核心素养导向下的气体制备模型认知-九年级化学《氧气的实验室制取与性质》实验探究导学案

核心素养导向下的气体制备模型认知——九年级化学《氧气的实验室制取与性质》实验探究导学案

一、教学背景与设计理念

本节课是九年级学生首次系统接触气体制备实验，是化学实验技能的集成演练，更是构建“气体制备一般思路与方法”这一核心大概念的奠基课程。基于新课标“科学探究与实践”核心素养的要求，本设计打破了传统“照方抓药”式的实验教学模式，以“问题链”驱动深度思维，以“任务群”组织课堂活动，将虚拟仿真预演、实体操作验证与跨学科迁移应用有机结合。设计理念强调从“教实验操作”转向“用实验探究”，引导学生在“做中学”“思中悟”，在亲手制得氧气并见证其剧烈反应现象的过程中，不仅掌握“查、装、定、点、收、离、熄”的操作要诀，更深刻理解“原理决定装置，性质决定收集”的化学工程思想，为后续学习二氧化碳、氢气等气体的制取奠定坚实的模型认知基础。

二、教学内容与学情分析

【内容分析】本课题属于人教版九年级上册第二单元“我们周围的空气”的核心实验活动。其内容涵盖三大维度：一是知识与原理维度，即实验室制取氧气的反应原理（高锰酸钾或过氧化氢分解）；二是实验与技能维度，包括发生与收集装置的选择依据、组装操作及气密性检查、药品取用、加热、收集、验满及性质验证等系列基本操作；三是思维与方法维度，即通过本次实验提炼出研究气体物质的一般思路（制取→性质→用途）。【重要】本课既是对第一单元基本操作的综合性应用，也是开启后续气体制备学习的钥匙，具有承上启下的枢纽作用。

【学情分析】学生对氧气已有感性认识，且在第一单元的学习中初步掌握了药品的取用、物质的加热、仪器的连接等基本操作，具备了一定的动手能力。然而，【难点】在于学生面对多步骤、多变量的复杂实验系统时，容易陷入机械操作，缺乏对每一步操作背后原理的追问。例如，他们可能知道试管口要略向下倾斜，但未必能解释其与冷凝水回流、热对流之间的关系。此外，【基础】学生对于“控制变量”“对比实验”等科学方法尚处于萌芽阶段，需要教师通过精准的问题引导，将潜藏于现象之下的科学思维显性化。

三、教学目标与核心素养

1.化学观念:通过高锰酸钾分解制氧气的实验，进一步深化“物质是变化的”这一基本观念，理解化学变化需要一定条件，并能从元素守恒的角度初步理解反应的实质。感悟“性质决定用途”的化学价值观。

2.科学思维:【重要】通过对比、分析、归纳，构建实验室制取气体的一般模型，即根据反应物状态和反应条件选择发生装置，根据气体的密度和水溶性选择收集装置。培养基于证据进行推理的思维能力。

3.科学探究与实践:【核心】【高频考点】能独立或合作完成加热高锰酸钾制取氧气及木炭、铁丝在氧气中燃烧的实验。学会运用观察、记录、分析等方法处理实验信息，并能对实验中出现的问题（如氧气不纯、试管破裂等）进行反思与改进。

4.科学态度与责任:培养严谨求实、细致观察的科学态度，强化规范操作意识和实验安全意识（防爆炸、防倒吸、防烫伤）。在小组合作中体验分工协作的重要性，享受科学探究的乐趣。

四、教学重难点

1.教学重点:实验室制取氧气的反应原理、实验装置、操作步骤及氧气性质的验证方法。这是气体制备的“规定动作”，必须人人过关。

2.教学难点:【难点】理解气体制备装置选择的原理性依据；对实验操作细节（如棉花团的作用、气泡连续均匀时收集、先撤导管后熄灯）背后的物理与化学原理的深度理解；以及从感性操作上升到理性建模的思维跨越。

五、教学准备

1.仪器与药品:大试管、带导管的单孔橡皮塞、铁架台（带铁夹）、酒精灯、集气瓶（4个）、玻璃片、水槽、药匙、镊子、坩埚钳、火柴、细木条、棉花、细铁丝、木炭、澄清石灰水、高锰酸钾固体。

2.数字化资源:高锰酸钾制氧气及铁丝、木炭燃烧的虚拟仿真实验（用于预演或故障模拟）、实验操作微课视频、气体制备装置选择的交互式Flash动画。

3.环境准备:检查实验室通风设备，确保通风良好；在演示台及学生实验桌旁备好防火沙、湿抹布；将实验药品按小组分装好，贴上标签。

六、教学实施过程

（一）新课导入：真实情境驱动，激发探究欲望（约3分钟）

教师活动：展示一组图片——医院急诊室里病人吸氧、潜水员背负氧气瓶、火箭助燃剂加注。设问：“氧气如此重要，在实验室里，我们怎样才能亲手‘制造’出这种神奇的气体，并验证它的‘火爆’脾气呢？”引导学生回顾上节课学习的氧气的实验室制法原理。

