跨学科实践活动3 基于绿色化学探究实验室制氧气的原理 （教学设计）化学鲁教版2024九年级上册

该初中化学教学设计聚焦实验室制氧原理与绿色化学探究，涵盖三种制氧化学方程式书写、绿色化学核心思想及原子利用率计算，通过污染与环保生产的图片视频对比导入，衔接已学制氧方法，搭建新旧知识学习支架。 资料特色在于融合科学探究与实践，通过小组合作计算原子利用率、三维评估表格分析原料过程产物，渗透科学态度与责任，如对比过氧化氢制氧的可再生原料和无害产物，培养学生科学思维与评估能力，为教师提供结构化教学流程，助力核心素养落实。

跨学科实践活动3 基于绿色化学探究实验室制氧气的原理 一、知识目标 1.准确书写实验室制取氧气的三种方法（分解过氧化氢、加热高锰酸钾、加热氯酸钾）的化学方程式。 2.理解绿色化学的核心思想（从源头减少或消除污染），掌握“原子经济性”“预防废弃物产生”等关键绿色化学原则，能以这些原则为证据，推理判断不同制氧方法的环境友好性。 3.学会运用原子利用率公式计算化学反应的原子利用率，并能从原料、过程、产物三个维度评估化学反应的环境友好程度。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上了解三种制氧方法的反应现象和产物特点，从微观上分析原子在反应中的转化情况，理解原子经济性的概念。 2.证据推理与模型认知：通过对三种制氧方法的原子利用率计算和原料、过程、产物的系统分析，建立基于绿色化学原则评估化学反应的模型。 3.科学探究与创新意识：认识到绿色化学在化学研究和生产中的重要性，增强环保意识和社会责任感，在未来运用化学知识时，优先考虑对资源、环境、人体无害的方案。 一、教学重点 1.绿色化学的核心思想和关键原则 2.原子利用率的计算 3.从原料、过程、产物三个维度评估化学反应的环境友好程度 二、教学难点 1.运用绿色化学原则综合评估不同制氧方法的环境友好性 2.理解绿色化学原则之间的权重优先级 本节教学内容出自鲁教版2024年版九年级化学上册第五单元“定量研究化学反应”中的跨学科实践活动3“基于绿色化学探究实验室制氧气的原理”。该内容是在学生已经学习了实验室制取氧气的三种常用方法的操作和原理之后，从绿色化学的全新视角对这些知识进行深入探究，具有重要的学科价值和现实意义。 按照课程设计要求，本部分内容聚焦于引导学生准确书写实验室制取氧气的三种方法的化学方程式，理解绿色化学的核心思想及关键原则，并运用这些原则评估不同制氧方法的环境友好性。教材先引入绿色化学的概念和原则，详细介绍了原子经济性等重要概念，并通过具体的化学反应计算原子利用率，让学生直观感受不同反应的原子利用情况。 接着从原料、过程、产物三个维度对三种制氧反应进行系统评估，最后总结得出更符合绿色化学理念的制氧方法。这一编排有助于学生将理论知识与实际应用相结合，培养学生的科学思维和环保意识。 教学对象是九年级的学生，他们已经掌握了实验室制取氧气的基本操作和原理，但对于化学反应的评估还停留在较为表面的层面，缺乏从环保和可持续发展角度的深入思考。在知识基础方面，学生对化学方程式的书写有一定的掌握，但对于绿色化学的概念和原则还比较陌生。在思维能力上，九年级学生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，他们对直观的实验现象和数据比较感兴趣，但对于较为抽象的概念和原理理解起来可能存在一定困难。 在学习过程中，学生可能会对原子利用率的计算等内容感到困惑，需要教师通过具体的实例和详细的讲解帮助他们理解。同时，学生在运用绿色化学原则评估化学反应时，可能会缺乏系统性和全面性，教师应引导学生从多个维度进行分析。 此外，学生对化学与生活、环境的联系有一定的好奇心，教师可以利用这一特点，激发学生的学习兴趣，让他们认识到化学在解决实际问题中的重要作用，培养学生的社会责任感和环保意识。 教学环节一 新课导入 【展示图片和视频】同学们，老师先给大家展示一些图片和视频。（展示一些化工生产中污染严重的场景，如冒着浓烟的工厂、被污染的河流等，以及一些环保型化工生产的画面，如利用可再生能源进行生产的工厂等）大家看到这些画面，有什么感受呢？可以和身边的同学交流一下。（给学生一些时间交流讨论） 【学生发言】鼓励学生积极发言，如可能会提到污染环境很可怕，应该发展环保型生产等） 【引入绿色化学概念】大家说得都很有道理。随着社会的发展，人们越来越意识到环境保护的重要性。在化学领域，也出现了一种新的理念——绿色化学。绿色化学又称“环境无害化学”“环境友好化学”“清洁化学”，它的核心是从源头减少或消除污染。就像我们刚刚看到的环保型化工生产画面，就是绿色化学理念的一种体现。 【回顾实验室制氧方法】大家之前已经学习过实验室制取氧气的三种常用方法，分别是分解过氧化氢、加热高锰酸钾和加热氯酸钾。今天我们换个角度，从绿色化学的视角来探究一下哪种方法更环保、更符合可持续发展理念。大家想一想，从绿色化学的角度，我们可以从哪些方面来评估这三种制氧方法呢？ 设计意图 1.通过视觉对比激发学习兴趣：展示化工生产中污染场景与环保型化工生产画面，以强烈的视觉反差吸引学生注意力，激发其对环境保护和绿色化学的好奇心，促使学生主动参与课堂讨论，为后续知识学习营造积极的探究氛围。 2.关联生活实际渗透环保意识：将化学知识与实际化工生产、环境保护问题相结合，让学生直观感受化学与社会发展的紧密联系，认识到化学在环境治理中的作用，初步建立环保认知，为后续绿色化学理念的学习奠定思想基础。 3.衔接新旧知识明确学习目标：从学生已掌握的三种实验室制氧方法切入，引导其从绿色化学视角思考评估方向，自然过渡到新课主题，帮助学生明确本节课 “基于绿色化学探究制氧方法” 的学习目标，提升学习的针对性。 教学环节二 了解绿色化学原则 活动一：认识绿色化学的概念与起源 【引入】同学们，我们已经学过实验室制取氧气的三种常用方法。今天，我们换个角度，从绿色化学的视角来探究哪种方法更环保、更符合可持续发展理念。那绿色化学是什么呢？大家对绿色化学有哪些了解？ 【问题】1. 什么是绿色化学？是谁提出的这一理念？2. 绿色化学与“先污染后治理”的本质区别是什么？ 【学生思考】自主阅读课件内容后，举手回答：绿色化学又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”，是近十年才产生和发展起来的。它最初发端于美国，1998 年，保罗·阿纳斯塔斯（Paul Anastas）和约翰·华纳（Paul Anastas）在他们编著的《绿色化学：理论与实践（Green Chemistry: Theory and Practice）》一书中，首次提出并公布了绿色化学的 12 项原则。绿色化学的最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染，区别于“先污染后治理”。 【讲解】评价、强调：绿色化学是指减少或者淘汰有毒物质使用或产生的化学产品和工艺的设计，其核心是从源头减少或消除污染。国际上认可的绿色化学原则有 12 条，可以用于评估一个化学反应对环境的友好程度。 设计意图 1.问题驱动夯实概念基础：设计 “绿色化学定义与起源”“与‘先污染后治理’本质区别” 的问题，引导学生自主阅读课件获取信息，主动构建绿色化学的概念框架，避免被动接受知识，深化对核心概念的理解。 2.对比辨析厘清认知误区：重点强调绿色化学 “源头预防污染” 与 “先污染后治理” 的本质差异，帮助学生区分两种理念的核心逻辑，纠正 “绿色化学即化学产品为绿色” 等潜在误区，准确把握绿色化学的内涵。 3.对应训练强化认知准确性：通过选择题检测学生对绿色化学核心（从源头消除污染）和内涵的掌握情况，及时反馈学习效果，针对性纠错，确保学生对概念的认知准确无误，为后续原则应用筑牢基础。 