资源简介

跨学科实践活动4 基于特定需求设计和制作简易供氧器（教学设计）
课题 课时安排
教材分析 本课为人教版九年级上册化学跨学科实践活动，依托氧气制取、化学反应定量关系等核心知识，融合工程设计、物理装置搭建、生活应用等内容。打破单一学科壁垒，以真实供氧需求为驱动，引导学生将理论知识转化为实物制作，落实化学应用性与实践性，是连接课堂实验与生活生产的重要实践课程，助力学生构建完整的化学应用思维。
学情分析 九年级学生已掌握实验室过氧化氢制氧气的原理、装置及操作方法，具备基础的化学实验能力和简单的小组合作经验。但学生缺乏工程设计思维，难以结合真实场景需求优化装置，对试剂定量配比、装置安全优化、产品迭代改进的认知较为薄弱，动手创新、跨学科整合与问题解决能力有待实践提升。
核心 素养目标 化学观念：认识制氧反应原理，建立物质变化与实际应用的关联。 科学思维：通过需求分析、方案设计、装置优化，形成工程设计逻辑思维。 科学探究与实践：完成简易供氧器设计、制作、测试与改进，提升实操能力。 科学态度与责任：树立安全、环保、实用的设计理念，体会化学服务生活的价值。
重点 和难点 重点：掌握简易供氧器的制氧原理，结合特定需求完成装置设计、制作与性能测试，熟练运用实验室制氧知识解决实际问题。 难点：基于不同应用场景优化装置结构与试剂配比，整合化学、工程、物理知识迭代改进作品，形成从需求分析到成品落地的完整设计思维。
教学过程
教学环节 教学活动 设计意图
导入新课 提问：这些特殊场景中，常规空气无法满足人体供氧需求，专业供氧设备笨重昂贵，如何制作轻便、安全、低成本的简易供氧器？结合已学氧气制取知识，今天我们立足真实生活需求，自主设计、动手制作专属简易供氧器，解锁化学知识的生活应用价值。 以真实生活场景创设问题情境，激发学生探究兴趣，联结旧知与新知，明确本节课实践任务，让学生感知化学实用性，快速进入项目式学习状态。
讲授新课 （一）任务一：剖析真实场景，明确供氧特定需求 教师依托导入情境，进一步细化生活、户外、应急三类核心供氧场景，引导学生开展小组讨论，深度剖析不同场景下供氧器的核心需求差异，打破学生“制氧装置通用化”的固有认知。首先聚焦户外登山场景，该场景具有环境开阔、气压偏低、携带物品受限、无电源支持的特点，学生通过思考可以明确，户外供氧器必须满足体积小巧、质量轻便、无需通电、试剂易储存、操作极简的核心要求，同时需具备良好的密封性，避免山路颠簸导致试剂泄漏。其次是居家康养场景，主要针对老人、体虚人群或室内密闭通风不良的环境，此类场景对装置便携性要求较低，但对安全性、供氧稳定性、噪音控制要求极高，需要氧气流速平缓、无刺激性杂质、装置稳固、操作无安全隐患。最后是突发密闭空间应急场景，如密闭房间、临时避险空间等，该场景要求供氧器启动速度快、制氧持续时间可控、原料易得、成本低廉，能够快速缓解缺氧问题。 在学生小组充分讨论后，教师组织各小组代表发言，汇总梳理不同场景的需求关键词，统一归纳出优质简易供氧器的通用核心标准与场景专属标准。通用标准包含安全可靠、操作简便、绿色环保、原料易得、成本低廉五大维度；专属标准则根据使用场景差异化区分，户外侧重便携防震，居家侧重稳定安全，应急侧重高效快速。同时，教师引导学生反向思考实验室常规制氧装置的弊端，试管、铁架台等器材体积大、不易携带、固定繁琐，无法适配生活场景使用需求，让学生清晰认识到本节课实践活动的必要性，正式确立本次项目核心任务：结合指定场景需求，设计并制作一款适配生活使用的简易供氧器。 为进一步规范设计方向，教师补充生活供氧的安全常识，明确人体不能直接吸入高浓度纯氧，长期吸入纯氧会引发呼吸不适、视网膜损伤等问题，因此简易供氧器需具备氧气缓冲、空气混合的设计，保证输出氧气浓度适宜人体呼吸，为后续装置设计优化埋下伏笔，培养学生严谨的科学设计思维。 （二）任务二：梳理制氧原理，筛选适配制氧方案 本任务核心是引导学生结合前期所学化学知识，结合特定场景需求，科学筛选最优制氧原理与制氧试剂，实现理论知识与实践需求的精准匹配。教师首先带领学生回顾九年级上册已学的三种氧气制取方法，逐一梳理各方法的反应原理、反应条件、原料特点、装置要求及适用场景。第一种为高锰酸钾加热分解制氧，该反应需要酒精灯加热，反应条件严苛，装置复杂，存在高温安全隐患，且高锰酸钾为强氧化剂，储存和使用存在一定风险，完全不符合便携、安全、简易的设计需求，不适合制作简易供氧器。第二种为氯酸钾加热制氧，同样需要加热条件，且需要二氧化锰催化，原料管控严格、操作繁琐，同样不适用于生活场景便携式供氧器制作。 第三种为过氧化氢常温分解制氧，在二氧化锰催化作用下，过氧化氢常温即可快速分解产生氧气和水，反应无需加热、无高温风险，生成物无污染，原料过氧化氢溶液、二氧化锰粉末易得、成本低廉、储存方便，完全契合简易供氧器安全、简易、环保的核心需求。同时，教师拓展生活常用制氧试剂过碳酸钠，讲解过碳酸钠遇水可缓慢释放过氧化氢，持续稳定产生氧气，供氧时长更持久，更适配居家、户外长时间供氧需求，为学生提供多元化设计选择。 随后，教师组织学生开展小组对比探究，从反应条件、安全性、便携性、环保性、成本、供氧稳定性六个维度，对不同制氧方案进行量化对比打分，最终统一确定：常温固液不加热型过氧化氢分解制氧为本次简易供氧器的核心原理。同时，引导学生结合化学反应定量关系知识分析，过氧化氢浓度、催化剂用量直接影响制氧速率和供氧时长，浓度过高反应过快、氧气流速过急，不利于人体呼吸；浓度过低制氧速率过慢，无法满足供氧需求，让学生建立定量配比的设计思维，明白装置制作不仅要定性选原理，更要定量控参数。 在此基础上，教师梳理简易供氧器的核心装置构成，结合实验室制氧装置结构，简化适配生活器材，明确完整的简易供氧器需包含制氧发生单元、氧气净化缓冲单元、出气导气单元、密封固定单元四大核心部分，为后续装置设计搭建清晰的结构框架，让学生的设计有理论依据、有结构标准。 （三）任务三：依托工程思维，设计供氧器装置方案 本任务是本节课的核心设计环节，旨在培养学生工程设计思维与创新实践能力，要求各小组结合选定的使用场景、制氧原理，完成简易供氧器的方案设计、草图绘制、器材选型与参数规划。教师首先讲解工程设计的基本流程：明确需求—选定原理—选型器材—绘制草图—预设问题—优化方案，引导学生按照标准化流程开展设计工作，避免设计的随意性。 在器材选型指导中，教师鼓励学生摒弃专业实验器材，选用生活废旧、易得材料，践行绿色环保的设计理念。针对发生装置，可选用矿泉水瓶、塑料密封罐、小药瓶等密闭性良好、轻便易获取的容器，替代实验室锥形瓶；针对导气装置，选用柔软透明的塑料软管，适配便携需求；针对净化缓冲装置，结合氧气含水蒸气、流速不稳的问题，设计洗气缓冲结构，在装置中增设清水缓冲层，既能过滤氧气中少量杂质、润湿氧气，又能减缓气流速度，适配人体呼吸需求。同时，提醒学生重点考虑装置的密封性、气压平衡问题，制氧过程中装置内部气压升高，若密封过严、无排气缓冲结构，易出现漏气、装置变形等问题，需预留合理的气压缓冲空间。 各小组结合分工开展设计工作，组长统筹整体方案，组员分别负责器材选型、草图绘制、参数设定、安全排查。户外便携组重点优化装置体积与密封性，缩小容器规格，加固接口，防止颠簸漏气；居家康养组重点优化供氧稳定性，精准控制过氧化氢浓度与催化剂用量，增设多层缓冲结构，保证气流平缓；应急供氧组重点优化制氧效率，合理调整试剂配比，简化装置结构，实现快速启动供氧。 设计完成后，各小组绘制完整的供氧器设计草图，标注装置各结构名称、所用材料、试剂用量、工作原理及使用方式。教师逐组巡视指导，针对学生设计中的共性问题进行点拨纠正，比如部分小组未设计缓冲装置、接口密封设计不合理、试剂配比无定量标准等问题，引导学生结合前期所学知识自主修正，完善设计方案，确保每一份设计方案都具备科学性、可行性、实用性。 （四）任务四：动手实操制作，组装调试简易供氧器 本任务聚焦实操落地，各小组严格按照自主设计的方案，开展简易供氧器的组装、试剂添加、调试优化工作，实现从设计图纸到实物成品的转化。实验操作前，教师再次强调实验安全规范：全程规范操作，避免过氧化氢溶液接触皮肤；装置组装完成后先检查气密性，再添加试剂；实验过程中避免装置剧烈晃动，实验结束后妥善处理剩余试剂，清洗回收器材，养成规范、安全、环保的实验习惯。 各小组有序开展实操制作，第一步进行器材预处理，对选用的塑料瓶、软管等材料进行清洗、裁剪、打孔，保证器材适配贴合，打孔位置精准、孔径大小适宜，避免接口缝隙过大导致漏气。第二步进行装置组装，依次固定发生装置、连接导气管、搭建缓冲净化装置，组装过程中重点做好接口密封处理，利用密封圈、热熔胶、胶带等材料加固接口，杜绝漏气问题。第三步开展气密性检查，将装置导管末端放入水中，挤压装置容器，观察是否有气泡冒出，松手后观察导管内是否形成稳定水柱，确认装置气密性良好，若存在漏气问题，逐一排查接口、孔洞位置并及时修复。 气密性检测合格后，第四步进行试剂添加与装置调试，按照定量配比，向发生装置中加入适量过氧化氢溶液与二氧化锰催化剂，快速密封装置，观察反应现象与出气情况。