素养导向的跨学科项目实践：基于真实问题解决的化学中考专题复习-“空气监测”与“简易供氧”

素养导向的跨学科项目实践：基于真实问题解决的化学中考专题复习——“空气监测”与“简易供氧”一、教学内容分析根据《义务教育化学课程标准（2022年版）》，本课教学内容位于“化学与社会·跨学科实践”主题领域，是初中化学一轮复习中极具综合性与实践价值的专题。知识技能图谱上，本课以“空气的成分”、“氧气和二氧化碳的性质与制备”、“混合物分离”等核心概念为基石，要求学生从识记、理解层面跃升至综合应用与层面。具体而言，需引导学生回顾气体收集、检验方法及装置气密性检查等基本实验操作，并在此基础上前置性地融入物理学科中的传感器原理、生物学科中的呼吸作用等跨学科概念，形成“认识空气问题—监测空气质量—解决供氧需求”的完整知识链，对夯实基础、串联散点知识具有关键的承上启下作用。过程方法路径上，课标强调的“科学探究与工程实践”在本课得到充分彰显。教学设计将“科学探究”（如提出问题、设计实验、分析数据）与“工程设计与物化”（如明确需求、设计方案、制作优化）有机融合，通过“组装检测仪”和“制作供氧器”两个项目任务，使学生亲历从发现问题到创造产品的完整过程，深刻体验学科知识的应用价值。素养价值渗透方面，本课是发展学生核心素养的优质载体。在“科学探究与创新意识”上，通过动手实践激发探究欲；在“科学态度与社会责任”上，引导学生关注空气质量与生命健康，思考化学技术对社会生活的双重影响，培育其运用所学服务社会的责任感；在“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”上，深化对气体性质及其转化规律的理解。教学重难点预判为：跨学科知识的有机整合与应用、基于特定需求进行实验装置的与优化。基于“以学定教”原则，进行如下学情研判。已有基础与障碍：作为中考一轮复习阶段的学生，已具备空气组成、氧气制取等基础理论知识，并有过基础的实验操作体验。然而，知识可能处于碎片化状态，综合应用能力不足；面对真实、复杂的问题情境时，易出现“知识调用困难”和“设计思路狭窄”的障碍。部分学生可能对传感器等新技术原理感到陌生，存在畏难情绪。兴趣点则在于动手制作和解决真实问题，这为教学提供了强劲动力。过程评估设计：课堂中将通过驱动性问题链的作答、小组方案设计草图的绘制、实验操作中的规范性观察、以及成果展示中的表达与答辩，进行动态、多元的形成性评价，精准把握每位学生在知识整合、实践创新、协作交流等方面的真实水平。教学调适策略：针对上述学情，将采用“分层任务驱动”与“脚手架支持”相结合的策略。为知识基础较弱的学生提供更清晰的知识回顾清单和分步操作指引；为思维活跃的学生设置开放度更高的挑战性问题，如“如何使你的供氧器更便携、更高效？”并鼓励其尝试原理不同的供氧方案（如基于过氧化氢分解或空气分离）。通过异质分组，促进生生互助，让不同层次的学生在协作中都能获得成长与自信。二、教学目标知识目标：学生能够系统梳理并精准表述空气中主要成分（特别是氧气、二氧化碳）的性质、作用与检验方法；能阐释实验室制取氧气的反应原理、装置选择依据及操作要点；能结合物理原理，理解气敏传感器等检测元件的工作机制，构建起“空气组成—监测原理—制取纯化”的立体化知识网络。能力目标：学生能够以小组合作形式，根据任务需求，完成微型空气质量检测仪的原理分析、部件识别与组装调试；能够设计并动手制作一个能持续、稳定产生氧气的简易供氧器原型。在此过程中，提升信息整合、实验设计、动手操作、数据记录与分析以及基于证据进行工程优化的综合实践能力。情感态度与价值观目标：通过从“监测环境”到“创造生存条件”的项目线索，学生能深刻感受化学知识在保障生命健康、应对环境挑战中的巨大价值，激发学习内驱力与社会责任感。在小组协作中，培养严谨求实的科学态度、勇于试错的创新精神以及相互倾听、有效沟通的合作品质。科学（学科）思维目标：重点发展学生的“系统与模型”思维及“工程思维”。引导他们将一个复杂问题（如“如何保障特定环境下的呼吸安全？”）分解为监测与供氧两个子系统进行建模分析；在制作供氧器时，经历“明确需求—方案构思—设计制作—测试优化”的迭代过程，初步形成以目标为导向、权衡利弊、持续改进的工程思维方式。评价与元认知目标：学生能够依据教师提供的简易量规（如装置的可行性、安全性、创新性），对小组及他组的作品进行初步评价并提出改进建议；能在项目结束时，通过反思日志回顾“自己是如何一步步解决这个复杂问题的”，梳理用到的知识与方法，识别自己的优势与待改进之处，提升自主学习与规划能力。三、教学重点与难点教学重点：本课的重点在于引导学生综合运用空气成分、气体制取与性质等核心化学知识，解决“监测”与“供氧”两个真实情境下的工程问题。其枢纽地位体现在，它是将分散的单元知识（如我们学过的氧气制取有三种方法，各自有什么特点？）进行整合、迁移并应用于复杂情境的关键桥梁，直接指向“科学探究与创新意识”这一核心素养。从中考复习视角看，该主题能高度融合选择、填空、实验探究等多种题型所考查的知识与能力，是对学生综合应用水平的有效检验与提升。教学难点：本课的难点集中于学生从“解题”到“解决问题”的思维跨越。具体节点一是“跨学科知识的主动调用与融合”，学生难以自觉地将物理的电路、生物的需求与化学原理联系起来；二是“基于约束条件进行装置设计与优化”，学生设计时容易忽略“简易”、“持续供氧”、“安全”等现实约束，方案往往理想化。其成因在于学生长期习惯于结构良好的习题，缺乏处理开放式、多约束实际问题的经验。突破方向在于提供清晰的“设计思维”脚手架和充足的样例分析，降低认知负荷。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含空气质量新闻视频、传感器原理动画、各小组设计草图展示区）；“空气质量检测仪”套件（气敏传感器模块、Arduino主控板、导线、显示屏等）每组一套；“简易供氧器”材料包（锥形瓶、双氧水、二氧化锰、导管、集气袋、洗气瓶等）每组一套；安全防护用品（护目镜、手套）。1.2学习任务单：项目导学案（含知识回顾区、方案设计区、操作记录表、评价反思区）。2.学生准备复习九年级化学上册第二、三单元相关知识；预习导学案中的背景资料；以46人异质小组为单位就座。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题提出：同学们，我们先看一段短片（播放关于高山救援或密闭空间作业的新闻）。大家看到了什么？对，救援人员面临缺氧的威胁。那么，我们能否运用所学的化学知识，为这样的场景提供一些解决方案呢？今天，我们就化身“小小环境工程师”，接受一个挑战任务：为某个特定环境（如地质勘探营地）设计一套“呼吸安全守护方案”。这个方案需要回答两个核心问题：第一，我们如何实时知道这里的空气是否安全？第二，如果空气出现问题，我们如何快速获得生命所需的氧气？2.路径明晰与旧知唤醒：解决这两个问题，恰恰对应我们即将开展的两个跨学科实践项目：“组装微型空气质量检测仪”和“制作简易供氧器”。这需要我们唤醒大脑里关于空气成分、氧气制取的知识储备。大家有没有想过，我们能不能自己动手做一个简易的检测仪呢？别着急，让我们一步步来探究。第二、新授环节任务一：解构需求，规划方案教师活动：首先，引导学生将宏大任务分解。抛出问题链：“要监测空气安全，主要监测哪些指标？（O₂浓度、CO₂浓度或有害气体）为什么是它们？”“要制作供氧器，核心目标是什么？（持续、稳定产生O₂）需要考虑哪些现实因素？（原料易得、操作安全、便于携带）”组织小组讨论，并将初步构想绘制成草图。教师巡视，针对性地提问，如“你们小组选择用过氧化氢制氧，那产生的氧气如何收集和输出？怎样确保使用者的安全？”学生活动：小组内展开头脑风暴，结合生活经验和化学知识，讨论监测与供氧的具体目标与初步设想。在任务单的“方案设计区”绘制装置草图，并列出所需主要材料和预期步骤。推选代表准备分享设计思路。即时评价标准：1.方案是否紧扣“监测”与“供氧”的核心目标。2.讨论过程中是否能有依据地表达观点（例如，为什么监测CO₂很重要？）。3.草图是否能清晰表达装置的基本构成和工作流程。形成知识、思维、方法清单：★核心概念回顾：空气的组成（O₂约占21%，是支持呼吸的关键；CO₂过量会导致缺氧）。这是所有设计的出发点。★工程思维起点：明确需求与约束条件。任何设计都不是天马行空，必须考虑“做什么”（功能）和“有什么限制”（成本、安全、便携等）。▲学科方法：任务分解法。将复杂项目拆解为若干可操作的子任务，是解决工程问题的基本策略。任务二：探秘“感官”——空气质量检测仪的原理与组装教师活动：展示检测仪套件中的气敏传感器。“大家看，这就是检测仪的‘鼻子’。它怎么‘闻’到气体呢？”结合动画，通俗讲解其电阻随特定气体浓度变化的物理原理。“现在，请根据说明书，尝试将它和‘大脑’（主控板）、‘眼睛’（显示屏）连接起来。”教师演示关键连接点，强调电路安全，然后放手让学生组装。学生活动：观察传感器结构，聆听教师讲解，理解其工作原理。小组合作，阅读简易说明书，动手连接各电子模块。连接成功后，尝试将传感器靠近呼出的气体，观察显示屏数值的变化，并记录。即时评价标准：1.能否按照指示进行规范、安全的电路连接。2.能否通过观察现象，初步建立“气体浓度—传感器信号—数字显示”的关联认知。3.小组成员间分工是否明确，协作是否高效。形成知识、思维、方法清单：▲跨学科原理：气敏传感器的工作原理（物理/化学变化导致电学信号变化）。化学知识与现代检测技术的桥梁。★核心技能：根据技术图纸或说明书进行组装调试的能力。这是将理论转化为实践的关键一步。★科学探究：控制变量进行对比观察（如对比空气和呼出气体）。同学们，看，数值跳动了！这说明我们的“电子鼻”工作了！任务三：设计与构建“生命之源”——简易供氧器原型教师活动：这是本节课的核心动手环节。首先，引导学生回顾实验室制取氧气的几种方法。“大家回忆一下，实验室制氧气有哪几种方法？哪种更适合我们‘简易、便携’的需求？”通过讨论，引导聚焦于过氧化氢在二氧化锰催化下分解的方案。接着，抛出具体设计问题：“如何让反应可控，实现‘按需供氧’？产生的氧气可能混有什么杂质？如何初步净化？”提供多样化的仪器和材料，鼓励各组在基础设计上创新。学生活动：小组基于讨论和草图，选取材料，开始动手制作供氧器原型。重点解决气体制取、净化（如通过水洗）、收集与输出（如用带阀门的储气袋）的一体化设计。在操作中不断调整、优化连接方式，确保气密性良好。教师，我们这个用注射器缓慢加入过氧化氢来控制反应速度，您看行吗？即时评价标准：1.装置设计是否合理，能否实现基本功能（制取、收集、输出氧气）。2.实验操作是否规范、安全（特别是催化剂的取用、液体药品的添加）。3.面对制作过程中的问题（如漏气），是否能主动思考并尝试解决。形成知识、思维、方法清单：★核心反应原理：2H₂O₂==（MnO₂催化）==2H₂O+O₂↑。理解催化剂的作用是降低反应活化能，不改变化学平衡。★关键操作与设计：固液不加热发生装置的选择；通过分液漏斗或注射器控制反应速率；洗气除杂（除去可能的水雾或少量酸性杂质）的原理。★工程迭代：设计制作测试优化的循环。哎呀，这里漏气了！快检查一下橡皮塞是否塞紧。这就是在发现问题、解决问题。任务四：系统联调与功能展示教师活动：组织各小组进行成果展示与功能测试。要求每个小组派代表，先用检测仪“检测”教室空气基线数据，然后启动自制的供氧器，将输出的气体通入检测仪传感器附近，观察并记录O₂浓度读数变化。“大家注意看，数值上升了吗？这说明了什么？”引导全班进行分析。学生活动：小组协同操作，完成从环境监测到氧气制取、输出的全过程演示。认真观察并记录数据变化，分析结果。聆听其他小组的展示，思考其设计的优缺点。即时评价标准：1.能否流畅、清晰地向他人展示自己作品的功能和工作原理。2.展示过程中，操作是否连贯、规范。3.能否基于观察到的数据，得出“装置成功产生了氧气”的结论。形成知识、思维、方法清单：★证据意识：用检测数据证明产品的有效性。看，O₂浓度从21%升到了……，我们的供氧器成功了！▲系统思维：将“检测”与“供氧”视为一个关联的微型系统。我们不仅会造氧气，还能证明造出的就是氧气。★表达与交流：如何有条理地陈述设计意图、演示操作过程并解释现象。任务五：评价、反思与优化教师活动：发起班级研讨会。出示简易评价量规（功能性、安全性、创新性、美观性），引导学生开展互评与自评。“你觉得哪个小组的设计最有巧思？为什么？”“你们小组的设计，如果再做一次，会在哪里改进？”教师总结亮点，并点拨提升方向，如：“有小组想到用安全瓶防倒吸，考虑很周全。还有没有更简单的实现方法？”学生活动：根据量规，对自己和他组的作品进行点评，提出欣赏之处和改进建议。在任务单“评价反思区”写下自己的收获、困惑以及对方案的优化设想（如：能否利用太阳能驱动一个小气泵来输送氧气？）。即时评价标准：1.评价是否基于量规和客观观察，而非主观喜好。2.反思是否具体、深入，能否指向明确的改进点。3.是否能在倾听他人建议后，辩证地思考自己方案的可行性。形成知识、思维、方法清单：★批判性思维：学会依据标准进行有理有据的评价。他组的那个漏斗设计很好，但我担心加入液体时气体可能会逸出。▲元认知策略：对学习过程与策略的反思。我发现先画图再动手，效率高很多，以后复杂实验也要这样。★持续改进观：认识到任何设计都有优化空间。工程产品是在不断迭代中臻于完善的。第三、当堂巩固训练现在，让我们通过一组分层练习来巩固和拓展今天的所学。基础层：请画出实验室用双氧水和二氧化锰制取并收集干燥氧气的装置图，并标出各部分仪器名称及作用。同桌互换，检查装置的科学性与规范性。综合层：情境应用题：为一个深山考察站设计一份《简易供氧设备使用与维护须知》。需包含反应原理、操作步骤、安全注意事项及简易故障排查（如“产氧速率变慢可能的原因”）。挑战层：开放探究题：除了化学制氧，还有哪些方法可以获取氧气？（提示：从空气分离角度思考）。请简述其中一种方法的原理，并比较其与本节课化学制氧法在适用场景上的优劣。反馈机制：基础层练习通过同桌互评快速反馈；综合层作业抽取12份进行课堂投影展示与点评，聚焦于原理表述的准确性和安全考虑的周全性；挑战层问题鼓励学生课后查阅资料，下节课进行简短分享。第四、课堂小结同学们，经过一节课紧张的“工程师”体验，我们来一起梳理一下。知识整合方面，我们围绕“空气”这个主题，将成分、性质、制取、检验等知识串成了一条线。请大家尝试用流程图或概念图的形式，在笔记本上画出本节课的知识结构。方法提炼上，我们不仅运用了科学的实验方法，更初步体验了“明确需求设计方案制作测试评价优化”的工程实践路径。作业布置：必做作业——完善课堂上的方案设计草图，并撰写一份不超过200字的项目总结。选做作业（二选一）——1.查阅资料，了解家用“制氧机”的工作原理，并与课堂制作的简易供氧器进行对比。2.设计一个实验方案，探究不同催化剂对过氧化氢分解速率的影响。期待大家更精彩的想法！六、作业设计基础性作业：1.整理课堂笔记，系统梳理“空气监测”与“氧气制取”所涉及的核心化学反应方程式、实验装置图及操作要点。2.完成练习册中与本专题相关的基础选择题和填空题，巩固基本概念和原理。拓展性作业（二选一）：1.微型项目报告：假设你要为班级春季野外徒步活动准备一个“应急供氧包”，请基于课堂所学，制定一份详细的物资清单（含化学药品与仪器）和使用说明。2.数据分析小论文：记录家中不同时段（如清晨、中午、晚上）开窗通风前后，用手机APP或简易检测仪（若有可能）测得的室内CO₂浓度相对值，尝试分析变化规律并简要解释原因。探究性/创造性作业：“未来供氧方案”概念设计：放眼未来（如火星基地、深海空间站），化学制氧法可能面临哪些挑战？（如原料运输、能耗）请你展开想象，基于已学知识或其他学科知识，提出一个更具可持续性或更适应极端环境的“供氧”或“空气循环”技术构想，并用图文并茂的方式展示其核心思路。