教师提供的“实验操作评价量规”进行小组间互评，反思本组在操作规范、团队协作方面的得失；在课堂小结环节，鼓励学生绘制本课知识思维导图，梳理“制取氧气”的知识逻辑与方法逻辑，提升知识结构化与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）的选择依据以及规范的操作步骤。确立依据在于，这是《课程标准》中明确要求掌握的化学实验基础技能，是“科学探究”素养落地的重要载体。从知识结构看，这是学生首次系统学习气体实验室制法，其中蕴含的“反应原理决定发生装置，气体性质决定收集方法”的认知模型，是后续学习二氧化碳等气体制取的通用思维工具，具有极强的迁移价值，也是学业水平考试中实验探究题的高频考点。  教学难点：对催化剂概念的理解，以及实验操作中细节的规范把握与原理关联。预设依据源于学情分析：催化剂“一变二不变”的特性较为抽象，学生容易将其误解为“反应物”或“仅加快反应”。同时，实验操作步骤多且每一步都有严谨的化学原理支撑（如：试管口略向下倾斜是为了防止冷凝水倒流炸裂试管），学生易出现“只记步骤，不明其理”的机械学习，在独立操作或情境变化时容易出错。突破方向在于，通过对比实验（如过氧化氢溶液单独加热与加入二氧化锰）建立感性认知，再通过动画模拟和概念辨析促进理性建构；通过“步步追问为什么”的策略，将操作细节与化学原理紧密挂钩。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“天空之城”情境短片、制氧原理动画、实验操作微视频）、交互式电子白板。1.2实验器材：分组实验（6组）：铁架台、酒精灯、试管、导管、水槽、集气瓶、毛玻璃片、高锰酸钾、药匙、棉花、火柴、木条。演示实验：过氧化氢溶液、二氧化锰、分液漏斗、锥形瓶、木条。1.3学习材料：“制氧探险队”任务手册（内含任务单、实验记录表、操作评价量规）、分层巩固练习卡。2.学生准备预习教材，了解氧气制取的几种方法；复习氧气的物理性质（特别是密度与溶解性）。3.环境布置教室桌椅按6个“探险小队”（学习小组）环形排列，方便讨论与实验；黑板划分出“原理区”、“装置区”、“操作要点区”和“我们的发现区”。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设：同学们，今天我们将化身为一支支“制氧探险队”。（播放一段30秒的科幻风格短片，展示一座依靠先进科技悬浮于云端的“天空之城”画面，并伴随画外音：“这座未来之城的生命维持系统面临挑战——如何确保所有居民都能呼吸到新鲜、充足的氧气？”）画面定格。大家想一想，如果由我们这支化学探险队来负责这座城市的应急供氧系统，我们可以利用哪些化学知识来完成任务？  1.1问题提出：“从我们身边的空气、水或常见物质中，如何安全、高效地‘解锁’生命之气——氧气？”这就是我们今天要挑战的核心任务。咱们比的不仅是谁能制出氧气，更是哪支队伍方案最科学、操作最规范、理解最透彻。  1.2路径明晰：要实现这个目标，我们需要像真正的工程师一样思考。首先，我们要勘探“原料”（选择反应原理），然后设计“生产设备”（组装实验装置），接着执行“标准流程”（进行实验操作），最后还要进行“质量检测”（检验与验满）。大家之前已经知道氧气能支持燃烧，这就是我们最好的“检测器”。准备好开始我们的探险之旅了吗？第二、新授环节任务一：勘探原料——探究制氧反应的原理教师活动：首先，我们来探究第一种制氧方案。请大家观察实验台，我这里有一瓶过氧化氢溶液（俗称双氧水）。我把它缓缓倒入装有二氧化锰的锥形瓶中，注意看现象。（演示实验）有大量气泡产生！现在我用带火星的木条去检验生成的气体……复燃了！这说明什么？对，是氧气。但请思考：氧气到底是谁产生的？是过氧化氢，还是二氧化锰，或是它们共同作用？我们来做个小侦探：我取少量过氧化氢溶液于试管中，单独加热，再用带火星木条检验，大家观察现象怎么样？（现象不明显）。现在，我向另一支装有等量过氧化氢的试管中加入一点二氧化锰，再检验。哇，迅速产生气泡，木条复燃！这对比说明了什么？“同学们，二氧化锰在这里扮演了什么角色？它是‘参与者’还是‘助推者’？”学生活动：观察教师演示实验，对比两组实验现象的显著差异。小组内讨论，基于“变量控制”的思想，推理二氧化锰的作用。尝试用自己的语言描述观察结果并得出结论：二氧化锰能加快过氧化氢的分解，但本身似乎没有耗尽。阅读教材，初步形成对催化剂“一变二不变”特性的认识。即时评价标准：1.观察是否细致，能否准确描述两组对比实验的现象差异。2.讨论时，观点是否有实验现象作为依据。3.能否初步使用“改变反应速率”、“本身可能没变”等术语进行描述。形成知识、思维、方法清单：  ★过氧化氢制氧原理：过氧化氢（$H_2O_2$）在二氧化锰（$MnO_2$）作催化剂的条件下，分解生成水和氧气。文字表达式：过氧化氢$\xrightarrow[\text{二氧化锰}]{\text{}}$水+氧气。  ★催化剂：像二氧化锰这样，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，叫作催化剂。催化作用即催化剂所起的作用。教学提示：强调“改变”包括加快和减慢，“二不变”是理解关键，可通过反应后分离、称重、再使用的设想来加深理解。  ▲对比实验方法：通过只改变一个条件（是否加二氧化锰），控制其他条件相同，来探究该条件（催化剂）对实验结果（反应速率）的影响。这是科学探究的重要思想。任务二：优选方案——学习加热高锰酸钾制氧法教师活动：过氧化氢方案常温即可进行，很方便。但探险队需要多手准备。还有一种更经典、更稳定的实验室方法——加热高锰酸钾。请大家阅读教材相关部分，并思考：1.反应原理是什么？2.为什么试管口要塞一团棉花？3.反应属于我们学过的哪一基本反应类型？给各小组2分钟讨论。“好，请‘智慧队’分享第一个问题。嗯，文字表达式书写非常规范。那‘探索队’来说说棉花的作用？猜猜看，如果不塞棉花可能会怎样？（可能有粉末冲出导管哦！）”学生活动：自主阅读教材，用笔圈划关键信息。小组讨论三个引导性问题，并派代表分享。书写加热高锰酸钾制取氧气的文字表达式。尝试与化合反应对比，初步归纳分解反应的特征。即时评价标准：1.阅读时能否提取关键信息。2.能否准确书写文字表达式。3.对“塞棉花”等安全细节的关注与合理解释。形成知识、思维、方法清单：  ★高锰酸钾制氧原理：高锰酸钾（$KMnO_4$）$\xrightarrow[\text{}]{\text{加热}}$锰酸钾（$K_2MnO_4$）+二氧化锰（$MnO_2$）+氧气（$O_2$）。文字表达式务必熟记。  ★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。可简记为“一变多”。教学提示：与化合反应（“多变一”）进行对比，初步建立化学反应分类的视角。  ▲实验安全细节：加热高锰酸钾时，试管口要塞一团棉花，防止加热时粉末进入导管，堵塞导管或进入集气瓶。体现化学实验的安全至上原则。任务三：设计蓝图——组装气体发生与收集装置教师活动：原理确定了，接下来设计“生产设备”。请大家观察实验台上的各种仪器。（拿起试管和带导管的单孔塞）如果我们用加热高锰酸钾的方案，发生装置需要哪些仪器？为什么选择它们？（引导思考：反应物状态？反应条件？）收集装置呢？我们有水槽和集气瓶（排水法），也有集气瓶和玻璃片（排空气法）。选择依据是什么？“来，请‘创新队’分析一下，如果我们要收集一瓶干燥的氧气，能用排水法吗？为什么？对，因为氧气不易溶于水，所以排水法可行且纯度较高；那向上还是向下排空气法呢？想想氧气的密度。”学生活动：观察仪器，结合反应原理（固体、加热），小组合作尝试拼接加热高锰酸钾制氧的发生装置。讨论并总结气体发生装置的选择依据：由反应物的状态和反应条件决定。对比氧气的物理性质（不易溶于水、密度比空气略大），推导出可用排水法或向上排空气法收集，并比较两种方法的优缺点。即时评价标准：1.小组合作组装装置的速度与正确性。2.表达时，能否清晰陈述“反应物状态和条件决定发生装置”、“气体性质决定收集方法”的选择逻辑。形成知识、思维、方法清单：  ★气体发生装置选择：反应物为固体，反应条件需要加热，选用“固体加热型”发生装置（典型仪器：铁架台、酒精灯、试管）。  ★气体收集方法选择：排水法适用于不易溶于水且不与水反应的气体（如$O_2$），优点是纯度较高；向上排空气法适用于密度比空气大的气体（如$O_2$、$CO_2$），优点是操作相对简便，但气体可能不干燥。教学提示：引导学生形成选择思维模型，为后续学习打下基础。  ▲装置气密性检查：连接好装置后，在装入药品前，必须检查装置气密性。方法：将导管末端浸入水中，用手紧握试管，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。任务四：标准作业——实践加热高锰酸钾制取氧气教师活动：蓝图完成，现在进入实战环节！请各探险队严格按照“任务手册”中的操作流程与安全规范，合作完成用加热高锰酸钾制取并收集一瓶氧气的任务。我会巡视指导，并特别关注：1.仪器组装顺序是否合理（从下到上，从左到右）。2.加热操作是否规范（先预热，后固定加热）。3.收集时机与验满方法是否正确。“大家注意，看到导管口有连续均匀的气泡冒出时再开始收集，这才是纯净的氧气。收集满后，怎么验满？对，用带火星的木条放在集气瓶口，看是否复燃。”学生活动：小组分工协作，按照查（气密性）、装（药品，注意在试管口塞棉花）、定（固定装置，注意试管口略向下倾斜）、点（点燃酒精灯，先预热）、收（待连续均匀气泡产生时开始收集）、离（将导管移出水槽）、熄（熄灭酒精灯）的步骤进行实验。记录实验现象，并进行氧气验满操作。即时评价标准：1.操作是否严格遵守“实验操作评价量规”中的步骤与安全规定（如：试管口方向、预热、撤离顺序等）。2.小组内分工是否明确，协作是否高效、有序。3.能否成功收集并验满一瓶氧气。形成知识、思维、方法清单：  ★实验操作步骤口诀：查、装、定、点、收、离、熄。教学提示：每一步均需理解其原理，如“查”是确保体系密闭；“离”后再“熄”是防止水倒吸炸裂试管。  ★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。易错点辨析：与“检验氧气”方法（将带火星木条伸入集气瓶内）区分。  ▲实验成功关键现象：加热后，导管口开始有气泡排出（是空气），待气泡连续、均匀冒出时，才是纯净氧气，此时方可开始收集。任务五：成果验收——检验氧气并反思总结教师活动：各队都成功收集了“战利品”。现在，请用我们学过的知识来确证它就是氧气。如何检验？（学生答：用带火星木条伸入瓶中）。很好，请大家进行检验。检验成功后，我们复盘一下：1.实验中，哪一步你觉得最容易出错？为什么？2.如果收集的氧气中混有较多空气，可能是什么操作失误导致的？“我发现‘先锋队’操作非常流畅，请他们分享一下保持导管口气泡连续均匀的秘诀。”学生活动：用带火星的木条检验自己制取的氧气。小组讨论反思整个操作流程中的易错点和注意事项。