第五单元跨学科实践活动4 基于特定需求设计和制作简易供氧器课件--2026-2027学年九年级化学人教版上册

该初中化学课件围绕“设计制作简易供氧器”，先回顾实验室制氧方法，对比加热高锰酸钾与过氧化氢分解法，优选后者后深入剖析二氧化锰催化原理，构建从理论到实践的学习支架。 其亮点在于以跨学科实践为主线，通过模块化设计（反应仓、净化仓等）和“氧气一号”产品发布会评估，培养科学探究与实践能力。结合安全须知和反思优化，渗透科学态度与责任，学生在动手与改进中提升问题解决能力，教师可依托清晰流程高效开展教学。

跨学科实践活动4 基于特定需求，设计和制作简易供氧器 1.7.2013 大家好！欢迎来到今天的化学课堂。今天，我们将一起参与一个非常有趣且富有挑战性的跨学科实践活动——设计和制作一个简易的供氧器。这不仅是一次化学实验，更是一次将知识应用于解决实际问题的绝佳机会。让我们一起开启这段奇妙的科学探索之旅吧！ ‹#› 知识回顾：实验室制取氧气，我们有哪些选择？ 01. 加热高锰酸钾法 原理： 装置：固体加热型 | 优点：反应稳定，无需催化剂 缺点：需加热，操作复杂，试管口需塞棉花，有安全隐患。 03. 过氧化氢分解法 (优选) 原理： 装置：固液不加热型 | 优点：无需加热，操作简单 缺点：反应速率受浓度影响大，需注意控制；过氧化氢溶液易分解失效。 课堂讨论：如何选择？ 如果要制作一个“简易、便携”的供氧器，我们需要考虑装置复杂度、安全性和便携性。哪种方法能满足这些需求？ 最终结论 过氧化氢分解法无需加热、装置简单、产物环保，是本次实践的最佳选择。 1.7.2013 我们在实验室里学过多种制取氧气的方法。大家看这个表格，我们对比了加热高锰酸钾、加热氯酸钾和过氧化氢分解这三种方法。从反应条件、装置复杂性和安全性等多个维度来看，哪种方法最适合我们制作一个“简易”和“便携”的供氧器呢？没错，就是过氧化氢分解法。它不需要加热，装置简单，而且产物只有水和氧气，非常环保安全。 ‹#› 核心原理深探：二氧化锰（MnO₂）—— 神奇的“反应加速器” 二氧化锰（MnO₂）为黑色无定形粉末，难溶于水。它是过氧化氢分解反应中最常用的催化剂，能显著提升反应速率。 01. 核心概念：催化剂的“不变”与“变” 定义：在化学反应中能改变其他物质的反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化。 比喻：如同汽车的“涡轮增压器”，让反应加速，自身却毫发无损，可循环使用。 步骤一：初始观察 试管中加入5%过氧化氢溶液，静置观察，几乎无气泡产生，反应极慢。 步骤二：加入催化剂 加入少量二氧化锰粉末后，试管内迅速产生大量气泡，反应速率瞬间提升。 步骤三：产物检验 用带火星的木条伸入试管，木条复燃，证明反应生成了氧气（O₂）。 步骤四：质量守恒 反应结束后过滤、干燥、称量，二氧化锰的质量与加入前完全一致。 1.7.2013 过氧化氢分解反应的关键在于催化剂——二氧化锰。大家可以把它想象成一个神奇的“反应加速器”。它能极大地加快过氧化氢分解产生氧气的速度，但它本身在反应前后的质量和化学性质都不会改变。这个特性非常重要，它保证了我们可以持续、高效地获得氧气。 ‹#› 需求分析：我们的供氧器应具备哪些特点？ 结合“便携”与“应急”的核心场景需求，我们的供氧器设计需严格遵循以下五大核心原则，确保产品在实际应用中安全可靠、实用高效。 安全性 (Safety) 设计首要准则，确保反应温和无爆燃风险，装置具备优异的气密性，杜绝气体泄漏隐患，保障使用过程万无一失。 便携性 (Portability) 针对应急场景优化整体结构，尽可能压缩体积、减轻重量，便于单人徒手携带，能适应徒步、转移等多种移动场景。 易操作性 (Usability) 简化操作流程，摒弃复杂步骤，实现“一键启动”的直观逻辑，降低学习成本，确保非专业人员也能快速、正确使用。 有效性 (Effectiveness) 作为核心功能指标，需保证氧气输出的持续性与稳定性，在应急救援的关键时段内，提供浓度、流量达标的充足氧气，切实满足用户呼吸需求。 经济性 (Economy) 优先选用日常生活中容易获取、价格低廉的原材料进行制作，大幅降低研发与制造成本，同时也便于后续的日常维护、材料补充和批量准备。 1.7.2013 在动手之前，我们必须明确我们的设计目标。一个好的产品，尤其是应急产品，必须满足几个核心原则。首先，也是最重要的，就是安全性。其次是便携性、易操作性、有效性和经济性。这五个原则将是我们设计和评估作品的重要标准。 ‹#› 模块化设计思路：像搭积木一样设计供氧器 01 反应仓 · 制氧核心 核心作用：通过化学反应生成氧气，是装置的动力源。 关键配置：使用大透明塑料瓶为容器，内置催化剂二氧化锰与反应物过氧化氢溶液，触发反应产氧。 02 净化仓 · 湿润过滤 核心作用：湿润干燥氧气并过滤杂质，提升使用安全性与舒适度。 关键配置：以小塑料瓶为载体，注入清水形成水封层，通过观察气泡生成的速率，可直观判断供氧快慢。 03 输出端 · 引导收集 核心作用：将净化后的氧气稳定输送至使用者，完成供氧闭环。 关键配置：利用导管串联装置，搭配吸管、漏斗或自制简易面罩作为终端，适配不同使用场景的需求。 拆解复杂系统为独立模块，让制作逻辑更清晰：先解决“制氧”，再完善“净化”，最后实现“输送”，像搭积木一样高效完成装置搭建。 1.7.2013 一个复杂的装置可以被拆解成几个简单的模块。我们的供氧器也一样，可以分为三个部分：负责制造氧气的“反应仓”，负责净化和湿润氧气的“加湿/过滤仓”，以及负责输送氧气的“输出模块”。这样模块化的设计思路，可以让我们的制作过程更加清晰有序。 ‹#› 我们的“军火库”：DIY简易供氧器材料清单 我们的材料大部分源于日常生活，注射器用于控制液体流量，导管负责气体传输，而医用双氧水是制取氧气的核心原料。请仔细检查每一样材料的完整性，确保实验顺利进行。 核心容器与导管 准备2个大小不一的带盖塑料瓶作为反应容器；1个去针头注射器用于加注液体；若干吸管或软胶管作为气体传输导管。 关键化学试剂 选用3%或5%的医用过氧化氢溶液（双氧水）作为反应物，搭配二氧化锰粉末作为催化剂，加速氧气的生成速率。 工具与辅助耗材 准备打孔器/尖针、剪刀用于制作连接口；胶带或热熔胶枪用于密封防漏气；清水、纱布或湿棉花可用于气体的初步过滤。 1.7.2013 这是我们今天动手制作所需的材料清单，我称之为我们的“军火库”。大部分都是大家日常生活中可以找到的物品，比如塑料瓶、吸管、注射器等。药品方面，我们需要医用双氧水和二氧化锰粉末。请各小组检查自己的材料是否齐全。 ‹#› 动手！打造你的专属供氧器 (步骤一 & 二) 01 制作反应仓 ① 在大塑料瓶的瓶盖上打一个孔，确保能紧密插入一根吸管，保证气密性。 ② 将约1-2勺二氧化锰粉末放入瓶底，作为化学反应的催化剂备用。 ③ 用注射器抽取约50mL的过氧化氢溶液，不要急于倒入，准备后续操作。 02 制作加湿/过滤仓 ① 在小塑料瓶的瓶盖上打两个孔，分别用于进气管和出气管的连接。 ② 在小塑料瓶的瓶身上部也打一个孔，作为备用或辅助通气孔。 ③ 向小塑料瓶内加入约1/3体积的清水，用于对生成的氧气进行加湿和初步过滤。 操作注意：打孔时请务必注意安全，可使用打孔器或烧热的铁钉操作；孔的大小要适中，既要能让吸管顺利穿过，又要保证插入后缝隙极小，确保装置的气密性，这是实验成功的关键。 