活动二： 理解绿色化学的原子经济性原则 【引入】在绿色化学原则中，“原子经济性”是一个重要的概念。它考虑的是在化学反应中究竟有多少原料的原子进入了产品之中。当反应物中的原子全部转化成我们需要的产物，这时的原子利用率为 100%。 【问题】写出三种制氧反应的化学方程式，引导学生分析“预期产物（O₂）”和“全部生成物”： 分解过氧化氢： 加热高锰酸钾： 加热氯酸钾： 【学生思考】O2是预期产物，生成物总和为全部生成物。 【问题】大家能根据原子利用率的公式，计算出实验室制取氧气的三种方法（分解过氧化氢、加热高锰酸钾、加热氯酸钾）的原子利用率吗？ 【示例】以“分解过氧化氢”为例，设质量为68g，则生成 36g、 32g。原子利用率 = 。 【学生任务】小组合作，分别计算三种制氧方法的原子利用率。 加热高锰酸钾：设质量为316g（2mol），生成 197g、 87g、 32g。原子利用率 = 。 加热氯酸钾：设质量为245g（2mol），生成 149g、 96g。原子利用率 = 。 【总结】各小组展示计算结果，教师评价、强调：通过计算比较得出，分解过氧化氢的原子利用率最高。 设计意图 1. 实例演算落实公式应用能力：以三种制氧反应为具体案例，明确计算步骤（设定原料质量、依据方程式算产物质量、代入公式计算），引导小组合作完成计算，将抽象的原子利用率公式转化为具象的实践操作，提升公式应用能力。 2. 小组协作培养团队协作素养：通过小组分工计算不同制氧方法的原子利用率，促使学生在交流中分享思路、互助解决计算难题（如比例关系推导、质量计算误差修正），增强团队协作意识和沟通能力。 3.结果对比深化原则理解：组织各小组展示计算结果，教师总结强调过氧化氢制氧原子利用率最高，让学生直观感知不同反应的原子利用差异，理解 “原子经济性”“预防废弃物” 的原则内涵，建立 “原子利用率越高越环保” 的初步认知。 教学环节三 基于绿色化学评估化学反应 活动三： 对三种制氧反应进行系统评估 【引入】依据绿色化学原则，要评估一个化学反应的环境友好程度，除了考虑原子经济性之外，还需从原料、过程、产物等方面进行系统分析。下面我们就来分析实验室制取氧气的三种方法。 【问题】1. 过氧化氢、高锰酸钾、氯酸钾的原料来源及可再生性如何？2. 分解过氧化氢、加热高锰酸钾、加热氯酸钾的反应过程中，能耗与安全隐患情况怎样？3. 三种反应的产物是否有害，是否会产生废弃物？ 【学生任务】阅读课件中关于三种制氧反应的原料、过程、产物的相关内容，进行分析总结，并填写以下表格： 绿色化学原则 分解过氧化氢 加热高锰酸钾 加热氯酸钾 原料 符合 “使用可再生原料（R）”，原料可通过可再生资源（如利用可再生能源驱动的水电解产物等）制备，环境友好 不符合 “使用可再生原料（R）”，原料（软锰矿、钾盐等）为不可再生矿物资源 不符合 “使用可再生原料（R）”，原料（钾盐矿、食盐等）为不可再生矿物资源 过程 符合 “温和的反应条件（T）”“减少或避免衍生步骤（O）”，常温下加催化剂即可反应，无需加热（节能），步骤简单 不符合 “温和的反应条件（T）”，需要加热（耗能），步骤较简单 不符合 “温和的反应条件（T）”，需要加热（耗能），且需催化剂，步骤稍多 产物 符合 “预防废弃物产生（P）”“极少的副产物（V）”，产物水和氧气，均无害、无废弃物 不符合 “预防废弃物产生（P）”“极少的副产物（V）”，产物含固体废弃物，若丢弃需妥善处理（否则易污染环境） 较符合 “预防废弃物产生（P）”，产物和无害，但反应过程因加热、用催化剂，综合环境影响比过氧化氢分解大 【总结】各小组展示表格填写结果，教师评价、强调：从系统评估来看，分解过氧化氢制取氧气在原料、过程、产物方面都更符合绿色化学理念。 设计意图 1. 