跨學科實踐活動4基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器化學觀念：通過實踐活動，學生能夠深入理解化學反應(yīng)的原理，特別是氧氣制取的相關(guān)知識，構(gòu)建變化觀和元素觀。明白不同的化學反應(yīng)在特定條件下能夠產(chǎn)生滿足實際需求的物質(zhì)，如通過合適的制氧劑反應(yīng)制取氧氣?？茖W思維：在設(shè)計和制作簡易供氧器過程中，培養(yǎng)學生的邏輯思維和創(chuàng)新思維。學生需要分析不同制氧原理的優(yōu)缺點，根據(jù)特定需求選擇合適的制氧劑和設(shè)計裝置，這一過程涉及到對信息的收集、整理、分析和推理，同時鼓勵學生，提升解決問題的能力?？茖W探究與實踐：學生以小組合作的形式開展實踐活動，親自動手制作簡易供氧器，經(jīng)歷從明確需求、設(shè)計方案、選擇材料、動手制作到測試優(yōu)化的全過程。在這個過程中，學生的實驗操作技能、團隊協(xié)作能力以及對科學探究的理解和實踐能力都能得到有效提升?？茖W態(tài)度與責任：意識到化學科學在解決實際生活問題中的重要作用，如為特定人群或環(huán)境提供氧氣保障。培養(yǎng)學生嚴謹認真的科學態(tài)度，對自己設(shè)計和制作的簡易供氧器負責，關(guān)注產(chǎn)品的安全性、實用性和環(huán)保性等。重點掌握化學供氧器的原理，能夠從多種實驗室制取氧氣的方法中，根據(jù)特定需求篩選出合適的制氧原理。了解供氧器的構(gòu)造，包括反應(yīng)裝置、氣體收集裝置、氣體凈化裝置等部分的功能和設(shè)計要點。能夠根據(jù)所學知識和實際條件，選擇合適的實驗裝置和材料，制作出簡易供氧器。難點理解不同制氧劑的反應(yīng)特點和適用場景，綜合考慮反應(yīng)條件、產(chǎn)物環(huán)保性、藥品儲存和取用便利性、成本等因素，確定最佳的制氧劑。將實驗室制取氧氣的裝置進行合理改進和創(chuàng)新，使其滿足特定需求，如便于攜帶、操作簡便、能持續(xù)穩(wěn)定供氧等，制作出功能完善、性能可靠的簡易供氧器。教材分析：本跨學科實踐活動選自人教版九年級上冊第五單元，綜合體現(xiàn)了“物質(zhì)的化學變化”“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”等主題的大概念與核心知識，同時涉及“氧氣的制取與性質(zhì)”這一學生必做實驗。該活動縱向結(jié)合了新課標課程內(nèi)容中多個主題的相關(guān)內(nèi)容，對化學與社會跨學科實踐主題中的化學與健康、材料等方面也有所關(guān)聯(lián)。通過本次活動，學生能夠?qū)⒅八鶎W的化學知識進行整合和應(yīng)用，提升綜合素養(yǎng)。授課對象為九年級學生，經(jīng)過一段時間的化學學習，他們已初步了解實驗室制取氧氣及二氧化碳等氣體的基本知識，會進行簡單的實驗操作，能書寫化學方程式，知道質(zhì)量守恒定律并能進行簡單計算。但學生對于知識的綜合應(yīng)用能力和解決實際問題的能力還有待提高，在將理論知識轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品設(shè)計和制作方面缺乏經(jīng)驗。不過，學生對新鮮事物充滿好奇心，具有較強的動手欲望和團隊合作精神，這為本實踐活動的開展奠定了良好基礎(chǔ)。教學環(huán)節(jié)一新課導入（一）課程導入（5分鐘）教師：（展示一些在高原地區(qū)人們使用供氧器的圖片、醫(yī)院里病人吸氧的場景圖片以及火災(zāi)、礦難救援中使用供氧設(shè)備的視頻片段）同學們，在我們的生活中，有許多場景需要用到供氧器。大家看，去高原旅游時，有的人會因為高原反應(yīng)需要吸氧；醫(yī)院里，很多病人在治療過程中離不開氧氣；在一些危險環(huán)境救援中，救援人員也需要攜帶供氧設(shè)備。那你們還知道哪些地方會用到供氧器呢？學生1：潛水的時候，潛水員要背氧氣瓶。學生2：在一些化工生產(chǎn)車間，如果環(huán)境中氧氣含量不足，可能也需要供氧設(shè)備。教師：非常好，大家的生活經(jīng)驗很豐富?？梢钥闯?，不同的場景對供氧器有著不同的特定需求。今天這節(jié)課，我們就來嘗試基于這些特定需求，設(shè)計和制作簡易供氧器。教學環(huán)節(jié)二教學過程（二）知識回顧與原理探討（10分鐘）教師：我們要制作簡易供氧器，首先得知道如何制取氧氣。同學們，讓我們一起回憶一下，在實驗室中，我們學過哪些制取氧氣的方法呢？學生：（思考后紛紛舉手）加熱高錳酸鉀、加熱氯酸鉀和二氧化錳的混合物、過氧化氫溶液在二氧化錳催化下分解。教師：非常正確。那現(xiàn)在我們來分析一下，這三種方法各自有什么特點呢？如果要設(shè)計一個簡易供氧器，這些特點對我們選擇制氧方法有什么影響呢？比如從反應(yīng)條件、藥品的儲存和使用便利性等方面考慮。學生3：加熱高錳酸鉀和加熱氯酸鉀和二氧化錳的混合物都需要加熱，不太方便，在一些沒有加熱設(shè)備的地方就沒辦法使用。而過氧化氫溶液在二氧化錳催化下分解，反應(yīng)條件是常溫，比較方便。學生4：但是過氧化氫溶液見光易分解，儲存的時候需要注意避光，而且如果要長時間保存，可能不太容易。教師：同學們分析得很到位。那除了這三種常見的實驗室制氧方法，其實在實際生活中，還有一些其他的制氧原理。比如，我們來了解一下潛艇中常用的“氧燭”。（播放一段關(guān)于“氧燭”的科普視頻）教師：視頻中提到“氧燭”的制氧原理和我們學過的哪個比較相似呢？學生5：和氯酸鉀制取氧氣的原理相似，都是通過一種物質(zhì)在一定條件下分解產(chǎn)生氧氣。教師：沒錯。通過對這些制氧原理的分析，我們發(fā)現(xiàn)，在選擇制氧方法時，要綜合考慮很多因素。接下來，我們就根據(jù)不同的特定需求，進一步探討如何選擇合適的制氧劑。（三）特定需求分析與制氧劑選擇（10分鐘）教師：我們假設(shè)有這樣幾種特定需求場景。場景一，為一位患有慢性疾病，需要在家中經(jīng)常吸氧的老人設(shè)計一個簡易供氧器；場景二，為去高原旅游的游客設(shè)計一個便于攜帶的簡易供氧器；場景三，為火災(zāi)救援人員設(shè)計一個能在緊急情況下快速提供大量氧氣的簡易供氧器。大家以小組為單位，討論一下在這三種場景下，分別應(yīng)該選擇哪種制氧劑比較合適，并說明理由。（學生分組熱烈討論，教師巡視各小組，參與討論并適時引導）小組1：對于在家中吸氧的老人，我們覺得用過氧化氫溶液和二氧化錳比較合適。因為反應(yīng)條件簡單，不需要加熱，操作安全。而且過氧化氫溶液和二氧化錳相對容易獲取，成本也不會太高。小組2：去高原旅游的游客，需要的是輕便、易于攜帶的供氧器。我們認為可以考慮“氧燭”這種制氧劑，它儲存方便，不需要額外的設(shè)備，只要觸發(fā)反應(yīng)就能產(chǎn)生氧氣，便于攜帶在身上。小組3：火災(zāi)救援人員需要快速獲得大量氧氣，我們覺得加熱氯酸鉀和二氧化錳的混合物可能不太合適，因為加熱需要時間。而過氧化氫溶液如果通過增大濃度等方式，可以在二氧化錳催化下快速產(chǎn)生大量氧氣，所以選擇過氧化氫溶液和二氧化錳，并且可以通過改進裝置，讓反應(yīng)更快速地進行。教師：各小組的分析都有一定的道理。確實，不同的特定需求決定了我們要選擇不同的制氧劑。同時，我們還要考慮制氧劑的成本、安全性、環(huán)保性等因素。接下來，我們確定了制氧劑，就要思考如何設(shè)計簡易供氧器的裝置了。（四）裝置設(shè)計與討論（10分鐘）教師：（展示一些常見的實驗室制取氧氣的裝置圖，以及一些簡易供氧器的實物圖片或示意圖）同學們，我們已經(jīng)知道了實驗室制取氧氣的裝置，那根據(jù)我們選擇的制氧劑和特定需求，如何對這些裝置進行改進，設(shè)計出簡易供氧器呢？大家還是以小組為單位，畫出你們設(shè)計的簡易供氧器草圖，并標注出各部分的作用。（學生再次分組討論并繪制草圖，教師繼續(xù)巡視指導）小組4：（展示草圖）我們設(shè)計的是為家中老人使用的簡易供氧器。用一個塑料瓶作為反應(yīng)容器，里面裝入過氧化氫溶液和二氧化錳。在瓶蓋上打孔，插入一根導管，導管連接一個洗氣瓶，洗氣瓶里裝水，用來濕潤氧氣，因為干燥的氧氣可能會讓老人呼吸道不舒服。最后再連接一個吸氧管。教師：這個設(shè)計考慮到了氧氣的濕潤問題，很貼心。那其他小組有什么不同的設(shè)計或者對這個設(shè)計有什么建議嗎？小組5：我們覺得在反應(yīng)容器和洗氣瓶之間可以加一個控制氣體流速的裝置，比如類似分液漏斗的開關(guān)，這樣可以控制氧氣產(chǎn)生的速度，根據(jù)老人的需要來調(diào)節(jié)。教師：這個建議很好，增加了裝置的可調(diào)節(jié)性。那為高原旅游游客和火災(zāi)救援人員設(shè)計的簡易供氧器，其他小組的裝置設(shè)計是怎樣的呢？小組6：（展示為高原旅游游客設(shè)計的草圖）我們設(shè)計的是一個小型的便攜式供氧器。用一個小的金屬罐作為反應(yīng)容器，里面裝“氧燭”。在金屬罐上安裝一個簡單的閥門，當需要吸氧時，打開閥門，“氧燭”反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣就可以通過一根細管連接到吸氧面罩上。為了方便攜帶，整個裝置做得很緊湊。小組7：（展示為火災(zāi)救援人員設(shè)計的草圖）我們設(shè)計的是一個能快速產(chǎn)生大量氧氣的裝置。用一個較大的塑料桶作為反應(yīng)容器，里面裝高濃度的過氧化氫溶液，在桶蓋上安裝一個特殊的裝置，這個裝置可以一次性加入較多的二氧化錳，并且能讓二氧化錳和過氧化氫溶液快速充分接觸，從而快速產(chǎn)生大量氧氣。然后通過一根粗的導管連接到一個氧氣儲存袋，救援人員可以背著儲存袋，通過吸氧管吸氧。教師：各小組的設(shè)計都很有創(chuàng)意，并且充分考慮了不同場景的特定需求。但是在實際制作過程中，我們還需要考慮材料的選擇、裝置的密封性等問題。接下來，我們利用剩余的課堂時間，根據(jù)自己小組的設(shè)計，嘗試用一些簡單的材料搭建一個簡易供氧器的模型。（五）簡易模型搭建與總結(jié)（10分鐘）教師：（為各小組提供一些常見的材料，如塑料瓶、吸管、膠皮管、注射器、少量過氧化氫溶液、二氧化錳等）現(xiàn)在大家可以根據(jù)自己小組的設(shè)計方案，利用這些材料搭建簡易供氧器的模型。在搭建過程中，注意觀察裝置是否能正常工作，有沒有出現(xiàn)漏氣等問題。如果遇到問題，思考如何解決。（學生分組進行模型搭建，教師在教室里走動，觀察學生的操作過程，給予及時的指導和幫助）小組8：（在搭建過程中遇到了導管和塑料瓶連接不緊密，容易漏氣的問題）老師，我們這個地方總是漏氣，怎么辦呢？教師：大家想一想，在實驗室中，我們是怎么保證裝置密封性的呢？小組8：（思考后）哦，可以用橡皮泥或者膠帶把接口處密封起來。（小組8用膠帶將接口處纏緊，解決了漏氣問題）教師：（在大部分小組