资源简介

跨学科实践活动2 基于特定需求设计和制作简易供氧器
一、知识目标
1.掌握氧气制备原理，对比和过碳酸钠制氧的优缺点，能选择适合家庭使用的制氧器原料。
2.学会设计简易供氧器模型，明确各模块构成、作用及材料选择，能运用生活用品进行替代。
3.理解药品用量和温度对制氧速率的影响，能根据实验数据选择适宜的药品用量。
二、核心素养目标
1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识不同场景对氧气的需求，从微观上理解制氧化学反应的原理。
2.证据推理与模型认知：具备根据需求进行装置设计与制作的工程思维，能考虑材料选择、装置连接等工程问题，能通过实验数据推理药品用量和温度对制氧速率的影响，建立简易供氧器的设计模型。
3.科学探究与创新意识：在供氧器设计、制作、改进过程中，能提出问题、进行探究并创新优化方案。
一、教学重点
1.基于特定需求进行供氧器的设计，明确各部分组成及作用。
2.依据设计进行供氧器各部分装置的制作与组装。
3.对制作完成的供氧器进行效果评价与优化改进。
二、教学难点
1.综合多学科知识，合理选择制作材料并设计装置连接方式。
2.分析实际操作中出现的问题，有效优化改进简易供氧器。
本节教学内容出自鲁教版 2024 年版九年级化学上册第四单元的跨学科实践活动“基于特定需求设计和制作简易供氧器”。该内容是在学生学习了氧气的制备与性质等知识的基础上，进行的一次综合实践活动，具有很强的实践性和综合性，对于培养学生的创新能力和实践能力具有重要意义。
按照课程要求，此活动旨在让学生综合运用化学、数学等学科知识和工程技术方法，设计并制作符合特定需求的简易供氧器。教材首先通过新课导入，以登山者高海拔缺氧和医院患者依赖供氧设备的情境，引发学生思考在特定情况下如何设计简易供氧器，从而激发学生的学习兴趣和探究欲望。接着，详细介绍了简易供氧器的制作原理，包括需求分析、原理确定等内容，引导学生对比不同制氧原料的优缺点，选择合适的原料。然后，指导学生进行模型设计、材料准备、制作过程以及实验现象记录和分析。最后，通过讨论与反思、产品说明撰写等环节，培养学生的问题解决能力和总结归纳能力。
教学对象是九年级的学生，他们已经学习了氧气的制取和性质等基础知识，具备了一定的化学实验操作技能和理论知识。在思维方面，学生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，开始具备一定的逻辑推理能力和创新思维能力，但在综合运用多学科知识解决实际问题方面还存在一定的不足。 在生活经验方面，学生对氧气的重要性有一定的认识，但对于简易供氧器的设计和制作可能了解较少。在学习过程中，学生可能会对制氧原理、材料选择、装置设计等方面存在疑问，需要教师进行引导和启发。
同时，由于学生的动手能力和合作能力存在差异，在小组制作过程中可能会出现一些问题，如分工不明确、合作不默契等。因此，教师在教学过程中应充分考虑学生的实际情况，引导学生积极参与讨论和实践，鼓励学生提出问题、解决问题，培养学生的团队合作精神和创新能力。
此外，还应结合学生的生活实际，让学生感受到化学知识在生活中的广泛应用，提高学生的学习兴趣和学习积极性。
教学环节一 新课导入
【创设情境】同学们，老师先给大家播放一段视频。（播放登山者在高海拔地区因缺氧而行动艰难，以及医院里患者依靠供氧设备维持呼吸的视频片段）
【提问引导】大家看完视频，能感受到氧气对我们的生命有多重要了吧。想象一下，如果在登山过程中，突然氧气供应不足，或者在一些紧急情况下，身边没有专业的供氧设备，我们该怎么办呢？大家有没有想过自己动手设计一个简易的供氧器来满足需求呢？
【问题】大家思考一下，哪些环境或者人群需要额外供氧呢？不同的需求对制氧、供氧又有哪些具体要求呢？
【学生思考】学生可能会回答登山、医疗、高原等环境需要额外供氧。对于具体要求，可能会提到供氧持续性、便携性、氧气浓度等方面。
【讲解】评价并总结学生的回答，强调设计简易供氧器时，需要考虑制氧量持续且充足，操作要简便；供氧器要具有便携性与耐用性，材料需耐冲击；同时要确保供氧效率与安全性，具备多重安全保护措施。
【引入课题】其实，在化学的世界里，我们可以利用一些常见的化学物质和简单的装置来制取氧气。就像我们之前学过的用高锰酸钾、氯酸钾、过氧化氢来制取氧气。那有没有更适合在特定情况下，比如家庭使用的制氧方法和原料呢？这就是我们今天要一起探索的内容——基于特定需求设计和制作简易供氧器。
设计意图
1.激发学习兴趣：播放登山者缺氧、医院患者依赖供氧设备的视频，直观呈现氧气对生命的重要性，快速吸引学生注意力，激发其对设计简易供氧器的好奇心，为后续学习奠定积极的情感基础。
2.关联生活实际：提出紧急情况下无专业供氧设备的问题，将化学知识与生活场景紧密结合，让学生意识到化学在解决实际问题中的价值，提升课堂参与的主动性。