学生活动：观察图片，思考并回答教师提问，回忆过氧化氢或高锰酸钾制氧气的文字表达式，产生动手操作的强烈期待。

设计意图：从生活走向化学，创设真实问题情境，迅速聚焦课堂主题，激活学生的已有知识储备。

（二）原理与装置：模型认知与自主建构（约7分钟）

教师活动：

1.提出核心问题：“要制取一瓶纯净的氧气，我们需要解决哪几个核心问题？”引导学生归纳出：反应原理、发生装置、收集装置。

2.呈现两种不同的反应原理（加热高锰酸钾、过氧化氢与二氧化锰），引导学生对比分析其反应物状态和反应条件的异同。

3.利用交互式Flash动画，展示固固加热型（如高锰酸钾）与固液不加热型（如过氧化氢）两种发生装置的动态组装过程。提问：【重要】“为什么高锰酸钾的试管口要略向下倾斜？而过氧化氢的锥形瓶却不需要？这两套装置能不能互换使用？”

4.展示氧气的信息卡片（密度、溶解性），引导学生讨论收集方法。

学生活动：

5.小组讨论，归纳出选择发生装置的两大依据：反应物状态（固+固/固+液）和反应条件（是否加热）。

6.在学案上画出高锰酸钾制氧气的简易装置图，并标注仪器名称。

7.根据氧气的物理性质，分析得出可用排水法（不易溶于水）或向上排空气法（密度比空气大）收集。

设计意图：【基础】通过对比和动画模拟，将抽象的“选择依据”直观化，帮助学生自主建构气体制备的认知模型，为后续动手操作扫清理论障碍。

（三）虚拟预演：安全试错，优化方案（约5分钟）

教师活动：引导学生登录虚拟仿真实验平台，运行“高锰酸钾制取氧气”模拟程序。发布虚拟操作任务：1.连接仪器并检查装置气密性；2.装药并在试管口塞棉花；3.固定试管；4.点燃酒精灯加热；5.用排水法收集气体；6.撤离导管并熄灯。提示学生注意观察模拟操作中的违规提示。

学生活动：在电脑上进行虚拟操作。部分学生可能故意“犯错”（如先熄灯后撤管），系统立即弹出警示动画（水倒流试管炸裂），直观感受错误操作带来的后果。记录下自己在虚拟实验中遇到的问题和困惑。

设计意图：引入“三室联合教学法”中的虚拟实验室环节-2。让学生在无风险的环境中大胆试错，通过即时反馈加深对规范操作重要性的理解，变被动接受为主动建构，极大提升后续实体操作的成功率。

（四）实操探究：分组实验，深度体验（约20分钟）

1.环节一：制取氧气——“茶庄定点收利息”的智慧

教师活动：巡视指导，关注各小组的操作规范，特别是酒精灯加热的预热动作、集气瓶是否灌满水倒置、导管撤离与熄灯的先后顺序。针对共性问题，如“为什么刚开始冒泡时不收集？”，引导学生观察气泡产生过程，理解“排空气”的原理。

学生活动：各小组依据虚拟预演的经验，分工协作（一人操作，一人辅助，一人记录）。严格按照“查、装、定、点、收、离、熄”七字口诀进行实验。在观察到气泡连续均匀放出时，开始收集两瓶氧气（一瓶留作性质实验，一瓶备用）。成功制得氧气后，小组内交流操作心得。

2.环节二：性质验证——“见证奇迹的时刻”

任务一：木炭的燃烧

学生活动：用坩埚钳夹取一小块木炭，在酒精灯上加热至发红，【非常重要】然后由上而下缓慢伸入盛有氧气的集气瓶中。观察发出白光、放热的现象。燃烧停止后，立即向瓶中倒入少量澄清石灰水，振荡，观察石灰水变浑浊的现象。

教师追问：“为什么要缓慢伸入？如果快速伸到底部会怎样？”引导学生从气体热膨胀、氧气逸散的角度思考，强化“对比变量”的意识。

任务二：铁丝的火星四射

学生活动：取一根细铁丝，【重要】将其下端绕成螺旋状，系一根火柴。点燃火柴，待火柴快燃尽时，缓慢伸入另一瓶氧气中。观察剧烈燃烧、火星四射、生成黑色固体的壮观现象。

教师强调：【高频考点】【难点】集气瓶底部为什么要预先放少量水或铺一层细沙？（防止高温熔化物溅落炸裂瓶底）。为什么要把铁丝绕成螺旋状？（增大受热面积，聚集热量）。为什么待火柴快燃尽时才伸入？（防止火柴燃烧消耗过多氧气）。

