跨学科实践活动 2 基于特定需求设计和制作简易供氧器 教学设计--2026-2027学年九年级化学鲁教版上册

跨学科实践活动 2 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 核心 素养目标 化学观念：巩固氧气制取原理、性质及用途，建立“物质性质决定用途、原理指导实践”的核心观念，理解化学反应可服务生活需求。 科学思维：通过需求分析、方案设计、装置优化，形成控制变量、对比分析、推理归纳的思维模式，培养工程设计的逻辑思维与创新思维。 科学探究：自主完成供氧器设计、选材、组装、测试全流程探究，熟练掌握气体制备、检验、速率调控的实操方法，提升探究与动手能力。 科学态度与责任：体会化学技术的实用价值，树立安全实验、绿色环保、精益求精的实践态度，增强用化学知识服务生活、助力健康的社会责任感。 重点 和难点 教学重点：掌握简易供氧器的制氧原理与结构组成，结合特定场景需求完成装置设计、选材与组装操作，熟练掌握氧气制取、速率调节、气体净化的核心实操方法，能规范完成供氧器成品制作与基础效果检测。 教学难点：结合场景需求融合多学科知识优化装置设计，精准调控制氧速率、解决装置漏气、供氧不稳定等实操问题，基于实验数据完成装置迭代优化，建立理论适配实践的工程设计思维。 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、居家养老、户外急救等场景常存在缺氧问题，便携式供氧设备成为应急刚需。市面上的专业供氧器结构复杂、成本较高，难以适配多样化简易场景需求。结合我们所学的氧气制取知识，能否利用常见生活材料，自主设计制作一款安全、轻便、低成本的简易供氧器？今天我们立足真实需求，开启供氧器的设计、制作与优化实践探究。 以真实生活供氧需求为驱动，采用任务式探究模式，融合多学科知识，让学生在实操中巩固化学核心知识，培养工程设计能力、动手探究能力与创新意识，落实核心素养育人目标。 讲授新课 任务一：情境感知与需求研判，明确实践任务 教师依托多场景真实素材，引导学生感知氧气在生活、特殊环境中的重要作用，结合缺氧场景案例，组织学生开展小组研讨，精准研判不同场景下的供氧核心需求，明确本次跨学科实践的核心任务。首先展示高原徒步、居家老人吸氧、户外应急救援、密闭空间换气等典型场景素材，引导学生思考不同场景中人体缺氧的危害，以及传统供氧设备的局限性。 学生结合生活认知与已有知识，自主梳理各类场景的供氧要求：高原场景需要设备轻便易携带、续航稳定、操作简单；居家养老场景需要设备安全环保、噪音小、制氧温和；户外应急场景需要取材方便、组装快捷、适配突发需求。教师引导学生对比工业制氧设备、医用供氧器的优缺点，总结专业设备体积大、成本高、便携性差、操作复杂等短板，进一步凸显简易供氧器的研发价值。 在此基础上，师生共同归纳本次实践活动的核心要求：基于特定生活与应急场景，利用常见低成本材料，设计并制作一款安全、便携、环保、操作简便的简易供氧器，能够稳定制取氧气，满足基础供氧需求，同时可根据场景特点完成装置优化升级。本任务旨在让学生从被动实验转变为主动项目研发，建立“需求引领设计，设计服务应用”的工程思维，为后续设计制作奠定认知基础。 任务二：原理溯源与知识整合，夯实实践基础 本任务聚焦化学核心知识落地，引导学生回顾梳理实验室氧气的制取原理，结合简易供氧器的应用场景，筛选适配的制氧原理，整合化学、物理、工程技术等跨学科知识，构建完整的实践理论体系。教师组织学生小组复盘初中阶段两种核心制氧方法，对比分析不同原理的适配性。 首先是高锰酸钾加热分解制氧，该原理反应速率可控，但需要加热装置，操作流程复杂，存在高温安全隐患，设备体积较大，不符合简易、便携、安全的设计要求，不适合本次简易供氧器制作。其次是过氧化氢在二氧化锰催化下分解制氧，该反应常温下即可进行，无需加热，操作安全简便，反应原料常见、成本低廉，反应速率可通过调节药品用量、浓度精准控制，生成物为水和氧气，绿色无污染，完全适配简易供氧器的设计需求。 同时，教师引导学生整合物理知识：气体压强变化与气体导出的关系、装置气密性的原理、导管导流的物理特性；结合工程设计知识，梳理供氧器的核心结构组成，明确一套完整的简易供氧器需要包含制氧发生装置、气体净化装置、导气输出装置三部分。发生装置为反应容器，提供制氧反应场所；净化装置可过滤反应产生的微量水雾，保证输出氧气干燥洁净；导气装置负责稳定导出氧气，实现供氧功能。 学生通过小组研讨，统一确定本次实践的核心原理：过氧化氢溶液与二氧化锰常温催化分解制取氧气，同时明确各装置结构的核心作用、选材要求与设计标准，彻底打通理论知识与实践操作的关联，为后续装置设计、选材、组装提供严谨的理论支撑，规避实操中的原理性错误。 任务三：方案设计与选材研判，绘制设计草图 在夯实理论基础后，进入核心设计环节，各小组结合前期研判的特定场景需求，开展个性化方案设计，完成材料筛选、结构规划、草图绘制，形成完整的供氧器设计方案。教师先明确设计基本原则：安全性优先、取材便捷、操作简单、供氧稳定、绿色环保、成本低廉，要求各小组结合 assigned 场景（高原便携、居家养老、户外应急）进行差异化设计。 各小组开展头脑风暴，逐一梳理可选实验材料与生活材料：反应容器可选用塑料矿泉水瓶、密封塑料盒，具备轻便、便携、不易破损的优势；导气装置可选用塑料吸管、硅胶导管，柔韧性好、气密性强；净化装置可选用小玻璃瓶、塑料小瓶，内部装入蒸馏水，实现氧气加湿净化；催化剂选用二氧化锰粉末，制氧原料选用医用过氧化氢溶液。同时学生自主排查材料安全隐患，摒弃玻璃烧杯、硬质试管等易碎、笨重材料，全部选用轻量化安全材料。 方案设计过程中，学生重点解决核心设计问题：一是气密性设计，通过瓶盖密封、导管穿插密封处理，防止氧气泄漏；二是制氧速率调控设计，通过控制过氧化氢溶液浓度、二氧化锰用量，适配不同场景的供氧速率需求；三是净化加湿设计，让产出的氧气湿润洁净，适配人体呼吸需求；四是便携性设计，简化装置结构，缩小设备体积，预留手持、悬挂结构。 各小组完成方案构思后，规范绘制简易供氧器结构草图，清晰标注装置各部分名称、所用材料、结构连接方式、功能作用，同时撰写简要设计说明，明确本组供氧器适配的场景、核心优势与设计亮点。教师巡回指导，针对学生设计中存在的结构漏洞、选材不合理、气密性缺陷、速率无法调控等问题，逐一点拨修正，引导学生优化设计方案，确保每一套设计方案科学可行、贴合需求。 任务四：动手组装与实操制作，搭建供氧装置 本任务为课堂核心实操环节，各小组依据自主设计的方案与手绘草图，规范完成材料组装、装置搭建，全程遵循安全、规范、精准的实操原则，自主完成简易供氧器的成品制作。教师提前强调实操安全规范：过氧化氢溶液具有腐蚀性，取用过程避免接触皮肤与衣物；装置组装轻拿轻放，防止材料破损；全程禁止明火，规范处理实验废液废渣，践行绿色实验理念。 各小组有序开展组装操作，第一步处理反应容器，选取完好的塑料瓶，清理干净内部杂质，在瓶盖居中位置打孔，确保孔洞大小与导管直径匹配，将导管穿插固定，做好密封处理，杜绝漏气隐患。第二步搭建净化装置，选取小型塑料瓶，装入适量蒸馏水，将进气导管深入液面以下，出气导管略露出瓶塞，保证氧气充分加湿净化。第三步完成整体装置连接，将发生装置、净化装置、导气输出装置依次对接，形成完整的供氧系统。 装置组装完成后，各小组首先开展气密性自查，将导管末端伸入水中，挤压反应容器瓶体，观察导管口是否有气泡冒出，松手后是否形成稳定水柱，若气密性良好则进入下一步操作，若存在漏气问题，自主排查漏洞，通过密封胶、重新固定导管等方式修复优化。气密性检测合格后，向反应容器中加入适量二氧化锰粉末，缓慢倒入稀释后的过氧化氢溶液，迅速密封瓶盖，观察装置工作状态。 学生全程自主操作、自主排查问题，针对组装过程中出现的导管堵塞、装置松动、气体导出不畅等问题，小组协作分析原因、解决问题。教师全程巡回观察，不替代学生操作，仅对共性问题、疑难问题进行针对性指导，培养学生的动手实操能力与问题解决能力，让学生在实操中体会工程制作的严谨性。 任务五：效果检测与问题诊断，优化装置性能 装置制作完成后，各小组开展多维度效果检测，精准研判供氧器的工作性能，记录实验现象与存在问题，针对性完成装置迭代优化，实现从“制作成品”到“优质成品”的升级。首先开展氧气有效性检验，将带火星的木条靠近供氧器出气口，观察木条复燃现象，验证装置可正常制取氧气，确认供氧功能有效。 其次开展供氧速率检测与稳定性测试，持续观察装置供氧状态，记录氧气导出的平稳程度，区分匀速供氧、供氧过快、供氧过慢、供氧中断等不同工作状态。学生通过实验发现各类装置的共性问题：过氧化氢浓度过高会导致反应速率过快，氧气瞬时大量喷出，供氧不稳定且原料消耗过快；浓度过低则制氧速率过慢，供氧效果差；装置密封不严会导致氧气泄漏，供氧效率降低；缺少净化装置会导致氧气带有水雾，呼吸舒适度低。 针对检测发现的问题，各小组开展针对性优化改进。针对供氧速率不稳定问题，调整过氧化氢溶液浓度与二氧化锰用量，实现匀速持续供氧；针对漏气问题，加固密封结构，优化导管连接方式；针对氧气干燥问题，优化净化装置的水量与结构，提升加湿净化效果；针对便携性不足问题，精简装置结构，整合零散部件，缩小整体体积。 优化完成后，各小组再次开展重复检测，对比优化前后的装置性能，总结优化方案的有效性，形成“检测—诊断—优化—复测”的完整探究闭环，深刻理解实验变量对实验效果的影响，熟练掌握控制变量、对比分析的科学探究方法，切实提升装置的实用性与稳定性。 任务六：成果展示与互评总结，深化实践认知 各小组完成成品制作与优化后，依次开展成果展示与汇报，分享本组的设计思路、选材依据、制作流程、优化过程、成品优势与适配场景。汇报过程中，学生重点阐述设计亮点，如轻量化便携设计、可调控供氧结构、双层净化装置、密封防漏设计等，同时客观分析成品存在的不足，提出后续改进方向。 展示结束后，开展小组互评活动，制定多元化评价标准，涵盖方案科学性、装置实用性、结构创新性、操作规范性、优化有效性、安全环保性六个维度。各小组本着客观公正、互助提升的原则，对其他小组作品进行点评，肯定优势、指出不足、提出改进建议，在互评互学中拓宽设计思路，借鉴优秀制作经验。 教师结合各小组的设计、制作、优化、展示全过程，进行整体总结点评，梳理本次实践活动的核心知识点与实操要点，肯定学生的创新设计与动手成果，同时集中纠正学生普遍存在的设计漏洞与实操误区。引导学生总结本次实践的核心收获：掌握常温制氧的核心原理，理解装置结构与功能的对应关系，学会结合真实需求开展工程设计，熟练解决实验实操问题。 最后，教师引导学生延伸思考，结合医疗、航天、户外救援等专业供氧设备的工作原理，联想简易供氧器的升级方向，思考如何通过智能调控、原料升级、结构优化，让简易供氧器适配更多复杂场景，实现课堂实践与社会应用的深度衔接，深化学生的工程思维与创新意识。 任务七：知识梳理与素养升华，落实育人目标 课堂最后，师生共同开展系统性知识梳理与素养升华，整合本次跨学科实践活动的全部内容，构建完整的知识与能力体系。首先梳理化学核心知识，巩固过氧化氢催化分解制氧的反应原理、氧气的检验方法、气体制备装置的组成与作用，深化“物质性质决定用途，化学反应服务生活”的化学观念。 其次梳理跨学科能力，总结工程设计的基本流程：需求分析—方案设计—选材制作—测试优化—成果迭代，掌握控制变量、对比探究、问题诊断的科学思维方法，提升动手实操、创新设计、合作探究的综合能力。同时结合实践过程中的安全操作、绿色实验、精益求精的制作态度，引导学生体会化学技术的社会价值。 教师进一步拓展延伸，讲解制氧技术在医疗急救、航空航天、高原建设、日常康养等领域的广泛应用，让学生明白化学实验并非单纯的课堂操作，而是服务社会、助力生活、推动科技发展的重要基础。引导学生树立严谨求实的科学态度、敢于创新的探索精神与学以致用的责任意识，真正实现从知识学习、能力提升到素养养成的全方位育人目标。 本节课全程采用阶梯式任务驱动教学，遵循“情境激趣—需求分析—理论支撑—设计创作—测试优化—总结升华”的教学逻辑。立足学生已有氧气制取知识基础，打破传统实验单一操作模式，将理论知识、跨学科思维、工程实践深度融合。通过分层任务设计，兼顾不同层次学生的学习需求，让全体学生均可参与探究实践。在小组合作、自主设计、实操调试、互评优化的全过程中，凸显学生主体地位，教师仅发挥引导、答疑、点拨作用。同时结合生活真实问题，让学生感受化学的实用价值，逐步培养科学探究能力、工程创新思维与社会责任意识，全方位落实四维核心素养。 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 $