跨学科实践活动1 制作简易供氧器（教学设计）化学沪教版2024九年级上册

该初中化学教学设计聚焦“制作简易供氧器”跨学科实践，核心为氧气制取原理及工业与实验室方法的关联。从高原急救等实际场景导入，通过分析便携式制氧机与氧烛的药品、结构和原理，搭建实验室知识向实际应用迁移的学习支架。 特色是融合化学原理与工程设计，以“分析-设计-制作-改进”流程培养科学思维与探究能力，如优选过碳酸钠制氧并优化装置密封性和速率控制，多维度评价提升综合素养。为教师提供可操作的跨学科实践方案，助力学生从实验操作者向技术设计者转变。

跨学科实践活动1 制作简易供氧器 一、知识目标 1.进一步巩固对氧气性质和实验室制取氧气的原理与装置的认识； 2.了解实现物质定量转化的方法； 3.综合应用多学科知识和工程技术手段解决实际问题。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：通过分析便携式制氧机与氧烛的宏观工作流程（药品分解→氧气收集→输出控制），辨识两类装置的结构与工作原理差异；关联实验室制氧气（高锰酸钾加热）与工业制氧技术的宏观联系（如分解反应本质），理解化学原理在技术产品中的转化应用。 2.证据推理与模型认知：依据制氧效果、安全性等实证数据，推理不同设计方案的优劣；基于成本、效率、安全性等多维度证据，优化供氧器设计，构建工程优化模型。 3.科学探究与创新意识：通过文献查阅与实验验证，创新性选择替代药品（如过碳酸钠替代氯酸钾），自主探究制氧核心反应；结合工程思维（材料成本、便捷性），动手实现从图纸到实物的转化，设计并制作原型产品；通过迭代测试，培养技术改进意识与风险预判能力（如防爆设计）。 一、教学重点 1.分析便携式制氧机与氧烛的药品选择、结构设计及工作逻辑； 2.对比实验室制氧与工业装置的异同，建立化学原理与实际应用的关联。 二、教学难点 1.平衡“化学产氧效率”与“装置便携性/安全性”； 2.控制温度、催化剂等条件对产氧速率的影响，推导“反应条件→功能优化”的逻辑； 3.解决装置漏气、产氧不稳定等问题，实现“理论设计→实物搭建”的转化。 本活动是初中化学跨学科实践的典型范例，紧密对接《义务教育化学课程标准（2022年版）》“化学与社会·跨学科实践”主题，旨在引导学生将氧气制取的学科知识转化为真实的技术解决方案。教材以两类工业制氧装置便携式制氧机与氧烛为研究对象，通过对比分析其药品选择、结构设计和工作逻辑，揭示实验室制氧与工业技术的本质关联与差异——后者更注重条件控制与能量优化。这种设计凸显“原理-技术-产品”的转化路径，为学生搭建工程思维的启蒙桥梁。 教材通过任务驱动实现多学科深度融合。任务一调查制氧机整合化学分解反应原理、物理热传导知识及技术结构分析，培养学生从多维度解构技术产品的能力。任务二设计供氧器则进阶至工程实践层面：学生需在材料成本、安全风险、使用便捷性等约束条件下进行权衡取舍，并通过评价量表的量化反馈迭代优化设计。这种“设计-制作-评价-改进”的闭环流程，本质上是微型工程周期的模拟，呼应了STEM教育中“科学知识技术化、技术方案工程化”的核心逻辑。 学生在进入本活动前已掌握基础实验1《氧气制取与性质》的核心操作，能描述实验室制氧的现象与步骤，但对工业制氧技术的认知多停留在“医用吸氧面罩”等生活表象层面，难以建立实验室反应与工业装置（便携式制氧机、氧烛）之间的深层关联。他们的思维习惯于单一学科逻辑——例如理解分解反应方程式，却缺乏将其转化为“可控供氧系统”的工程意识，易将制氧机简化为“密封容器+药品”的机械组合，忽视速率控制（如阀门设计）、能量管理（如氧烛自供热）等关键技术要素。在动手实践层面，学生虽有塑料瓶、导管等材料组装经验，但面对“气密性保障”“防爆设计”等工程问题时，常因空间想象力不足而设计出低效甚至存在安全隐患的结构（如导管接口漏气）。 学生的兴趣点与挑战并存。一方面，他们对制作真实产品充满热情，能主动收集资料分析制氧机类型，并在设计环节提出创意方案；另一方面，工程思维的短板也显著暴露：评价装置时易陷入“唯效果论”（仅关注产氧量），忽略成本（如选用高价催化剂）、安全性（氧烛未设计隔热层）、便捷性（体积过大）等综合指标，需教师引导建立多维度权衡意识。此外，氧烛的“自供能”机制对学生而言尤为抽象，难以理解“反应放热自我维持”的闭环逻辑，可能误认为“点燃一次即可持续反应”。这种认知落差正是跨学科教学的契机，可通过类比“暖宝宝放热”等生活案例化解抽象性。 值得注意的是，学生存在两类典型能力断层：一是知识转化断层，即能背诵分解反应原理，却无法自主设计氧气收集与输出结构；二是风险预判断层，虽学习过氢气验纯等安全操作，但对氧烛高温（>500℃）的破坏性缺乏感知，可能选用普通胶粘合部件。因此，教学需强化“技术产品思维”的脚手架搭建：用实验室装置（试管+导管）与工业制氧机结构图的对比，具象化“原理迁移”路径；通过红外测温仪实测氧烛表面温度、演示塑料熔化实验，将安全警示转化为视觉冲击，促使学生主动优化设计（如增加石棉隔热层）。最终，本活动将推动学生从“实验操作者”向“技术设计者”转变，其工程思维雏形的建立，不仅服务于后续水的净化（实践2），更为应对未来社会技术问题埋下种子。 教学环节一 新课导入 【提问】同学们，氧气是生命活动必需的物质，在高原旅行、医疗急救等场景中，人们需要随身携带供氧设备。大家见过或听说过哪些供氧装置？这些装置是如何产生氧气的呢？ 【学生回答】制氧机、氧气瓶…… 可能是通过化学反应产生氧气的。 【讲解】没错，生活中的供氧器原理多样，有的利用物理分离空气，有的通过化学反应制氧。今天我们就开展“制作简易供氧器”的跨学科实践活动，一起探究制氧机的工作原理，并用身边材料设计一款实用的简易供氧器。 设计意图 1.联系实际需求：从高原、急救等场景的供氧需求切入，让学生感受化学知识的实用价值。 2.问题驱动实践：通过“供氧装置如何产氧”的疑问，明确本节课“探究原理—设计制作”的核心任务，激发实践兴趣。 教学环节二 实践活动 活动一：了解制氧机的工作原理 【引入】市场上常见的制氧机有两类：便携式制氧机和氧烛。我们先通过资料分析它们的特点，为后续设计打基础。 【提问】请大家结合表格，思考：便携式制氧机和氧烛使用的药品、结构、工作原理分别是什么？它们的使用方法有何不同？ 【学生分组讨论后回答】便携式制氧机：药品是空气，结构有压缩机、分子筛模块，原理是分子筛吸附氮气分离氧气，使用时通电调流量。氧烛：药品是氯酸钠（含催化剂），结构有药柱、点火装置，原理是点燃后氯酸钠分解放氧，使用时点燃药柱收集氧气。 【讲解】很好！便携式制氧机利用物理分离（分子筛吸附），氧烛利用化学分解，两者都能满足供氧需求，但适用场景不同。 【提问】两类制氧机与实验室制氧气有何联系与区别？ 【学生回答】联系：它们都是用来提供氧气的不同技术或方法；区别：它们的工作原理、使用场合、便携性以及操作的复杂性。便携式制氧机和氧烛更侧重于在特定环境下的快速供氧能力，而实验室制氧气则侧重于通过化学反应在控制条件下产生氧气。便携式制氧机和氧烛更适合于移动或无电源环境，而实验室制氧则多用于教育和科研环境。 【提问】便携式制氧机是如何控制生成氧气的速率的？ 【学生回答】（1）调节压缩和冷却过程：控制空气的压缩程度和冷却温度，从而影响空气液化的效率和速度，进而间接影响氧气的分离速率。（2）控制节流阀：通过调节节流阀的开度，改变液态空气的流量和压力，从而影响氧气的分离和产出速率。 【讨论交流】从使用效果、安全、经济、耐用性等角度简述两类制氧机的优缺点，并进行小组交流讨论。 【学生回答】便携式制氧机优点：使用效果，能够提供稳定、连续的氧气供应，满足患者呼吸需求；安全，配备有多种安全功能，如低氧浓度、低电量等自动警示功能；经济，使用成本较低，不需要频繁更换氧气瓶，维护简单；耐用性，设备设计紧凑，使用高质量的材料和组件，耐用性强。 便携式制氧机缺点：体积和重量，相对于氧烛等设备，便携式制氧机的体积和重量较大，携带不如氧烛方便；电池续航，电池续航时间有限，需要定期充电或更换电池，可能在某些情况下影响使用。 氧烛优点：使用效果，能够通过燃烧产生氧气，适合紧急情况下的快速供氧；安全，反应相对稳定，只要正确使用，安全性较高；经济，成本相对较低；便携性，体积小、重量轻，便于携带。 氧烛缺点：使用效果，氧气供应量有限，不适合长时间或大量氧气需求的情况；安全，使用过程中会产生热量，可能会对周围环境造成一定的安全隐患；经济，单次成本低，但不适合频繁或长期使用；耐用性，一次性使用设备，使用后即废弃，耐用性较低。 【提问】氧烛中分解产生氧气的物质类似于氯酸钾，分解过程中需要加热，你认为可能是哪些物质在反应过程中提供了热量？ 【学生回答】金属粉末，如铁粉、镁粉、铝粉等。