初中化学九年级（上册）第三单元课题2《氧气的实验室制法》探究式教学设计

初中化学九年级（上册）第三单元课题2《氧气的实验室制法》探究式教学设计

  一、学习目标设计

  （一）宏观辨识与微观探析

  通过观察与分析高锰酸钾、氯酸钾、过氧化氢三种物质分解制取氧气的宏观实验现象，能从微观角度初步理解化学反应中分子破裂、原子重组的过程本质。具体而言，学生能辨识三种制氧反应在反应条件、剧烈程度、产物特征上的差异，并能从反应物分子构成和化学键变化的角度进行初步解释。

  （二）变化观念与平衡思想

  建立“化学反应的发生与速率受多种因素影响”的动态观念。通过对过氧化氢溶液分解反应中催化剂（二氧化锰）的探究实验，理解催化剂能改变化学反应速率而其本身质量和化学性质在反应前后不变的核心概念。初步认识通过控制变量（如反应物浓度、催化剂种类与用量、温度）可以调控化学反应。

  （三）证据推理与模型认知

  经历完整的“提出问题-猜想假设-设计实验-收集证据-解释结论-交流评价”科学探究过程。能够基于实验现象和事实数据，运用比较、分类、归纳等方法，推理出实验室制取气体的一般性思路模型，包括反应原理选择、发生装置与收集装置设计、操作步骤与检验方法等，并能将该模型迁移应用于其他气体的制取情境。

  （四）科学探究与创新意识

  以小组为单位，合作完成“用高锰酸钾制取氧气”和“探究过氧化氢制氧气的适宜条件”两项核心实验操作。在安全规范的前提下，敢于对教材方案提出质疑与改进设想，例如尝试寻找过氧化氢分解的新型催化剂（如氧化铁、硫酸铜溶液、土豆块等），培养动手实践能力和初步的创新思维。

  （五）科学态度与社会责任

  深刻认识氧气作为生命支持气体和重要化工原料的社会价值。通过对比实验室制法与工业制法（分离液态空气法），体会科学原理在不同规模和应用场景下的技术转化，理解化学工业在资源利用中的节能与环保考量。强化实验安全意识，特别是对加热操作、有腐蚀性药品处理以及气体验纯的严谨态度。

  二、教学重难点剖析

  （一）教学重点

  1.反应原理的系统认知：掌握高锰酸钾加热分解、过氧化氢在二氧化锰催化下分解制取氧气的化学方程式，并能准确描述反应现象。

  2.实验操作的规范掌握：熟练掌握“高锰酸钾制取氧气”实验的全套操作流程，包括仪器的装配与气密性检查、固体药品的取用与加热、排水法/向上排空气法收集气体、验满与检验、实验结束时的操作顺序（移管-熄火）。

  3.催化剂概念的深度建构：通过对比实验，深刻理解催化剂“一变两不变”的定义内涵，并能从微观层面初步想象其作用机制。

  4.装置模型的归纳迁移：能够根据反应物状态（固态、液态）和反应条件（加热、常温）选择并设计合适的气体发生装置；根据气体密度与溶解性选择收集装置，形成制取气体的通用思维模型。

  （二）教学难点

  1.催化剂概念的理解与辨析：学生易将催化剂视为“反应物”或“反应条件”，难以理解其“参与反应但最终复原”的中间过程。需要设计阶梯式探究活动，引导学生从宏观现象（速率改变）推理至微观假设（提供反应路径）。

  2.实验操作中细节的理性把握：理解每一个操作步骤背后的化学原理与安全考量，而非机械记忆。例如，理解“试管口略向下倾斜”是为了防止冷凝水倒流炸裂试管；“用排水法收集时，导管口刚有气泡冒出不宜立即收集”是为了排出装置内的空气，确保氧气纯度。

  3.从具体到抽象模型的思维跃迁：将具体制氧经验提炼为普适性的气体实验室制备思路，并能灵活应用于新情境（如制取二氧化碳、氢气），这需要教师搭建有效的认知脚手架。

  三、教学思想与策略

  本设计秉持“素养为本、探究为径、学生主体”的教学理念。采用项目式学习与启发式教学深度融合的策略，将“为班级实验室安全、高效地制备并储备一瓶氧气”作为核心驱动任务。在教学过程中，渗透化学史（从普利斯特里到舍勒的发现），融入工程思维（装置设计与优化），链接STSE（工业制氧与医疗、航天应用）。主要教学方法包括：

  1.情境任务驱动法：创设真实问题情境，激发学习内驱力。

  2.实验探究法：通过分组实验、演示实验、对比实验，获取直接经验与证据。

  3.模型建构法：引导学生在分析、比较、归纳中自主构建知识模型。

  4.合作学习法：小组内分工协作，讨论交流，培养团队精神与沟通能力。

  5.数字化辅助教学：利用仿真实验软件预习复杂操作，通过传感器（如氧气传感器）定量检测氧气浓度，使实验现象和数据更加直观、精确。

  四、教学准备

  （一）教师准备

  1.教学课件：包含关键问题链、实验视频微课（错误操作后果演示）、工业制氧动画、气体收集方法原理图解。

  2.演示实验器材：铁架台、大试管、酒精灯、水槽、集气瓶、玻璃片、高锰酸钾、氯酸钾、二氧化锰、过氧化氢溶液（3%、10%）、木条、火柴。额外准备：土豆块、新鲜猪肝（含过氧化氢酶）、氧化铜粉末。

  3.分组实验器材（按4-6人一组配置）：铁架台（带铁夹）、试管、单孔橡胶塞及导管、水槽、集气瓶（5个）、玻璃片、酒精灯、药匙、纸槽、棉花、高锰酸钾、过氧化氢溶液（3%）、二氧化锰粉末、小木条、火柴、废物回收杯。

  4.安全装备：护目镜（每人一副）、石棉网、试管夹、灭火毯、急救箱。

  （二）学生准备

  1.知识预习：复习氧气的物理性质和化学性质；预习教材中制取氧气的三种方法。

  2.分组安排：异质分组，明确组长、操作员、记录员、安全员的角色与职责。

  3.前置任务：查阅资料，了解生活中哪些场合需要用到氧气，它们是如何获得的。

  五、教学实施过程

  本教学过程计划用三个课时完成，遵循“情境导入，明确任务（0.5课时）→原理探究，构建新知（1课时）→实践操作，深度探究（1课时）→应用迁移，总结升华（0.5课时）”的逻辑主线。

  第一课时：从自然到实验室——制氧原理的探寻与抉择

  （一）情境导入，引发认知冲突（预计用时：15分钟）

  教师活动：播放一段精心剪辑的视频，内容依次呈现：森林氧吧中人们的深呼吸、医院重症监护室内患者吸氧、航天器发射时液氧燃料剧烈燃烧、炼钢高炉中鼓入富氧空气的场景。随后，画面定格在一个问题上：“这些不同场景下所需的氧气，来源都一样吗？”

  学生活动：观看视频，结合课前查阅的资料，进行小组快速讨论，并分享初步看法。学生可能会提到“空气中有氧气”“植物光合作用”“化学制造”等。

  教师活动：首先肯定学生的思考。然后提出本单元的核心驱动任务：“作为班级化学实验室的‘首席技术员’，我们需要安全、高效、经济地制备并储存几瓶纯净的氧气，用于后续的性质探究实验。我们该如何完成这个任务？”引导学生从任务出发，思考实验室制气与工业制气的核心区别（规模、成本、纯度、设备要求等）。

  接着，教师展示两则化学史料：一是18世纪普利斯特里和舍勒分别通过加热氧化汞和硝石发现氧气的故事；二是近代工业上大规模分离液态空气制氧的流程简介。提出问题链：“历史方法（加热氧化物）和现代工业方法，哪种适合我们的实验室？为什么？”“实验室制法选择反应物的核心原则是什么？”引导学生归纳出实验室制气反应应具备“反应条件温和、速率适中、原料易得、操作安全、产物纯净”等特点。

