第2章跨学科实践活动1制作简易供氧器教学设计--2026-2027学年九年级化学沪教版上册

该初中化学教学设计聚焦氧气制取原理及简易供氧器制作，通过高原旅行、居家康养等生活供氧场景导入，连接实验室制氧知识与生活应用，搭建从理论到实践的学习支架。 以项目式任务驱动，跨学科整合化学、工程设计与生活实践，完整覆盖需求分析、原理探究、设计制作到优化改进流程。学生用塑料瓶、输液管等生活化材料自主设计装置，通过气密性检验、氧气检验等环节提升科学探究与实践能力，在方案对比优化中培养科学思维，助力教师落实核心素养，丰富实践教学。

跨学科实践活动 1 制作简易供氧器（教学设计） 课题 课时安排 核心 素养目标 化学观念：建立物质性质决定用途、化学反应实现物质转化的核心认知。 科学思维：通过装置设计、方案对比，形成证据推理与优化创新思维。 科学探究与实践：自主完成供氧器设计、制作、调试，提升动手与合作探究能力。 科学态度与责任：认识供氧技术的生活、医疗价值，树立安全实验、学以致用、绿色环保的科学理念。 重点 和难点 教学重点：掌握简易供氧器的制氧原理，熟悉装置结构组成，独立完成简易供氧器的制作与气密性检验。 教学难点：结合实际需求优化装置结构，平衡供氧速率、安全性与实用性，实现化学实验原理向生活化工程装置的转化，学会分析装置优缺点并完成迭代改进。 教学过程 教学环节 教学活动 设计意图 导入新课 生活中高原旅行、居家康养、急救场景都需要供氧设备，市面上的便携式供氧器便捷实用。大家已经掌握了实验室制取氧气的方法，能否利用身边常见材料，结合化学原理，自制一台安全、简易的供氧器？今天我们以真实生活需求为导向，开启项目式探究，亲手设计并制作简易供氧器，解锁化学知识的生活应用价值。 结合真实生活场景创设问题情境，打破理论实验与生活应用的壁垒，激发学生探究兴趣。以真实任务驱动课堂学习，自然引出本节课项目主题，明确实践探究的核心目标。 讲授新课 （一）任务一 情境感知，明晰项目需求 在正式开展实践制作前，我们首先立足生活实际，深度探究供氧设备的应用场景与核心功能，明确本次跨学科实践的项目核心需求。氧气是人类生存必不可少的物质，正常环境中空气含氧量可满足人体日常呼吸需求，但在特殊场景中，自然供氧无法保障人体正常生理活动。高原地区空气稀薄、氧气含量低，人体极易出现缺氧、头晕、乏力等高原反应；密闭的居家环境、长期密闭的病房中，空气流通差，氧气浓度偏低，不利于人体康养；突发急救场景中，快速供氧是保障生命安全的关键手段。基于以上生活与医疗场景，便携式简易供氧器凭借体积小、操作简单、携带方便、成本低廉的优势，成为日常应急、户外出行、家庭康养的常用设备。 结合前期所学化学知识，实验室可通过过氧化氢分解、高锰酸钾加热、氯酸钾加热分解三种方法制取氧气，但是实验室制氧装置体积庞大、操作流程复杂、部分反应需要加热条件，无法适配生活化、便携式的供氧需求。这就需要我们结合生活实际，筛选适配的制氧原理，简化实验装置，利用生活材料改造实验仪器，设计制作无需加热、操作便捷、安全稳定的简易供氧器。 本环节我们需要完成两个核心探究内容，一是总结生活化供氧器的核心使用要求，包括安全性、便捷性、稳定性、低成本、易操作等关键指标；二是对比三种实验室制氧方法的优缺点，初步筛选适合制作简易供氧器的化学反应原理。小组合作展开讨论，结合反应条件、药品安全性、装置复杂度、反应可控性等角度，对三种制氧方法进行全面分析。高锰酸钾制氧需要加热，操作存在安全隐患，装置组装繁琐，不适合生活化便携设备；氯酸钾制氧同样需要加热，且催化剂二氧化锰配比要求高，反应速率不易控制；过氧化氢在二氧化锰催化下常温即可分解产生氧气，反应无需加热、产物无污染、药品安全易得、反应速率可控，完全适配简易供氧器的制作需求。通过小组研讨，全体学生明确本次实践项目的制氧核心原理为过氧化氢催化分解制取氧气。 （二）任务二 探究原理，解构供氧装置 确定核心制氧原理后，我们需要深入探究简易供氧器的工作逻辑，解构专业供氧设备的结构组成，明确自制装置的设计框架。首先回顾过氧化氢制氧的化学反应本质，过氧化氢在二氧化锰的催化作用下，发生分解反应，生成水和氧气，该反应属于典型的分解反应，反应过程无高温、无有毒有害物质生成，绿色安全，符合生活化使用标准。同时结合氧气的物理性质，氧气不易溶于水、密度略大于空气，这一性质是供氧器加湿、导气结构设计的重要依据。 