学生实时观察制氧速率、气流稳定性、装置密封性，记录实验现象。部分小组出现制氧速率过快、气流急促的问题，通过减少催化剂用量、稀释过氧化氢溶液进行优化；部分小组出现出气缓慢、制氧效率低的问题，通过适当调整试剂浓度、检查装置气密性解决问题；还有小组出现缓冲效果不佳的问题，通过调整缓冲层水量、增设分流结构优化装置性能。 实操过程中，教师全程巡回指导，不直接告知学生答案，而是以问题引导学生自主排查问题、解决问题，锻炼学生的实操能力和问题排查能力。同时，鼓励小组互助协作，能力较强的小组协助存在困难的小组共同完成制作与调试，营造合作探究的课堂氛围，让每一位学生都能深度参与实践过程，掌握装置组装、调试、优化的核心方法。 （五）任务五：性能检测评估，迭代优化作品设计 简易供氧器制作调试完成后，各小组开展全方位的性能检测与效果评估，结合前期设定的场景需求，从供氧速率、供氧时长、气流稳定性、装置安全性、便携性、环保性、成本七个维度，对自制供氧器进行综合测评，形成完整的作品测评报告。 首先进行供氧性能测试，采用排水法粗略检测氧气产出速率，观察单位时间内气泡产出的均匀度，判断气流稳定性；持续观察反应时长，记录有效供氧时间，对比预设的场景需求标准，判断作品是否达标。其次进行安全与实用性检测，检查装置是否存在漏气、变形、试剂渗漏等安全隐患，测试装置携带便利性、操作便捷度，判断是否适配对应使用场景。最后进行环保与成本评估，统计制作所用材料成本、试剂用量，判断装置是否低成本、绿色环保，生成物是否无污染、可安全处理。 测评完成后，各小组结合测评结果，梳理作品的优势与不足，开展作品迭代优化。针对供氧不稳定的问题，优化试剂定量配比，固定标准用量；针对便携性不足的问题，精简装置结构，更换轻量化材料；针对安全性欠缺的问题，加固密封结构，增设防护设计。同时，引导学生思考作品的进阶优化方向，比如增设流量调节结构，实现氧气流速可控；增设可拆卸试剂仓，方便试剂更换、重复使用；优化外观结构，提升装置实用性与美观度。 在小组优化完成后，组织全班交流研讨，各小组分享自身作品的设计亮点、存在缺陷、优化思路与改进成果，实现全班资源共享、经验互通。教师汇总学生作品的共性问题，总结简易供氧器的最优设计方案，梳理装置制作的核心要点与避坑技巧，帮助学生完善工程设计思维，让学生明白实践作品没有最优，只有不断迭代优化，培养学生精益求精的科学探究精神。 （六）任务六：成果展示互评，总结实践收获 本任务为课堂总结升华环节，聚焦成果展示、多元互评、知识梳理、素养提升。各小组依次上台进行实物成果展示，通过现场演示供氧效果、讲解设计思路、介绍制作过程、汇报测评数据、分享优化历程的方式，全面展示本组简易供氧器的成品效果与设计理念。展示过程中，学生清晰阐述所选场景的需求特点、制氧原理、装置结构优势、解决的技术难题及作品应用价值，完整呈现从需求分析到成品落地的全过程。 展示结束后，开展多元互评活动，采用学生互评、小组互评、教师点评相结合的方式，制定公平的评价标准，从方案科学性、作品实用性、设计创新性、操作规范性、团队协作度五个维度进行打分评价。学生在互评过程中，主动发现他人作品的亮点，反思自身作品的不足，相互学习、共同提升，培养客观公正的评价思维与虚心进取的学习态度。 最后教师带领学生整体梳理本节课的知识与实践脉络，回顾简易供氧器的设计流程：场景需求分析—制氧原理筛选—装置方案设计—实物制作调试—性能测评优化，巩固常温制氧的化学原理、化学反应定量配比知识、工程设计核心方法。同时，升华课堂主题，让学生深刻体会化学知识并非局限于课本实验，而是广泛应用于生活、户外、应急等各类场景，化学技术可以解决生活实际问题，切实感受化学的实用价值与学科魅力，树立学以致用的学习理念和勇于创新的科学精神。 本节课采用项目式任务驱动教学，以真实供氧需求为核心主线，拆解六大梯度化实践任务，层层递进落实教学目标。打破传统实验教学的单一模式，融合化学原理、定量计算、工程设计、物理结构、生活应用等跨学科知识，实现理论与实践的深度融合。全程以学生为主体，让学生自主完成设计、制作、调试、优化、互评全过程，充分锻炼学生动手实操、问题解决、创新设计与团队协作能力。同时，立足生活实际，落实绿色化学与安全实验理念，培养学生学以致用的科学态度与社会责任感，全面提升学生化学核心素养。
板书设计
作业布置 完成分层作业
教学反思

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