这些金属粉末在与氧化剂接触并点燃后，会释放出大量的热量。 【讲解】实验室制氧为制氧机设计提供了原理基础（如化学分解、气体收集）；氧烛中金属粉末燃烧放热，恰好满足氯酸钠分解的加热需求，这体现了“能量调控”的工程思维。 设计意图 1.关联学科知识：将制氧机原理与实验室制氧对比，强化“物理 / 化学方法产氧”的本质认知。 2.培养分析能力：通过表格梳理和问题讨论，让学生掌握 “药品 — 结构 — 原理 — 使用” 的分析框架，为后续设计积累经验。 活动二：设计并制作简易供氧器 【引入】了解了制氧机原理后，我们来设计简易供氧器。关键是先确定制氧原理，再搭建装置。 【提问】课件中列出了四种制氧原理（双氧水与二氧化锰、加热高锰酸钾、电解水、过碳酸钠与水），选择时需考虑哪些因素？ 【学生讨论】反应条件是否简单（如是否需要加热、通电）、原料是否易获取、产物是否环保、产氧是否稳定…… 【讲解】综合来看，过碳酸钠与水反应（生成过氧化氢，再在二氧化锰催化下产氧）更适合：常温反应、原料安全、产氧速率可控，是自制供氧器的优选原理。 【分组任务】结合制氧机制作的实际工艺流程，利用身边的材料设计一款简易的供氧器，并在框中画出你设计的供氧器结构示意图。 【学生展示设计】各组介绍装置：“用塑料瓶做反应仓，底部放过碳酸钠和二氧化锰，顶部接导管连加湿瓶，通过注射器加水控制反应速率。” 【评价改进】结合 “制氧效果、材料成本、使用便捷” 维度互评：“小组 1 装置紧凑但产氧速率不稳，建议增加阀门控制加水量；小组 2 材料廉价但密封性差，可改用橡胶塞密封。” 【讲解】优化方向：通过调节反应物接触面积（如分批加水）控速率，用密封材料提升气密性，确保供氧稳定安全。 设计意图 1.强化原理应用：引导学生从“反应条件、安全性、可控性”角度选择制氧原理，体现化学与工程的融合。 2.培养工程思维：通过“设计—展示—评价—改进”的流程，提升学生的结构设计能力和问题解决能力。 跨学科实践活动1 制作简易供氧器 一、核心任务 了解制氧机原理→设计并制作简易供氧器 二、制氧机原理 1.便携式制氧机 原料：空气 原理：分子筛吸附氮气（物理分离） 特点：连续供氧，需通电 2.氧烛 原料：氯酸钠（含催化剂） 原理：点燃后分解（化学变化），热量来自金属燃烧 特点：应急快速供氧 三、简易供氧器设计 优选原理：过碳酸钠 + 水（MnO₂催化产氧，常温可控） 装置结构：反应仓→加湿过滤仓→出氧口 评价与改进：看制氧效果、成本、便捷性；优化密封性、控速率 1. （2025·四川宜宾·中考真题）过碳酸钠(2Na2CO3·3H2O2)溶于水可产生H2O2，进而制得O2。实验小组利用此原理，自制简易供氧器制取O2。下列说法错误的是（ ） A．使用前应检查装置气密性 B．I中的二氧化锰起催化作用 C．Ⅱ中的水可用于增加O2的湿度 D．该装置不能控制产生O2的快慢 2．（2024·四川德阳·中考真题）化学科学的本质是实验探究。如图1为实验室制取气体的常用装置，图2为某同学在跨学科实践活动中设计的简易供氧器。 I．根据图1回答下列问题： （1）写出装置A中任意一种仪器的名称：    。 II．根据图2回答下列问题： （2）若试剂甲为MnO2，根据所学知识选择试剂乙，反应仓中产生O2的化学反应原理是 （文字表达式）。 （3）加湿过滤仓中H2O的作用有 （填标号）。 a．吸收杂质提纯O2 b．观察O2产生的速率 c．加快O2的生成 d．保证供给O2的湿度需求 （4）调节供氧流速可以 （填具体操作）。 本课时通过“分析制氧机原理—设计简易供氧器”的实践链条，有效推动了化学原理与工程设计的跨学科融合。学生在分组讨论中能清晰区分便携式制氧机（物理分离）与氧烛（化学分解）的核心差异，且能将实验室制氧知识迁移到实际设备分析中，体现了知识的关联应用。但教学中发现，部分学生在选择制氧原理时对“反应条件安全性”“原料易获取性”的权衡不够全面，装置设计中密封性处理和速率控制的细节考虑不足。后续可增加不同制氧原理的对比可视化工具（如优劣分析表），强化设计前的原理论证环节；同时提供基础密封材料实操示范，结合小组互评细化“密封性、控速率”等评价标准，帮助学生更深入地实现“原理认知—实践落地”的转化。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$