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--2026-2027学年九年级化学人教版上册

《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 学段：_九年级___ 学科：__化学_ 备课教师___ ___ 章节名称 第五单元 化学反应的定量关系 学时 45min 课标要求 本节课是人教版九年级上册化学跨学科实践活动4，隶属于氧气制取核心知识的拓展应用模块。本课立足实验室制氧基础，融合工程设计、物理装置搭建、生活应用等跨学科知识，引导学生跳出单纯实验操作，结合特定场景需求设计、制作、优化简易供氧器。既是对氧气制取原理、气体装置搭建知识的巩固升华，也是培养学生工程思维、实践创新能力的核心实践课程，贴合新课标跨学科育人理念。 内容与学情分析 学习重点 掌握过氧化氢制氧的核心原理，梳理气体制备的一般思路，能结合特定需求选材、设计简易供氧器，规范完成装置组装、测试及基础优化操作。 学习难点 结合场景需求平衡装置实用性、安全性与便捷性，精准排查装置漏气、供氧速率不稳等问题，基于实验数据科学优化供氧器结构与试剂用量。 学情分析 九年级学生已掌握氧气的实验室制取原理、基本实验装置搭建和简单气体检验方法，具备基础的化学实验操作能力和小组合作经验。但学生缺乏工程设计思维，难以结合实际场景取舍设计方案，对装置优化、定量配比、故障排查的实践能力薄弱，创新应用和跨学科整合能力有待进一步提升。 核心素养目标 宏观辨识与微观探析、科学思维、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任。立足实验探究，强化工程思维，树立安全规范、学以致用的科学理念。 学习策略 本节课采用项目式学习为主，融合合作探究、任务驱动、实践迭代、总结归纳的多元学习策略。学生以小组为单位，拆解需求分析、原理筛选、方案设计、动手制作、测试优化、成果展示六大核心任务。依托已有化学知识自主梳理制氧方法，结合生活场景筛选最优制氧方案；通过分工协作完成器材加工、装置组装与实验测试，主动排查实验故障。同时采用迭代优化策略，根据测试数据反思设计缺陷，不断改进装置结构和试剂配比。结合互评自评、教师点拨，梳理工程设计的基本流程，实现知识运用、动手实践、创新思维的全方位提升，落实学以致用的学习目标。 学习环节 （一）情境导入，聚焦真实需求 教师展示高原旅行、户外急救、密闭狭小空间应急等真实场景素材，播放简易供氧设备应急使用的短视频，结合生活提问引导学生思考：日常生活中哪些场景需要用到供氧设备？专业医用供氧器结构复杂、成本较高，是否可以制作一款轻便、安全、低成本、易操作的简易供氧器，满足户外应急、日常辅助吸氧的基础需求？ 随后，教师明确本节课核心项目任务：基于“户外便携应急供氧”的特定需求，设计并制作一款简易供氧器，保证装置安全稳定、操作简便、供氧均匀，同时完成装置测试、问题整改与方案优化。通过真实情境创设，打破传统实验课单纯验证知识的局限，让学生明确本节课的实践目标，建立“知识服务生活、设计贴合需求”的核心认知，激发学生的探究兴趣和实践欲望。同时，教师引导学生分组梳理本次项目的核心约束条件，包括装置便携、无电源、操作安全、材料易得、供氧速率平稳等，为后续设计制作划定标准。 （二）知识回顾，筛选制氧原理 教师引导学生小组合作，全面回顾初中阶段所学的氧气制取方法，梳理分离液态空气、高锰酸钾加热制氧、电解水、过氧化氢常温分解制氧四种核心方法。各小组逐一分析不同制氧方法的反应条件、器材要求、安全性、便捷性、成本及适用场景，结合本次“户外便携应急”的需求，开展对比分析。 学生自主总结得出：分离液态空气为工业制法，设备庞大，无法用于简易装置；高锰酸钾制氧需要加热，存在明火安全隐患，器材复杂，便携性差；电解水需要通电，依赖电源，无法满足户外无电源需求；而过氧化氢在二氧化锰催化下常温分解制氧，无需加热、无需通电，反应条件简单，器材轻便，材料易得，安全环保，完全贴合本次设计需求。 教师进一步深化知识点，板书核心反应原理，强调反应的反应物、生成物、反应条件及催化剂的作用，明确制氧过程中的核心化学反应本质。同时补充拓展，结合定量计算知识，讲解供氧时长、氧气需求量与过氧化氢试剂用量的关联，让学生明白简易供氧器不仅是装置搭建，更需要科学配比试剂，保障供氧稳定性，为后续精准设计、定量取材奠定理论基础。 （三）拆解任务，设计装置方案 在明确制氧原理后，教师引导学生进行项目任务拆解，将整体项目分为需求细化、结构设计、器材选型、草图绘制、方案研讨五个子任务。各小组结合户外便携的核心需求，讨论确定简易供氧器的核心结构模块，分别为反应发生装置、气体净化缓冲装置、出气导气装置三部分。 小组自主开展设计研讨，结合生活化材料进行器材选型，摒弃传统实验室复杂仪器，选用矿泉水瓶、塑料瓶盖、软管、打孔器、纱布、小药瓶等安全易得的生活材料。学生结合气体制备的实验规范，设计装置结构：利用打孔瓶盖实现密封和导气，利用双层瓶体结构实现反应分区，利用清水缓冲装置净化氧气、平稳气流，避免反应剧烈导致的氧气喷出过快，同时过滤少量水雾，提升吸氧舒适度。 各小组结合研讨结果，规范绘制简易供氧器设计草图，标注各部件名称、作用、连接方式及试剂填充位置与用量。完成草图后，开展组内自查、组间互评，重点审核装置的密封性、安全性、便携性、实用性。教师巡回指导，针对学生设计中出现的结构漏洞、连接缺陷、无缓冲装置、密封设计不合理等问题逐一点拨，引导学生自主修改完善设计方案，确保每一份设计方案科学、可行、贴合需求。 （四）实操制作，组装调试装置 方案定稿后，进入动手制作实操环节，各小组明确分工，划分器材裁剪、瓶盖打孔、部件组装、试剂准备、安全检查等岗位，各司其职、协同合作。操作前，教师统一强调实验安全规范：规范使用打孔器、剪刀等工具，避免划伤；过氧化氢溶液按需取用，避免接触皮肤；全程远离明火，保持操作桌面整洁，组装完成后先检查气密性，再进行制氧实验。 学生按照优化后的设计草图逐步开展制作：裁剪矿泉水瓶制作反应容器与缓冲容器，对瓶盖精准打孔，保证孔径与软管匹配，避免缝隙漏气；固定导气管，组装双层装置，完成整体结构拼接。装置组装完成后，首先开展气密性检测，将导气管末端放入水中，挤压容器瓶体，观察是否有气泡冒出，排查装置漏气问题，针对接口松动、瓶盖密封不严、打孔缝隙过大等故障，采用缠绕密封胶带、调整部件贴合度等方式及时整改。 气密性检测合格后，进行试剂装填与初步调试，在反应容器中加入适量二氧化锰，缓慢注入配比好的过氧化氢溶液，迅速密封装置，观察反应现象与出气情况。学生实时观察供氧速率，记录反应过程中出现的问题，包括供氧过快、反应持续时间短、气流不稳定、出水雾过多等，为后续装置优化收集真实实验数据。教师全程巡视，针对性指导操作不规范、装置故障排查困难的小组，纠正错误操作，保障实验安全有序开展。 （五）测试优化，迭代改进装置 初步调试完成后，各小组开展标准化供氧测试，模拟户外应急吸氧场景，记录装置的供氧时长、气流稳定性、装置密封性、使用便捷度等核心指标。测试完成后，小组集中汇总实验问题，逐一分析问题成因：过氧化氢浓度过高、用量过多会导致反应速率过快，供氧急促且持续时间短；无缓冲装置会导致气流不稳、水雾量大；装置密封结构简易，长时间反应易出现轻微漏气；二氧化锰分散不均，反应前期剧烈、后期缓慢。 针对各类问题，学生结合化学原理与工程设计思维，制定针对性优化方案：调整过氧化氢溶液浓度与试剂配比，通过定量计算确定最佳用量，平衡供氧速率与供氧时长；增设多层纱布缓冲、清水稳压结构，过滤水雾、平稳气流；优化瓶盖密封结构，增加密封垫片，提升装置气密性；将二氧化锰固定于纱布袋中，避免催化剂堆积，让反应更均匀持久。 各小组根据优化方案开展二次迭代制作与二次测试，反复调试参数与结构，直至装置达到便携安全、供氧均匀、操作简单、持续供氧稳定的设计标准。同时，学生结合装置特点，梳理简易供氧器的使用步骤、适用场景、安全禁忌，自主编写简易产品使用说明书，标注操作要点、试剂更换方法、安全注意事项，完善项目成果。 （六）成果展示，互评总结提升 各小组依次进行成果展示，通过实物演示、设计思路讲解、测试数据汇报、优化过程分享的方式，全面展示本组简易供氧器的设计亮点、制作过程、性能优势与改进思路。展示过程中，重点说明设计方案如何贴合户外应急的特定需求，如何解决制作测试中的核心难题，体现跨学科知识的融合应用。 展示结束后，开展多元化评价环节，采用学生自评、小组互评、教师点评相结合的方式。学生自评聚焦个人分工、操作收获、问题反思；小组互评围绕装置实用性、创新性、稳定性、设计完整性展开，客观指出优缺点，提出改进建议；教师整体点评各组作品，肯定学生的实践创新能力与团队协作能力，梳理共性问题与优质设计思路，提炼简易供氧器设计制作的通用方法。 最后，教师带领学生整体复盘本节课核心知识与能力要点，系统梳理气体制备“原理选择—方案设计—装置搭建—实验测试—迭代优化”的完整工程流程，巩固过氧化氢制氧的核心原理，总结实验故障排查、装置优化的核心方法。同时拓展延伸，引导学生思考家用制氧机、医用供氧设备的设计原理，实现从简易模型到工业产品的认知升华，让学生深刻体会化学知识与工程技术、生活应用的紧密联系，强化学以致用的科学态度与社会责任素养。 （七）课后拓展，深化实践探究 课堂结束后，布置分层拓展实践任务，巩固课堂所学，延伸探究思维。基础任务：完善本组供氧器使用说明书，整理实验报告，梳理本节课的知识点、操作要点与优化思路。提升任务：结合不同场景需求，比如儿童吸氧、高原长时间供氧，对简易供氧器进行二次优化，增设流量调节、防倒流、便携挂扣等结构，提升装置的适配性。创新任务：查阅资料，了解便携式化学制氧剂的原理，尝试设计无需液态试剂的固态简易供氧装置，进一步拓宽跨学科实践视野。 ( - 3 - ) 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $