基于项目学习的化学跨学科实践-设计并制作简易供氧器

基于项目学习的化学跨学科实践——设计并制作简易供氧器一、教学内容分析从《义务教育化学课程标准（2022年版）》出发，本课的教学坐标可锚定在“物质的性质与应用”及“科学探究与化学实验”两大学习主题的交汇处。知识技能图谱的核心是理解并应用过氧化氢在二氧化锰催化作用下分解制取氧气的化学反应原理（H₂O₂→H₂O+O₂），这是继学习氧气性质、实验室制取氧气（高锰酸钾加热法）后，对气体制备原理的深化与技能迁移，在单元知识链中起到承上启下的作用。其认知要求从“识记反应原理”提升至“应用原理解决真实问题”。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绝佳体现，通过“分析需求设计方案制作调试评价优化”的完整流程，将学科思想方法转化为具体的项目式学习活动。素养价值渗透方面，本课不仅是化学知识与实验技能的载体，更是发展学生“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”以及“科学态度与社会责任”的沃土。例如，在供氧器设计制作中，学生需运用系统思维（模型认知）平衡反应速率、气体收集、安全与成本等多重因素，并在此过程中深刻体会化学服务于社会、解决实际问题的价值。基于“以学定教”原则，进行立体化学情研判。已有基础方面，九年级学生已初步掌握氧气的性质及实验室制取方法，具备基本的实验操作技能和简单装置图绘制能力；生活经验中，对“氧气”在医疗急救、高原旅行等场景的应用有模糊认知。然而，可能存在的认知障碍在于：一是从“按图索骥”的验证性实验转向“自主设计”的项目任务，存在思维跨度，部分学生可能难以将抽象原理与具体装置部件功能精准对接；二是对“催化剂”概念的理解可能停留于“加快反应”的表面，对其“改变化学反应速率而自身质量和化学性质不变”的本质，以及在装置设计中如何有效接触并控制反应的关键作用认识不足。为此，教学将通过前测性问题链（如：“除了加热高锰酸钾，还能如何‘温和’地获得氧气？”、“如何让过氧化氢‘听话’地、平稳地产生氧气？”）动态诊断理解层次。教学调适策略上，将提供从“原型分析”到“半开放式设计”再到“开放式挑战”的分层任务支架，并为动手能力或空间想象能力较弱的学生提供可视化微视频和部件功能卡片作为支持，确保所有学生都能在“最近发展区”内获得成功体验。二、教学目标阐述知识目标：学生能够完整阐释以二氧化锰催化分解过氧化氢制取氧气的反应原理，并能准确书写其化学方程式；能够依据该原理，系统分析一个简易供氧器所必需的核心功能模块（如反应发生、气体收集、流量控制等），并说明各部件（如锥形瓶、分液漏斗、导管、集气装置）的设计依据与功能。能力目标：学生能够以小组合作形式，完成从需求分析、草图设计到实物拼接、功能测试的简易供氧器制作全过程；能够运用控制变量思想，初步设计简单方案探究影响该供氧器产气速率的因素（如过氧化氢浓度、催化剂的量）；能够清晰、有条理地陈述本组的设计思路、调试过程并开展基于证据的互评。情感态度与价值观目标：在项目实践中，学生能体会到化学知识与工程技术结合解决实际问题的成就感，激发创新热情；在小组协作中，能主动承担角色任务，学会倾听、表达与协商，培养团队合作精神；通过讨论供氧器的可能应用场景（如实验室备用氧源、小型养鱼装置增氧），初步建立将所学服务于社会的责任意识。科学（学科）思维目标：重点发展“模型认知”与“系统思维”。引导学生将抽象的化学原理转化为具象的物理装置模型（功能结构模型），并理解该模型是一个各部件相互关联、协同工作的系统。通过优化设计任务，锻炼学生在多重约束条件下进行权衡与决策的思维能力。评价与元认知目标：引导学生依据预先提供的评价量规（涵盖科学性、可行性、安全性、创新性等维度），对自身及他组的作品设计方案与最终成品进行批判性评价；鼓励学生在项目结束后，反思本组在设计与制作过程中遇到的困难、解决策略以及思维方式的转变，撰写简要的“项目复盘日志”。三、教学重点与难点析出教学重点：基于过氧化氢分解反应原理，进行简易供氧器的功能分析与核心结构设计。确立依据在于：首先，从课程标准看，这涉及“认识化学反应需要一定条件，并遵循一定规律”这一大概念的理解与应用，是化学变化的微观本质在宏观实践中的具体体现。其次，从能力立意看，将化学反应原理转化为实际装置的设计能力，是科学探究与实践素养的核心表现，也是初高中衔接中培养学生工程思维的关键节点。该重点贯穿整个项目，是连接知识学习与实践创造的枢纽。教学难点：难点一在于如何实现供氧器气体的“可控、平稳”产生。其成因在于学生需要跨越从“能产生气体”到“按需、稳定地产气”的认知台阶，这涉及到对反应速率的多因素调控（催化剂接触、反应物浓度与滴加速率）以及装置气密性、气流路径等工程细节的综合考量。难点二在于学生从二维图纸到三维实物的空间转化与动手实现能力存在差异。预设依据来自常见的学生作品分析：常出现“设计图可行，但实物连接处漏气”、“气流方向设计反了”或“无法便捷地添加反应物”等问题。突破方向是提供关键连接技术的示范（如导管连接、密封处理），并鼓励进行“设计制作测试修改”的迭代。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含原理动画、工业制氧与医用供氧设备简介视频、不同设计原型图）；板书设计（预留原理区、设计要素区、小组展示区）。1.2实验器材与材料（按小组配备）：锥形瓶、双孔橡胶塞、分液漏斗（或带胶头滴管的短颈漏斗）、直角导管、乳胶管、集气瓶（或水槽）、玻璃水槽、二氧化锰粉末、3%6%过氧化氢溶液、火柴（或带火星木条）、护目镜、手套。额外准备热熔胶枪、橡皮泥等辅助密封材料。1.3学习支持材料：项目任务书（含清晰步骤与安全须知）、分层学习任务卡（A卡基础原型搭建，B卡功能优化挑战）、课堂学习评价表（自评与互评）、项目复盘日志模板。2.学生准备2.1知识预习：复习氧气制取（高锰酸钾法）的装置与步骤，预习过氧化氢分解反应。2.2物品与分组：携带教材、笔记本、绘图笔。课前完成异质分组（4人一组），明确组内角色（如项目经理、首席设计师、安全官、发言人）。3.环境布置实验室桌椅排列为小组合作模式，中央放置公共材料区。黑板一侧张贴“我们的设计画廊”空白海报，用于展示各小组设计草图。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题驱动：“同学们，请看这段视频（播放高原登山者使用便携氧气瓶、或医院病房中心供氧系统的简短视频）。氧气，是生命支持的关键。在化学实验室，我们可以用加热高锰酸钾的方法制取它。但大家想一想，视频中的这些应用场景，能用一个需要加热的、固定的实验室装置来满足吗？（停顿，等待学生思考）显然不能。我们需要的是一种能够相对安全、便捷、可控地提供氧气的方法。”1.1核心问题提出：“那么，我们能否利用已有的化学知识，设计并制作一个简易的‘氧气发生器’，来模拟实现这种按需供氧的功能呢？今天，我们就化身成为一个小小的化学工程师，接受这个挑战！”1.2路径明晰与旧知唤醒：“要完成这个项目，我们需要三步走：第一，搞清楚我们用哪种化学反应能‘温和’地产生氧气（唤醒过氧化氢分解的旧知）；第二，分析一个供氧器需要有哪些‘本领’，并把它画出来；第三，动手把我们图纸上的想法变成现实，并测试它是否‘听话’。还记得我们学过的能产生氧气的反应吗？除了加热高锰酸钾，还有没有别的‘候选人’？”第二、新授环节任务一：遴选反应原理，明确设计需求教师活动：首先，通过提问“除了加热，还有哪些方法能引发化学反应？”引导学生回顾催化剂概念。明确告知本节课选用“二氧化锰催化分解过氧化氢”这一方案，并追问选择理由：“为什么这个反应更适合我们制作便携、可控的供氧器？（引导从反应条件常温、速率可通过催化剂和浓度调节、药品相对安全等方面思考）”。随后，提出核心设计需求：“我们的目标是制作一个‘简易供氧器’。请大家小组讨论，一个合格的供氧器应该满足哪些基本要求？”教师巡视，听取并提炼关键词（如：能产气、气要纯、能控制、要安全），并板书形成“设计需求清单”。学生活动：回忆并确认反应原理，书写化学方程式。小组围绕“供氧器应具备的功能”展开头脑风暴，积极发言，参与形成班级共同的设计需求清单。即时评价标准：1.能准确书写化学方程式。2.在讨论设计需求时，发言是否结合了反应特点或实际应用场景（如“不能一直产气，要用的时候才产”）。形成知识、思维、方法清单：★核心原理：过氧化氢（H₂O₂）在二氧化锰（MnO₂）催化下，于常温分解生成水和氧气。这是整个项目的化学基础。▲工程思维起点：从需求出发定义产品功能。将模糊的“做个东西”转化为清晰的“功能清单”，这是工程设计的首要步骤。催化剂的作用再认识：在此情境下，催化剂不仅是“加快反应”，更是实现“常温启动、可控反应”的关键媒介。任务二：解构原型装置，建立功能结构模型教师活动：展示一套经典的固液常温实验室制气装置（锥形瓶+分液漏斗+导管），但不直接告知这是“答案”。提问：“如果要用这个反应，这套装置能直接当我们的‘供氧器’吗？它实现了我们清单上的哪些需求？还有哪些需求没实现？（引导学生分析：如何添加液体？气体如何导出？如何控制反应发生与停止？）”。接着，引导学生将“设计需求”逐条转化为“结构设计要点”：例如，“能控制反应”对应“如何实现随时添加反应物或分离催化剂与反应物？”“气体要纯净”对应“如何防止反应物泡沫被带出？”。学生活动：观察教师展示的装置，结合设计需求清单进行批判性分析。在教师引导下，尝试将每一条功能需求与可能的装置结构联系起来，理解每个部件的设计意图（如分液漏斗用于控制液体添加速率和量，导管用于导气和防止倒吸）。即时评价标准：1.能否准确指认装置各部分并推测其功能。2.在“需求结构”对接讨论中，逻辑是否清晰，是否表现出初步的系统思考（如认识到改变一处结构会影响其他功能）。形成知识、思维、方法清单：★装置功能解构：将整体装置分解为“反应发生模块”、“气体流通与控制模块”、“收集/输出模块”。▲模型认知：初步建立“化学原理→功能需求→物理结构”的三级思维模型。学科迁移：应用物理中的气压知识理解“液封”防倒吸、分液漏斗控制流速的原理。任务三：绘制设计草图，进行小组方案论证教师活动：发布任务：“请各小组根据刚才的分析，绘制你们的简易供氧器设计草图，并在图中标注各部分功能。思考：如何确保气密性？你们的方案如何体现‘可控’？”教师提供不同层次的任务卡：A卡提供主要部件图示供组装参考；B卡仅给出需求清单，鼓励（如如何实现反应物的重复添加）。巡视中，以“工程师顾问”身份参与小组讨论，提问诸如“如果气流太快怎么办？”、“如何验证收集到的是氧气？”等深化问题。学生活动：小组合作，共同绘制设计草图。围绕教师提出的深化问题展开组内讨论，优化设计方案。尝试用示意图表达气流路径、液封等细节。准备进行简短的小组间方案展示与互评。即时评价标准：1.设计草图是否清晰体现核心功能模块。2.小组讨论是否每个成员都参与了意见，方案是否有合理的依据支持。3.在互评环节，能否对他组方案提出有建设性的意见或疑问。形成知识、思维、方法清单：★设计要素：气密性是装置成功的生命线；可控性是评价设计优劣的核心指标。▲团队协作与沟通：设计是团队智慧的结晶，需要清晰的表达与理性的辩论。科学论证：设计选择需要有科学原理或实践经验的支撑，而非随意想象。任务四：动手制作与初步测试教师活动：强调安全规范后（尤其是过氧化氢使用须知），允许各小组领取材料，将设计图转化为实物。制作过程中，重点关注学生操作的规范性（如固体催化剂的取用、导管的连接与固定、检查气密性的方法）。设置“加油站”：提供应对常见问题的提示卡（如“连接处漏气怎么办？”、“产气太猛/太慢如何初步调整？”）。引导学生完成初步测试：连接装置，滴加过氧化氢，用带火星木条在出口处检验气体。学生活动：分工协作，动手组装装置。在遇到问题时，组内先尝试依据提示卡解决，或向教师求助。完成组装后，进行激动人心的“点火试验”，观察并记录现象，检验初步成功与否。即时评价标准：1.实验操作是否规范、安全（特别是液体试剂的取用与滴加）。2.面对制作中的技术问题，是否展现出解决问题（如查找漏气点）的耐心与策略。3.是否进行了有效的初步功能测试并记录了现象。