设计意图：此环节是本课的核心，占时最长。通过“做中学”，将理论转化为技能。教师巡视时的即时追问，将学生从简单的“看热闹”引向深入的“看门道”，每一个追问都指向化学学科核心素养的证据推理与模型认知。

（五）反思交流：问题诊断，深度建构（约7分钟）

教师活动：组织学生汇报实验现象，并针对实验中出现的问题进行集体“会诊”。抛出预设的讨论题：

1.【热点】某小组制得的氧气用带火星木条检验时，木条复燃现象不明显（或复燃后很快熄灭），可能的原因是什么？（排水法收集时集气瓶未灌满水留有气泡、未等气泡连续均匀就收集、向上排空气法时导管未伸入瓶底）

2.【难点】某小组做完实验后发现试管破裂了，请当一回“事故调查员”，分析可能的原因？（试管口未向下倾斜、加热前未预热、试管外壁有水、实验结束时先熄灯后撤管）

3.为什么要在试管口放一团棉花？如果没有会怎样？（防止高锰酸钾粉末进入导管，甚至进入水槽，使水变红）

学生活动：各小组结合自己的实验记录，对上述问题展开热烈讨论。派代表发言，分析原因，提出改进措施。在教师引导下，再次梳理出完整的实验成功要点。

设计意图：将实验中可能出现的“错误”转化为宝贵的教学资源。通过问题驱动下的反思与辩论，学生对知识的理解不再停留在表面，而是深入到内在逻辑联系，实现了对所学内容的深度加工和意义建构。

（六）拓展提升：从实验室走向工业，从化学走向生活（约5分钟）

教师活动：简要介绍工业上制取氧气的方法——分离液态空气法（物理变化）。引导学生对比工业制法和实验室制法的不同（原料、原理、设备、产量等），强调“需求决定方法，规模决定工艺”的思想。

学生活动：聆听、记录，感受化学与工业生产的紧密联系。课后思考：如果需要在野外生存时获得氧气，你有什么办法？

设计意图：打通实验室与工业生产的壁垒，让学生理解化学知识的应用是具有层次性和场景性的，进一步拓宽学生的科学视野。

（七）课堂小结与评价（约3分钟）

教师活动：引导学生用思维导图的形式总结本节课的核心内容：一个原理（高锰酸钾分解），两套装置（发生与收集），七步操作（查装定点收离熄），三个现象（木炭、铁丝、检验）。对各小组的实验过程和结果进行多元化评价，表扬操作规范、合作默契、善于思考的小组。

学生活动：绘制或口述思维导图，梳理知识脉络。完成实验报告，整理实验仪器。

设计意图：结构化小结，帮助学生将零散的知识点编织成知识网。过程性评价与终结性评价相结合，激发学生的成就感和持续学习热情。

七、板书设计

实验活动1：氧气的实验室制取与性质

一、反应原理

高锰酸钾→锰酸钾+二氧化锰+氧气（加热）

二、实验装置

1.发生装置：固固加热型（依据：反应物为固体，条件需加热）

要点：试管口略向下倾斜；导管刚出胶塞；棉花团

2.收集装置：

排水法（氧气不易溶于水）——较纯净

向上排空气法（氧气密度比空气大）——较干燥

三、操作步骤与要点（七字诀）

【高频考点】【非常重要】

查（检查气密性）→原理：热胀冷缩

装（装药塞棉）→棉花作用：防粉末进入导管

定（固定试管）→管口略向下倾斜：防冷凝水倒流炸裂试管

点（点燃加热）→先预热，后集中

收（收集气体）→连续均匀气泡时收集（排净空气）

离（撤离导管）→【关键】先撤导管，防止倒吸

熄（熄灭酒精）→后熄灯，确保安全

四、氧气的性质

1.木炭燃烧：发白光、放热、生成CO₂（使石灰水变浑浊）

2.铁丝燃烧：剧烈燃烧、火星四射、生成黑色固体（Fe₃O₄）

【重要】瓶底放水/细沙：防熔化物炸裂瓶底；螺旋状铁丝：聚热；火柴将尽时伸入：防耗氧。

八、教学评价设计

1.过程性评价:教师巡视观察学生在实验过程中的操作规范性、小组合作参与度、实验记录的详实性、以及讨论交流的积极性。填写课堂观察记录表。

2.表现性评价:以小组为单位，展示制得的氧气并进行性质验证实验，根据操作的准确度、现象的明显程度、以及回答教师提问的逻辑性进行评分。

3.纸笔测试反馈:

1.4.（基础）实验室用高锰酸钾制取氧气，操作顺序正确的是（）

2.5.【高频考点】（重要）某同学用排水法收集氧气，发现氧气不纯，分析可能的原因。

3.6.【难点】（拓展）若用右图装置（多功能瓶）收