核心素养导向下氧气的实验室制取与性质实验探究导学案（九年级化学）

核心素养导向下氧气的实验室制取与性质实验探究导学案（九年级化学）

一、教材与课标深解——确立素养发展的锚点

本课题隶属于人教版九年级化学上册第二单元《我们周围的空气》，是义务教育化学课程标准2022年版“科学探究与化学实验”学习主题及“物质的性质与应用”学习主题的交叉核心内容。从学科本体论视角审视，这是学生首次经历“原理设计→装置构建→操作实施→性质验证→反思评价”完整链条的气体制备实验，是化学实验素养从“碎片化模仿”走向“系统性建构”的关键转折点。【非常重要】其教育价值绝非仅停留于制得一瓶氧气或验证助燃性，而在于通过这一经典实验载体，帮助学生抽提出实验室制取气体的一般认知模型，并将“性质决定装置，目的优化选择”的学科大观念内化为思维本能。

本课题在整套教材中承担三重逻辑锚定功能。知识逻辑上，它前承空气组成与氧气性质，后启二氧化碳的实验室制取及碳达峰碳中和背景下的物质转化，是元素观、变化观从定性感知走向定量调控的起点。能力逻辑上，它是学生从“观察演示实验”到“独立操作分组实验”的实战转折点，仪器连接、气密性检查、药品取用、加热时机、气体收集与检验等八大基本操作在此高度集成【高频考点】。素养逻辑上，本节课是践行“做中学”“用中学”“创中学”的最佳场域，通过催化剂探究培养证据推理能力，通过装置选择与改进培养模型认知与科学思维，通过制氧器设计培养跨学科实践能力。

学情精准画像显示，学生已掌握氧气的物理性质（密度、溶解性）与化学性质（助燃性），能书写碳、铁、蜡烛在氧气中燃烧的文字表达式，并具备试管、酒精灯、集气瓶等简单仪器的使用经验。但存在三大认知断层：其一，对“催化剂”概念极易陷入“参与者、消耗者”的迷思概念，需通过对比实验形成认知冲突；其二，装置选择时易机械记忆“高锰酸钾用固体加热型，过氧化氢用固液常温型”，而非从反应条件与物质状态进行逻辑推演；其三，实验操作中缺乏“气密性优先”“加热均匀化”“收集时机判断”等程序性知识的内化，常出现倒吸、验满不彻底、铁丝燃烧炸裂集气瓶等典型问题。基于此，本设计以“学科大概念”为统领，以“工程任务”为驱动，实现从实验验证到实验探究、从技能训练到思维发展的双重跃升。

二、教学目标与评价指标——追求理解的逆向设计

依据埃里克森“知识的结构”与麦克泰格“追求理解的设计”理念，确立三层递进式目标体系。

【大概念】化学变化需要一定条件，可通过调控条件实现物质转化与应用；物质的性质决定了其制备、收集、检验的方法。

【单元核心理解】学生将理解：实验室制取气体的完整方案需基于反应原理（药品与条件）、气体性质（密度、溶解性、毒性）及实验目的（纯度、干燥、速率）进行系统设计；催化剂通过改变反应路径加快反应速率，其质量与化学性质在反应前后保持不变；规范的实验操作不仅是安全与成功的保障，更是科学态度的外显。

【知识与技能维度】第一，能准确复述并书写加热高锰酸钾、分解过氧化氢溶液制取氧气的文字表达式及化学方程式，能辨识并绘制固体加热型与固液常温型发生装置、排水法与向上排空气法收集装置。【高频考点】【非常重要】第二，能在实验报告单上独立完成高锰酸钾制氧气步骤的排序（查、装、定、点、收、离、熄），并能解释每一操作背后的物理化学原理。【难点】第三，能规范进行酒精灯加热、气密性检查、排水法收集、验满及铁丝燃烧实验，误差率低于15%。

【过程与方法维度】第一，通过“寻找另一种催化剂”的微型探究，经历“假设—实验—证据—结论”的完整回路，构建催化剂“一变二不变”的核心概念。第二，通过对不同制氧装置（实验室装置、便携式制氧机、氧烛）的比较与评价，建立“需求—原理—结构”逆向工程思维。第三，通过绘制氧气制取与性质的思维导图，实现知识结构化。