我们结合市面上便携式家用供氧器的结构进行拆解分析，标准化简易供氧设备主要包含两大核心结构，分别是反应仓和加湿仓。反应仓是制氧的核心区域，主要盛放制氧药品与催化剂，是发生化学反应、产生氧气的场所；加湿仓为辅助功能区域，经过反应仓生成的干燥氧气，通过导管通入加湿仓的水中，一方面可以湿润氧气，避免干燥氧气刺激人体呼吸道，提升吸氧舒适度；另一方面可以通过观察加湿仓内气泡产生的快慢，直观判断氧气的生成速率，实现供氧速率的可视化调控，同时还能起到缓冲气流、稳定供氧的作用。 基于专业设备的结构逻辑，我们确定自制简易供氧器的核心设计框架，必须包含反应发生装置、导气装置、加湿稳压装置三部分。同时结合生活化使用场景，明确装置设计的核心标准：第一，装置密封性良好，杜绝氧气泄漏，保障供氧效率；第二，结构简洁、组装方便，材料安全无毒、轻便易携带；第三，供氧速率均匀稳定，可根据需求适度调控；第四，操作安全，无高温、无爆炸、无腐蚀风险，适配日常使用。 本环节小组开展深度探究，梳理装置各结构的功能与设计依据，完成理论模型构建。学生逐一明确，反应仓用于盛放过氧化氢溶液和二氧化锰固体，是化学反应的核心场所；导气管用于输送生成的氧气，连接反应仓与加湿仓；加湿仓盛装清水，完成氧气加湿、速率观察、气流稳压三大功能。同时小组讨论分析装置设计的注意事项，为后续选材、制作、调试奠定理论基础，实现化学原理与工程设计的深度结合。 （三）任务三 选材建模，绘制装置草图 完成理论建模与结构分析后，进入选材与方案设计环节。本次实践要求全部选用生活常见、安全易得、低成本的材料替代实验室化学仪器，践行生活化创新实验理念。首先开展材料筛选探究，结合装置功能需求，匹配对应的生活材料。反应仓需要密闭性好、材质安全、耐水耐腐蚀的容器，可选用干净的塑料饮料瓶、透明储物瓶，材质轻便、不易破碎，安全性远高于玻璃仪器；导气装置可选用一次性输液管、塑料吸管，管径适中、导气顺畅，易于裁剪和密封衔接；加湿仓可选用小型塑料瓶、广口水杯，透明材质便于观察气泡速率；密封材料可选用热熔胶、防水胶带、橡胶密封圈，保障装置各接口的气密性。 各小组结合自身材料储备与设计思路，自主设计简易供氧器组装方案，绘制完整的装置设计草图，标注各部件名称、材料类型、连接方式与功能作用。在草图设计过程中，重点思考三个核心问题，一是如何实现装置接口的绝对密封，防止氧气泄漏；二是如何控制反应速率，避免氧气生成过快或过慢；三是如何优化结构，让装置操作更便捷、供氧更稳定。 教师针对各小组设计方案进行针对性指导，纠正设计漏洞。部分小组出现导气管插入反应仓过深、加湿仓导管未伸入液面以下、双仓连接不合理等问题，教师逐一讲解错误设计的弊端：加湿仓导管未伸入液面下，氧气无法经过水的湿润，同时无法观察气流速率，也无法起到稳压作用；导管插入反应仓液面过深，会导致液体倒吸、导气不畅。经过师生研讨、小组互评，各小组不断优化设计草图，确定最终可行的制作方案，明确制作流程、部件组装顺序与操作规范，形成标准化的制作模型。 （四）任务四 动手实操，组装制作装置 本任务为课堂核心实践环节，各小组依据优化后的设计草图，分工合作，完成简易供氧器的组装与初步调试，全程遵循安全操作、规范组装、严谨求实的实验原则。小组内进行明确分工，设置选材员、组装员、密封员、记录员，各司其职、协同配合，提升实践效率与团队协作能力。 第一步，材料预处理。将选用的塑料瓶彻底清洗干净，去除标签、残留杂质与水分，保证容器干燥洁净，避免杂质影响化学反应；根据设计尺寸裁剪导气管，保证导管长度适配双仓高度，预留合理的衔接长度；准备好热熔胶、胶带等密封工具，做好组装准备。第二步，打孔衔接。在反应仓塑料瓶瓶盖中心位置打孔，孔径与导气管管径匹配，将导气管穿过瓶盖，利用热熔胶密封导管与瓶盖的衔接缝隙，确保完全密闭，无透气缝隙，等待胶体凝固固化，保障气密性。第三步，双仓组装。将贯穿瓶盖的导气管一端留在反应仓内部，另一端伸入加湿仓的液面以下，保证密封连接、导气通畅，搭建完整的供氧装置主体结构。第四步，整体密封检查，对所有衔接部位、打孔部位逐一加固密封，杜绝漏气隐患。 组装完成后，各小组首先开展无药品气密性检验，这是保障装置正常工作的关键步骤。将装置组装完毕后，堵住出气口，轻轻挤压反应仓塑料瓶，观察加湿仓内是否产生气泡，松开手后观察是否形成稳定水柱，若气泡均匀、水柱稳定，说明装置气密性良好；若无气泡、无水柱变化，说明装置存在漏气问题，小组逐一排查接口、打孔处、瓶盖缝隙等位置，重新密封加固，直至气密性达标。 整个组装过程中，学生全程自主操作、自主排查问题，教师仅针对安全问题和核心技术难点进行点拨指导，充分凸显学生的主体探究地位。学生在动手实践中，切实体会装置结构与功能的对应关系，理解气密性检验的原理，掌握生活化实验装置的组装技巧，实现动手实践能力、问题解决能力的全方位提升。 （五）任务五 试剂调试，检验供氧效果 装置组装和气密性检验完成后，进入试剂添加与供氧效果调试环节。首先明确药品选用标准与用量规范，本次实验选用过氧化氢溶液与二氧化锰粉末作为反应药品，结合简易装置的特点，选用低浓度过氧化氢溶液，避免反应速率过快、气流不稳定，同时减少药品浪费，保障实验安全。 各小组按照规范操作流程添加药品，先向反应仓中加入适量二氧化锰黑色粉末，再缓慢倒入稀释后的过氧化氢溶液，迅速拧紧密封瓶盖，保证反应仓密闭。药品接触后，反应即刻发生，持续产生氧气，氧气通过导气管进入加湿仓的清水中，学生可清晰观察到加湿仓内持续产生均匀气泡。通过观察气泡产生的快慢，直观判断供氧速率，若气泡产生过快，说明反应速率过大，可适当稀释过氧化氢溶液；若气泡稀疏、供氧缓慢，可适量补充过氧化氢溶液或少量二氧化锰催化剂，完成速率优化调试。 供氧速率调试完成后，开展氧气性质检验实验，验证自制装置产生的气体为氧气。将带火星的木条靠近加湿仓的出气口，观察木条变化现象，可清晰观察到带火星的木条复燃，且燃烧剧烈，证明装置成功制取并输出氧气，装置制作合格。学生持续观察装置工作状态，记录反应现象、供氧时长、速率变化，总结装置的工作特点。 在实验过程中，部分小组出现供氧速率不稳定、后期产气速率减慢的现象，小组自主探究原因，分析得出随着反应进行，过氧化氢浓度降低，反应速率逐渐减慢，属于正常反应规律；部分小组出现轻微漏气、气泡断续的问题，及时排查密封漏洞并修复。通过实操调试，学生全面掌握制氧反应的规律，理解浓度、催化剂对反应速率的影响，实现理论知识与实践现象的精准对应。 （六）任务六 评价优化，迭代改进装置 完成装置制作与效果检验后，进入项目评价与优化迭代环节。各小组结合自身制作成果，从装置密封性、供氧稳定性、操作便捷性、结构美观度、材料环保性、安全实用性六个维度，开展自评与组间互评，全面分析自制简易供氧器的优点与不足。 小组汇总共性问题：第一，装置无法精准控制反应启停，药品混合后持续反应，无法随时暂停供氧，存在药品浪费问题；第二，供氧速率仅能通过稀释药品粗略调控，无法实现精细化调节；第三，简易塑料瓶结构稳定性较差，放置不当易倾倒；第四，无专用出气控制结构，吸氧体验有待提升。针对以上问题，各小组结合所学知识，研讨优化方案，提出迭代改进措施。针对无法控停的问题，可增设注射器添加装置，实现过氧化氢溶液的分批添加，按需控制反应启停；针对速率调控粗糙的问题，通过精准控制药品浓度、催化剂用量细化供氧速率；针对结构不稳定问题，增设固定支架，提升装置稳定性；针对吸氧体验问题，在出气口加装吸氧鼻塞，优化使用功能。 各小组结合优化思路，对装置进行二次改造调试，对比改造前后的供氧效果，总结工程设计的核心思路：任何实用装置都需要根据实际需求不断迭代优化，平衡性能、安全、成本、便捷性等多重因素。同时小组完成项目总结，梳理从需求分析、原理探究、方案设计、动手制作、调试检验到优化改进的完整项目流程，形成标准化的项目探究思维。 本节课采用项目式任务驱动教学，贴合新教材跨学科实践的育人要求，以“制作简易供氧器”真实项目为核心，拆解梯度化探究任务。整合化学核心知识、工程设计、物理结构、生活实践等多学科内容，打破单一学科教学壁垒。让学生从需求分析、原理探究，到设计制作、调试优化，完整经历项目探究全过程，夯实氧气制取的知识基础。同时重点培养学生动手实践、问题解决、创新优化的综合能力，落实核心素养育人目标，引导学生感受化学的生活价值，培养科学探究精神与社会责任感。 板书设计 跨学科实践活动1 制作简易供氧器 项目需求 适配生活应急、康养供氧，要求安全、便捷、低成本、可便携 装置结构与功能 1. 反应仓：盛放药品，发生制氧反应 2. 导气管：输送氧气，连通双仓 3. 加湿仓：湿润氧气、观察流速、稳压缓冲 核心操作 选材组装→气密性检验→试剂添加→速率调试→氧气检验→装置优化 作业布置 完成分层作业 教学反思 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $