第四单元跨学科实践活动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

基于特定需求设计和制作简易供氧器 教学设计 鲁教版初中化学九年级上册 第四单元 我们周围的空气 跨学科实践活动2 一、教材分析 本活动是鲁教版九年级上册第四单元“我们周围的空气”的跨学科实践活动，承接氧气性质与制取的核心知识，将化学原理与工程设计相融合。活动以“特定供氧需求”为驱动，引导学生从真实问题出发，综合运用气体制取、装置连接、材料选择等知识，完成简易供氧器的设计与制作。活动突出实践性与综合性，体现“做中学”“用中学”的课程理念，是连接理论知识与生活应用的重要桥梁。 二、四维核心素养 化学观念：通过供氧器设计，深化对氧气性质与制取原理的理解，形成物质转化与应用的观念。科学思维：在方案设计与比较中发展模型建构、批判性思维与创新意识。科学探究：经历方案设计、动手制作、测试改进的完整探究过程，提升实践能力。科学态度与责任：体会化学对生活与社会的价值，树立安全意识与环保意识。 三、教学重难点 重点：根据特定供氧需求设计合理的供氧装置，理解各装置部分的功能与连接逻辑。难点：将化学原理转化为工程方案，在材料有限条件下完成装置的优化与改进，并通过测试验证供氧效果。 四、设计意图 本活动设计以真实问题为驱动，以任务链为主线，将知识学习嵌入“设计—制作—测试—改进”的完整实践过程。通过创设高原缺氧、急救供氧、潜水呼吸等真实情境，激发学生的学习动机与社会责任感。活动采用小组合作方式，让学生在动手实践中综合运用化学、物理与工程技术知识，体会跨学科解决问题的思路。教师以引导者身份，通过关键问题支架帮助学生突破设计难点，在成果展示与互评中促进反思与提升。整个过程注重过程性评价，关注学生在方案设计、团队协作、创新思维与安全意识等方面的全面发展，落实核心素养目标。 五、教学过程 任务一：情境导入——认识供氧的真实需求 【任务情境】 教师播放一段高原登山视频，画面中登山队员因缺氧出现呼吸困难、动作迟缓等状况，随后队员拿出随身携带的吸氧装置，症状迅速缓解。教师紧接着展示一组生活画面：医院急救室里的氧气瓶、潜水员背上的呼吸气瓶、家庭制氧机、地震救援中的便携式供氧设备。教师提问：“这些场景中的人们为什么需要额外的氧气？如果让你为其中某一类人群设计一款简易供氧器，你会怎么做？” 【学生活动】 学生观看视频和图片后，以小组为单位展开讨论。各组从教师提供的五个情境卡片中选择一个作为本组的设计目标：高原登山便携供氧、家庭急救备用供氧、潜水呼吸供氧、病房辅助供氧、野外探险应急供氧。讨论中，学生需要明确本设计服务的对象是谁、使用场景有什么特殊要求、对供氧速度和持续时间有什么期待。教师巡视各小组，倾听讨论，适时追问：“这个场景中，供氧器最重要的指标是什么？是要轻便是要持续时间长，还是要即开即用？”引导学生将模糊的需求转化为具体的设计要求。 【设计意图】 从学生熟悉的生活场景切入，用真实问题激发探究欲望。不同小组选择不同的应用情境，使后续的设计方案自然分化，为课堂最后的成果对比与多元评价埋下伏笔。教师的追问帮助学生学会将“需求”翻译成“设计指标”，这是工程思维的第一步。 任务二：方案设计——绘制供氧器设计蓝图 【任务情境】 教师引导学生回顾本单元所学的氧气制取知识，提问：“在实验室中，我们可以通过哪些方法获得氧气？这些方法各有什么优缺点？如果要把实验室中的制氧装置搬到生活场景中，哪些地方需要改造？”随后，教师展示教师提前准备好的材料清单：塑料饮料瓶、小试管、橡胶塞、导管、注射器、气球、水槽、小型气泵、过滤棉、湿润剂等。