【情感态度价值观维度】第一，在分组实验中体验分工协作的重要性，养成实验结束后“物归原位、清洗仪器”的净室习惯。第二，通过对化学史（舍勒与普利斯特里制氧）的辩证分析，形成“实验证据是科学真理唯一判据”的信念。第三，在制作简易供氧器的拓展任务中，体会化学技术对生命救护的贡献，增强社会责任意识。

【评价设计】采取“课前诊断性评价（催化剂迷思概念前测）—课中表现性评价（操作检核表、合作学习观察记录）—课后分层延展性评价（基础巩固、装置改进、文献研究）”三位一体模式，确保教学评一致性。

三、教学重难点与突破策略——定向爆破精准施策

【教学重点】1.实验室制取氧气（高锰酸钾法、过氧化氢法）的反应原理与装置选择依据。【非常重要】【高频考点】2.氧气的化学性质（特别是与铁丝、木炭、硫的化学反应）及实验现象规范描述。3.排水法收集气体的操作要领及时机判断。

确立依据：上述内容是课程标准规定的基础核心知识，是学业水平考试中选择题、填空题、实验探究题的必考内容，更是后续学习二氧化碳、氢气制取的类比原型。

【教学难点】1.催化剂概念的内涵理解（“改变”不等于“加快”；质量与化学性质均不变）及其实验论证方法。【难点】【高频考点】2.高锰酸钾制氧气操作步骤的深层逻辑关联及异常现象（水倒吸、试管炸裂、气体不纯）的原因分析。【难点】3.从气体制备的具体案例中抽象出实验室制取气体的一般思路与方法，实现从“学一个”到“通一类”的认知迁移。

【突破策略】针对催化剂难点：采用“先行组织者”策略，先播放汽车尾气催化转换器视频建立感性认识，再设计三组对比实验（常温H2O2、加热H2O2、H2O2+MnO2），以带火星木条复燃程度为观测指标，引发认知冲突；随后引入数字化实验，用气压传感器实时显示密闭容器内压强变化曲线，将“反应速率”可视化；最后通过称量反应前后MnO2质量并进行回收再实验，以定量证据固化“质量不变、化学性质不变”的深刻理解。针对装置选择难点：创设“你是实验室采购员，需为两位老师（一位用高锰酸钾、一位用过氧化氢）配齐仪器”的角色扮演任务，引导学生在真实任务中辨识两类装置的核心差异在于“是否需要加热”；进而提供阶梯性问题组：“为什么高锰酸钾要堵棉花？为什么不堵棉花也可以用向上排空气法？过氧化氢制氧气能否也用固体加热装置？那会造成什么后果？”通过思辨走向深刻。

四、实验准备与教学环境——结构化资源赋能探究

教师演示区：高锰酸钾（分析纯）、15%过氧化氢溶液、二氧化锰（黑色粉末）、木炭、细铁丝、硫粉、澄清石灰水；酒精灯、试管（5支）、铁架台（带铁夹）、集气瓶（4个）、毛玻璃片、水槽、带导管的单孔橡胶塞、药匙、镊子、坩埚钳、火柴、小木条、脱脂棉。

学生分组实验（4人/组，共8组）：实验台配备——A套（高锰酸钾组）：大试管、带导管的单孔塞、铁架台、酒精灯、集气瓶、毛玻璃片、水槽、棉花；B套（过氧化氢组）：锥形瓶、分液漏斗（或注射器）、带导管的双孔塞、集气瓶、毛玻璃片、水槽；共用药品：5%过氧化氢溶液、二氧化锰、高锰酸钾、木炭、细铁丝、澄清石灰水、火柴；防护用品：护目镜、一次性手套。

环境与技术支持：交互式电子白板（内置虚拟实验室组装模拟软件），高拍仪（实时展示优秀实验装置设计及典型错误操作），数字化实验系统（压强传感器套件），智慧课堂平板终端（用于即时前测与后测）。

预习任务设计（发布至班级学习平台）：观看“氧气的前世今生”微纪录片，完成两项准备——第一，虚拟仿真平台上尝试组装高锰酸钾制氧气装置，系统自动反馈连接错误与气密性问题；第二，思考“鱼塘增氧”可能涉及的化学原理，并在讨论区提交一个自己最想探究的关于氧气制取的问题。

五、教学实施过程——问题驱动下的深度建构

本设计以六大任务群贯穿课堂，总时长45分钟，其中学生动手操作与研讨时间占比不低于70%，教师讲授与示范性演示控制在30%以内。

（一）入境生趣·任务启动——从生命支持到实验室挑战（3分钟）

【教师活动】多媒体同步呈现三幅画面：珠峰登山队使用便携氧气瓶、ICU医生调节呼吸机参数、2026年冬奥会速滑馆内冰面维护。画外音：“从海拔8848米到手术台方寸之间，从竞技场上的极限突破到寻常巷陌的呼吸之间，氧气以它无形之姿支撑着文明运转。倘若时间回溯二百余年，当舍勒与普利斯特里面对那一瓶神秘气体时，他们如何确证那就是‘火空气’？今天，我们就将复刻这场伟大的遇见，但不是等待，而是创造——在实验室里亲手制取一瓶纯净的氧气，并验证它的传奇性质。”

【学生活动】观看、聆听、进入情境。

【设计意图】打通历史与现实、生活与科学的情感通道，激发作为“知识生产者”而非“知识消费者”的主体意识。

（二）概念攻坚·任务一——催化剂本质的论证与辨析（7分钟）

【驱动性问题】实验室里最温和的制氧方法——用过氧化氢溶液，为什么平时静置时几乎看不到气泡？加入一种黑乎乎的粉末后却像“沸腾”了一般？这粉末是反应物吗？它牺牲了自己，还是另有玄机？

【实验探究】分组进行微型探究。

1.空白对照：试管中加入2mL5%过氧化氢溶液，观察气泡，伸入带火星木条。

2.加热对照：加热上述试管，观察气泡增多，木条复燃。

3.催化剂试验：另取2mL同浓度过氧化氢，加入少量二氧化锰粉末，立即产生大量气泡，木条剧烈复燃。

【思维进阶】教师追问：“二氧化锰是不是反应物？怎么证明？”小组讨论后提出方案——称量反应前后二氧化锰的质量。教师展示数字化实验：精密天平连接投影，称量0.5gMnO2加入锥形瓶，反应结束经抽滤、干燥、再称量，读数仍为0.5g。【非常重要】再追问：“质量没变，是否说明它没有参与反应？化学性质变了吗？”小组设计回收实验：将反应后的二氧化锰重新加入新的过氧化氢溶液中，观察到依然能快速催化产氧。

【概念固化】师生共同归纳催化剂核心要义：“一变二不变”——改变反应速率，本身质量不变，化学性质不变。【高频考点】教师辨析易错点：“改变”不等于“加快”，也有减慢的负催化剂；“二氧化锰”不是过氧化氢分解的唯一催化剂，演示加入新鲜马铃薯块或猪肝研磨液，同样使木条复燃，体悟“酶”也是一种生物催化剂。

【重要标记】此处嵌入【难点突破】标记：催化剂概念是中考实验探究题的高频命题点，常以“影响过氧化氢分解速率的因素”为情境，考查控制变量法与数据分析。

（三）原理建模·任务二——气体发生与收集装置的决策思维（10分钟）

【驱动性问题】现在我们已经掌握了制氧的两把钥匙——一把需要加热（高锰酸钾），一把在常温下就能开启（过氧化氢+催化剂）。面对实验台上琳琅满目的玻璃仪器，工程师该怎样为不同的钥匙配不同的锁？

【环节A】发生装置的决策博弈

【教师活动】板演两种制气原理，呈现核心对比项：反应物状态（固体vs.液体+固体）、反应条件（加热vs.常温）。

【学生活动】小组合作，从仪器篮中挑选合适仪器，在3分钟内组装一套发生装置，并派代表用高拍仪展示说明决策理由。

【典型生成与点拨】组1：选用了试管、酒精灯、铁架台——这是高锰酸钾装置，因为它是固体且需要加热。组2：选用了锥形瓶、双孔塞、分液漏斗——这是过氧化氢装置，液体可以随时添加，控制产气速率。教师追问：“分液漏斗和长颈漏斗都可以加液体，为什么老师更推荐分液漏斗？”引导得出“分液漏斗有活塞，能控制滴加速率从而控制反应速率”的优化结论。【重要】【高频考点】教师进一步追问：“如果实验室暂时没有锥形瓶，能否用烧杯代替过氧化氢的发生装置？”小组思辨后达成共识：烧杯口大，难以用塞子密封，气体会逸散，不宜用作气体发生装置。

【环节B】收集装置的逻辑推演

【驱动性问题】氧气产生后，用什么方法把它“装”起来并保持纯净？选择依据是什么？

【学生活动】回顾氧气的物理性质密度（略大于空气）、溶解性（不易溶于水）。独立思考后完成学习单上的选择题：要收集一瓶较纯净的氧气用于铁丝燃烧实验，宜采用（A.排水法B.向上排空气法）；要收集一瓶干燥的氧气用于检验木炭燃烧产物，宜采用（）。【高频考点】

【实验论证】教师演示对比实验：用向上排空气法收集一瓶氧气，用带火星木条在瓶口验满，看似已满，但伸入瓶底再测，木条不复燃，证明排空气法存在纯度瓶颈。排水法收集时，学生需精准判断最佳收集时机——“导管口刚开始冒泡时能否收集？为什么？”【难点】通过小组辨析得出：刚开始排出的是受热膨胀的空气，必须待气泡连续均匀冒出时，才是纯净的氧气流。

【认知建模】师生共建实验室制取气体的一般思路模型图（板书思维导图）：

原料与原理→发生装置（依据：状态+条件）→除杂干燥（视需求）→收集装置（依据：密度、溶解性）→检验与验满（依据：性质）

【重要标记】此处嵌入【核心素养】标记：此环节集中培育“模型认知”素养，通过典型个案（氧气）抽取出普适性规律，为后续二氧化碳、氢气乃至高中氯气、氨气的制备铺设方法论铁轨。

（四）实战演练·任务三——高锰酸钾制氧气的规范实操与异常诊断（12分钟）

【教师精讲演示】（配合微视频慢镜头回放）

步骤谐音记忆法：“茶庄定点收利息”——查（检查气密性）、装（装药品，口部放棉花）、定（固定试管，口略向下倾斜）、点（点燃酒精灯，预热后集中加热）、收（收集气体，时机判断）、离（撤离导管）、熄（熄灭酒精灯）。【非常重要】【高频考点】

核心规范深度解读：为什么管口要略向下倾斜？——冷凝水倒流炸裂试管，这是物质受热不均的物理原理。为什么要在管口放一团棉花？——防止高锰酸钾粉末随气流进入导管并污染水槽和集气瓶，使水变红。为什么实验结束时先撤导管后灭灯？——防止水槽水倒吸炸裂试管，这是压强平衡原理。教师强调：所有规范背后都有科学原理，切忌死记硬背。【难点】

【分组实验】学生4人小组明确分工（1号操作员、2号助手兼记录、3号质量监督员、4号材料员），开始制取两瓶氧气（一瓶排水法、一瓶排空气法）。教师巡回指导，重点关注：试管固定的角度、酒精灯加热的移动方式、集气瓶灌水时有无气泡残留、排空气法验满操作。

【典型错误即时诊断】高拍仪拍摄某一小组实验异常：水槽中产生气泡但集气瓶内水位下降缓慢。组织全班“会诊”——可能原因：装置漏气（重查气密性）、漏孔塞未塞紧、导管过长弯折。另一小组集气瓶内氧气呈淡黄色——原因：试管口棉花塞太少，高锰酸钾粉末进入集气瓶。

【成功标志】各组成功收集两瓶氧气（一瓶排水法、一瓶排空气法），用带火星木条伸入集气瓶内，木条复燃，说明氧气浓度达标。小组在实验报告单上记录实际操作与理论步骤的偏差，并提出改进设想。

（五）性质求证·任务四——氧气化学性质的具身认知（8分钟）

【过渡】如果说制取氧气是与物质的初见，那么验证性质便是与物质的深交。氧气究竟如何“支持燃烧”？我们请刚才制取的氧气来当主角。

【分组递进实验】

实验1：木炭在氧气中燃烧——用坩埚钳夹住一小块木炭在酒精灯上烧至发红，缓慢伸入盛有氧气的集气瓶（由瓶口向下缓慢伸入，防止氧气受热逸出），观察燃烧现象与在空气中燃烧的差异（更旺、发出白光）。燃烧停止后，向瓶内倒入少量澄清石灰水，振荡，变浑浊——证明生成了二氧化碳。【重要】

实验2：铁丝在氧气中燃烧——将细铁丝绕成螺旋状以增大受热面积，一端系一根火柴梗，点燃火柴梗待其将燃尽时，将铁丝伸入氧气瓶中（瓶底预先留少量水或铺细沙）。现象：剧烈燃烧、火星四射、生成黑色固体。【非常重要】【高频考点】教师追问：“为什么要预先在瓶底放水？”——防止高温熔化物溅落炸裂瓶底。“为什么铁丝在空气中只能烧红，在氧气中却能火星四射？”——燃烧剧烈程度取决于氧气浓度。“黑色固体是什么？”——四氧化三铁。

【难点突破】针对铁丝燃烧实验失败率高的现象，组织归因分析：可能原因——氧气纯度不够；铁丝表面有锈漆未打磨；火柴梗消耗过多氧气未及时伸入；伸入过早或过晚。

【实验3】硫在氧气中燃烧（教师演示，强调环保）——硫粉在空气中燃烧发出淡蓝色火焰，在氧气中燃烧发出明亮的蓝紫色火焰，生成有刺激性气味的气体（二氧化硫）。瓶底预先放少量氢氧化钠溶液吸收尾气。【高频考点】

【意义建构】学生归纳：可燃物在氧气中燃烧比在空气中更剧烈，说明氧气的化学性质是比较活泼的，能助燃，但不自燃。

（六）迁移创新·任务五——从实验室走向生活场的工程思维启蒙（5分钟）

【驱动性问题】实验室里的制氧方案追求纯净与严谨，但高原战士、急救医生、慢阻肺患者随身携带的制氧器，能搬动这套铁架台和酒精灯吗？如果让你设计一款能在家庭、野外安全制氧的简易供氧器，你会保留实验室方案的哪些核心要素？又必须舍弃哪些？

【情境任务】呈现“氧立得”制氧器剖面图及氧烛结构示意图-2-6。小组研讨：对比实验室装置与便携供氧器，完成思维对比。

研讨焦点1：制氧原理的取舍——便携式供氧器为什么更多采用过碳酸钠（2Na2CO3·3H2O2）或过氧化钙与水反应，而不直接用高锰酸钾加热？学生分析得出：无需加热，安全性高；反应可控。

研讨焦点2：装置结构的工程优化——便携制氧器为何分设反应仓与加湿过滤仓？学生推测：过滤杂质、增加气体湿度、观察气泡以判断产氧速率。

研讨焦点3：催化剂的应用延伸——氧烛中氯酸钠分解需铁粉燃烧供热，这里的铁粉是否也扮演了“启动催化剂”角色？【跨学科链接】联系物理“热传递”与化学“反应条件”。

【素养升华】教师总结：从实验室的玻璃仪器到工程化的便携设备，不变的是对化学反应本质的驾驭，变的是对“需求、安全、成本、便携”的综合考量。这就是化学技术从“存在”走向“应用”的必经之路。

（七）反思内化·任务六——概念图绘制与元认知复盘（3分钟）

【学生活动】独立在学案空白处绘制本课核心概念图，以“氧气制取与性质”为中心节点，辐射出“原理”“装置”“操作”“性质”“应用”五大分支，并标注重难点及个人易错点。

【典型展示】选取两份代表性概念图（一份结构严谨、一份有认知偏差），通过投影对比点评。

【课堂终结】教师展示科学家霍姆斯说过的名言：“科学不仅是逻辑与实验的联姻，更是想象与严谨的共舞。”今天我们从一瓶过氧化氢、一勺黑色粉末开始，既严谨地丈量了催化剂的质量，也想象了它穿越血脑屏障救治生命的模样。愿诸位永葆这份对物质世界的惊奇与敬畏。

六、板书设计——结构化知识网络

左区：制氧双方案

1.过氧化氢法（液+固，常温）→催化剂（一变二不变）

2.高锰酸钾法（固，加热）→步骤口诀（茶庄定点收利息）

中区：装置选择逻辑树

反应条件→发生装置（加热？固固加热/固液不加热）

气体性质→收集装置（密度、溶解性、是否反应）

右区：性质与检验

氧性：助燃（木炭、铁丝、硫）

验满：带火星木条（排空气法：瓶口；排水法：瓶内）

七、作业设计——三层进阶促个性发展

【基础保级作业】（必做，8分钟）

1.完成课后习题第2、3、4、6题。

2.绘制高锰酸钾制氧气简易装置图并标注7处注意点。

【能力晋级作业】（选做其一，15分钟）

1.实验探究题：某兴趣小组发现用土豆片代替二氧化锰也能催化过氧化氢分解。请你设计实验方案探究“温度对土豆催化过氧化氢分解速率的影响”。