实验室制取氧气：原理、装置与科学探究-九年级化学教学设计

实验室制取氧气：原理、装置与科学探究——九年级化学教学设计一、教学内容分析  本课内容在《义务教育化学课程标准（2022年版）》中隶属于“科学探究与化学实验”及“物质的性质与应用”主题。其不仅是学生系统学习的第一种气体制备方法，更是建构“物质制备”一般思路与方法论的关键起点，在初中化学知识体系中起着承上启下的枢纽作用。从知识技能图谱看，它上承“空气的成分”、“氧气的性质”，下启“二氧化碳的制取”乃至高中更复杂物质的制备学习，是“性质决定用途与制法”化学思想的具体实践。核心认知要求不仅在于识记高锰酸钾、过氧化氢制氧的化学方程式，更在于理解反应原理与装置选择之间的内在逻辑，并能迁移应用于新情境。在过程方法上，本课是践行科学探究（提出问题、设计实验、进行实验、解释与结论）的绝佳载体，学生将通过对比分析、变量控制等思维方法，从“模仿操作”迈向“理解设计”。其素养价值深远：通过动手实验培养严谨求实的科学态度与协作精神；通过理解催化剂概念与工业制氧原理，感悟化学技术对社会发展的推动作用，树立可持续发展的观念；通过装置设计的优化探究，发展创新意识与模型认知能力。  学情研判需立体化。学生已有基础包括：知道氧气是空气的重要组成，了解其支持燃烧的化学性质，具备了初步的仪器辨认和简单操作能力。兴趣点在于生动直观的实验现象。可能的认知障碍在于：其一，对“催化剂”概念易产生“催化剂参与反应并被消耗”或“催化剂是单纯加快反应”的前概念误解；其二，从具体物质（如高锰酸钾）到抽象原理（固固加热、固液常温），再到装置模型（发生、收集装置的选择依据）的认知跨度较大，逻辑链条构建困难。教学对策上，我将通过驱动性问题链和可视化对比实验，搭建认知阶梯。课堂中，将通过观察学生实验设计草图、倾听小组讨论焦点、分析随堂练习反馈等形成性评价手段动态把握学情。针对理解较快的学生，提供挑战性任务如“设计一套可控制反应速率的过氧化氢制氧装置”；对于需要更多支持的学生，则提供带有提示选项的“学习任务单”和更细致的操作示范，确保所有学生都能在“最近发展区”内获得成长。二、教学目标  知识目标：学生能准确书写高锰酸钾、过氧化氢分解制取氧气的化学方程式，并辨析其反应类型的差异；能基于反应物状态和反应条件，系统阐述实验室制取气体时发生装置与收集装置的选择依据，并完整描述用排水法、向上排空气法收集氧气的操作要点及其原理。  能力目标：学生能够独立、规范地完成实验室制取氧气的组装、操作与气体验满流程；能通过对比实验，设计并实施探究催化剂作用的方案，并基于证据得出结论；能够根据新的制气任务（如利用氯酸钾），迁移应用已学知识，自主设计合理的实验装置图。  情感态度与价值观目标：学生在小组合作探究中，能主动承担角色任务，积极倾听同伴意见，共同解决实验中遇到的突发问题，体验团队协作的价值；通过讨论工业制氧与实验室制氧的成本、规模差异，初步建立“技术应用需考虑实际需求与经济效益”的理性观念。  科学思维目标：本节课重点发展学生的“模型认知”与“证据推理”思维。通过构建“反应原理→发生装置→收集方法”的气体制备思维模型，学生能运用该模型分析陌生制气情境；通过“提出问题（催化剂有何作用）—设计实验（控制变量）—获取证据—得出结论”的完整探究历程，强化基于证据进行逻辑推理的学科思维习惯。  评价与元认知目标：引导学生依据“装置设计评价量规”（如合理性、安全性、美观性）对自主设计作品进行自评与互评；在课堂小结环节，通过绘制概念图，反思自己在构建“气体制备”知识体系时的逻辑路径，识别并巩固核心概念间的联系。三、教学重点与难点  教学重点：实验室制取氧气的反应原理及装置（发生与收集）的选择依据。确立此为重点，源于其对课标“大概念”——“物质的转化需要一定条件，并遵循一定的规律”的具体承载。从学科能力看，掌握气体制备的通用模型是后续学习二氧化碳、氢气等知识的基础，是学生从“学一个记一个”转向“学一类通一片”的关键跃迁。从学业评价导向分析，气体制备的原理与装置选择是中考化学实验探究题的高频、核心考点，常以装置连接、评价与设计的形式考查学生的综合应用与迁移创新能力。  教学难点：一是理解催化剂的概念及其在化学反应中的作用，特别是“一变二不变”的本质；二是自主设计制取氧气的实验装置，并清晰阐述各部分的选择理由。难点成因在于：催化剂概念抽象，其“改变反应途径、降低活化能”的微观机理超出初中生认知范围，学生易被表象“加快反应”所局限。装置设计则要求学生将反应原理（状态、条件）、气体性质（密度、溶解性）与仪器功能进行系统性关联与整合，思维链条长，综合性强。突破方向在于，通过二氧化锰对过氧化氢、硫酸铜对过氧化氢等对比实验，让学生亲眼见证“一变二不变”的证据；通过搭建“思维脚手架”——如提供装置模块卡片供学生拼装组合并讲解，降低初始设计难度。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、潜水等视频片段，互动动画）；黑板预先划分区域，用于板书知识框架与小组评价。1.2实验器材：1.演示实验：高锰酸钾制氧全套装置（带棉花团），5%过氧化氢溶液、二氧化锰、硫酸铜溶液、药匙、木条、酒精灯。2.分组实验（46人一组）：铁架台、大试管、带导管单孔塞、水槽、集气瓶、玻璃片、5%过氧化氢溶液、二氧化锰、小木条。1.3学习材料：分层学习任务单（含前测问题、探究记录表、装置设计草图区、分层巩固练习）；装置卡片（印有不同类型发生装置、收集装置、辅助仪器等）。2.学生准备2.1知识预备：复习氧气的物理性质（密度、溶解性）与化学性质（助燃性）；预习教材相关内容，记录疑惑。2.2物品与分组：携带课本、笔记本；按异质分组原则就座，明确小组内实验员、记录员、汇报员等角色。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题提出：“同学们，请看屏幕（播放潜水员深海作业或急救室内吸氧的画面）。无论是探索神秘海底还是挽救宝贵生命，都离不开一种关键物质——氧气。这些氧气通常储存于钢瓶中，那么，钢瓶中的氧气从何而来？工厂大规模生产氧气的方法，适合我们在实验室里模仿吗？”1.1建立联系与路径明晰：“这就是我们今天要攻克的核心问题：在实验室的有限条件下，如何安全、高效、经济地‘制造’出氧气？我们将化身‘小小化学工程师’，从探究反应原理出发，到筛选合适‘设备’，最后亲手组装投产。首先，请大家结合预习，在任务单上快速写下：你所知道的能产生氧气的方法有哪些？（1分钟独立思考）好，同桌交换看看，你们想到一块去了吗？”第二、新授环节任务一：从工业到实验室——制氧思路的转变1.教师活动：首先，简要介绍工业上分离液态空气制氧的原理，强调其“物理变化”、“大规模”、“低成本”的特点。随后话锋一转：“但是，这套‘大家伙’显然搬不进我们的实验室。实验室制气需要什么特点？”引导学生归纳出“反应快慢适中、条件温和、原料易得、安全环保”等原则。接着，展示高锰酸钾、过氧化氢、氯酸钾等物质，提问：“这些是实验室制氧的常用‘候选原料’，它们需要发生什么类型的变化才能产生氧气？”引导学生从化学变化角度思考。最后，引出核心驱动任务：“接下来，我们将重点考察两位‘主力选手’：高锰酸钾和过氧化氢溶液，看看它们如何‘变身’出氧气。”2.学生活动：聆听、思考并回答实验室制气的特点。根据教师提示，认识到制取氧气需要通过化学变化。明确本节课的主要探究对象。3.即时评价标准：1.能否清晰说出工业与实验室制氧在规模与原理上的主要区别。2.能否从多个维度（如安全、速度）思考实验室制气的要求。4.形成知识、思维、方法清单：1.★工业制氧：分离液态空气，属于物理变化。2.★实验室制气原则：反应速率适中、条件易控、原料成本与安全兼顾。3.▲思路转变：从工业的大规模物理分离，转向实验室的小规模化学制备。（教学提示：此处重在建立对比观念，不必深究工业细节。）任务二：探究两种制氧“秘方”——书写反应原理1.教师活动：进行高锰酸钾加热分解的演示实验。强调装置要点：“试管口为什么要略向下倾斜？导管口开始有气泡冒出时，能立即收集吗？为什么？”在收集到一瓶气体后，用带火星木条检验，“看，复燃了！证明我们得到的是氧气。”引导学生观察反应后试管内的残渣，并板书化学方程式。转向过氧化氢溶液：“它常温下就能产生氧气，但非常慢。有什么办法能让它‘提速’呢？”向其中加入少许二氧化锰粉末，瞬间产生大量气泡。“哇，效果立竿见影！这二氧化锰扮演了什么角色？”不急于给出定义，而是说：“我们先记下这个‘神奇’的反应。”板书过氧化氢在二氧化锰催化下的分解方程式。2.学生活动：观察演示实验，记录现象，思考并回答教师关于操作细节的提问。书写两个化学方程式。对二氧化锰的“神奇”作用产生强烈好奇。3.即时评价标准：1.能否准确描述高锰酸钾加热分解的主要现象。2.能否正确书写两个化学方程式，并标注反应条件。3.对催化剂的作用是否表现出探究兴趣。4.形成知识、思维、方法清单：1.★高锰酸钾制氧：化学方程式为2KMnO₄△K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑，属固体加热反应。2.★过氧化氢制氧：化学方程式为2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑，属液体常温反应。3.▲操作要点：加热固体时，试管口应略向下倾斜（防冷凝水倒流）；导管口气泡连续均匀冒出时再收集（排尽空气）。（教学提示：方程式书写是基础，务必落实。可用谐音法帮助记忆生成物。）任务三：揭秘“魔力粉末”——认识催化剂1.教师活动：“二氧化锰是不是反应物？它被消耗了吗？”设计并引导学生进行探究实验：1.称量加入反应前二氧化锰的质量。2.将二氧化锰加入过氧化氢溶液，收集氧气。3.反应结束后，过滤、洗涤、干燥，再次称量二氧化锰。“质量真的没变！那它的化学性质呢？”补充演示：将反应后的二氧化锰再次加入一份新的过氧化氢中，依然能加速反应。“可见，它本身的化学性质也没变。这样的物质，我们称之为‘催化剂’。”精讲“一变（化学反应速率）二不变（质量、化学性质）”的内涵。拓展说明：“催化剂有专一性，比如硫酸铜溶液对过氧化氢分解也有催化作用。”进行对比演示。2.学生活动：分组进行“催化剂质量反应前后是否改变”的定量探究实验。记录数据，得出结论。观察教师拓展演示，理解催化剂的专一性。形成对催化剂的科学认识。3.即时评价标准：1.实验操作是否规范（特别是过滤操作）。2.能否基于称量数据，得出“质量不变”的结论。3.能否完整复述催化剂的定义和特点。4.形成知识、思维、方法清单：1.★催化剂定义：能改变化学反应速率，而本身质量和化学性质在反应前后都不变的物质。2.★催化剂特点：“一变二不变”。3.▲催化作用：催化剂所起的作用叫催化作用。4.▲专一性与多样性：一种反应可能有多种催化剂，一种催化剂也可能催化多种反应。（易错点：催化剂不一定“加快”反应，也可能是“减慢”，初中阶段主要学习加快的。）任务四：化身装置设计师——构建发生装置模型1.教师活动：“原理有了，接下来需要为它们量身定制‘反应器’，也就是发生装置。”将学生分为两大组：“A组，请为高锰酸钾加热设计发生装置；B组，请为过氧化氢溶液与二氧化锰设计发生装置。大家可以利用我发的装置卡片进行拼贴组合，也可以在白纸上自己画，并附上设计说明。”巡视指导，重点关注学生是否将“反应物状态”（固体/液体）、“反应条件”（加热/常温）与装置特点（能否加热、如何添加液体等）联系起来。请两组代表上台展示并讲解。2.学生活动：小组合作，利用卡片或绘图设计指定原理的发生装置草图。讨论设计理由，并准备展示发言。倾听其他小组的设计，进行比较和质疑。3.即时评价标准：1.装置设计的合理性与安全性。2.讲解时能否清晰表达设计依据（状态、条件）。3.小组合作是否高效，人人参与。4.形成知识、思维、方法清单：1.★固固加热型装置：核心仪器：铁架台、试管、酒精灯。要点：试管口略向下倾斜。2.★固液常温型装置：核心仪器：锥形瓶/试管、长颈漏斗/分液漏斗、带导管双孔塞。3.▲模型建构：选择气体发生装置的主要依据是：反应物的状态和反应条件。（思维提升：引导学生思考长颈漏斗与分液漏斗优劣，为控制反应速率埋下伏笔。）任务五：选择最佳“收货”方式——确定收集装置1.教师活动：“氧气‘生产’出来了，怎么‘收集’呢？”引导学生回顾氧气的物理性质：密度比空气略大、不易溶于水。“根据这些性质，你有几种收集思路？”通过动画模拟，展示排水法（收集较纯气体）和向上排空气法（收集较干燥气体）的原理。提问：“两种方法各有什么优缺点？如何检验集气瓶里的氧气是否收满？”组织学生阅读教材相关段落，总结验满方法。2.学生活动：根据氧气性质，推理收集方法。观看动画，理解排水法和向上排空气法的原理与操作差异。阅读教材，掌握用带火星木条进行验满的操作。3.即时评价标准：1.能否准确说出选择收集方法的依据。2.能否区分“验满”与“检验”的操作位置差异。4.形成知识、思维、方法清单：1.★收集方法选择依据：气体的密度（与空气比较）和溶解性（水中）。2.★氧气收集法：排水法（因不易溶于水）和向上排空气法（因密度比空气大）。3.★验满操作：用带火星的木条放在集气瓶口，若复燃则已满。（核心辨析：“瓶口”验满，“瓶中”检验气体性质。）任务六：整合与迁移——绘制完整制备流程1.教师活动：“现在，请各小组任选一种制氧原理，绘制一幅从发生到收集的完整装置图，并标注关键注意事项。完成后，相邻小组交换，依据‘评价量规’进行互评。”提供量规，包含装置合理性（30分）、标注准确性（30分）、美观性（20分）、创新性（20分）。最后，教师总结归纳实验室制取气体的一般思路：原理→发生装置→收集装置→检验/验满。2.学生活动：小组合作绘制完整装置图。进行小组间互评，根据量规打分并提出修改建议。聆听教师总结，构建系统的气体制备认知模型。3.即时评价标准：1.装置图是否完整、规范。2.互评过程是否认真、客观，能提出建设性意见。3.能否口头复述制取气体的一般思路。4.形成知识、思维、方法清单：1.★实验室制取气体的一般思路：明确反应原理→选择发生装置→选择收集装置→验证气体。2.▲流程化思维：将复杂任务分解为有序步骤，是解决科学问题的重要方法。3.★装置气密性检查：在加药品前，必须检查装置气密性（手握法或液差法）。（方法提炼：这是本课思维方法的升华点，务必强化。）第三、当堂巩固训练  设计分层变式练习，学生根据自身情况至少完成A、B两组。A组（基础应用）：1.写出实验室用氯酸钾（KClO₃）与二氧化锰混合加热制氧气的化学方程式。2.判断：收集氧气结束后，应先将导管移出水槽，再熄灭酒精灯。（判断对错并说明理由）B组（综合迁移）：如图是几种常见的发生和收集装置，请回答：若用二氧化锰催化双氧水制取并收集一瓶较干燥的氧气，应选择的发生装置是___，收集装置是___（填字母），验满的方法是___。C组（挑战探究）：已知过氧化氢溶液浓度越大，分解速率越快，但浓度过高易引发危险。现需用30%的过氧化氢溶液配制100g6%的溶液用于课堂实验，请你计算需要30%的过氧化氢溶液多少克？水多少克？并简述配制步骤。（链接溶液配制单元）  反馈机制：A、B组题通过投影展示学生答案，进行同伴互评与教师即时讲评，重点剖析典型错误。C组题请完成的学生简述思路，教师点评其计算的规范性与步骤的合理性，并作为选做作业延伸。第四、课堂小结  “同学们，今天的‘化学工程师’之旅即将结束，请大家用1分钟时间，在笔记本上以‘氧气制取’为中心词，绘制一个简单的思维导图，梳理今天学习的核心内容。”随机邀请23位学生分享他们的知识结构图。“大家的总结都很棒！我们不仅学会了制取氧气，更掌握了一把钥匙——实验室制取气体的一般思路方法。这才是我们最大的收获。”  作业布置：必做作业：1.整理课堂笔记，完善装置图。2.完成练习册中对应基础习题。选做作业（二选一）：1.查阅资料，了解生活中还有哪些场合用到催化剂，并举例说明。2.尝试设计一套“随开随用、随关随停”的过氧化氢制氧简易装置（可画图说明）。下节课我们将首先分享大家的创意设计！六、作业设计基础性作业：1.默写实验室用高锰酸钾、过氧化氢制取氧气的化学方程式，并注明反应条件。2.简述实验室选择气体发生装置和收集装置的主要依据，并各举一例说明。3.完成教材本节后相关的基础练习题。拓展性作业：1.情境应用题：校科技节准备进行“大象牙膏”趣味实验（利用过氧化氢快速分解产生大量泡沫）。作为筹备组成员，请你根据实验室安全规范，撰写一份简要的实验用品清单和操作注意事项提示。2.微型项目：以“神奇的催化剂”为主题，制作一份科普小报（可手绘或电子版），介绍一种你感兴趣的催化剂及其在生活、生产中的应用。探究性/创造性作业：1.家庭小探究：寻找生活中可能的催化剂。例如，尝试用土豆块、生锈的铁钉等物品能否催化过氧化氢的分解（使用3%的医用双氧水，注意安全，在家长陪同下进行），记录现象并尝试解释。2.装置设计挑战：查阅启普发生器原理，尝试利用家中常见物品（如饮料瓶、吸管、止水夹等），设计并制作一个能模拟“随开随用、随关随停”功能的简易制氧装置模型，录制一段短视频介绍其工作原理。七、本节知识清单及拓展1.★工业制氧：采用分离液态空气法，属于物理变化。利用液态氮和液态氧的沸点不同进行分离。（拓展：这是大规模生产氧气的主要方法，成本低。）2.★高锰酸钾制氧原理：2KMnO₄△K₂MnO₄+MnO₂+O₂↑。属于分解反应，固体加热型。（注意：试管口要放一团棉花，防粉末堵塞导管。）3.★过氧化氢制氧原理：2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑。属于分解反应，固液常温型。（核心：二氧化锰作为催化剂。）4.★★催化剂：能改变化学反应速率，而本身质量和化学性质在反应前后都不发生改变的物质。特点概括为“一变二不变”。（易错点：催化剂不参与反应，也不决定反应能否发生。）5.★★发生装置选择依据：主要取决于反应物的状态（固体、液体）和反应条件（加热、常温）。（模型建构关键点，必须理解记忆。）6.★固固加热型装置：典型装置由铁架台、酒精灯、试管组成。用于高锰酸钾、氯酸钾等固体加热反应。（关键操作：试管口略向下倾斜。）7.★固液常温型装置：典型装置由锥形瓶/试管、长颈漏斗（或分液漏斗）、双孔塞等组成。用于过氧化氢溶液与二氧化锰等反应。（拓展：分液漏斗可控制液体滴加速率，从而控制反应。）8.★★收集装置选择依据：主要取决于气体的密度（与空气比较）和溶解性（在水中）。（另一关键模型。）9.★氧气收集方法：排水集气法（因O₂不易溶于水，得较纯气体）；向上排空气法（因O₂密度略大于空气，得较干燥气体）。（学会根据实验目的选择。）10.★★验满与检验：用带火星的木条进行。验满：置于集气瓶口，木条复燃则满。检验：伸入集气瓶内，木条复燃则为氧气。（操作细节决定成败，极易混淆。）11.★★实验室制取气体的一般思路：明确原理→选择发生装置→选择收集装置→验证气体。