1.7.2013 现在，我们开始动手制作。首先是制作反应仓和加湿仓。请大家按照屏幕上的步骤操作。在大瓶子里放入催化剂二氧化锰，小瓶子里加入清水。瓶盖和瓶身打孔是关键步骤，孔既要能让吸管穿过，又要保证密封性。大家可以先在瓶盖和瓶身上标记好打孔的位置。 ‹#› 动手！打造你的专属供氧器 (步骤三：组装) 01. 连接双仓通道 取一根长吸管从反应仓瓶盖孔插入，末端接近瓶底；再用另一根吸管，将反应仓的吸管与加湿仓瓶身的孔紧密连接，构建气体传输的主通道。 02. 布设进出气管 加湿仓双孔分别安装吸管：一孔吸管末端需完全没入水中，作为气体进气管；另一孔吸管末端露出水面，作为湿润氧气的出气管，形成气路循环。 03. 密封保压处理 用胶带或热熔胶，仔细密封所有吸管与瓶盖、瓶身的接口缝隙。气密性是装置成功的关键，务必确保无漏气，保障气体输送效率与使用安全。 关键提示：组装完成后可轻按反应仓瓶身，观察加湿仓水中是否有连续气泡产生，以此快速检验装置的气密性是否达标。 1.7.2013 接下来是最关键的组装环节。我们需要将反应仓和加湿仓用导管连接起来。请大家注意，连接加湿仓的进气管要没入水中，而出气管则要露在水面上。最后，也是非常重要的一步，就是用胶带把所有接口都密封好，这直接关系到我们装置的气密性和安全性。 ‹#› 安全第一：实验安全须知 实验操作必须规范，防护措施必不可少。专业的防护装备是保障实验人员安全的第一道防线，务必全程规范佩戴。 全程佩戴护目镜 实验全程必须规范佩戴护目镜，防止液体飞溅或颗粒入眼，保护眼部安全。 规范使用双氧水 使用3%-5%低浓度医用双氧水，操作时避免直接接触皮肤和眼睛，如不慎接触需立即用大量清水冲洗。 检查装置气密性 实验开始前务必仔细检查装置的气密性，确保连接紧密无漏气，防止反应产生的气体泄漏引发意外。 缓慢控制反应速率 通过注射器缓慢推入过氧化氢溶液，避免加入过快导致反应过于剧烈，引发喷溅或装置故障。 保持环境通风良好 实验应在通风橱或空气流通的环境中进行，及时排出反应产生的气体，避免气体积聚影响实验人员健康。 严禁明火与规范废液 氧气有助燃性，区域内严禁明火；反应后废液需稀释，按要求倒入指定废液容器，严禁随意倾倒。 1.7.2013 在开始测试之前，我必须再次强调安全问题。请大家务必佩戴好护目镜，小心使用过氧化氢。实验前一定要检查装置是否漏气。通过注射器缓慢加入过氧化氢，来控制反应的快慢。实验过程中保持通风，远离明火。安全永远是第一位的！ ‹#› 成果检验：我们的供氧器成功了吗？ 图示：利用氧气支持燃烧的化学特性，通过“带火星木条复燃”这一经典实验现象，直观且科学地验证我们制取的气体是否为氧气。 01. 核心验证：氧气检验 将加湿仓出气口对准带火星的小木条，若木条迅速复燃，即证明装置成功制取了氧气，这是氧气最典型的特征反应。 02. 过程观察：供氧速率分析 观察加湿仓内气泡产生的快慢：气泡快代表反应剧烈、供氧足；气泡慢则反之。可通过控制反应物浓度或滴加速度来调节供氧速率。 03. 安全保障：气密性测试 关闭出气口后继续滴加过氧化氢，若反应仓无膨胀、无气体泄漏，说明装置气密性良好，可安全稳定地进行供氧。 1.7.2013 激动人心的时刻到了！我们的供氧器是否成功了呢？我们来进行几项测试。首先，也是最关键的，用带火星的木条检验我们产生的气体是不是氧气。如果木条复燃，那就说明我们的制氧部分成功了！同时，大家可以观察加湿仓里气泡的速度，这能反映我们的供氧速率。 ‹#› 成果评估与展示：“氧气一号”产品发布会 各小组派代表上台展示自主研发的“氧气一号”作品，全面介绍设计思路、核心功能特点与实际操作方法，通过多维度的专业评估，共同见证创意方案与实践成果的精彩碰撞。 