九年级化学《实验室用高锰酸钾制取氧气》教学设计

九年级化学《实验室用高锰酸钾制取氧气》教学设计

  一、课标与核心素养分析

  本教学设计依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》中“科学探究与化学实验”、“身边的化学物质”等主题要求。核心素养导向聚焦于：宏观辨识与微观探析（理解高锰酸钾分解的宏观现象与微观本质）、变化观念与平衡思想（认识分解反应的类型与特征）、证据推理与模型认知（通过实验证据推导化学方程式，构建气体制备的通用模型）、科学探究与创新意识（自主设计并完成制取氧气的探究活动，优化实验方案）、科学态度与社会责任（严谨规范地操作，理解氧气制备在医疗、航天等领域的社会价值）。本课是学生系统学习气体制备原理与方法的开端，旨在通过完整的探究过程，建构“反应原理—实验装置—操作步骤—检验方法—收集方法”的化学实验思维模型，为后续学习二氧化碳等气体制备奠定方法论基础。

  二、教学目标

  （一）知识与技能

  1.能准确书写高锰酸钾加热分解制取氧气的化学方程式，并表述其反应原理。

  2.能根据反应原理和反应条件，独立选择并组装实验室制取氧气的发生装置和收集装置（重点掌握排水集气法及向上排空气法）。

  3.能熟练、规范地演示高锰酸钾制取氧气的完整操作流程，包括检查气密性、装入药品、固定装置、加热、收集、验满、移出导管、熄灭酒精灯等关键步骤。

  4.能描述氧气的检验与验满方法，并能区分二者操作目的的不同。

  （二）过程与方法

  1.经历“问题假设—原理探究—装置设计—实践操作—反思优化”的完整科学探究过程，提升实验设计能力与问题解决能力。

  2.通过小组合作组装装置、进行实验，培养团队协作与动手实践能力。

  3.学习运用对比、归纳的方法，总结固固加热型气体发生装置及气体收集装置的选择依据，初步形成气体制备的思维模型。

  （三）情感态度与价值观

  1.通过实验成功的体验与对实验细节的严谨把控，养成实事求是、一丝不苟的科学态度和良好的实验习惯。

  2.通过了解氧气在呼吸急救、金属切割、航天推进等领域的广泛应用，认识化学技术对社会发展的重要贡献，增强社会责任感。

  3.激发对化学实验的探究热情，培养敢于质疑、勇于创新的科学精神。

  三、学情分析

  九年级学生刚接触化学学科约两个月，已初步了解氧气的主要物理性质和化学性质（如支持燃烧），学习了部分基本实验操作（如药品取用、酒精灯使用、简单仪器连接），具备一定的观察和描述实验现象的能力。然而，学生对复杂实验的系统设计、多步骤的协调操作、以及基于原理的装置选择仍感陌生。其思维特点是从具体形象思维向抽象逻辑思维过渡，但动手操作的热情高涨。常见的学习难点包括：对实验步骤内在逻辑理解不清导致操作顺序错乱；对装置选择依据理解模糊；对实验中异常现象的成因分析与处理能力不足。因此，教学需通过搭建思维阶梯、强化原理与装置的关联、设置认知冲突与探究任务，引导学生实现从“模仿操作”到“理解设计”的跨越。

  四、教学重点与难点

  （一）教学重点

  1.高锰酸钾制取氧气的反应原理（化学方程式）。

  2.实验室制取氧气的实验装置（发生与收集）及操作步骤。

  （二）教学难点

  1.实验操作步骤的先后顺序及其内在原理（特别是“先移导管后灭灯”的原因）。

  2.根据反应物状态、反应条件及气体性质，自主选择和优化实验装置的系统思维。

  3.对实验过程中可能出现的异常现象（如试管破裂、水倒吸、收集气体不纯等）进行诊断与排除。

  五、教学策略与方法

  本设计采用“情境-问题-探究-建构-应用”的探究式教学模式。

  1.情境导入法：利用医疗急救、深海潜水、航天发射等真实情境，引发学生对氧气制取技术的兴趣与需求认知。

  2.实验探究法：作为核心方法，将学生置于探究主体地位，通过分组实验亲历制取氧气的全过程。

  3.模型建构法：引导学生从本实验出发，归纳总结出“反应原理决定发生装置，气体性质决定收集方法”的气体制备通用模型。

  4.合作学习法：在装置设计、实验操作、问题讨论环节开展小组合作，促进思维碰撞与经验共享。

  5.信息化融合教学：利用仿真实验软件进行预操作和错误操作后果演示，使用AR技术展示装置三维结构，辅助理解与规范操作。

  六、教学准备

  （一）实验仪器与药品（按学生分组准备，4人一组）

  铁架台（带铁夹）、酒精灯、试管、单孔橡胶塞、导气管、橡胶管、水槽、集气瓶（带毛玻璃片）、玻璃片、药匙、棉花、高锰酸钾（KMnO4）、火柴、木条、废液缸。

  （二）教学媒体资源

  1.多媒体课件：包含情境视频、反应原理动画、装置三维拆解图、操作步骤流程图、对比表格等。

  2.交互式仿真实验平台：用于学生课前预习和课后巩固。

  3.实物投影仪：用于展示学生实验操作细节，进行实时点评。

  七、教学过程设计（两课时连排，共90分钟）

  （一）第一课时：原理探究与装置设计（40分钟）

  环节一：创设情境，明确任务（预计用时：5分钟）

    播放一段精简视频，内容涵盖医院重症监护室的氧气供应、潜水员水下呼吸保障、火箭发射推进剂中液氧的加注画面。

    教师提问：“这些场景中的氧气从何而来？工业上通过分离液态空气大量制取氧气，那么在实验室的有限条件下，我们如何安全、便捷地获得纯净的氧气用于研究呢？”从而引出实验室制取氧气的课题。

    任务驱动：“今天，我们将化身实验室研究员，完成一项核心任务：以高锰酸钾为原料，设计并实施一套方案，在实验室制取并收集一瓶纯净的氧气。”

  环节二：探究反应原理，书写化学方程式（预计用时：10分钟）

    1.回顾与预测：引导学生回顾氧气的化学性质，思考“哪些含有氧元素的物质，可能通过一定条件释放出氧气？”学生可能提出水、过氧化氢、氧化汞、高锰酸钾等。教师聚焦于高锰酸钾。

    2.提供证据，引导推理：教师演示或播放预先录制的高精度实验视频：取少量高锰酸钾粉末于干燥试管中，加热。引导学生多角度观察并记录：固体颜色变化（紫黑色→黑褐色）、是否有气体产生（可用带火星木条初步检验）、试管口内壁有何物（可能出现少量冷凝水珠）。

    3.微观探析与方程式书写：结合化学反应前后元素种类不变的原则，引导学生推理产物。教师利用动画模拟高锰酸钾（KMnO4）分子受热分解的过程：钾、锰、氧原子重新组合。明确告知学生主要产物为锰酸钾（K2MnO4）、二氧化锰（MnO2）和氧气（O2）。在此基础上，指导学生尝试配平化学方程式：

      2KMnO4△K2MnO4+MnO2+O2↑

    强调：△为加热条件；“↑”的使用规则（反应物无气体，生成物有气体时使用）。

    4.概念建构：分析该反应“一变多”的特征，巩固“分解反应”的概念。

  环节三：基于原理，设计实验装置（预计用时：25分钟）

    这是培养系统思维与模型认知的关键环节。采用“总-分-总”的思路展开。

    1.明确系统构成：提出“一套完整的气体制取装置应包括哪两大部分？”引导学生得出：发生装置（产生气体）和收集装置（收集气体）。

    2.设计发生装置：

      问题链引导：

      (1)反应物高锰酸钾是什么状态？反应条件是什么？（固态、加热）

      (2)加热固体药品，容器口应如何朝向？为什么？（略向下倾斜，防止冷凝水倒流炸裂试管）

      (3)如何将产生的气体导出？（需在容器口塞带导管的橡胶塞）

      (4)酒精灯加热时，如何固定试管？（使用铁架台）

      学生小组讨论，尝试画出装置草图。教师利用AR技术，在屏幕上立体化呈现一套标准的“固体加热型气体发生装置”，并可进行虚拟拆解与组装。学生对照优化自己的设计。

      深度讨论：试管口为何要塞一团棉花？（防止加热时高锰酸钾粉末随气流冲入导管，堵塞导管或污染收集的气体）。这是基于药品物理性质的细节优化。

    3.设计收集装置：

      知识回顾：氧气有哪些物理性质？（不易溶于水，密度比空气略大）

      原理迁移：根据这些性质，可以分别采用什么方法收集？

      (1)排水集气法：展示装置图。讨论其优点（气体较纯、便于观察收集进度）与缺点（气体含有水蒸气）。

      (2)向上排空气法：展示装置图。讨论导管为何要伸入集气瓶底部？（便于排尽空气）。如何验满？（将带火星的木条置于瓶口，复燃则满）。

      对比与选择：组织学生对比两种方法，完成表格（通过提问引导，不呈现实体表格）：从气体纯度、干燥程度、操作简便性、是否便于观察等角度分析。并思考：若要收集干燥氧气，应选哪种？若要收集较纯氧气用于性质实验，应选哪种？从而理解“依据实验目的选择收集方法”。

    4.整合与建模：将发生装置与收集装置（以排水法为例）通过导管连接，形成完整装置图。引导学生初步归纳：发生装置取决于反应物状态和反应条件；收集装置取决于气体的溶解性和密度。此为气体制备的初步模型。

    5.仿真预演：各小组在平板电脑上使用仿真实验软件，对自行设计的装置进行虚拟组装和操作，软件会即时反馈错误（如试管口未向下倾斜、导管伸入试管过长等），学生据此修正方案。