教师宣布任务：“请各小组根据本组选定的供氧需求，从材料清单中选取合适的材料，设计一套简易供氧器的完整方案，并画出设计图。” 【学生活动】 各组围坐讨论，先在白板纸上列出本组供氧器的功能模块：氧气发生装置、净化装置、流量调节装置、输出接口。学生需要思考并回答以下关键问题：用什么材料作为反应容器？怎样控制反应的发生与停止？产生的氧气是否需要净化和加湿？怎样让氧气以稳定、舒适的速度流出？怎样方便地携带和使用？讨论结束后，各组在设计蓝图上画出装置示意图，标注各部分名称和作用，并用简短文字说明设计思路。教师在各组间巡回指导，重点关注反应容器的选择是否合理、导管连接是否密封、是否考虑了安全因素。当小组在反应控制问题上卡壳时，教师提示：“我们学过的实验室制氧装置中，有的需要持续加热，有的不需要加热。生活中的便携装置适合哪一种？为什么？” 【设计意图】 本环节是跨学科思维的核心载体。学生需要将化学原理（氧气制取）与工程设计（装置搭建、材料选择）结合起来，同时兼顾物理知识（气体流向、密封原理）和人体需求（呼吸舒适度）。设计蓝图的绘制迫使学生在动手之前先理清思路，培养“先设计后制作”的工程习惯。教师的提示语不直接给答案，而是引导学生回忆已学知识进行迁移。 任务三：动手制作——组装供氧器实物模型 【任务情境】 教师宣布进入制作阶段。教师首先强调安全事项：“今天我们使用的材料都是安全的生活材料和教学试剂，制作过程中请注意轻拿轻放，玻璃制品要小心操作。完成后先不要加入反应药品，先把装置连接好，我们再统一进行测试。”教师将准备好的材料包分发给各组，每组材料包根据不同设计方案略有差异。教师示范导管连接橡胶塞的方法，提醒学生注意密封性：“连接处如果漏气，氧气就跑掉了，怎么检查漏不漏？”引导学生想到“把导管一端浸入水中，轻轻挤压装置，看有没有气泡冒出”的检漏方法。 【学生活动】 各组根据设计蓝图开始组装。学生分工合作：有的负责裁剪饮料瓶作为反应容器，有的负责打孔安装导管，有的负责连接各部件。组装过程中会遇到各种实际问题：瓶子上的孔太大，导管插进去晃荡；管子弯折后不通气；装置立不稳，容易倒。小组成员一起想办法：用橡皮泥封堵缝隙，用胶带固定弯折处，把瓶子底部粘在硬纸板上做底座。教师全程巡视，不直接替学生解决问题，而是通过提问引导：“这个地方漏气会怎样？有没有办法让它更密封？”“管子被折死了，气体还能顺利通过吗？怎样调整路径？”制作完成后，各组进行初步的气密性检查：将导管出口浸入水中，用手握住反应瓶，观察导管口是否有连续气泡冒出，松开手后导管内是否形成一段水柱。各组根据检查结果继续调整，直到装置密封良好。 【设计意图】 动手制作是本活动最具实践性的环节。学生在真实操作中会遇到设计阶段无法预见的问题——密封不严、管路弯折、结构不稳，这些“意外”正是学习发生的契机。教师不代劳，而是引导学生自己发现问题、分析原因、寻找对策。气密性检查的方法渗透了物理学科的压强知识，体现跨学科融合。分组协作让每个学生都有事可做，培养团队合作意识。 任务四：测试改进——验证供氧效果并优化 【任务情境】 教师组织各组进行供氧效果测试。教师说明测试规则：“我们用点燃的线香来检验氧气浓度——把线香靠近导管出口，如果线香燃烧变旺，说明有氧气输出。大家还可以观察气泡冒出的速度，判断供氧是否稳定。”教师给各组发放制氧试剂（过氧化氢溶液和二氧化锰粉末），提醒学生按照设计方案小心加入，先加固体药品，再通过注射器缓慢加入液体试剂。教师强调：“加入试剂后注意观察反应是否剧烈，如果气泡太多太快，想想怎样让它慢下来。” 【学生活动】 各组开始测试。将线香靠近导管出口，观察到线香燃烧明显变旺，说明供氧器成功产生了氧气。但测试中各组发现了各种问题：有的组反应太剧烈，瓶内液体飞溅出来；有的组气泡断断续续，气流不稳；有的组氧气湿度太大，导管口滴水；有的组反应太快就停止了，持续时间短。各组针对自己的问题进行讨论和改进：反应太剧烈的小组，尝试减少药品用量，或在装置中加入水稀释；气流不稳的小组，检查管路是否有弯折或堵塞；湿度太大的小组，在导管中间增加一个干燥过滤装置；持续时间短的小组，重新设计反应控制方式，让药品缓慢释放。教师引导学生记录改进前后的效果对比，在“测试记录单”上填写每次调整的做法和观察到的现象。多轮测试与改进后，各组的供氧器逐渐稳定：气泡均匀冒出，线香燃烧旺盛，装置不漏气，操作方便。 【设计意图】 测试与改进环节体现了科学探究的本质——假设、实验、观察、修正。学生不是一次做对，而是在反复试错中逼近最佳方案。教师引导学生记录每次改进的做法和效果，培养基于证据进行决策的科学态度。不同小组遇到的问题不同，改进方案也不同，这让学生体会到工程设计没有唯一标准答案，而是在约束条件下寻找最优解。 任务五：展示交流——成果汇报与多元评价 【任务情境】 教师组织各组进行成果展示。每组派代表上台，用本组制作的简易供氧器现场演示：加入试剂，导管出口放出氧气，用线香验证效果。展示时需要向全班说明：本组的设计目标是什么（服务哪类人群、什么场景），装置由哪些部分组成，各部分起什么作用，测试中遇到了什么问题，最终是怎样解决的。其他小组作为“评审团”，可以提问和提出建议。教师提前在黑板上列出评价维度：需求匹配度、装置创新性、操作便捷性、安全可靠性、团队协作表现。 【学生活动】 各组依次上台展示。有的组设计了登山便携供氧器，用小塑料瓶和注射器组合，体积小、重量轻；有的组设计了家庭急救供氧器，容量大、持续时间长，配有加湿过滤装置；有的组设计了潜水呼吸供氧器，做了双层密封和背带。展示过程中，台下同学踊跃提问：“你的装置怎么控制氧气流量？”“如果反应中途突然变快怎么办？”“这个装置能持续供氧多久？”展示组同学一一作答，有的问题答得上来，有的答不上来，教师适时补充引导。展示结束后，各组在评价表上为其他组打分并写下一句改进建议。教师最后总结：“今天每个小组都完成了一套供氧器的设计与制作。虽然我们的装置还很简陋，但你们经历的过程——明确需求、设计方案、动手制作、测试改进——和工程师做产品的过程是一样的。化学知识不是书本上的死知识，它可以变成解决真实问题的工具。希望大家以后遇到问题时，也能用这样的思路去思考和创造。” 【设计意图】 展示交流环节锻炼学生的表达能力和批判性思维。不同小组的方案各有特色，互相观摩本身就是学习。多元评价让学生学会从多个维度审视一个设计方案，而不是只用“好不好”来评价。教师的总结将具体活动升华到方法论层面，帮助学生提炼出可迁移的解决问题思路，落实科学思维与科学态度与责任素养。 六、板书设计 板书采用主板书与副板书结合的形式，布局如下： 主板书（左半区） 跨学科实践活动2 简易供氧器设计与制作 副板书（右半区） 各组设计目标： 一、设计流程：明确需求 → 设计方案 → 组装制作 → 测试改进 登山供氧 急救供氧 二、装置组成：发生装置 → 净化装置 → 调节装置 → 输出装置 潜水供氧 病房供氧 三、关键要点：密封良好 气流稳定 安全可控 评价维度：需求匹配 创新性 便捷性 设计理念：从生活需求出发，用化学知识解决真实问题 学科网（北京）股份有限公司 $