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）化学新教材人教版九年级上册

跨学科实践活动4 基于特定需求设计和制作简易供氧器 年级 九年级 学科 化学 课型 新授课 教材 人教版九年级化学 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 教学目标 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。 教学重点 供氧器的工作原理和组成特点。 教学难点 依据特定场景的实际需求，设计制作简易供氧器。 教材分析 本节教学内容源于人教版九年级上册第五单元《化学反应的定量关系》配套的跨学科实践活动4《基于特定需求设计和制作简易供氧器》，是学生完成氧气的实验室制取、化学方程式书写与定量计算相关理论学习后，衔接理论与实际应用的重要实践载体，承担着落实新课标“化学与工程技术”跨学科实践要求的功能。 教材按照“真实需求—信息获取—设计制作”的逻辑编排内容：首先通过不同场景下供氧器的特点对比，引导学生建立“产品设计要匹配实际需求”的工程思维；再对比商用供氧器与实验室制氧的异同，梳理供氧器的核心结构与工作原理，巩固已学的气体制备相关知识；最后落实到制氧原理选择、试剂量化计算、装置制作优化的实践环节，配套的课后习题也紧扣供氧器的结构、原理与性质应用，既帮助学生深化对化学反应定量关系的理解，也能发展学生科学探究与实践、科学态度与责任的核心素养。 学情分析 教学对象为九年级学生，已有较为充分的知识储备：此前已经系统学习了氧气的物理与化学性质、三种实验室制氧的原理与装置选择逻辑，也掌握了化学方程式的书写与根据化学方程式进行定量计算的方法，具备开展本实践活动的理论基础。 从能力与思维特点看，九年级学生对生活化的动手实践活动兴趣浓厚，具备基本的动手操作能力，但普遍存在“重理论、轻应用”的问题：一方面习惯了实验室理想条件下的气体制备逻辑，对实际产品需要兼顾的安全性、便携性、成本控制等实际因素考虑不足，工程化设计思维较为薄弱；另一方面此前接触的化学计算多为理想化习题，对结合实际供氧量、气体纯度、流量等真实参数进行计算较为陌生。本次实践活动选用塑料瓶、吸管等生活材料开展制作，贴合学生的生活经验，既能够降低实践门槛，激发学生参与兴趣，也能帮助学生建立“化学知识可以解决真实问题”的认知，完成从理论学习到实践应用的能力进阶。 教学过程 教学内容 设计意图 环节一 情境导入 【引入】同学们，大家有没有见过高原旅行时游客携带的便携氧瓶？或者家里有呼吸系统疾病老人使用的家用制氧机？氧气是维持生命活动的必需物质，在很多特定场景下我们需要便携、安全、低成本的供氧装置。 【教师提问】今天我们就利用学过的制氧相关知识，自己动手设计制作一个简易供氧器，大家首先思考，要完成这个项目，我们需要分哪几步走？ 【学生思考】学生结合生活经验和项目设计的一般逻辑回答：首先要明确供氧器的使用人群和场景，然后了解现有供氧器的原理，再自主设计制作，最后测试优化。 联系生活实际创设情境，激发学生的探究兴趣，引导学生建立工程实践的基本逻辑思路。 环节二 了解供氧器的应用需求 任务一 不同场景下供氧器的功能需求？ 【引入】工程设计的第一步就是明确需求，我们首先要梳理不同场景下对供氧器的性能要求。 【教师提问】结合你的生活经验，举例说明哪些人群、哪些场景需要用到供氧器？不同场景的供氧器分别需要具备什么特点？ 【学生思考】学生分组讨论后回答： 1.高原旅行的游客：需要便携、轻便的供氧器，随拿随用； 2.居家氧疗的慢性病患者：需要能长时间供氧、成本低的供氧器； 3.医院急救场景：需要氧气纯度高、供氧稳定的供氧器； 4.水产养殖/家庭鱼缸：需要能持续向水中增氧的设备。 【讲解】结合课件展示四种常见供氧器的优缺点： 1.便携式吸氧瓶：优点是随身可携带、氧气纯度高，适合应急、高原出行；缺点是成本高、一次性使用，不适合长期氧疗。 2.家庭制氧机：优点是可长时间持续供氧、制氧成本低，适合居家长期氧疗；缺点是需要通电、不便移动。 3.医用供氧器：优点是氧气纯度高、适合急救；缺点是高压存储有安全要求、长期使用成本高。 4.鱼缸增氧泵：优点是提高水体溶氧量；缺点是耗电、噪音大。 【知识总结】不同应用场景对供氧器的核心需求差异主要体现在便携性、供氧时长、安全性、成本、供电依赖性这几个维度，我们设计时要根据目标场景优先满足核心需求。 引导学生从需求出发开展设计，建立“需求导向”的工程设计思维，同时锻炼学生观察生活、归纳总结的能力。 环节三 调研供氧器的类型与工作原理 任务一 商业化供氧器的常见类型？ 【引入】明确需求后，我们需要调研现有成熟产品的技术路线，为我们的设计提供参考。 【教师提问】课前安排大家查阅资料，目前市面上的商业化供氧器按照制氧原理可以分为哪几类？ 【学生思考】学生查阅资料后回答：分子筛制氧机、膜分离富氧制氧机、化学试剂制氧机。 【讲解】简单介绍三类制氧机的原理： 1.分子筛/膜分离制氧机：都是物理方法分离空气中的氧气，适合有电源、长期供氧的场景，不便携； 2.化学试剂制氧机：利用化学反应产生氧气，不需要电源，适合便携、应急场景，符合我们简易供氧器的设计需求。 任务二 化学制氧器的结构与操作方法？ 【引入】我们选定化学法制氧的路线后，需要进一步了解成熟化学制氧器的结构和操作规范。 【教师提问】如果给你一份商用化学制氧器的说明书，或者可以拆解实物，你会重点关注哪些信息？ 【学生思考】学生分组讨论回答：重点关注产品的组成结构、工作原理、操作步骤、安全注意事项。 【讲解】引导学生总结拆解调研的核心要点：重点观察产氧的核心反应部分、氧气处理部分、输送部分的结构，记录试剂添加顺序、反应温度限制等安全要求。 任务三 供氧器与实验室制氧的异同与工作原理？ 【引入】我们之前已经学习过实验室制取氧气的相关知识，现在我们可以把旧知识迁移到供氧器的原理分析中。 【教师提问1】首先回忆实验室制取氧气的一般思路是什么？发生装置、收集装置的选择依据分别是什么？ 【学生思考】学生回答：实验室制氧首先明确反应原理，然后选择发生装置和收集装置；发生装置依据反应物状态和反应条件选择，收集装置依据氧气的密度和溶解性选择。 【教师提问2】对比实验室制氧装置，供氧器的核心结构有哪些？分别对应实验室装置的哪个部分？功能是什么？ 【学生思考】学生对比后回答：供氧器有产生氧气的部分、处理氧气的部分、输送氧气的部分。 【知识总结】化学制氧类供氧器的核心逻辑和实验室制氧一致，都是基于化学反应生成氧气，在此基础上增加了加湿等适配实际使用需求的结构。 通过新旧知识的对比迁移，巩固实验室制氧的相关知识，同时建立学科知识与实际工程应用的联系，培养学生知识迁移应用的能力。 环节四 设计制作简易供氧器 任务一 选择制氧原理、计算试剂用量、完成装置设计？ 【引入】调研清楚原理后，我们就可以动手设计自己的简易供氧器了，首先要选定合适的制氧原理。 【教师提问1】我们学过三种制氧的反应：①过氧化氢催化分解、②高锰酸钾加热分解、③水电解，结合简易供氧器便携、安全的需求，你会选择哪一种？说明理由。 【学生思考】学生逐一分析三个反应的适用性后回答：选①过氧化氢催化分解，因为另外两个反应分别需要加热和通电，不满足便携、安全的要求。 【讲解】对比三种制氧原理的适用性： 1.2H2O2 MnO2 2H2O＋O2 ↑：反应条件常温，产物环保，适合简易装置，缺点是过氧化氢见光易分解，需避光储存； 2.2KMnO4 ∆ K2MnO4＋MnO2＋O2↑：需要加热，安全性低，不适合便携装置； 3. 2H2O 通电 2H2↑＋O2 ↑：需要通电，且生成易燃易爆的氢气，安全性低。 【教师提问2】如果我们设计的供氧器需要供给正常人连续吸氧10分钟，已知制氧气流量约为350mL/min，产生的氧气纯度约为99.5%，标准状况下氧气密度为1.43 g/L1.43 g/L，计算需要多少克过氧化氢？ 【学生思考】学生动手计算，部分学生板演计算过程。 【讲解】点评学生的计算过程，强调化学方程式计算的注意事项：配平要正确、相对分子质量计算要准确、单位要统一。接下来引导学生利用生活中的材料设计装置：比如用矿泉水瓶作为反应仓和加湿仓，塑料吸管作为导气管，绘制设计图，标注各部分结构。 任务二 测试优化装置，编写使用说明书？ 【引入】设计完成后，我们需要对制作的装置进行测试，优化不足，最终形成可使用的产品。 【教师提问】我们可以从哪些方面测试供氧器的性能？可以怎么优化装置的不足？【学生思考】学生分组讨论回答：首先检查装置气密性，然后测试产氧速度、氧气纯度、加湿效果；可以通过控制催化剂和过氧化氢的接触面积调节产氧速度，比如把二氧化锰装在纱袋里，通过外部拉线控制是否和过氧化氢接触。 【讲解】明确测试要点和优化方向： 1.