  （二）第二课时：实验实施与反思拓展（50分钟）

  环节四：规范操作，实施实验（预计用时：25分钟）

    这是培养科学探究与科学态度的核心环节。强调“步步有据，规范操作”。

    1.操作步骤分解与原理剖析：教师不直接给出步骤清单，而是通过提问引导学生自主排列操作顺序，并解释原因。形成如下板书脉络：

      (1)查：检查装置气密性。

        原理：通过微热使装置内气体膨胀，观察气泡；冷却后观察水柱，利用气压差检验密封性。

      (2)装：装入药品（高锰酸钾），在试管口塞一团棉花，塞好带导管的橡胶塞。

        操作要点：药匙或纸槽送入底部；棉花松紧适度。

      (3)定：固定装置（铁架台上，试管口略向下倾斜）。

        要点：铁夹夹在距管口约1/3处；酒精灯高度通过铁架台调节，外焰加热。

      (4)点：点燃酒精灯，预热后对药品所在部位集中加热。

        预热方法：先使试管均匀受热。

      (5)收：待气泡连续均匀冒出时开始收集（为什么？排出装置内的空气，保证氧气纯度）。

        排水法收集：集气瓶倒置充满水于水槽中，瓶口无气泡；导管口伸入集气瓶口即可。

      (6)离：收集完毕，将导管移出水面。

      (7)熄：熄灭酒精灯。

      核心难点突破：针对“先移管，后熄灯”这一易错点，设置认知冲突。提问：“如果先熄灭酒精灯，会观察到什么现象？”让学生根据气压知识（试管冷却，内部气压减小）推理出水槽中的水会倒吸入热的试管，导致试管炸裂。通过仿真软件演示错误操作的后果，强化记忆。

      (8)验：用带火星的木条伸入集气瓶内，检验收集到的气体（氧气检验方法）。

    2.分组实验与巡视指导：学生以小组为单位进行实际操作。教师巡视，重点关注：气密性检查方法是否正确；加热操作是否规范；是否在连续均匀气泡时开始收集；实验结束顺序是否正确。利用实物投影仪捕捉典型操作（正确与错误），进行即时集体点评。

    3.异常现象处理：鼓励学生记录实验中的问题，如：加热很久才有气泡（可能装置漏气或药品受潮）、导管口有紫红色雾（棉花未塞或太松）、收集气体不纯（过早开始收集或集气瓶未装满水）等。引导小组内分析原因，尝试解决。

  环节五：总结反思，迁移应用（预计用时：15分钟）

    1.成果展示与交流：小组展示收集到的氧气（用毛玻璃片盖好）及检验成功的现象（带火星木条复燃）。分享本组在实验过程中的经验或教训。

    2.模型巩固与系统总结：师生共同梳理，形成完整的知识框架与思维导图。再次强调从“反应原理”到“装置设计”到“操作流程”再到“检验验满”的逻辑链条。将本课的高锰酸钾制氧气方案，作为“固体加热型”气体制备的典型案例，纳入更广阔的气体制备知识网络中。

    3.迁移挑战：

      情境一：实验室欲用氯酸钾（KClO3）和二氧化锰（MnO2）混合加热制氧气。其反应原理为：2KClO3MnO2△2KCl+3O2↑。请分析，其发生装置与收集装置应如何选择？操作步骤与高锰酸钾制氧气有何异同？（引导学生发现反应物均为固体、均需加热，故发生装置相同；但氯酸钾制氧无需在管口堵棉花，因其不易升华。此对比深化对装置细节取决于具体药品性质的认识）。

      情境二：若需要长时间、平稳地提供少量氧气，例如用于家庭鱼缸增氧或医疗保健，上述实验室方法是否合适？你有什么改进思路？（引出对反应条件更温和、装置更简易的制氧方法的思考，如常温下过氧化氢分解，为后续学习埋下伏笔，体现创新意识培养）。

    4.社会责任升华：简要介绍便携式制氧机（基于分子筛或过氧化氢原理）在高原地区、家庭医疗中的应用；回顾导入情境中工业制氧（分离液态空气）对钢铁冶炼、航天工业的支撑作用。使学生体会从实验室到生产生活的科技转化，理解化学是社会进步的关键推动力。

  环节六：评价反馈与作业布置（预计用时：5分钟）

    1.多维评价：

      (1)过程性评价：根据小组实验参与度、操作的规范性、问题解决能力进行评价。

      (2)结果性评价：通过收集氧气的纯度、成功完成检验来评价。

      (3)纸笔评价（课后）：通过习题检测对原理、装置、步骤的掌握情况。

    2.分层作业：

      基础性作业：绘制高锰酸钾制取氧气的完整装置图（排水法），并标注各部分仪器名称及操作注意事项。

      拓展性作业：撰写一份简易的实验报告，除常规内容外，需增加“实验反思”部分，分析本组实验可能存在的误差来源，并提出至少一条优化建议。

      探究性作业（选做）：查阅资料，了解潜水艇、空间站等封闭环境中，氧气是如何实现再生和循环的？写一篇300字左右的小短文进行介绍。

  八、板书设计（思维导图式）

  实验室制取氧气（以高锰酸钾为例）

    一、反应原理

      2KMnO4△K2MnO4+MnO2+O2↑（分解反应）

    二、实验装置（模型）

      1.发生装置：固体加热型

        依据：反应物状态（固）、反应条件（加热）

        要点：试管口略向下倾、棉花团、铁架台固定

      2.收集装置：

        (1)排水法→依据：氧气不易溶