3.自然引入课题：从已学氧气制取方法过渡到寻找适合特定场景的制氧方案，引导学生带着问题探索，明确本节课学习方向，实现新旧知识的顺畅衔接。
教学环节二 简易供氧器的制作原理
活动一：需求分析与确定
【引入】同学们，登山者在高海拔地区会因为缺氧而行动艰难，医院里的患者也依赖着供氧设备，由此可见氧气对我们的生命至关重要。那大家想一想，如果在特定情况下我们无法获取现有的供氧器，我们能不能自己设计一个简易供氧器来满足需求呢？接下来我们就一起探讨简易供氧器的制作原理，首先进行需求分析与确定。
【问题】大家思考一下，哪些环境或者人群需要额外供氧呢？不同的需求对制氧、供氧又有哪些具体要求呢？
【学生思考】学生们分组讨论，然后代表发言。可能会提到登山、高原地区、医疗场景等环境需要额外供氧；对于制氧和供氧的要求，可能会说到供氧持续性、便携性、氧气浓度等方面。
【讲解】老师总结学生的发言，并进一步强调设计简易供氧器时，制氧量要持续且充足，操作要简便，要确保在紧急情况下用户的供养需求有保障；供氧器要具有便携性与耐用性，材料需耐冲击，保证在各种环境下稳定工作；同时要确保供氧器能迅速提供有效氧气且浓度适宜，具备多重安全保护措施，防止使用风险。
设计意图
1.明确设计依据：通过引导学生思考需供氧的环境与人群，梳理对供氧器的具体要求，帮助学生建立 “需求决定设计” 的理念，为后续原理确定和模型设计提供方向。
2.培养分析能力：组织学生讨论并总结需求，锻炼其观察、归纳和逻辑思维能力，让学生学会从实际需求出发思考问题，提升解决实际问题的意识。
3.强化应用认知：结合对应训练题，检验学生对需求分析的理解，加深其对供氧器关键设计因素的认知，为后续选择制氧原料和设计模型做好铺垫。
活动二：探究简易供氧器的工作原理
【引入】我们已经明确了简易供氧器的需求，接下来要确定制氧的原理。大家回忆一下，我们学过哪些制取氧气的方法呢？
【问题】我们学过用高锰酸钾、氯酸钾、过氧化氢制取氧气的原理，那么哪种氧气制取原理更简便、持续、安全呢？并且思考有没有其他替代性的药品？
【学生思考】学生回顾之前学过的知识，分析三种制取氧气原理的优缺点，然后小组讨论是否有其他替代性药品。
【讲解】老师介绍过碳酸钠制氧的原理和特点。过碳酸钠是一种安全的固体化合物，需要在催化剂（如二氧化锰粉末或浓度为5%的硫酸铜溶液）的作用下分解生成氧气、碳酸钠和水，整个反应过程无有毒气体产生，安全性高。与过氧化氢溶液制氧相比，过碳酸钠是固体，方便收纳和携带，稳定性更好。同时提醒学生使用过碳酸钠制氧时的注意事项，如用量控制、反应容器不能完全密闭等，且该方法制成的氧气装置不能用于医疗供氧。
【问题】对比过氧化氢和过碳酸钠制取氧气的优缺点，选择出适合家庭使用的制氧器原料。
【学生思考】学生根据课件中给出的过氧化氢和过碳酸钠的优缺点对比表格，分析并讨论出适合家庭使用的制氧器原料。
【讲解】老师总结学生的讨论结果，综合考虑安全性、原料获取、速率控制等因素，过碳酸钠更适合家庭使用。过氧化氢虽然反应效率高、速率快，但安全性较差、原料成本较高；而过碳酸钠安全性高、速率易控、原料易获取。
设计意图
1.巩固旧知并拓展：回顾已学制氧方法，对比分析优缺点，在此基础上引入过碳酸钠制氧原理，帮助学生构建完整的制氧知识体系，实现知识的深化与拓展。
2.培养对比选择能力：详细对比过氧化氢与过碳酸钠制氧的优缺点，引导学生根据家庭使用场景选择合适原料，提升其基于实际需求进行科学选择的能力。
3.夯实理论基础：通过对应训练题，强化学生对过碳酸钠制氧原理及优势的理解，确保学生掌握核心理论，为后续模型设计和制作提供坚实的知识支撑。
活动三：模型设计
【引入】我们已经确定了适合家庭使用的制氧器原料是过碳酸钠，接下来我们要思考如何设计供氧器的模型，以及可以选择哪些装置或材料呢？
【问题】过碳酸钠和二氧化锰、水的反应是固体 - 液体常温制取气体的化学反应，我们应该选择哪种发生装置呢？如何用生活用品进行替代呢？
【学生思考】学生可能会提出使用塑料瓶、注射器、软管等生活用品来组装装置。小组讨论设计供氧器模型，思考如何控制反应速率、过滤和储存氧气等问题。
【讲解】介绍供氧器模型一般包括制氧模块、储氧模块、调节模块、过滤模块。在设计时，反应仓可选用透明塑料瓶，便于观察反应情况；将过碳酸钠与二氧化锰分开放置，通过控制两者接触的方式来控制反应速率，如在塑料瓶内设置多孔隔板或加装带孔小塑料瓶；在反应容器顶端安装注射器，通过调节注射器注入水的速率来控制氧气流出速率；为了使产生的氧气较纯净，需要加装过滤净化模块。
设计意图
1.构建设计框架：介绍供氧器的模块组成，引导学生思考各模块的功能与材料选择，帮助学生建立系统的设计思维，明确模型设计的整体框架。
2.鼓励创新与实践：启发学生利用生活用品替代专业器材，激发创新意识，同时让学生思考反应速率控制、氧气过滤等细节，培养其细致的设计思维和实践能力。
3.衔接制作环节：通过对应训练题，检验学生对模型设计关键要点的掌握，确保学生设计方案的可行性，为后续小组合作制作顺利开展奠定基础。
教学环节三 制作简易供氧器
活动四：小组分工合作制作模型
【引入】我们已经完成了简易供氧器的设计，接下来就要动手制作了。大家要以小组为单位，分工合作完成模型的制作。
【问题】在制作之前，我们需要明确每个同学的任务，以及制作的步骤。大家想一想，应该如何分工呢？制作的步骤是怎样的呢？
【学生思考】学生讨论并确定分工，如一人组装制氧模块，一人制作储氧模块，一人安装调节模块，一人负责管理添加药品。明确实验步骤，包括将小塑料瓶底部钻若干小孔放入二氧化锰，内置于大塑料瓶内，大塑料瓶安装带注射器的导管，放入过碳酸钠，注射器内加入适量水后观察反应情况等。
【讲解】强调在制作过程中要注意检查装置的密封性，确保实验安全。各小组依据设计方案进行制作，在制作过程中相互配合。
设计意图
1.培养团队协作能力：明确小组内部分工，让学生在组装不同模块的过程中学会沟通、配合，提升团队协作意识和能力，体会集体完成任务的优势。
2.提升动手操作能力：按照实验步骤动手制作供氧器，让学生在实践中熟悉装置组装、药品添加等操作，锻炼动手能力，将理论知识转化为实际操作技能。
3.强化安全与规范意识：强调检查装置密封性等安全要点，引导学生规范操作，培养其严谨的实验态度和安全意识，确保实验顺利进行。
活动五：记录实验现象
【引入】各小组已经完成了简易供氧器的制作，接下来我们要利用组装好的供氧器进行实验，记录实验现象，探究药品的用量和温度对制氧速率的影响。
【问题】老师展示实验表格，让学生根据表格中的实验序号、过碳酸钠的质量、二氧化锰的质量、水的体积、温度以及收集100ml氧气所用的时间等信息，分析过氧化钠的质量、二氧化锰的质量及温度对产生氧气的速率有何影响？适宜做供氧器的药品用量是哪组？
【学生思考】学生分组分析实验数据，讨论并回答问题。
【讲解】老师引导学生对比不同实验数据，得出结论。对比实验①和②，其他条件相同，过碳酸钠质量越大，反应速率越快，产生氧气的速率也就越快；对比实验①和③，温度越高，反应速率越快，产生氧气的速率越快；对比实验③和④，二氧化锰质量增加，反应速率会加快。综合考虑反应速率和药品成本、反应可控性等因素，实验③的药品用量（过碳酸钠10g、二氧化锰0.3g、水100mL、温度41°C）相对更适宜，但实际应用中还需结合更多实际需求进一步优化。
设计意图
1.培养数据分析能力：引导学生对比不同实验组的数据，分析各变量对制氧速率的影响，提升其从数据中提取信息、得出结论的能力，强化科学探究思维。
2.明确适宜条件：通过分析数据确定适宜的药品用量，让学生学会基于实验结果进行科学判断，掌握根据实际需求优化实验条件的方法。
3.深化探究认知：结合分析结果，让学生理解实验探究的核心流程，即通过控制变量、分析数据得出结论，进一步深化对科学探究方法的认知。
活动六：讨论与反思
【引入】在实验过程中，各小组可能会遇到一些问题，比如反应速率不稳定、塑料瓶变形等。我们需要对这些问题进行讨论和反思，找到解决办法。
【问题】有的小组反应速率不稳定，有时过快，导致供氧速率波动大，氧气浓度难以稳定控制，如何解决？塑料瓶在反应一段时间后，因温度变化出现轻微变形，如何解决？
【学生思考】对于反应速率不稳定的问题，学生可能会提出一些初步的解决思路，如调节注射器、控制药品用量等。对于塑料瓶变形的问题，学生可能会想到更换材料等方法。
【讲解】针对反应速率不稳定的问题，可在反应仓内加一个多孔隔板，上覆盖一层孔径合适的滤网，将过碳酸钠颗粒固定，使二氧化锰与过碳酸钠的接触更均匀，同时进一步细化对注射器的调节，通过多次试验，找到能稳定控制反应速率的止水夹开度范围，并记录下来，在后续使用中保持在该范围内调节；采用分批加入过碳酸钠的方式，避免一次性加入过多导致反应过于剧烈。对于塑料瓶变形的问题，可更换为更耐高温的聚丙烯塑料瓶，其耐热性能更好，能减少因温度变化导致的变形，保证反应仓的稳定性。
设计意图
1.培养问题解决能力：针对实验中出现的反应速率不稳定、塑料瓶变形等问题，组织学生讨论解决方案，提升其发现问题、分析问题并解决问题的能力。
2.促进优化改进意识：引导学生反思实验中的不足，思考改进措施，培养其精益求精的科学态度和持续优化的意识，助力学生完善供氧器设计。
3.强化实践反思习惯：通过讨论与反思，让学生学会在实践后总结经验教训，养成及时反思、不断改进的良好学习习惯，提升学习效果。
活动七：展示交流
【引入】经过前面的制作、实验和反思，我们对简易供氧器有了更深入的了解。现在我们要为简易供氧机写一个产品说明，同时了解市面上常见的供氧器及其相关情况。
【问题】如何为简易供氧机写一个完整的产品说明呢？市面上常见的供氧器有哪些，它们的供氧原理和适用人群分别是什么？