形成知识、思维、方法清单：★实践出真知：图纸与实物之间存在差异，动手制作是检验和修正设计的最佳途径。▲故障诊断思维：当装置不工作时，学会系统性地排查问题（原理错误？药品失效？装置漏气？堵塞？）。证据意识：用带火星木条复燃的现象作为生成氧气的直接证据。任务五：优化迭代与功能拓展挑战教师活动：在大部分小组完成基础功能后，提出进阶挑战：“恭喜大家，你们的‘第一代’供氧器原型机诞生了！但工程师的工作不止于此。如何让它更好用？挑战1：如何定量比较不同小组供氧器的‘供氧效率’？（启发定义单位时间的产气量）挑战2：如何实现更精细的流量控制？挑战3（选做）：能否设计一个‘预警’装置，提示氧气即将耗尽？”鼓励学生利用剩余材料进行微创新改进。学生活动：部分小组在完成基础任务后，可选择接受优化挑战。尝试改进装置（如优化催化剂放置方式、增加缓冲瓶、尝试用不同口径导管控制气流等），并进行对比测试。思考并讨论教师提出的拓展性问题。即时评价标准：1.是否在原型基础上进行了有目的的改进尝试。2.改进是否有清晰的优化目标（更快、更稳、更便捷等）。3.对于拓展性问题，是否表现出探究的兴趣和初步的分析思路。形成知识、思维、方法清单：▲迭代优化：产品的完善是一个不断测试、发现问题、改进优化的循环过程，这是工程实践的常态。控制变量思想的应用：在探究影响产气速率的因素时，需明确每次只改变一个条件。STSE联系：将课堂作品的功能优化，与真实工业产品设计中对性能、用户体验的追求联系起来。第三、当堂巩固训练基础层（全体必做）：1.请用化学方程式解释你所制作的供氧器的工作原理。2.在下图装置简图中，标出各部分（如A:分液漏斗）的主要功能。综合层（大多数学生完成）：现有一个供氧器产气速率过慢，请从反应原理和装置设计两个角度，各提出一种可能的改进措施，并简述理由。挑战层（学有余力选做）：如果要将此供氧器用于为一个小型密封生态瓶（如养有少量水草的封闭瓶）定时补充氧气，请评价现有装置的局限性，并构思一个改进方向（无需画出详细图，描述思路即可）。反馈机制：基础层答案通过投影快速核对，强调方程式配平与条件标注。综合层问题抽取不同解决方案的小组分享，引导全班辨析其科学性（如“增加催化剂用量”与“增大过氧化氢浓度”有何不同影响？）。挑战层思路邀请学生自愿分享，教师点评其跨学科思维（联系生物呼吸作用、化学平衡移动）与创新性。第四、课堂小结知识整合：“让我们一起来‘复盘’今天的项目之旅。我们从‘需要氧气’这个需求出发（指向板书需求清单），选择了过氧化氢分解这个‘化学引擎’（指原理方程式），然后把它‘翻译’成了一个由不同部件组成的物理装置（指实物）。这个过程，就像搭积木，但每一块‘积木’（部件）的选择和摆放，都有化学道理在里面。”邀请学生用一句话总结本课核心收获。方法提炼：“今天我们不仅做了一个装置，更体验了一种解决问题的思路：面对复杂任务，先分解需求，再寻找原理支撑，然后设计转化，最后动手实现并不断优化。这就是项目式学习，也是很多领域创新的通用方法。”作业布置：必做作业：完善本组的设计草图，附上文字说明，并撰写一份简短的“产品说明书”（包括原理、使用方法、注意事项）。选做作业：1.查阅资料，了解生活中还有哪些场合需要小型供氧设备，它们的原理是什么？2.思考：我们制作的供氧器，其产生的氧气可能含有水蒸气，如何设计一个简单的干燥环节集成到装置中？六、作业设计基础性作业：1.完成课本上相关反应原理的巩固练习。2.绘制一份规范的简易供氧器装置图，并用化学术语标注各核心部件名称及其功能。拓展性作业：假设你是一位产品推广员，为你小组制作的“简易供氧器”设计一份图文并茂的宣传海报。海报需突出其设计亮点（如如何实现可控）、安全须知，并设想12个合理的应用场景（如：实验室备用氧源、小型水生生物运输增氧）。探究性/创造性作业：以“寻找‘催化剂’的替代品”或“供氧器的智能化想象”为主题，任选其一进行微型研究。可选方向包括：①查阅资料或设计家庭小实验，探究哪些日常生活物品（如土豆、猪肝、铁锈）可能对过氧化氢分解有催化作用，并比较效果。