分析可能导致气体不纯的原因（如：装置气密性不好、未待气泡连续均匀就收集等），并分享成功经验。即时评价标准：1.检验操作是否正确。2.反思是否深入，能否从原理层面分析操作失误的后果。3.是否乐于分享经验或提出有价值的问题。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内，若木条复燃，则该气体是氧气。  ★导致气体不纯的常见操作失误：①装置气密性不佳，混入空气；②未等导管口气泡连续均匀冒出（此时排出的是装置内空气）就开始收集；③用排空气法收集时，导管未伸至集气瓶底部。  ▲工业制氧方法简介：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。与实验室制法（化学变化）进行对比，体会根据规模、成本、纯度等需求选择不同生产方法的科学决策思维。第三、当堂巩固训练  现在，请各探险队根据自身情况，选择“补给包”进行巩固训练（分发分层练习卡）。  基础层（全体必做）：1.写出实验室用高锰酸钾制取氧气的文字表达式，并指出基本反应类型。2.选择题：下列关于催化剂的说法正确的是（）。(考查催化剂核心性质)  综合层（建议多数队完成）：1.下图是实验室制取氧气的部分装置图，请指出图中一处错误并说明理由。2.若用排水法收集的氧气不纯，请列举两种可能的原因。  挑战层（学有余力队选做）：请设计一个简单的实验方案，证明二氧化锰在过氧化氢分解反应前后化学性质没有改变。（提示：可思考如何回收反应后的二氧化锰并再次使用）  反馈机制：完成后，小组内交换“基础层”和“综合层”答案互评，教师公布关键点并讲解共性疑问。随机邀请完成“挑战层”的小组分享其设计思路，师生共同评价其科学性与可行性。第四、课堂小结  同学们，今天的“制氧探险”即将抵达终点站。请各队用1分钟时间，合作在白板（或笔记本）上绘制本节课的思维导图，核心是“如何制取一瓶氧气”。可以从“原理、装置、操作、检验”这几个分支展开。“我看到‘超越队’的图非常清晰，不仅列出了知识点，还用箭头标出了选择装置的逻辑关系，太棒了！”  （学生展示后）教师总结升华：今天我们不仅解锁了制取氧气的化学密码，更掌握了一套解决气体实验室制取问题的思维模型——从原理出发，设计装置，规范操作，科学验证。这套思维模型，就是我们未来探索更多化学未知世界的通用“罗盘”。  作业布置：1.必做作业：整理完善课堂思维导图；完成教材课后基础习题。2.选做作业（二选一）：①查阅资料，了解潜水艇、航天飞船中氧气的再生方法，与实验室方法进行对比，撰写一份简短的科普报告。②利用家庭常见材料（如3%医用双氧水、土豆块或红砖粉），在家长协助下安全地进行一个微型制氧实验，并拍照或录像记录过程。六、作业设计基础性作业：  1.默写实验室用高锰酸钾和过氧化氢制取氧气的文字表达式。  2.填空：实验室用加热高锰酸钾制氧，试管口应略向______倾斜，原因是______；收集完毕时，应先______，再______，防止______。  3.选择题：区分催化剂、分解反应等核心概念。拓展性作业（情境化应用）：  你是一家小型科技公司的化学顾问，公司接到一个订单：为一家高山科考站设计一套简易、可靠的应急供氧装置（需连续供氧数小时）。请基于本节课所学，提交一份简要的方案设计书，需包括：推荐的制氧原理（从实验室方法中选择）、所需主要仪器与材料清单、简要的操作流程说明及安全注意事项。探究性/创造性作业：  探究任务：除了二氧化锰，是否还有其他物质能催化过氧化氢的分解？请在家中寻找23种可能的粉末状物质（如新鲜猪肝碎屑、氧化铁粉末、水泥灰等），在成人监护下，设计并实施一个公平的对比实验，探究它们的催化效果。要求记录实验步骤、现象，并尝试得出结论，形成一份探究小报告。七、本节知识清单及拓展  ★1.过氧化氢分解制氧原理：$H_2O_2\xrightarrow{MnO_2}H_2O+O_2↑$。这是常温下即可进行的制氧方法，操作简便。关键点是理解二氧化锰作为催化剂的作用。  ★2.高锰酸钾加热制氧原理：$KMnO_4\xrightarrow{\Delta}K_2MnO_4+MnO_2+O_2↑$。这是最经典的实验室制法，需牢记文字表达式及反应类型。  ★3.催化剂概念：“一变二不变”——改变反应速率，本身质量与化学性质不变。理解其“参与过程但反应前后不变”的中间角色是难点，可与“反应物”明确区分。  ★4.分解反应：“一变多”。是化学反应的基本类型之一，与化合反应（“多变一”）互为对立统一关系。判断依据是反应物和生成物的种类数量。  ★5.气体发生装置选择模型：紧扣“反应物状态”和“反应条件”。固体+加热→“固体加热型”装置（本课所用）；固体+液体（常温）→“固液常温型”装置（如用过氧化氢制氧的装置）。  ★6.气体收集方法选择模型：紧扣“气体性质”。不易溶于水且不与水反应→排水法（纯度较高）；密度大于空气且不与空气成分反应→向上排空气法；密度小于空气→向下排空气法。氧气两者皆可。  ★7.加热高锰酸钾制氧操作步骤口诀：查、装、定、点、收、离、熄。每一步皆有化学原理支撑，需在理解基础上记忆。  ★8.氧气的检验方法：将带火星的木条伸入集气瓶内，复燃则为氧气。这是基于氧气助燃性的特性检验。  ★9.氧气的验满方法：用带火星的木条放在集气瓶口，复燃则已满。易混淆点：检验是针对“是什么气体”，验满是针对“气体是否收集满”，操作位置不同。  ▲10.装置气密性检查（手捂法）：连接仪器后，将导管末端浸入水中，用手紧握容器外壁，观察导管口是否有气泡，松手后是否形成水柱。这是确保实验成功的第一步。  ▲11.实验安全细节：加热时试管口略向下（防冷凝水倒流）；加热高锰酸钾时试管口塞棉花（防粉末喷出）；实验结束先移导管后熄灯（防水倒吸）。安全是实验的生命线。  ▲12.工业制氧——分离液态空气法：利用液态氮（沸点196℃）和液态氧（沸点183℃）的沸点不同，通过升温蒸馏，先蒸发出来的是氮气，剩下主要是液态氧。这是一个物理变化，与实验室化学制法的本质区别。  ▲13.氧气的工业与实验室制法对比思维：体会科学技术的应用需综合考虑规模、成本、效率、纯度、安全性等多重因素，没有唯一最优解，只有最适合的解决方案。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析：从课堂观察和巩固训练反馈来看，绝大多数学生能准确书写两种制氧原理表达式，能正确选择并组装装置，基础知识和技能目标达成度高。“催化剂”概念通过演示对比实验和动画解析，大部分学生能理解其“一变二不变”的核心，但在抽象概括和灵活应用上仍显生涩，需后续练习巩固。能力目标方面，小组实验成功率达100%，学生动手热情高涨，但在操作细节的规范性上存在差异，部分小组仍需加强“先撤离后熄灯”等程序性记忆。情感与思维目标在“天空之城”项目情境中得到了较好渗透，学生参与感强，初步建立了“原理装置操作”的模型思维链条。  （二）教学环节有效性评估：1.导入环节：科幻情境迅速聚焦学生注意力，驱动性问题有效激发了探究欲望。“如果让我们来负责”的表述赋予了学生主人翁角色，效果良好。2.新授环节：五个任务环环相扣，逻辑清晰。任务一（探究催化剂）的对比演示是亮点，直观破除了前概念。任务四（学生实验）是高潮，但也是管理难点，预设的“安全官”角色和明确的评价量规发挥了作用，保证了活而不乱。巡视中发现，对于“何时开始收集（连续均匀气