【学生思考】学生思考产品说明应包含的内容，如产品名称、适用场景、产品组成及各部分作用、使用方法等。了解市面上常见的医用制氧机、便携式氧气瓶、化学制氧机的特点。
【讲解】指导学生撰写产品说明，产品名称为简易便携式供氧器，适用场景包括登山、高原地区旅行、心肺功能损伤等需额外补充氧气的场景；产品组成包括制氧部分（采用化学制氧方式，过碳酸钠 + 二氧化锰）、存储部分（暂时存储氧气）、供应调节部分（调节氧气浓度、流速、湿度）；使用方法包括检查连接是否牢固、设置参数、开启制氧功能等。介绍市面上常见供氧器的情况：医用制氧机利用分子筛吸附技术制取高浓度氧气，适用于家庭氧疗的慢性阻塞性肺疾病患者等；便携式氧气瓶储存高压液态或气态氧气，适用于户外活动临时补充氧气；化学制氧机通过特定化学反应产生氧气，适用于家庭急救、小型户外活动等场景。
设计意图
1.提升总结表达能力：指导学生撰写产品说明，让学生梳理供氧器的关键信息，提升其总结归纳能力和清晰表达的能力，将所学知识系统呈现。
2.拓展知识视野：介绍市面上常见供氧器的原理与适用人群，帮助学生了解制氧技术的实际应用，拓展知识视野，将课堂知识与社会实际相结合。
3.深化知识应用认知：通过对比简易供氧器与商用供氧器，让学生体会知识的应用价值，强化其运用化学知识解决实际问题的意识，达成素养目标要求。
第四单元 我们周围的空气
跨学科实践活动2 基于特定需求设计和制作简易供氧器
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一、简易供氧器的制作原理
（一）需求分析与确定
1.需额外供氧的环境/人群
o登山、医疗、高原
2.具体要求
o制氧量持续且充足
o具有便携性与耐用性
o供氧效率与安全性
（二）原理确定
1.常见氧气制取原理
o高锰酸钾制氧
o氯酸钾制氧
o过氧化氢制氧
2.过碳酸钠制氧
o原理：2Na CO ·3H O 催化剂→碳酸钠 + 水 + 氧气
o优点：安全性高、速率易控、原料易获取等
o缺点：反应产物有残留、供氧持续时间有限等
3.原料对比选择
o过氧化氢：优点与缺点
o过碳酸钠：优点与缺点
o家庭使用适配度：过碳酸钠更合适
（三）材料准备
塑料瓶、注射器、软管、呼吸面罩
（四）模型设计
1.模块组成
o制氧模块、储氧模块、调节模块、过滤模块
2.设计要点
o反应仓：透明塑料瓶，控制反应速率
o供氧速率控制：注射器调节
o过滤净化：去除杂质
o氧气量浓度控制：计算与估算
二、制作简易供氧器
（一）小组分工合作制作
1.分工
o组装制氧模块、制作储氧模块、安装调节模块、管理添加药品
2.步骤
o安装装置、加入药品、观察反应、检验氧气、记录数据
（二）记录实验现象
探究药品用量和温度对制氧速率的影响
（三）分析实验数据
1.影响因素
o过碳酸钠质量、二氧化锰质量、温度
2.适宜药品用量
o实验③：过碳酸钠10g、二氧化锰0.3g、水100mL、温度41°C
（四）讨论与反思
1.反应速率不稳定
o多孔隔板、滤网、细化调节、分批加入药品
2.塑料瓶变形
o更换为聚丙烯塑料瓶
（五）反思与交流
1.产品说明
o名称、适用场景、组成及作用、使用方法
2.常见供氧器
o医用制氧机、便携式氧气瓶、化学制氧机
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1．某同学在学习制取氧气的实验原理后，利用周围的物品制作了一个简易供氧器，如图所示，A、B为两种固体，A为过碳酸钠，遇水后可发生反应生成H2O2，下列关于该实验的说法不正确的是
A．该装置无法控制生成氧气的速率
B．可通过乙装置观察是否有氧气生成
C．固体B是催化剂，但不一定是二氧化锰
D．若检查甲装置气密性，先向乙装置装一部分水，再推或拉注射器观察现象
【答案】A
【详解】A、该装置中可以通过注射器控制液体的滴加速度，从而控制反应速率，即控制生成氧气的速率，故说法错误；
B、氧气不易溶于水，可通过乙装置观察气泡的生成，观察是否有氧气生成，故说法正确；
C、二氧化锰能催化过氧化氢分解，氧化铁、氧化铜等也可以催化过氧化氢分解，固体B是催化剂，但不一定是二氧化锰，也可能是氧化铁、氧化铜等，故说法正确；
D、若检查甲装置气密性，先向乙装置装一部分水，再推或拉注射器观察现象，当推断注射器活塞时，甲中压强增大，若观察到导管口有气泡产生或，说明装置气密性良好，故说法正确；
故选：A。
2．小科的爸爸给患病的奶奶购买了一台“便携式制氧器”，其原理如图所示。小科通过阅读说明书，了解它的工作原理。下列说法不正确的是
A．要防止输出氧气的管道堵塞，避免引发安全事故
B．根据加湿过滤仓中气泡产生速度，判断氧气排出的快慢
C．加湿过滤仓利用氧气难溶于水的原理，使氧气湿润
D．夏天鱼缸中溶解氧下降，可用该仪器给鱼缸中的鱼供氧
【答案】C
【详解】A、氧气是气体，要防止输出氧气的管道堵塞，防止压强过大，避免引发安全事故，故A选项不符合题意；
B、氧气不易溶于水，可根据加湿过滤仓中气泡产生速度，判断氧气排出的快慢，故B选项不符合题意；
C、加湿过滤仓利用氧气不易溶于水的原理，使氧气湿润，故C选项符合题意；
D、该装置能够产生氧气，氧气可以供给动物呼吸，夏天鱼缸中溶解氧下降，可用该仪器给鱼缸中的鱼供氧，故D选项不符合题意。
故选C。
在本次 “基于特定需求设计和制作简易供氧器” 教学中，整体达成了预设的知识与素养目标，学生通过实践深化了对氧气制备原理的理解，也初步掌握了跨学科解决实际问题的方法，但教学过程中仍存在可优化之处，需从多维度复盘总结。
从教学成效来看，课堂导入环节通过登山缺氧、医院供氧的视频情境，有效激发了学生的探究兴趣，多数学生能快速聚焦 “如何设计适合特定场景的供氧器” 这一核心问题，为后续教学奠定了良好基础。在简易供氧器制作原理的讲解中，通过对比过氧化氢与过碳酸钠制氧的优缺点，结合对应训练题，学生能准确判断家庭使用的适宜原料，知识目标达成度较高。小组合作制作环节，学生分工明确，从材料选择到装置组装，主动运用塑料瓶、注射器等生活用品替代专业器材，不仅锻炼了动手能力，还培养了创新意识，部分小组设计的 “多孔隔板控制反应速率” 方案，展现出较强的问题解决能力。此外，通过分析药品用量、温度对制氧速率的影响，学生初步学会了基于实验数据推理结论，证据推理与模型认知素养得到提升。
但教学中也暴露了一些问题。一是实验操作指导不够精准，部分学生因对 “控制反应速率” 的操作细节理解不足，出现过碳酸钠与二氧化锰混合过早、注射器注水速率失控等情况，导致反应过于剧烈或供氧中断，影响实验效果。二是学情差异关注不足，动手能力较弱的学生在装置组装环节进度滞后，小组内分工协作的均衡性有待加强，部分学生参与度不高。三是知识拓展深度有限，在介绍市面上常见供氧器时，仅停留在原理与适用人群的浅层讲解，未结合化学知识分析不同制氧技术的核心差异，学生对 “科学技术如何适配实际需求” 的理解不够深入。
后续教学中，需针对这些问题优化设计。一方面，提前通过微视频演示实验关键操作，明确 “分开放置药品”“逐步调节注水量” 等要点，同时增加一对一指导环节，帮助基础薄弱学生掌握操作技巧；另一方面，采用 “异质分组” 模式，确保每组内不同能力的学生合理搭配，通过设置 “小组任务清单”，明确每位成员的职责，提升全员参与度；此外，补充分子筛制氧、高压储氧等技术的化学原理图解，结合案例分析不同场景下供氧技术的选择依据，进一步深化学生对科学与技术关联的认知，让教学更贴合学生的学习需求与素养发展目标。
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鲁教版化学(新教材)九年级上册
跨学科实践活动2
基于特定需求
设计和制作简易供氧器
第四单元 我们周围的空气
学习内容导览
制作简易供氧器
2
简易供氧器的制作原理
1
明·学习目标
1.设计制作符合特殊需求的简易供氧器，加深对氧气制备与性质的理解。
2.具备根据需求进行装置设计与制作的工程思维，能考虑材料选择、装置连接等工程问题，体验综合运用化学、数学等学科知识和工程技术的方法解决问题的基本思路。
3.在供氧器设计、制作、改进过程中，能提出问题、进行探究并创新优化方案，感受科学与技术对保障人类生命健康的重要意义。
引·新课导入
登山者高海拔缺氧会导致行动艰难，医院患者依赖供氧设备，氧气对我们的生命至关重要。
如果在特定情况下我们无法获取供氧器，我们能否设计简易供氧器满足需求？
简易供氧器的制作原理
01
探·知识奥秘
一、简易供氧器的制作原理
需求分析与确定
思考与讨论：
1.哪些环境 / 人群需额外供氧？
2.不同需求对制氧、供氧有哪些具体要求？
登山
医疗
高原
供氧持续性
供氧便携性
氧气浓度
探·知识奥秘
一、简易供氧器的制作原理
需求分析与确定
制氧量持续且充足
设计时需考虑操作简便且供氧量持续充足，确保紧急情况下用户的供养需求有保障。
具有便携性与耐用性
供氧器应轻便易携带，同时材料需耐冲击，保证在各种环境下稳定工作。
供氧效率与安全性
确保供氧器能迅速提供有效氧气且浓度适宜，同时具备多重安全保护措施，防止使用风险。
探·知识奥秘
一、简易供氧器的制作原理
原理确定
① 高锰酸钾 锰酸钾+二氧化锰+氧气
② 氯酸钾 氯化钾+氧气
③ 过氧化氢 水+氧气
加热
二氧化锰
加热
二氧化锰
哪种氧气制取原理更简便、持续、安全？
原料简便、环保、易得，且安全、供氧量充足持续。
过氧化氢在光照、高温或杂质存在的情况下容易分解，需要避光、密封保存，且保存时间较长时可能会失效。高浓度的过氧化氢溶液具有一定的腐蚀性。
有没有其他
替代性的药品？
探·知识奥秘
一、简易供氧器的制作原理
原理确定