②发挥想象，如果为你的供氧器增加一个简单的电子模块（如单片机、传感器），你想实现什么智能功能（如定时供氧、氧气浓度监测报警）？画出你的概念设计框图。七、本节知识清单及拓展★1.过氧化氢分解制氧气原理：化学方程式为2H₂O₂==(MnO₂)==2H₂O+O₂↑。此反应在常温下进行，二氧化锰作为催化剂，大大加快了反应速率，且自身化学性质和质量在反应前后不变。这是本实践活动的化学基石。★2.催化剂及其作用：催化剂能改变化学反应速率，但不影响最终产物的种类和产量。在供氧器设计中，催化剂的选用（二氧化锰）和放置方式（如何与过氧化氢有效接触）直接决定了反应的启动方式和速率。★3.固液常温型气体发生装置：由盛放固体催化剂的容器（如锥形瓶）、添加液体反应物的控制部件（如分液漏斗或长颈漏斗加液封）、以及气体导出口组成。理解该装置是进行任何功能设计或变形的基础。★4.装置气密性检查：在装入药品前，必须检查装置连接处是否漏气。常用方法：将导管末端浸入水槽，用手捂住锥形瓶外壁，观察导管口是否有气泡冒出；松手后，导管内是否形成一段稳定的水柱。★5.气体的收集与验满方法：氧气可用排水法（因其不易溶于水）或向上排空气法（因其密度略大于空气）收集。用带火星的木条伸入集气瓶口（或置于导管出口），若木条复燃，则证明是氧气。▲6.反应的可控性设计：“可控”是本项目设计的核心挑战。主要体现在：①通过分液漏斗的活塞控制过氧化氢的滴加速率和量，实现“随用随开，随关随停”。②通过选择不同浓度的过氧化氢溶液或调节催化剂的量，来控制反应的剧烈程度。▲7.防倒吸设计：当反应停止，装置内温度降低可能导致压强减小，引起液体倒吸。采用“长颈漏斗下端液封”或确保导管在液体中“露出水面即止”是常见策略，以切断倒吸路径。8.功能结构对应思想：工程设计思维要求将抽象的功能需求（如“可控产气”）转化为具体的物理结构（如“带有活塞的分液漏斗”）。学会这种“翻译”能力，是跨学科实践的关键。9.原型与迭代：第一版作品称为“原型”。通过测试发现不足（如漏气、产气不稳），进行修改优化，产生改进版，此过程称为“迭代”。这是工程与产品开发的普遍规律。▲10.学科融合点（物理）：本设计涉及气压知识（气密性检查、液封原理）、流体流速与控制（导管口径、液位差影响流速）等物理概念，是学科交叉的生动案例。11.安全与环保意识：使用过氧化氢需避免接触皮肤、眼睛，防止其分解过快导致喷溅。实验后的剩余物（含二氧化锰的混合物）应妥善处理，培养绿色化学理念。▲12.从实验室到应用：虽然课堂作品简易，但其原理与功能模块（反应、控制、输出）与工业制氧机、医用便携式制氧设备的设计逻辑一脉相承，体现了科学技术的社会价值。八、教学反思（一）教学目标达成度分析从课堂观察和当堂作品来看，“知识目标”与“能力目标”达成度较高。几乎所有小组均能正确书写化学方程式，并成功制作出能产生氧气的装置，验证了原理。通过设计草图绘制和小组论证，大部分学生表现出了将原理转化为设计意图的初步能力。然而，“可控性”这一高阶目标的达成呈现明显分层：约半数小组仅实现了“能开能停”（通过停止滴加液体），仅有少数小组在教师点拨下对“平稳气流”进行了主动优化尝试。这提示，在后续类似项目中，对“优化”标准的引导和示范需要更加具体和前置。（二）核心环节有效性评估“任务二（解构原型）”是本课承上启下的关键支点，效果显著。通过引导学生对一套成熟装置进行“批判性”功能分析，而非直接模仿，有效激活了学生的深度思考，为后续自主设计打下了坚实的思维基础。有学生在讨论时说：“哦，原来这个漏斗不光是加东西的，下面的管子插到液面下还能防止气体跑掉！”这表明学生正在建立功能与结构的深层关联。“任务四（动手制作）”是课堂气氛的高潮，也是问题暴露最集中的环节。常见问题如连接不牢导致漏气、导管插入深度不当等，恰恰成为了最生动的学习资源。我采取的“加油站”提示卡策略，一定程度上培养了学生自主排查故障的能力，但部分小组仍过度依赖教师直接帮助。未来可考虑增设“技术顾问”学生角色，由先解决问题的小组成员担任，促进生生互学。（三）学生表现与差异化支持在异质分组中，不同特质的学生展现了多样化的贡献：善于逻辑分析的