七、本节知识清单及拓展★空气的成分与重要性：空气是混合物，主要成分是氮气和氧气。氧气（约21%）是支持呼吸和燃烧的关键气体；二氧化碳（约0.03%）虽然含量低，但参与光合作用，浓度过高会造成温室效应并影响人体健康。★气体检测的跨学科原理：现代空气质量检测仪常使用气敏传感器，其核心是利用特定材料的电阻值会随周围气体种类和浓度变化的特性（物理变化或化学吸附），将气体浓度信息转化为电信号进行显示。★实验室制取氧气的方法（过氧化氢分解法）：反应原理为2H₂O₂==（MnO₂催化）==2H₂O+O₂↑。该装置属于“固液不加热型”，二氧化锰作为催化剂，其特点是能改变化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后不变。★催化剂的特性与作用：催化剂通过提供更优的反应路径来降低反应的活化能，从而加快反应速率。它不能使原本不发生的反应得以进行，也不改变反应的最终产物和平衡状态。记住：“一变两不变”。★气体的收集与净化方法：氧气不易溶于水，可用排水法收集；密度比空气略大，也可用向上排空气法。制得的氧气中可能混有水蒸气或少量来自反应液的酸性气雾，可通过盛有水的洗气瓶或碱性干燥剂进行初步净化。▲简易供氧器的工程思维：一个实用的供氧器设计需综合考虑反应可控性（如通过分液漏斗控制液体滴加速率）、安全性（防倒吸、远离明火）、产气纯度与输出便利性。这体现了从单纯“知识实验”到“产品制作”的思维跃迁。★装置气密性检查：对于密闭气体发生装置，检查气密性是确保实验成功的第一步。常用方法有：微热法（手捂或热毛巾）观察导管口是否有气泡；或通过液封形成液差并观察是否稳定。▲氧气的检验与验满：检验氧气使用带火星的木条，复燃则为氧气；用向上排空气法收集时，验满是将带火星的木条放在集气瓶口，若复燃则已满。★科学探究与工程实践的异同：科学探究以发现规律、解释现象为核心，追求“真”；工程实践以创造产品、解决问题为核心，在科学规律约束下追求“好”（可行、可靠、经济、美观等）。本课项目是二者的有机结合。八、教学反思(一)目标达成度与环节有效性评估本课预设的教学目标基本达成，证据在于：学生能成功组装检测仪并观测到数据变化，各小组均制作出了能产生氧气的原型装置，并在展示环节用数据进行了验证。在小组讨论和方案设计中，能看到学生尝试调用跨学科知识（如有学生提到“用物理学的气压差原理来解释洗气瓶的工作方式”）。导入环节创设的“呼吸安全守护”情境有效地激发了学生的责任感和探究欲，驱动性问题清晰有力。新授环节的五个任务层层递进，从方案规划到动手制作，再到系统测试与评价，形成了完整的实践闭环。任务三（制作供氧器）作为核心动手环节，时间分配较为充足，学生沉浸感强，但巡视中发现，部分小组在“如何实现平稳供氧”这一细节设计上仍存在困难，虽经点拨有所改善，说明此处的“脚手架”（如提供更多样的控制流速的装置样例）还可以更细致。巩固与小结环节的分层练习满足了不同学生的需求，课堂小结引导学生从知识和方法两个维度进行梳理，促进了结构化认知的形成。(二)学生表现差异化分析与教学策略得失课堂上，学生表现呈现出明显的差异性。基础扎实、思维活跃的学生（如A组、C组）迅速成为小组核心，不仅能快速理解传感器原理，还能在供氧器设计上提出创新点（如尝试用两个注射器分别盛放反应物，通过推注速度来控制反应）。针对他们，教学中提供的开放性问题（如优化挑战）是有效的“催化剂”。知识掌握尚可但动手能力或自信不足的学生，在初期表现为观望，但在明确的小组分工和教师的鼓励下（“来，你负责连接这个管路，试试看”），逐渐能承担部分操作任务，并在成功后获得显著成就感。少数基础薄弱的学生则在整个过程中，特别是在原理理解和方案设计环节存在困难。虽然通过异质分组得到了同伴帮助，但教师对其个体的关注和点拨仍需加强，例如在任务一讨论时，应更主动地走到他们身边，用更具体的问题引导其回顾旧知。得失归因：项目式学习（PBL）框架