资料卡片 固体 “氧气工厂”：过碳酸钠制氧的奥秘与安全指南
过碳酸钠（2Na2CO3·3H2O2）是一种安全的固体化合物，经常被用作简易制氧的原料，特别适合初中生在成人的指导下进行科学探索。
从制氧原理来看，过碳酸钠本身性质比较稳定，不会自行分解产生氧气，需要在催化剂的帮助下才会发生反应。常见的催化剂有二氧化锰粉末或者浓度为 5% 的硫酸铜溶液，在这些催化剂的作用下，过碳酸钠会分解生成氧气、碳酸钠和水，整个反应过程中不会产生有毒气体，安全性比较高。
和过氧化氢溶液制氧相比，过碳酸钠有着明显的优点。过氧化氢溶液是液体，携带时容易洒漏，而过碳酸钠是固体，不仅方便收纳，携带过程中也更省心，不用担心漏液问题；同时，过氧化氢溶液在储存时容易受光照、温度影响而变质，过碳酸钠的稳定性更好，日常保存起来更简单。
在使用过碳酸钠制氧时，有几点注意事项必须牢记。首先是用量控制，每次使用过碳酸钠的量不能超过 8 克，用量过多可能会让反应过于剧烈，带来安全隐患。其次是反应容器不能完全密闭，要留出一定的空间让气体顺利排出，否则反应产生的气体可能会让容器内压强急剧升高，导致容器炸裂。最后要特别提醒，用这种方法制成的氧气装置，只能用于科学实验探索，绝对不能用于医疗供氧，因为它无法满足医疗场景对氧气纯度和流量的严格要求。
探·知识奥秘
一、简易供氧器的制作原理
原理确定
过氧化氢 水+氧气
二氧化锰
过碳酸钠 碳酸钠+水+氧气
二氧化锰
对比两种反应的优缺点，选择出适合家庭使用的制氧器原料。
过氧化氢 过碳酸钠
优点 1. 反应效率高：过氧化氢分解产生氧气的纯度较高，理论纯度可达 95% 以上 1. 安全性高：过碳酸钠为固体粉末，储存和运输方便，不易发生泄漏，反应过程无剧烈放热或爆炸风险；
2. 反应速率快：加入催化剂后可快速供氧，应急场景（如突发缺氧）下能及时满足需求 2.速率易控：通过调节水的加入量、催化剂用量或止水夹开度，可灵活控制供氧速率
3. 装置简单：无需复杂的分离部件，组装难度低，适合家庭自制或简易便携设备 3.原料易获取：过碳酸钠在超市或化工用品店均可购买，成本低
4.产物环保：分解产物为碳酸钠、水和氧气，碳酸钠可溶于水，无有毒有害物质残留
缺点 1. 安全性较差：过氧化氢为液态，浓度较高（如 30%）时易分解、易腐蚀皮肤，储存不当可能发生泄漏或变质 1. 反应产物有残留：碳酸钠溶液可能附着在反应装置内壁，长期使用需定期清洗；
2. 原料成本较高：高纯度过氧化氢（医用级）价格高于过碳酸钠和过氧化钙，长期使用成本较高 2. 供氧持续时间有限：受限于过碳酸钠的用量，单次反应供氧时间较短
3. 速率控制要求高：若滴液漏斗调节不当，过氧化氢滴加速度过快，可能导致反应剧烈，产生大量泡沫，甚至溢出装置 3. 氧气纯度略低：若未加提纯装置，氧气可能混有少量空气中的杂质
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一、简易供氧器的制作原理
综合考虑，过碳酸钠更合适。接下来如何设计供氧器的模型？可以选择哪些装置或材料呢？
选择哪种发生装置？
如何用生活用品进行替代？
过碳酸钠和二氧化锰、水为固体液体常温制取气体的化学反应。
过氧化氢 过碳酸钠
家庭使用适配度 ★★★☆☆ ★★★★☆
理由 综合安全性、原料获取、速率控制，最适配家用场景，尤其适合老人、儿童使用或应急储备 反应效率高但安全性和原料储存存在短板，适合有一定操作经验的家庭，应急场景短期使用
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一、简易供氧器的制作原理
材料准备
塑料瓶
注射器
软管
呼吸面罩
实验中的反应容器 或气体收集 / 缓冲装置
实验中的反应物添加工具或简易气压调节辅助件
实验中的气体导流通道
实验中的氧气吸入装置
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一、简易供氧器的制作原理
模型设计
供氧器模型包括几个部分？
制氧模块
储氧模块
调节模块
过滤模块
在供氧过程中要注意哪些问题？
反应仓：选用透明塑料瓶，便于观察反应情况。将过碳酸钠与二氧化锰分开放置，通过控制两者接触的方式来控制反应速率
供氧速率控制：在反应容器顶端安装注射器，通过调节注射器注入水的速率和量，控制反应产生的氧气流出的速率。
产生氧气有杂质：需要加装一个过滤净化模块，使产生的氧气较纯净，避免产生危害。
控制产生氧气的量浓度：根据过碳酸钠分解的原理，计算理论上产生氧气的量，再结合实际加入的过碳酸钠质量，估算产生氧气的体积。
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一、简易供氧器的制作原理
模型设计
请同学们小组讨论，设计供氧器模型
反应仓
调节反应速率
过滤+储氧模块
呼吸面罩