  （二）原理探究，建立反应认知（预计用时：30分钟）

  教师活动：提出：“化学家们已经为我们筛选出了一些符合实验室要求的反应。让我们一起来探究。”进行三组演示实验，引导学生观察、比较、记录。

  演示实验1：加热高锰酸钾。教师规范操作：检查装置气密性→在试管底部装入少量高锰酸钾，并在管口塞一团棉花→固定试管，管口略向下倾斜→预热后集中加热→用排水法收集一瓶气体→用带火星木条检验。引导学生重点观察：固体颜色变化、生成气体速率、木条复燃情况。

  演示实验2：加热混有二氧化锰的氯酸钾。对比单独加热氯酸钾（仅熔化）与混合加热（迅速产生大量气体）的现象差异，突出二氧化锰的作用。

  演示实验3：向过氧化氢溶液中加入二氧化锰。对比不同浓度（3%与10%）过氧化氢溶液的反应剧烈程度，强调安全操作（二氧化锰需缓缓加入）。

  学生活动：分组完成实验观察记录表，内容包括反应物状态、反应条件、主要现象、产物检验、反应方程式（在教师引导下尝试书写）。

  教师活动：组织学生汇报观察结果，并引导深入讨论：

  1.从反应条件看，高锰酸钾和氯酸钾需要加热，过氧化氢常温即可反应，各有什么利弊？（加热提供能量但操作复杂、能耗高；常温节能简便但可能需催化剂控制速率。）

  2.从反应速率和可控性看，哪个反应更适合课堂学生实验？（过氧化氢溶液通过滴加速度易于控制反应进程，更安全可控。）

  3.二氧化锰在三个实验中扮演的角色相同吗？在实验2和3中，反应后回收二氧化锰，经洗涤干燥后再次使用，能否继续起作用？这说明了什么？

  通过讨论，引导学生初步聚焦催化剂概念，并自然引出下一环节的深度探究。

  （三）概念深化，初识催化剂（预计用时：15分钟）

  教师活动：提出挑战性问题：“二氧化锰似乎很神奇。它到底是什么？是反应物吗？是反应条件吗？我们如何用实验证明它在反应前后‘没有变化’？”展示一个研究思路：称量反应前后二氧化锰的质量；检验其化学性质是否改变（能否再次催化新的过氧化氢分解）。

  由于课堂时间限制，教师播放一段事先录制好的定量探究实验视频：精确称量二氧化锰质量→催化过氧化氢分解→过滤、洗涤、干燥回收二氧化锰→再次称量→将回收物加入新的过氧化氢溶液，观察是否依然能催化。

  学生活动：观看视频，记录数据，得出结论。在教师引导下，共同归纳出催化剂“能改变反应速率，而本身质量和化学性质在反应前后保持不变”的科学定义。教师强调“改变”包括“加快”和“减慢”，日常多为“加快”（正催化剂）。

  教师活动：拓展视野，介绍生物酶（如过氧化氢酶）也是催化剂，展示土豆块或猪肝催化过氧化氢分解的趣味实验。同时指出，催化剂具有选择性（一种催化剂并非对所有反应有效）和中毒现象（杂质导致失效），联系汽车尾气处理装置中的催化剂，渗透STS教育。

  课堂小结与任务布置：总结本课探究的三种实验室制氧原理，比较其优劣。布置课后思考题：1.如果实验室没有二氧化锰，还可以尝试用哪些物质催化过氧化氢分解？（查阅资料或家庭小实验：如锈铁钉、红砖粉末等。）2.根据今天所学，你认为我们完成班级制氧任务，应首选哪个反应原理？为什么？

  第二课时：从原理到实践——制氧系统的设计与操作

  （一）方案论证，装置建模（预计用时：20分钟）

  教师活动：回顾驱动任务和上节课选定的优选方案（假设大部分小组选择过氧化氢催化分解法，部分选择高锰酸钾加热法）。提出新问题：“确定了‘用什么反应’，接下来要解决‘用什么装置’和‘如何操作’。”

