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

跨学科实践活动1 制作简易供氧器 教学设计 沪教版 · 初中化学 · 九年级上册 · 第2章 空气与水资源 一、课标分析 依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》，本活动隶属“物质的性质与应用”学习主题下的跨学科实践活动板块。课标明确要求学生通过实践活动认识空气的主要成分及氧气的性质与用途，体会化学与技术、社会和环境之间的紧密联系。跨学科实践活动旨在引导学生综合运用化学、物理、工程与数学等多学科知识与方法，解决真实情境中的实际问题，着力发展学生的工程思维、创新意识和实践能力。本活动以“制作简易供氧器”为驱动性任务，将氧气产生原理、气体收集方法与装置设计制作有机融合，是落实课标“做中学、用中学、创中学”理念的重要载体。 二、四维核心素养 化学观念：通过对氧气产生与释放过程的观察与分析，深化对空气组成、气体性质及物质变化的宏观认识，形成“物质可以通过一定方式转化与利用”的基本观念。 科学思维：在供氧器方案设计、比较选择与优化改进中，发展比较、分析、归纳与工程设计思维，学会从多种可行方案中筛选最优解并进行迭代改进。 科学探究：经历“提出问题—设计方案—动手制作—测试验证—反思改进”的完整探究过程，提升实验操作能力、观察记录能力和基于证据的推理能力。 科学态度与责任：在供氧器的安全使用与应急应用情境中，增强安全意识、环保意识和社会责任感，体会化学技术对人类健康与生命保障的重要价值。 三、教学重难点 教学重点：依据氧气产生的基本原理，设计并制作一套结构合理、操作安全、能够持续稳定输出氧气的简易供氧装置。 教学难点：控制氧气输出速率与气流稳定性，以及在有限材料条件下完成装置的密封性调试与安全性能改进，需要学生在反复测试与迭代中逐步突破。 四、设计思路 本活动以真实问题为驱动，采用项目式学习路径组织教学。首先创设高原旅行或应急救护等需要便携供氧的生活情境，激发学生探究供氧原理的内在动机。随后引导学生回顾氧气相关知识，讨论并比较可行的供氧方式及其优劣。在此基础上，学生以小组为单位依次完成供氧器的方案设计、材料选择、动手制作、测试改进与作品展示。整个过程强调做中学、用中学、创中学，将化学知识与工程技术实践深度融合，让学生在解决真实问题的过程中实现核心素养的整体发展。 五、教学过程 任务一：情境导入——从生活问题走近供氧器 【任务情境】 教师播放一段关于高原旅行的视频描述：一位旅行者在高海拔地区出现呼吸急促、头晕乏力等不适症状，随行人员拿出一个小型便携式供氧装置，旅行者吸入后症状明显缓解。教师顺势提出驱动问题：这个小小的供氧器里到底装了什么？它是怎样源源不断地产生氧气的？我们能不能自己动手做一个？ 【师生活动】 教师活动：教师展示问题情境，引导学生结合已有生活经验和前期所学知识进行思考与讨论。教师在黑板上记录学生提出的各种想法，不急于给出评判，而是追问“你为什么这么认为”“有什么依据”，鼓励学生大胆表达。 学生活动：学生观看情境描述后，以小组为单位展开讨论。有的学生可能会联想到医院里的氧气瓶，有的可能会想到化学实验中制取气体的装置，还有的可能会提出“是不是像制氧机那样用电”的猜想。各组派代表分享本组的初步想法，其他组进行补充或质疑。 教师追问：教师进一步引导：“如果我们要在没有电源、没有大型设备的条件下随身带着它，它应该是什么样子？它靠什么产生氧气？”通过层层追问，将学生的思维从“氧气有什么用”引向“怎样获得氧气”这一核心问题。 【设计意图】 从高原反应这一真实生活情境切入，让学生感受到氧气与生命健康之间的密切关系，产生“我也想做一个”的内在需求。开放性讨论环节尊重学生的前概念，教师不急于纠正，而是通过追问暴露学生的认知基础，为后续原理探究做好铺垫。 任务二：原理探究——怎样才能获得氧气 【任务情境】 教师引导：“刚才大家提出了很多想法。要做出一个真正能用的供氧器，我们首先得弄明白一个问题：在实验室里，我们可以通过哪些方式获得氧气？这些方式各自有什么特点？”教师将问题抛给学生，组织学生回顾第2章中关于氧气的知识内容。 【师生活动】 教师活动：教师引导学生回顾空气中氧气的体积含量，以及工业上和实验室中获得氧气的常见途径。教师将学生提到的方法逐一写在黑板上，然后引导学生从“是否需要加热”“是否需要通电”“装置是否便携”“操作是否安全”“产生氧气是否连续稳定”等多个维度进行比较。教师特别强调：我们要做的是一个“简易”“便携”的供氧器，因此那些需要大型设备、高温加热或外接电源的方案，虽然在实验室里可行，但不适合做成随身携带的装置。 学生活动：学生结合教材内容和课堂笔记，列出自己知道的获得氧气的方法。学生可能提到：分离液态空气法、加热某些含氧化合物的方法、利用某些液体与固体接触反应释放氧气的方法等。在教师引导下，学生逐一分析每种方法的优缺点：分离液态空气法需要极低温和大型设备，显然不适合便携装置；加热方法需要持续供热，存在安全隐患；而液体与固体在常温下接触即可释放氧气的方式，因为不需要加热、操作相对简便、装置体积可以做得比较小，最有可能成为简易供氧器的工作原理。 小组讨论：各小组进一步讨论：如果选用常温下液体与固体接触产生氧气的方式，需要解决哪些问题？学生讨论后归纳出几个关键问题：用什么固体和液体？怎样控制它们接触或分离，从而随时开始或停止供氧？产生的氧气怎样净化和干燥？怎样让氧气平稳地输出而不是一阵猛一阵弱？ 【设计意图】 原理探究环节不是教师直接灌输结论，而是让学生在比较和筛选中自己“发现”最适合便携供氧器的原理方案。这种从多种方法中根据实际需求进行取舍的过程，本身就是一种重要的科学思维训练。同时，学生归纳出的“待解决问题清单”，自然过渡到下一步的方案设计，形成任务驱动的逻辑链条。 任务三：方案设计——我们的供氧器长什么样 【任务情境】 教师引导：“既然常温下液体与固体接触可以持续释放氧气，那我们就来设计一个装置。这个装置至少要满足这样几个要求：第一，能够方便地让液体和固体接触或分开，从而控制供氧的开始与停止；第二，产生的氧气要经过简单的处理再输出；第三，装置要安全、便携，材料容易找到。请各组画出你们的设计草图，并标注各部分名称和作用。” 【师生活动】 教师活动：教师为各组提供设计记录单，上面列出设计需要考虑的几个关键要素：反应容器用什么？液体怎样加入和控制？固体放在哪里？氧气从哪里导出？怎样净化和观察气泡速率？怎样保证装置不漏气？教师巡视各组，在学生遇到困难时给予提示，但不直接给出答案。例如，当学生不知道怎样控制液体与固体的接触时，教师可以提示：“想一想医院里打点滴的输液瓶，液体是怎样一滴一滴下来的？” 学生活动：各小组围绕上述问题展开讨论，画出供氧器的设计草图。教师引导学生从功能出发思考结构：要控制液体流速，可以借鉴医用输液管的设计，用带阀门的细管控制液体滴加速度；要方便地停止反应，可以将固体放在一个带孔的小网袋或小隔板上，当液体停止加入后，剩余液体流走，反应自然减慢；要净化氧气，可以在出气口前面串联一个装有水的洗气瓶，既可以润湿氧气，又可以通过观察气泡判断氧气输出是否顺畅；要方便携带，可以用塑料瓶或小矿泉水瓶作为反应容器。 方案交流：各组派代表上台介绍本组的设计方案，包括各部分的名称、材料选择和工作流程。其他组学生认真倾听，可以提出疑问或改进建议。例如，有组提出“如果反应太剧烈怎么办”，教师引导全班讨论：可以通过控制液体滴加速度来调节反应快慢，也可以在装置中预留安全泄压孔。通过方案交流，各组吸收他人优点，对自己的设计进行修改和完善。 【设计意图】 方案设计是整个跨学科实践活动中最能体现工程思维的环节。学生需要将化学原理转化为具体的装置结构，这涉及功能分析、材料选择、结构设计和安全考量。教师通过“支架式”提示帮助学生跨越设计障碍，但最终方案由学生自主完成。方案交流环节让不同小组的设计思路碰撞，拓宽学生视野，也培养了倾听与评价能力。 任务四：动手制作——把设计变成实物 【任务情境】 教师宣布：“设计方案已经确定，现在进入制作环节。各组按照自己的设计方案，利用老师提供的材料和工具，动手组装供氧器。制作过程中请注意安全，遇到问题先在组内讨论解决，解决不了再请老师帮忙。” 【师生活动】 教师活动：教师提前为各组准备好材料包：塑料瓶（大、中、小各若干）、带孔橡胶塞或塑料塞、细玻璃管或透明塑料管、橡胶管、止水夹或小夹子、注射器、小药瓶、纱布或无纺布、小苏打片状固体、过氧化氢溶液（稀溶液）、清水、凡士林或橡皮泥（用于密封）、剪刀、胶带等。教师在制作前强调安全注意事项：过氧化氢溶液虽然浓度较低，但仍具有一定的腐蚀性，避免直接接触皮肤和眼睛；玻璃管边缘锋利，插入塞子时注意防止割伤；制作完成后先检查气密性，再正式测试。 学生活动：各小组按照设计方案分工合作进行组装。一般组装步骤包括：第一步，将大塑料瓶截去上部或直接在瓶塞上打孔，作为反应容器；第二步，在瓶塞上插入两根细管，一根作为液体加入管（连接注射器或输液管），另一根作为气体导出管；第三步，将固体药品放在瓶内的小网袋或隔板上；第四步，将气体导出管通过橡胶管连接到另一个装有半瓶清水的小塑料瓶（洗气瓶）中，洗气瓶的出气管再连接到一根供呼吸使用的软管；第五步，用凡士林或橡皮泥仔细涂抹塞子与瓶口、管子与塞子之间的接缝，确保气密性。制作过程中，各组根据实际遇到的问题不断微调：有的组发现管子插不进去，就用稍细的钻头先打孔；有的组发现密封不好，就多加几层胶带或凡士林；有的组发现固体药品放得太多导致反应太剧烈，就减少用量。 教师巡视指导：教师巡回观察各组制作进度，及时发现安全隐患并提醒。对于进展顺利的组，教师鼓励他们先进行气密性检查；对于遇到困难停滞不前的组，教师帮助分析问题出在哪里，是密封问题还是结构不合理，引导他们找到解决办法。 【设计意图】 动手制作是学生将设计图纸转化为实物的关键环节，也是最能锻炼实践能力的环节。制作过程中必然会遇到各种意料之外的问题——管子插不进去、密封不严、结构不稳定等，这些“小麻烦”恰恰是学习发生的最佳契机。教师不包办代替，而是引导学生在解决问题的过程中积累工程实践经验。 任务五：测试改进——让供氧器更好用 【任务情境】 教师引导：“各组的供氧器已经初步搭好了，现在我们来试一试它到底能不能用。请大家按照操作步骤加入药品，观察氧气产生的情况，并思考：你的供氧器还有哪些需要改进的地方？” 【师生活动】 教师活动：教师指导各组按照规范步骤进行测试：先在洗气瓶中加入半瓶清水，确认装置连接正确；然后将过氧化氢溶液缓慢注入反应容器，观察洗气瓶中是否有连续气泡冒出；用带火星的卫生香靠近出气口，观察卫生香是否复燃，以此检验输出的气体是否为氧气。教师提醒学生注意观察气泡产生的速率是否均匀、装置各处是否漏气、反应是否可以通过控制液体加入量来调节。测试过程中，教师引导学生将观察到的现象记录在活动记录单上。 学生活动：各组开始测试。有的组一次成功，看到洗气瓶中冒出连续均匀的气泡，卫生香复燃，全组欢呼雀跃；有的组遇到问题：装置漏气，气泡从接缝处冒出而不是从洗气瓶出来；有的组反应太快，液体几乎沸腾，气泡剧烈；有的组反应太慢，几乎看不到气泡；还有的组出气量很小，供一会儿就没了。遇到问题的小组没有气馁，而是在教师引导下逐一排查：漏气的组重新检查每个接缝，涂抹更多密封材料；反应太剧烈的组减少固体用量或减慢液体滴加速度；反应太慢的组增加固体用量或稍微提高液体浓度。经过反复调试，大多数小组的供氧器都能稳定输出氧气。 改进优化：在初步测试成功后，教师引导学生进一步思考：“现在你的供氧器能出氧气了，但它真的好用吗？”学生围绕这个问题展开讨论，从实际使用角度提出改进方向：一是氧气输出速率是否可调，能否像医院吸氧那样调节流量；二是装置是否轻便，能否做得更小巧；三是使用是否安全，有没有防止液体倒吸的措施；四是成本是否低廉，能否用生活中更容易找到的材料替代。各组根据讨论结果对装置进行第二轮改进。 【设计意图】 测试改进环节体现了工程设计“测试—反馈—迭代”的核心循环。学生在测试中发现真实问题，在分析原因后针对性地改进方案，这个过程比一次性“做成功”更有教育价值。第二轮改进引导学生从“能用”提升到“好用”，培养精益求精的工程态度和产品意识。 任务六：展示交流——我们的供氧器发布会 【任务情境】 教师宣布：“经过反复测试和改进，各组的供氧器已经基本完成。今天我们举办一场简易供氧器发布会，每组派代表上台展示你们的作品，介绍设计思路、制作过程、测试结果和改进体会，其他组同学可以提问和评价。” 【师生活动】 教师活动：教师提前在讲台上布置展示区域，将各组供氧器依次摆放。教师制定简单的评价维度：装置能否稳定产生氧气（功能有效性）、设计是否合理且有创意（设计创新性）、操作是否安全简便（安全实用性）、展示表达是否清晰流畅（表达交流）。教师在每组展示后进行简要点评，肯定亮点，指出可以进一步完善的地方。 学生活动：各组代表依次上台展示。展示内容包括：演示供氧器的使用过程（加入液体后观察气泡、用卫生香检验氧气）；介绍本组设计中最得意的地方（有的组设计了可开合的固体仓，方便添加药品；有的组巧妙利用了废弃矿泉水瓶和注射器，成本极低；有的组在出气口增加了过滤层，使氧气更洁净）；分享制作过程中印象最深的困难和解决办法。台下同学认真观看，可以举手提问，例如：“你们的供氧器能持续供氧多长时间？”“如果反应停不下来怎么办？”“固体药品用完了怎么补充？”展示组同学现场回答，教师适时补充和引导。 总结提升：教师在所有组展示完毕后进行总结：“今天我们用一节课的时间，从一个真实的生活问题出发，经历了原理探究、方案设计、动手制作、测试改进和展示交流的完整过程，做出了属于自己的简易供氧器。这个过程中，大家用到了化学知识（氧气的性质与产生方法）、物理知识（气体压强与流体控制）、工程思维（结构设计与迭代改进），还用到了数学（粗略估算氧气产量与反应时间的关系）。这就是跨学科实践的意义——知识不是孤立的，当我们面对真实问题时，它们会自然地汇聚到一起。” 拓展思考：教师最后留下拓展问题供学生课后思考：“如果要让这个供氧器真正用于高原旅行或应急救护，还需要在哪些方面进一步完善？比如怎样监测氧气浓度？怎样控制供氧流量以适合不同使用者？怎样实现更长时间的持续供氧？这些问题留给大家课后继续探究，下节课我们交流。” 【设计意图】 展示交流环节为学生提供了表达与反思的平台。通过作品展示，学生获得成就感和认同感；通过互评问答，学生学会从他人作品中汲取灵感，也学会用批判性眼光审视自己的设计。教师的总结将分散的实践体验提升为对跨学科学习方法的整体认识，最后的拓展问题则将课堂学习延伸到课后，保持探究的连续性。 六、板书设计 板书以“制作简易供氧器”为中心主题，左侧呈现探究流程，右侧呈现装置结构要点，整体布局如下： 制作简易供氧器 【探究流程】 【装置结构】 情境导入：为什么需要供氧 反应容器：塑料瓶 原理探究：怎样获得氧气 液体加入：注射器/输液管 方案设计：供氧器长什么样 固体仓：网袋/隔板 制作测试：动手做·反复改 洗气润湿：清水瓶 板书右侧补充：安全要点——密封要严实、液体慢加入、出气先润湿、使用后清洗。板书随教学进程逐步呈现，左侧流程在各任务结束时写下，右侧结构在方案设计环节逐步完善。 学科网（北京）股份有限公司 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