可以将过碳酸钠与二氧化锰分开放置，通过控制两者接触的方式来控制反应速率。可在塑料瓶内设置多孔隔板，或加装一带孔小塑料瓶，通过加入适量水（水可促进过碳酸钠分解）使两者接触反应，产生氧气。
制作简易供氧器
02
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二、制作简易供氧器
小组分工合作制作模型
领取实验材料：不同规格塑料瓶、导管、注射器（去掉针头）、过过碳酸钠、二氧化锰、湿棉花、呼吸面罩、水。
明确分工：1人组装制氧模块（将塑料瓶与导管连接，小塑料瓶扎孔后内置于大塑料瓶内）
1人制作储氧模块（密封塑料瓶，链接呼吸面罩）
1人安装调节模块（注射器+ 湿棉花层），制作中相互配合检查密封性。
1人负责管理添加药品（水、过碳酸钠、二氧化锰）
实验步骤：
将小塑料瓶底部钻若干小孔放入二氧化锰，用铁丝做上下活动的部分，内置于大塑料瓶内，大塑料瓶安装带注射器的导管，放入过碳酸钠，注射器内加入适量水后，观察反应产生氧气的情况，调节注射器加入水的速率，控制氧气流出速率，完成后开启供氧器，用带火星木条检验氧气（木条复燃证明制氧成功），记录制氧速率、氧气流量、湿度情况。
各小组依据供氧器设计方案，进行制作
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二、制作简易供氧器
记录实验现象
学习小组利用组装的供氧器，设计实验方案，记录实验现象，探究药品的用量和温度对制氧速率的影响，结果如下表：
实验序号 过碳酸钠的质量 二氧化锰的质量 水的体积 温度 收集100ml氧气所用的时间
① 10g 0.3g 100ml 26℃ 36.59s
② 20g 0.3g 100ml 26℃ 11.67s
③ 10g 0.3g 100ml 41℃ 22s
④ 10g 0.6g 100ml 41℃ 11s
过氧化钠的质量、二氧化锰的质量及温度对产生氧气的速率有何影响？
适宜做供氧器的药品用量是哪组？
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二、制作简易供氧器
分析实验数据
过氧化钠的质量、二氧化锰的质量及温度对产生氧气的速率的影响
01
对比实验①和②，其他条件（二氧化锰质量、水的体积、温度）相同，过碳酸钠质量从10g增加到20g时，收集100mL氧气的时间从36.59s缩短到11.67s。这表明在其他条件不变时，过碳酸钠质量越大，反应速率越快，产生氧气的速率也就越快。
过碳酸钠质量
02
03
温度
二氧化锰
对比实验①和③，其他条件（过碳酸钠质量、二氧化锰质量、水的体积）相同，温度从26℃升高到41℃时，收集100mL氧气的时间从36.59s缩短到22s。说明在其他条件不变时，温度越高，反应速率越快，产生氧气的速率越快。
对比实验③和④，其他条件（过碳酸钠质量、水的体积、温度）相同，二氧化锰质量从0.3g增加到0.6g时，反应速率会加快（因为二氧化锰是催化剂，质量增加，能提供更多的催化活性位点，加快反应），产生氧气的速率也会更快。
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二、制作简易供氧器
分析实验数据
适宜做供氧器的药品用量
从实验数据看，实验②过碳酸钠质量大，反应速率快，但过碳酸钠用量大可能会增加成本且反应过于剧烈可能不利于控制；实验④二氧化锰质量增加，反应速率快，但二氧化锰作为催化剂，适量即可，过多也会造成浪费。综合考虑反应速率和药品成本、反应可控性等因素，实验③的药品用量（过碳酸钠10g、二氧化锰0.3g、水100mL、温度41℃）相对更适宜，反应速率适中，药品用量也较为合理，能在一定时间内稳定产生氧气，更适合作为供氧器的药品用量参考。不过实际应用中，还需结合更多实际需求（如供氧持续时间、便携性等）进一步优化。
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二、制作简易净水器
讨论与反思
有的小组反应速率不稳定，有时过快，导致供氧速率波动大，氧气浓度难以稳定控制。如何解决？
在反应仓内加一个多孔隔板，上覆盖一层孔径合适的滤网，将过碳酸钠颗粒固定，使二氧化锰与过碳酸钠的接触更均匀，同时进一步细化对注射器的调节，通过多次试验，找到能稳定控制反应速率的止水夹开度范围，并记录下来，在后续使用中保持在该范围内调节。另外，采用分批加入过碳酸钠的方式，避免一次性加入过多导致反应过于剧烈
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二、制作简易净水器
讨论与反思
塑料瓶在反应一段时间后，因温度变化（反应放热）出现轻微变形，如何解决？
更换为更耐高温的聚丙烯塑料瓶，其耐热性能更好，能减少因温度变化导致的变形，保证反应仓的稳定性。
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二、制作简易供氧器
反思与交流
为简易供氧机写一个产品说明
产品名称：简易便携式供氧器
适用场景：登山、高原地区旅行（空气稀薄环境），心肺功能损伤等需额外补充氧气的场景。
产品组成及各部分作用
制氧部分：采用化学制氧方式（过碳酸钠+二氧化锰），为装置提供氧气来源。
存储部分：用于暂时存储制氧部分产生的氧气，保证氧气供应的持续性。
供应调节部分：可调节氧气的浓度、流速，还能对氧气湿度进行一定控制，以满足不同的供氧需求。
使用方法：
检查各部分连接是否牢固，确保装置无泄漏。
根据实际需求，通过供应调节部分设置合适的氧气浓度、流速等参数。
开启制氧功能，待存储部分有足够氧气后，即可进行供氧。
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二、制作简易供氧器
市面上常见供氧器及相关情况
供氧原理：利用分子筛吸附技术，在常温下通过变压吸附法（PSA 法）将空气中的氮气和氧气分离，从而制取高浓度氧气。
适用人群：主要适用于家庭氧疗的慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者、肺心病患者、慢性呼吸衰竭患者等需要长期吸氧的人群，也可用于医院病房等医疗场所。
01
供氧原理：瓶内储存着高压状态下的液态或气态氧气，使用时通过减压阀将氧气压力降低，使氧气以合适的流速释放出来供人呼吸。
适用人群：适用于登山、潜水、高原旅行等户外活动中需要临时补充氧气的人群，也可作为急救时的氧气供应设备。
02
供氧原理：通过特定的化学反应（如过碳酸钠与催化剂反应）产生氧气，不同的化学制氧机采用的反应试剂和反应方式略有不同，但都是利用化学反应来生成氧气。
适用人群：适用于家庭急救、小型户外活动等场景下，对氧气需求不太持续且需要便携供氧的情况，如家庭中老人突发呼吸问题时的应急供氧等。
03
医用制氧机
便携式氧气瓶
化学制氧机
理·核心要点
项目 内容
活动主题 基于特定需求设计和制作简易供氧器
活动目标 1. 设计制作符合特殊需求的简易供氧器，加深对氧气制备与性质的理解；
2. 体验综合运用化学、数学等学科知识和工程技术方法解决问题的基本思路；
3. 感受科学与技术对保障人类生命健康的重要意义
活动流程 1. 需求分析：明确特定环境（如登山、高原地区）和特殊人群（如心肺功能损伤病人）的额外氧气需求，确定制氧、供氧等方面的具体要求和标准；
2. 设计：利用氧气制备知识，系统考虑氧气产生、存储和供应等环节，设计供氧器装置模型图，明确各部分构成、作用及材料选择等；
3. 制作：准备相关材料，小组合作或独立完成供氧器各部分装置的制作和组装；
4. 测试：开启供氧器，观察、记录工作情况，评价供氧效果；
5. 优化：根据测试中发现的问题，进一步优化改进简易供氧器
基于特定需求设计和制作简易供氧器活动报告
理·核心要点
项目 内容
跨学科知识运用 1. 化学：运用化学知识进行制氧，通过化学反应产生氧气，作为供氧核心基础；
2. 数学：计算氧气流量，结合需求和设计参数，确定氧气供应流速等，保证供氧准确性；
3. 美学：设计供氧器外观，兼顾美观性与便携性，提升产品品质
科学探究核心体现 1. 发现问题：在需求分析中，发现特定环境和人群的氧气需求及现有供氧可能存在的不足；
2. 解决问题：通过设计、制作供氧器，尝试解决特定氧气供应问题；
3. 优化改进：依据测试问题，调整装置、更换材料等，提升供氧器性能
活动收获与感悟 1. 更深入理解氧气制备相关知识，掌握跨学科解决实际问题的方法；
2. 体会科学技术在保障生命健康方面的关键作用，增强运用知识解决实际问题的能力
基于特定需求设计和制作简易供氧器活动报告
1．某同学在学习制取氧气的实验原理后，利用周围的物品制作了一个简易供氧器，如图所示，A、B为两种固体，A为过碳酸钠，遇水后可发生反应生成H2O2，下列关于该实验的说法不正确的是（ ）
A．该装置无法控制生成氧气的速率
B．可通过乙装置观察是否有氧气生成
C．固体B是催化剂，但不一定是二氧化锰
D．若检查甲装置气密性，先向乙装置装一部分水，再推或拉注射器观察现象
析·典型范例
A
2．小科的爸爸给患病的奶奶购买了一台“便携式制氧器”，其原理如图所示。小科通过阅读说明书，了解它的工作原理。下列说法不正确的是（ ）
A．要防止输出氧气的管道堵塞，避免引发安全事故
B．根据加湿过滤仓中气泡产生速度，判断氧气排出的快慢
C．加湿过滤仓利用氧气难溶于水的原理，使氧气湿润
D．夏天鱼缸中溶解氧下降，可用该仪器给鱼缸中的鱼供氧
析·典型范例
C
THANKS!
谢谢观看

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