  引导学生从反应原理出发，进行装置设计。首先分析气体发生装置。

  对于过氧化氢溶液（液态）与二氧化锰（固态）在常温下反应：引导学生思考如何实现固液接触与分离以控制反应？如何添加液体？学生可能会设计出多种简易装置。此时，教师展示并引导学生评价几种典型装置：1.简单版：试管中加二氧化锰，用滴管滴加过氧化氢。2.可控版：使用分液漏斗或长颈漏斗添加液体，便于控制流量。3.便携版（启普发生器原理）：利用气压自动控制反应发生与停止的简易装置。

  组织学生讨论各装置的优缺点（操作简便性、可控性、安全性、药品利用率）。最终，师生共同优化，确定1-2种适合课堂分组实验的发生装置模型（通常为“锥形瓶/大试管+长颈漏斗/分液漏斗+双孔塞”的组合）。

  对于高锰酸钾加热法：引导学生回顾上节课演示实验的装置，分析各部件功能（如试管口为何向下倾斜？导管为何稍伸出橡胶塞即可？）。强调加热操作的规范性。

  其次，分析收集装置。复习氧气物理性质（密度略大于空气、不易溶于水）。提问：“根据这些性质，可用哪些方法收集氧气？”（排水法、向上排空气法）组织学生讨论两种方法的优缺点：排水法收集的气体较纯但不干燥；排空气法操作简便但纯度不易保证，且需验满。介绍验满方法（排水法：集气瓶口有大气泡冒出；向上排空气法：带火星木条放瓶口复燃）。

  （二）实践操作，分组探究（预计用时：60分钟）

  本环节是学生动手实践的核心环节。根据班级情况和设备条件，可将学生分为两大组，分别完成“高锰酸钾制氧”和“过氧化氢制氧”实验，然后交换数据和经验。以下以“高锰酸钾制取氧气”的详细操作流程为例：

  学生活动：小组按角色分工，在教师巡视指导下，严格按以下步骤操作。

  第一步，装配与检查：按照从下到上、从左到右的顺序连接仪器（酒精灯暂不点燃）。将导管一端放入水槽中，双手紧握试管外壁，观察导管口是否有气泡冒出。松手后，观察导管内是否形成一段稳定的水柱。若现象不明显，则检查橡胶塞是否塞紧、连接处是否漏气。此步骤旨在理解气密性检查的原理（热胀冷缩或压强变化）。

  第二步，装药与固定：用药匙和纸槽将约7-8克高锰酸钾粉末小心送入干燥试管底部，避免药品沾在管口或内壁。在试管口塞一团疏松棉花（防止加热时高锰酸钾粉末冲入导管）。用铁夹夹在试管中上部（距离管口约1/3处），管口略向下倾斜，固定在铁架台上。调整酒精灯高度，使外焰对准药品所在部位。

  第三步，加热与收集：点燃酒精灯，先来回移动预热试管，然后集中加热药品部位。待导管口气泡连续、均匀冒出时（此时为纯氧气），开始用排水法收集气体。集气瓶预先盛满水，用玻璃片盖住瓶口，倒立在水槽中。移开玻璃片，将导管口伸入瓶口内，待气泡从瓶口逸出时，表示已收集满。在水下用玻璃片盖好瓶口，正放在桌面（因氧气密度大于空气）。

  第四步，移管与熄火：收集满所需气体后，必须先将导管移出水面，再熄灭酒精灯。教师需强调顺序颠倒的严重后果（水倒吸，炸裂试管）。

  第五步，检验与性质实验：用坩埚钳或镊子夹取一小块木炭，在酒精灯上烧至红热，迅速放入收集有氧气的集气瓶中（瓶底可预先铺少量细沙或水），观察现象（剧烈燃烧，发出白光）。对比空气中燃烧情况。此步骤将制取与性质探究无缝衔接。

  对于“过氧化氢制氧”小组，重点练习固液接触的控制、反应速率的观察与调节（通过控制滴加速度）、以及多功能装置的使用。

  教师活动：在整个操作过程中，教师进行巡回指导，重点关注：1.操作规范与安全。2.实验现象的记录是否准确。3.小组合作是否有效。对于共性问题（如加热位置不对、收集时机过早、水倒吸风险等）及时进行集中提醒。鼓励学生之间互相指导、纠错。

  （三）误差分析与反思（预计用时：10分钟）

  实验结束后，教师组织学生进行小组汇报与反思。

  提问链：“你们小组收集的氧气，能使木炭燃烧得非常剧烈吗？有没有遇到收集的气体不易使木条复燃的情况？”“可能的原因是什么？”引导学生从多角度分析实验误差：装置气密性不良导致空气混入；药品量不足或加热不充分；收集时机不当（刚开始的气泡是空气）；导管伸入集气瓶过晚，瓶中已有空气；验满操作不准确等。

  进一步追问：“如何改进操作或装置，能获得更纯、更充足的氧气？”鼓励学生提出改进方案，例如：如何更有效地排尽导管内空气？使用更精密的控制阀门等。培养学生的问题意识和批判性思维。

  第三课时：从模型到迁移——思维的系统化与视野的拓展

  （一）模型建构，形成思路（预计用时：20分钟）

  教师活动：引导学生回顾并梳理前两课时的完整学习历程。提出：“现在，我们不仅成功制备了氧气，更应提炼出一套适用于实验室制取任何气体的方法论。”组织学生以思维导图或流程框图的形式，分组合作，总结“实验室制取气体的一般思路”。

  学生活动：小组讨论，绘制思路图。典型成果应包括以下关键节点：

  1.确定反应原理：选择原料易得、条件温和、速率适中、安全环保、产物纯净的反应。

  2.设计发生装置：依据反应物状态（固/液）和反应条件（加热/常温）选择。

  加热固体型（如高锰酸钾）：注意事项（试管口略向下倾，铁夹夹中上部，预热等）。

  固液常温型（如过氧化氢）：基本构成（容器+长颈漏斗/分液漏斗+导管），可进一步分为简易型、可控型、随开随用型。

  3.设计收集装置：依据气体密度（与空气比较）和溶解性（水中溶解度）。

  排水法：适用于不易或难溶于水的气体，纯度较高。

  排空气法：向上排空气法（密度大于空气），向下排空气法（密度小于空气）。需考虑气体与空气成分是否反应。

  4.规划操作步骤：一般流程为：连接仪器→检查气密性→装入药品→固定装置→（如需加热则）预热加热→收集气体→（如需加热则）移管熄火→整理器材。

  5.明确验满/验纯方法：根据气体特性设计，如氧气用带火星木条验满。

  6.设计尾气处理（若有毒）：如吸收、燃烧等（此点可提示为后续学习伏笔）。

  教师活动：选取2-3组进行展示交流，师生共同评议、补充、完善，形成班级共识性的“气体实验室制法思维模型图”。

  （二）迁移应用，能力提升（预计用时：15分钟）

  教师活动：创设新的任务情境，检验学生模型迁移能力。

  任务一：“实验室常用石灰石（固态）与稀盐酸（液态）在常温下反应制取二氧化碳气体。已知二氧化碳密度大于空气，能溶于水。请运用我们刚刚构建的模型，小组讨论设计一套制取并收集二氧化碳的实验装置图（用文字或简单图示描述），并说明操作要点和验满方法。”

  学生活动：小组讨论，应用模型进行设计。他们会迁移使用“固液常温型”发生装置（如锥形瓶+长颈漏斗），选择“向上排空气法”收集（因密度大于空气且能溶于水），验满方法可能是燃着的木条放在瓶口熄灭。教师巡视，关注学生能否正确选择收集方法并说明理由，对“不能用排水法”的理解是否到位。

  任务二（挑战）：“若要制备并收集一瓶干燥的氧气，我们的装置需要如何改进？”引出除杂和干燥装置的概念（如通过浓硫酸或无水氯化钙干燥管），为后续化学实验的复杂体系学习埋下伏笔。

  （三）对比拓展，联结社会（预计用时：10分钟）

  教师活动：播放一段现代化工业制氧（低温分离液态空气法）的动画视频。引导学生从规模、原理、成本、产品纯度等多维度，系统对比实验室制法与工业制法的异同，完成对比表格。

  |对比维度|实验室制法（过氧化氢分解为例）|工业制法（分离液态空气）|

  |:---|:---|:---|

  |原理|化学变化（分解反应）|物理变化（利用沸点不同）|

  |原料|过氧化氢等化学品|空气（自然资源）|

  |条件|常温，催化剂|低温高压（-196°C左右）|

  |设备|简单玻璃仪器|大型空分设备|

  |规模|小批量|大规模连续生产|

  |成本|原料成本相对高|能耗高，但规模效应下单位成本低|

  |产品|纯度较高（可达99%以上）|纯度极高（如医用氧99.5%以上），可同时得氮气等|

  |用途|实验研究、少量应急|医疗、冶金、化工、航天等|

  讨论：为何工业上不直接使用化学分解法制氧？（成本过高，不经济）通过对比，让学生深刻体会科学原理如何根据实际需求和技术经济考量，转化为不同的技术路径，深化“科学-技术-社会-环境”的联系。

  （四）总结升华，评价反思（预计用时：5分钟）

  教师活动：引导学生从知识、方法、情感三个维度进行本单元学习的总结。

  知识层面：我们掌握了两种以上实验室制氧的原理、装置和操作。

  方法层面：我们经历了完整的科学探究过程，并建构了实验室制取气体的普适性思维模型。

  情感与价值观层面：我们体会到化学实验的严谨与乐趣，认识到化学在创造新物质、服务社会方面的巨大价值，也增强了安全意识和环保意识。

  布置开放式作业：

  1.设计一份家庭小实验方案：利用身边材料（如医用双氧水、土豆/锈铁钉作为催化剂、塑料瓶、吸管等）模拟制备少量氧气，并尝试进行简单的检验（注意安全，在家长陪同下进行）。

  2.撰写一篇小论文或制作一份简报，主题为：“氧气制备技术的发展与人类生活”，可以涵盖从化学发现史、实验室技术到现代工业应用、乃至未来可能的技术展望（如光合作用仿生制氧）。

  六、板书设计

  板书采用结构化、流程化的设计，伴随教学进程逐步生成，最终形成完整的知识脉络图。

  核心区（居中）：

  课题：氧气的实验室制法——原理、装置与探究

  左侧（原理与概念区）：

  一、反应原理

  1.加热高锰酸钾：高锰酸钾→锰酸钾+二氧化锰+氧气

  （紫黑色）（绿色等）（黑色）

  2.过氧化氢分解：过氧化氢→水+氧气（二氧化锰催化）

  二、催化剂

  定义：一变（反应速率），两不变（质量、化学性质）。

  中间区（装置与模型区）：

  三、发生装置模型

  固-固加热型（图式）

  要点：试管下倾、夹中上部、预热后集中加热。

  固-液常温型（图式）

  基本型、可控型（带漏斗）。

  四、收集装置模型

  排水法（图式）：适用于不易/难溶于水的气体。

  排空气法（图式）：向上（密度>空气）；向下（密度<空气）。

  右侧（流程与应用区）：

  五、操作流程（以高锰酸钾为例）

  查→装→定→点→收→移→熄（谐音记忆：茶庄定点收利息）

  六、检验与验满

  检验：使带火星木条复燃。

  验满：排水法（瓶口大气泡）；向上排空气法（木条放瓶口复燃）。

  七、对比与迁移

  实验室vs.工业（表格要点）

  气体制法一般思路模型（流程图）

  该板书设计力求逻辑清晰，图文并茂，既呈现