（本节最高层次的思维方法总结。）12.▲装置气密性检查：组装好仪器后、加入药品前，必须检查装置气密性。常用方法：手握法（对微小气密性）、液差法。（良好实验习惯的起点。）13.▲操作顺序记忆：高锰酸钾制氧结束时，应“先移导管后熄灯”，防止水槽中的水倒吸炸裂试管。（重要安全注意事项。）14.▲催化剂的其他例子：汽车尾气处理中的铂、铑等；生物体内的酶（生物催化剂）；合成氨工业中的铁触媒。（感受催化剂的广泛应用。）15.▲催化剂的“选择性”：一种催化剂通常只对特定的反应有催化作用，如二氧化锰对过氧化氢分解效果好，但对水分解无效。（深化对催化剂专一性的理解。）16.▲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。可简单记为“一变多”。本节两个制氧反应均为分解反应。（巩固基本反应类型。）17.▲多功能瓶（储液瓶）的使用：若用排水法收集，气体“短进长出”；若用排空气法收集，密度大于空气则“长进短出”（如O₂），密度小于空气则“短进长出”。（常见考点，了解即可。）18.▲工业与实验室制氧对比：从原理（物理vs化学）、规模（超大vs微小）、成本（低vs相对高）、产物纯度等方面对比。（建立技术与科学差异的认知。）19.▲安全提示：加热高锰酸钾时，棉花团不宜塞得过紧；过氧化氢浓度不宜过高，勿用手直接接触催化剂粉末。（安全意识始终贯穿。）20.▲科学探究要素体验：本节课完整经历了“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”的部分环节，尤其是催化剂探究。（感受科学探究的过程美。）八、教学反思  （一）教学目标达成度分析  本课预设的多维目标基本达成。从课堂观察和随堂练习反馈看，95%以上的学生能正确书写两个核心化学方程式，并能依据反应物状态和条件选择发生装置（知识目标）。在分组实验和装置设计任务中，大部分小组能合作完成实验操作，并绘制出合理的装置草图，部分学生甚至对漏斗类型的选择提出了有见地的看法（能力目标）。在催化剂探究环节，学生通过亲手称量，对“质量不变”有了直观确信，有效突破了前概念障碍（科学思维目标）。情感目标在小组协作和实验成功后的喜悦中得以自然渗透。然而，元认知目标中的“依据量规评价作品”环节，部分学生仍停留在简单打分，缺乏深入的理由阐述，说明评价能力的培养仍需在后续课程中持续强化。  （二）核心教学环节有效性评估  1.导入环节：“水下实验室”的情境成功激发了兴趣，但衔接“工业到实验室”的转折提问略显急促，部分学生思考时间不足。若改为先让学生列举所知方法，再引导比较工业与实验室的差异，学生的主体参与感会更强。2.任务二与任务三的衔接：演示高锰酸钾制氧后直接转向过氧化氢，利用其“慢”自然引出催化剂探究，逻辑流畅，悬念设置得当。学生惊呼“好快！”的瞬间，教学高潮自然生成。3.任务四（装置设计）：提供装置卡片的“脚手架”效果显著，降低了设计门槛，使更多学生能参与高阶思维活动。但巡视中发现，少数小组只是机械拼凑，未深入讨论“为什么这样选”。下次可增加一个“设计理由陈述表”，强制其进行内部论证。4.任务六（整合迁移与互评）：互评环节氛围活跃，但耗时比预期长。需进一步训练学生使用量规的效率和聚焦关键点的能力。  （三）学生表现与差异化应对剖析  课堂中，学生呈现出明显的层次差异。约20%的“领先者”思维活跃，在C组挑战题和装置上表现出色。对于他们，课堂上提供的拓展信息（如催化剂专一性）和挑战性任务满足了其求知欲。约70%的“跟进者”能扎实完成基础与综合任务，他们是课堂互动的主力。通过清晰的指令、小组合作和及时的正面反馈，他们保持了较高的参与度。约有10%的“需要支持者”在方程式书写和装置原理理