01. 气密性评估 优秀：气密性极佳无漏气；良好：偶有轻微漏气；待改进：气密性差，存在明显气体泄漏情况，无法保证封闭环境。 02. 核心供氧效果 优秀：气流均匀稳定，可使带火星木条复燃；良好：供氧基本稳定，气流尚可；待改进：供氧断续，助燃效果不明显。 03. 产品便携性 优秀：体积小巧、重量轻盈，便于户外携带；良好：体积重量适中，日常使用无负担；待改进：整体体积过大或过重，难以移动与操作。 04. 设计创新性 优秀：方案新颖有独特改进与巧思；良好：设计逻辑合理，能有效模仿经典范例；待改进：设计简陋单一，缺乏个性化特色与功能亮点。 05. 团队协作表现 优秀：分工明确、配合默契高效；良好：成员有具体分工，可顺利完成小组任务；待改进：分工模糊不清，沟通不畅导致整体制作效率低下。 1.7.2013 现在，让我们举办一场别开生面的“产品发布会”！每个小组都来展示你们的“氧气一号”产品。请介绍你们的设计理念和使用方法。我们将根据气密性、供氧效果、便携性、创新性和团队协作这五个维度，对大家的作品进行评估。期待看到大家的精彩表现！ ‹#› 反思与优化：我们的供氧器还有哪些可以改进的地方？ 问题一：反应速率过快，难以精准控制 解决方案：可选用浓度更低的过氧化氢溶液；采用分次、缓慢滴加的方式加入反应物；或将二氧化锰固定在纱布袋中，减小其与反应物的接触面积，从而平稳调控反应节奏。 问题二：整体装置体积偏大，不易携带 解决方案：更换容积更小的反应容器；将发生、收集、加湿等多个功能模块整合进一体式的便携容器中，精简结构，同时保留核心功能，提升装置的实用性与移动性。 问题三：产出氧气过于干燥，舒适度不足 解决方案：适当增加加湿仓内的水的体积，延长氧气与水的接触时间；或在装置的出气口位置增加湿棉花过滤层，让氧气自然湿润，避免直接吸入干燥气体带来的不适。 问题四：反应物耗尽后，无法持续供氧 解决方案：在反应装置上设计一个带密封塞的加料口，当监测到反应变缓或停止时，可随时从加料口补充过氧化氢溶液或催化剂，实现装置的持续供氧，提升应急使用的可靠性。 1.7.2013 科学的探索永无止境。我们的作品可能还存在一些不足。比如，反应太快怎么办？装置太大怎么办？大家可以一起讨论，针对这些问题，我们能想出哪些改进方案？比如，我们可以尝试用更低浓度的双氧水，或者把催化剂包起来，这些都是非常好的优化思路。 ‹#› 课堂总结：满载而归 知识回顾 我们系统复习了氧气的实验室制法，深入剖析了催化剂在化学反应中的核心作用，同时将理论知识成功迁移，应用到了具体的实验操作与问题解决中，夯实了化学认知基础。 能力提升 全程经历了完整的工程设计流程，从抽象的需求分析出发，逐步完成方案构思、实验验证到成品优化的闭环，掌握了将创意转化为可落地产品的关键思维与方法。 价值感悟 化学并非纸上的方程式，而是改善生活、解决实际问题的有力工具。愿大家始终保持好奇心与创造力，以科学的视角观察世界，用所学知识去探索和创造更美好的未来。 “从知识到实践，从思维到创造，化学的魅力在于它让我们有能力去改变世界，让生活更美好。” 1.7.2013 好了，今天的跨学科实践活动即将结束。让我们一起回顾一下今天的收获。我们不仅巩固了化学知识，更重要的是，我们体验了从设计到制作再到优化的全过程，提升了解决实际问题的能力。希望大家能记住，化学就在我们身边，它是改善生活、创造未来的强大力量。 ‹#› 感谢聆听 1.7.2013 今天的课程到此结束，感谢同学们的积极参与和精彩表现！希望这次活动能点燃大家对科学的热情，鼓励大家用所学的知识去探索和创造。谢谢大家！ ‹#› $