多维问题构建评估框架：围绕 “原料可再生性”“过程能耗与安全”“产物危害性” 设计问题，引导学生阅读分析课件内容，帮助其建立 “原料 - 过程 - 产物” 的三维评估框架，形成系统的分析思路。 2. 表格梳理强化逻辑思维：让学生填写对比表格，整理三种制氧方法在各绿色化学原则下的表现（如原料是否可再生、过程是否耗能），通过结构化梳理理清评估要点，提升逻辑归纳能力。 3.总结评价落实原则应用：展示学生填表结果并进行评价，强调分解过氧化氢制氧在原料、过程、产物上的优势，引导学生将绿色化学原则（如温和反应条件、预防废弃物）应用于实际评估，实现 “理论原则→实践评估” 的转化。 活动四：总结与反思交流 【引入】通过对三种制氧反应的系统评估，我们对绿色化学有了更深入的认识。下面请大家总结一下，从绿色化学的角度来看，哪种制氧方法更合适，以及我们对绿色化学有了哪些新的认识。 【问题】1. 从“原子利用率”和“原料、过程、产物”的系统评估看，哪种制取氧气的方法更符合绿色化学理念？2. 绿色化学的核心是什么？我们在评估化学反应时应遵循哪些原则？3. 化学实践与社会责任有什么关系？ 【学生思考】学生思考后，举手回答：分解过氧化氢制取氧气更符合绿色化学理念，因为其原子利用率较高、原料相对友好、反应条件温和、产物无害。绿色化学的核心是“从源头减少或消除污染”，我们在评估化学反应时要兼顾原子经济性、原料可持续性、过程安全性等多个维度。化学实践与社会责任紧密关联，我们在运用化学知识时，要优先考虑对资源、环境、人体无害的方案。 【讲解】评价、强调：绿色化学的核心是“源头控制污染”，需通过“原子经济性、原料可再生性、过程节能性、产物无害性”等多原则综合评估反应。我们在选择反应时，要明确各原则的权重优先级，优先聚焦“核心原则”——原子经济性与预防废弃物，再结合“次要原则”——温和反应条件与原料可再生性，处理好“原则冲突”。同时，作为化学学习者，我们要肩负起社会责任，运用化学知识解决实际问题时，兼顾“效益”与“环保”。 设计意图 1.问题链整合知识体系：设计 “最优制氧方法”“绿色化学核心”“化学与社会责任关系” 的问题链，引导学生回顾本节课内容，将绿色化学原则、原子利用率计算、制氧反应评估等零散知识串联成完整体系，形成结构化认知。 2.权重分析提升综合评估能力：强调 “原子经济性、预防废弃物” 等核心原则的优先级，指导学生处理 “原则冲突”（如某反应原子利用率高但原料不可再生），提升综合权衡、科学判断的能力。 3.责任渗透培育核心素养：通过强调 “化学实践需兼顾效益与环保”，引导学生认识到化学学习的社会责任，将绿色化学理念与未来化学应用结合，培养科学态度与环保意识，落实核心素养目标。 第五单元 定量研究化学反应 跨学科实践活动3 基于绿色化学探究实验室制氧气的原理 / 学科网（北京）股份有限公司 一、绿色化学核心 从源头减少 / 消除污染 二、三种制氧反应的化学方程式： 分解过氧化氢： 加热高锰酸钾： 加热氯酸钾： 3、 原子利用率计算 · 过氧化氢分解：≈47.1%； · 高锰酸钾分解：≈10.1%； · 氯酸钾分解：≈39.2% 四、结论：分解过氧化氢更符合绿色化学理念 1．在完成跨学科实践活动“基于绿色化学探究实验室制氧气的原理”后，对绿色化学有了一些新的认识，以下有关“绿色化学”认识错误的是 A．在生产新产品的过程中尽可能使用成本低的原材料 B．化工生产的原料和产品尽可能无毒、无害 C．探求新的、更安全的、对环境更友好的化学合成路线和生产工艺 D．三种实验室制氧方法中，原子利用率最高的是“分解过氧化氢” 【答案】A 【详解】A、绿色化学强调环境友好和可持续性，而非单纯追求低成本原材料。低成本可能伴随污染或高能耗，选项错误； B、绿色化学要求原料和产品无毒无害，降低对环境和健康的危害。选项正确； C、安全、环保的合成路线和工艺是绿色化学的重要内容。选项正确； D、三种实验室制氧方法（加热高锰酸钾、氯酸钾分解、过氧化氢分解）中，过氧化氢分解的原子利用率最高（仅生成水和氧气，无副产物）。选项正确； 故选A。 2．我国科学家利用新型催化技术实现了绿色制取CH4，反应的微观示意图如图所示。下列说法正确的是 A．反应后氢原子的个数增多 B．催化剂的化学性质发生改变 C．反应生成c、d的质量比为4：9 D．a、b按分子个数4：1进行该反应 【答案】C 【详解】A、化学反应前后遵循质量守恒定律，原子的种类和数目均保持不变，A错误； B、催化剂能改变化学反应速率，但其本身的化学性质保持不变，B错误； C、由微观示意图及守恒定律可知，该反应的化学方程式为，c、d分别是甲烷和水，二者的质量之比为，C正确； D、a、b分别是二氧化碳和氢气，二者参加反应的分子个数之比为，D错误。 故选C。 从本节课的实施情况来看，整体达成了预设的教学目标，学生不仅掌握了实验室制氧的化学方程式与原子利用率计算方法，更初步建立了用绿色化学视角评估化学反应的思维模式，但过程中也暴露了一些可优化的细节，现从教学效果、存在不足及改进方向三方面进行反思。 在教学亮点上，情境导入环节通过展示三种制氧装置图，快速唤醒学生对旧知的记忆，再以 “哪种方法更环保” 的问题切入，自然衔接绿色化学主题，有效激发了学生的探究兴趣。绿色化学原则的讲解未停留在理论层面，而是结合 “原子利用率公式” 与具体制氧反应，通过教师示范、小组计算的方式，让学生在实践中理解 “原子经济性” 的本质 —— 这一设计既落实了知识目标，又通过小组分工培养了学生的合作能力，符合 “科学探究与创新意识” 的素养要求。活动 2 的三维评估环节，引导学生从原料、过程、产物拆解反应的环境友好性，如分析过氧化氢 “可再生原料”“常温反应”“无害产物” 的优势，使绿色化学的 “源头控污” 核心思想具象化，不少学生在分享中提到 “原来环保不只是处理废物，还能从反应一开始就避免污染”，可见 “科学态度与社会责任” 素养得到了有效渗透。 但教学过程中也存在明显不足。一是绿色化学原则的讲解深度不足，仅重点提及原子经济性、预防废弃物等原则，对 “使用安全溶剂”“设计可降解产物” 等其他原则未作关联，导致学生评估反应时维度较单一，部分小组在分析 “加热氯酸钾的过程友好性” 时，仅关注能耗，忽略了催化剂使用可能带来的潜在影响。二是小组活动的参与度不均，活动 1 计算原子利用率时，基础薄弱的学生因对 “物质的量与质量关系” 掌握不牢，多依赖组员计算，自身未真正参与；活动 2 讨论中，部分小组因分工不明确，出现 “少数人主导、多数人沉默” 的情况，未能充分发挥小组合作的价值。三是时间分配不够精准，活动 2 的讨论超出预设 2 分钟，导致总结反思环节仓促，学生对 “如何权衡绿色化学原则” 的探讨仅停留在表面，未能深入分析 “若原料可再生但原子利用率低，该如何评估” 这类复杂问题。 针对这些不足，后续教学可从三方面改进：其一，深化绿色化学原则的关联教学，在讲解原则时补充简单案例，如对比 “含毒溶剂的反应” 与 “水作溶剂的反应”，让学生理解多原则的协同重要性；其二，优化小组活动设计，明确分组时的角色分工（如计算员、记录员、发言人、检查员），并为不同基础学生设计分层任务，如基础弱的学生先完成 “已知质量的原子利用率计算”，基础好的学生尝试 “未知质量的比例计算”，确保全员参与；其三，细化时间管理，在小组讨论前用计时器明确时间节点，预留 1-2 分钟弹性时间，同时简化总结环节的语言，聚焦 “核心结论 + 拓展问题”，让学生有更充分的时间交流反思。 总之，本节课通过 “理论 + 实践” 的方式落实了绿色化学与化学知识的融合，但在 “以学生为中心” 的细节设计上仍需完善。后续教学中，需更关注学生的认知差异与参与度，让绿色化学不仅成为课堂知识，更能转化为学生分析问题、解决问题的思维工具。 $