气密性测试：导气管通入水中，挤压反应仓，有连续气泡冒出说明气密性良好； 2.供氧效果测试：通过加湿仓的气泡快慢判断氧气流速，用带火星的木条检验氧气纯度； 3.优化方向：增加反应启停控制结构、优化加湿效果、减轻装置重量。 然后引导学生编写自制供氧器的使用说明书，核心注意事项： ①反应仓内应加入自来水（凉水），严禁使用热水； ②反应仓加水后，先投入过氧化氢（A剂），再投入二氧化锰（B剂）； ③每次供氧停止后，将反应残液倒空清洗。 巩固化学方程式计算的能力，培养学生动手设计、测试优化的工程实践能力，同时形成严谨的科学态度和安全意识。 课堂小结 七、板书设计 跨学科实践活动4 基于特定需求设计和制作简易供氧器 一、了解需求 1.常见供氧场景及对应产品特点 2.核心设计需求：便携、操作简单、安全可靠、成本较低 二、获取信息 1.商业化供氧器类型：分子筛制氧机、膜分离富氧制氧机、化学试剂制氧机 2.供氧器工作原理：反应仓（完成制氧反应）→ 加湿仓（洗气、湿润氧气）→ 导气管（输送氧气） 三、设计制作 1.制氧原理选择：过氧化氢催化分解（常温反应、安全环保） 2.定量计算：依据化学方程式，结合需氧量计算试剂用量 3.装置测试优化与使用说明书编写 随堂练习 1.一台“便携式制氧器”，其原理如图所示，下列说法不正确的是（ ） A．加湿过滤仓利用氧气不易溶于水的原理，使氧气湿润 B．根据加湿过滤仓中气泡的多少，可以判断氧气排出的快慢 C．夏天鱼缸中溶解氧下降，可用该仪器给鱼缸中的鱼供氧 D．输出的氧气可作为燃料，用于切割金属 【答案】D A选项：氧气不易溶于水，通过加湿过滤仓时可携带水蒸气实现湿润，表述正确；B选项：单位时间内气泡越多说明氧气流速越快，可通过气泡多少判断排出快慢，表述正确；C选项：该装置可稳定输出氧气，能提升水体溶氧量，可给鱼缸增氧，表述正确；D选项：氧气具有助燃性，无可燃性，不能作为燃料，表述错误。 2.如图是某班级项目学习小组同学利用塑料瓶、吸管等生活用品设计出的简易供氧器。下列说法正确的是（ ） A．可以通过观察加湿仓中气泡情况判断氧气的流速 B．反应仓的药品可以是高锰酸钾 C．加湿仓类似于排水集气装置 D．加湿仓利用了氧气易溶于水的物理性质 【答案】A 【解析】A选项：气泡产生速率越快说明氧气流速越快，可通过气泡情况判断流速，表述正确；B选项：高锰酸钾制氧需要加热，塑料瓶材质不耐热，不能作为反应药品，表述错误；C选项：加湿仓的作用是湿润氧气，不是收集氧气，与排水集气装置功能不同，表述错误；D选项：氧气不易溶于水，表述错误。 3.如图所示是某兴趣小组设计的简易供氧器，下列有关说法不正确的是（ ） A．反应仓相当于实验室制取氧气的发生装置 B．过滤仓中气泡的多少可以判断氧气排出的快慢 C．输出的氧气可作为燃料 D．该装置可以给鱼缸中的鱼供氧气 【答案】C 【解析】A选项：反应仓中发生制氧反应，功能与实验室制氧发生装置作用一致，表述正确；B选项：气泡产生快慢对应氧气排出快慢，可通过气泡多少判断，表述正确；C选项：氧气是助燃物，不是可燃物，不能作燃料，表述错误；D选项：该装置输出的氧气可通入水中增加溶氧量，能给鱼缸供氧，表述正确。 4.如图所示为兴趣小组同学利用矿泉水瓶、胶带、铜丝等材料自制的简易供氧器。下列说法错误的是（ ） A．通过推拉铜丝可调控反应的进行 B．在b口用带火星的木条检验氧气 C．二氧化锰能增加生成氧气的质量 D．通过a口的气泡判断氧气的流速 【答案】C 【解析】A选项：铜丝可固定二氧化锰，推拉铜丝可控制二氧化锰与过氧化氢的接触与分离，从而调控反应进行，表述正确；B选项：氧气能使带火星的木条复燃，可在b口用带火星木条检验，表述正确；C选项：二氧化锰是过氧化氢分解的催化剂，只改变化学反应速率，不改变生成氧气的质量，表述错误；D选项：a口气泡产生速率对应氧气流速，可通过气泡判断，表述正确。 教学反思 本次跨学科实践活动将氧气性质、实验室制氧原理、化学方程式计算等核心知识点与工程设计思维结合，紧密联系生活实际，有效激发了学生的探究兴趣，落实了素养目标。但教学中也存在不足：部分学生对定量计算中的单位换算掌握不牢，少数小组设计装置时未充分考虑便携性、安全性等实际需求，部分学生参与实践的主动性有待提升。后续教学可提前补充单位换算小提示，实践前增加案例演示，优化分组任务分工，确保全员参与。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $