探秘制氧：基于项目式学习的简易供氧器设计与制作

探秘制氧：基于项目式学习的简易供氧器设计与制作一、教学内容分析  本课教学内容源于九年级化学课程中“我们周围的空气”单元，是对“氧气的实验室制取”这一核心知识的深化与跨学科应用。从《义务教育化学课程标准（2022年版）》看，本课精准对标“科学探究与化学实验”、“物质的性质与应用”等学习主题。在知识技能图谱上，它要求学生不仅掌握过氧化氢（双氧水）在二氧化锰催化下分解制取氧气的反应原理（理解与应用层级），更要迁移运用“制取气体的一般思路与方法”，并理解催化剂的概念及其作用，这是连接“物质的变化”与“气体的制备”知识链的关键节点。在过程方法路径上，课标强调的“科学探究”在本课具象化为一个完整的微型工程项目：从明确需求、设计装置、动手制作到测试优化。学生将亲历“问题→设计→实践→评价→改进”的工程思维循环。在素养价值渗透上，本课是培育学生核心素养的绝佳载体：通过亲手制作解决实际问题的装置，深化“宏观辨识与微观探析”（理解反应本质）、“变化观念与平衡思想”（认识催化过程）、“证据推理与模型认知”（建构气体发生与收集装置模型）、“科学探究与创新意识”（设计并优化方案）以及“科学态度与社会责任”（体会化学对生活、医疗的贡献）。  学情方面，九年级学生已具备基本的化学实验操作技能和观察能力，对氧气性质及实验室制取方法有初步认知。然而，将离散的化学原理转化为一个功能化、集成化的实体装置，对学生而言存在显著挑战，这涉及跨学科的系统思维（如物理中的气压原理、工程中的结构稳定性）和复杂问题解决能力。常见的认知障碍包括：难以从“理想化实验室装置”向“简易实用装置”进行思维转换；在设计时忽略装置的密封性、安全性与可控性等工程要素。因此，教学中的过程性评估将至关重要，我将通过巡视观察小组设计草图、聆听讨论焦点、分析学生在制作与测试环节遇到的典型问题，动态把握学情。基于此，教学调适策略是提供分层“脚手架”：为概念转换困难的学生提供“装置元件功能卡”，降低设计门槛；为思维活跃的学生提供“挑战任务卡”，引导其思考如何实现供氧量的简易调节或废物处理，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  知识目标：学生能够深入阐释过氧化氢分解制氧的化学原理，准确描述催化剂在反应中的作用特点；能够系统梳理并应用“反应物状态、反应条件、气体性质”决定气体发生与收集装置选择的核心思路，并以此为依据，分析和评价不同简易供氧器设计方案的合理性。  能力目标：学生能够以小组为单位，协同完成从需求分析、方案设计、器材选配到动手制作、功能测试的完整流程；能够基于观察到的实验现象（如产生气泡的速率、排水集气的效果）和简单的测试结果，对自制供氧器的效能进行初步评估，并提出有依据的优化建议。  情感态度与价值观目标：学生能在项目合作中体验到分工协作、观点碰撞与共同解决问题的乐趣，形成严谨求实的科学态度；通过对供氧器应用场景（如医疗急救、高原旅行）的探讨，初步认识化学技术在社会生活与生命保障中的价值，激发学习化学的社会责任感。  科学（学科）思维目标：重点发展学生的“模型建构”与“系统思维”能力。引导学生将抽象的化学原理和实验规则，物化为一个具体的、有功能的装置模型（工程模型）；在设计与改进过程中，学习统筹考虑化学反应、装置结构、材料特性、操作安全等多个变量之间的关系。  评价与元认知目标：引导学生依据教师提供的简易量规（如“功能实现度”、“操作安全性”、“创新性”），对自身及他组的作品进行结构化评价；鼓励学生在项目结束后，回顾反思小组方案从雏形到成品的演变过程，总结在遇到困难时采取了哪些解决策略，从而提升对学习过程的监控与调节能力。三、教学重点与难点  教学重点：本节课的教学重点是引导学生基于过氧化氢制氧原理，运用气体制取的系统性思路，独立设计并制作出一个能成功产生并收集氧气的简易功能性装置。确立该重点的依据在于，它直接对应课标中“初步学习运用简单的装置和方法制取某些气体”的核心要求，是“物质制备”这一化学学科大概念在初中阶段的具体体现，也是将理论知识转化为实践能力的枢纽。同时，这一综合实践过程高度融合了科学探究的多要素，是发展学生核心素养的关键载体。  教学难点：本节课的教学难点在于学生如何突破理想化实验室装置的思维定式，在设计中统筹兼顾装置的功能性、安全性与简易性。难点成因在于，学生首次面临将化学原理转化为实用产品的工程挑战，需同步考虑反应控制（如如何平稳添加液体、防止反应过快）、气密性保障、操作便利及潜在风险（如压力释放）等多个以往被忽略的维度。这需要学生实现从单一学科思维向跨学科系统思维的跃迁。突破方向在于提供启发性案例分析和分阶段的设计“脚手架”，引导学生通过小组讨论，逐步完善方案。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：制作包含项目背景、原理回顾、设计范例、安全须知与评价量规的PPT课件；准备高原风景、医疗吸氧等情境图片或短视频。1.2实验器材（按小组配置）：塑料瓶（500mL，作反应容器）、小玻璃瓶或药瓶（盛放二氧化锰）、导管、橡胶塞、止水夹、水槽、集气瓶、毛玻璃片、打孔器、热熔胶枪（教师主导使用）；3%医用过氧化氢溶液、二氧化锰粉末、火柴、木条。1.3学习支持材料：“项目挑战书”任务单（内含需求说明、设计区、测试记录与反思区）；“思维加油站”卡片（提供不同连接方式、密封方法的提示）；分层“挑战任务卡”。2.学生准备2.1知识准备：复习实验室用过氧化氢制取氧气的原理、装置与操作步骤。2.2物品与分组：携带铅笔、尺子；课前完成45人的异质分组，并推选组长、记录员、操作员、汇报员等角色。3.环境布置3.1座位安排：教室调整为小组合作模式，每组合围一张大实验桌。3.2板书记划：黑板划分出“核心原理区”、“设计分享区”、“问题与智慧区”。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题驱动：1.1同学们，请看屏幕（播放一段简短的潜水员水下作业或高原边防战士巡逻的视频）。大家思考一下，在这些特殊的环境里，呼吸保障是如何实现的？对，需要携带供氧设备。那么，如果我们在野外考察或紧急医疗条件下，能否利用身边有限的材料，自制一个简易的供氧装置呢？今天，我们就来化身小小化学工程师，接受这个挑战！1.2要完成这个项目，我们需要哪些知识储备？还记得我们如何在实验室里“制造”氧气吗？谁能用最简洁的语言说出那个反应？很好，过氧化氢在二氧化锰催化下分解，这就是我们项目的“心脏”——化学反应核心。2.明确项目路径：2.1然而，实验室里成套的仪器搬到野外可不现实。所以，我们今天的目标是：利用常见材料，设计并制作一个能成功制取并收集氧气的简易供氧器原型。我们的行动路线是：分析需求→设计草图→动手制作→测试优化。大家已经分组就位，每组都拿到了“项目挑战书”，我们即将开启探索之旅。第二、新授环节任务一：从实验室到“战场”——需求分析与方案初设教师活动：首先，引导学生对比实验室标准装置与目标“简易供氧器”的区别。我会提问：“实验室的铁架台、分液漏斗在我们的简易装置中可以用什么替代？‘简易’是否意味着可以牺牲‘成功制取并收集到氧气’这个根本目标？”接着，发放“项目挑战书”，明确设计的基本要求：能发生反应、能收集气体、相对安全、便于操作。随后，提供塑料瓶、小药瓶、导管等实物材料，让学生直观感知。在小组讨论初期，我会巡回指导，重点关注学生是否将“固液常温反应”的原理与材料选择相结合，并提醒他们先在任务单上绘制设计草图，标注各部件功能，思考如何连接和固定。我会说：“先别急着动手，好的设计是成功的一半。画图的过程能帮你理清思路，想想气体从哪里产生，经过哪里，最后到哪里去。”学生活动：小组内展开头脑风暴，结合教师提示和实物材料，讨论装置设计方案。记录员在“项目挑战书”的设计区绘制装置草图，组员共同商议确定反应容器、催化剂添加方式、导气连接、集气方法等关键节点的实现方式。遇到困难时，可查阅“思维加油站”卡片或举手向教师提问。即时评价标准：1.设计方案是否体现了“固液常温反应”的核心原理（催化剂与反应物的接触方式是否合理）。2.草图是否清晰标示了气体流动路径与关键连接点。3.小组讨论是否全员参与，不同意见是否得到充分表达与协商。形成知识、思维、方法清单：★气体发生装置的设计依据：反应物状态（固+液）和反应条件（常温）决定了我们可选择“固液常温型”简易装置，其核心是实现固体催化剂与液体反应物的可控接触。▲从理想模型到实物转化：分液漏斗可控滴加的功能，可以转化为通过倾斜装置、或用注射器缓慢注入等方式来模拟，这是工程思维中“功能等效”的初步体现。★装置气密性是生命线：在设计阶段就必须提前规划各接口（如瓶塞与瓶子、导管与塞子）的密封方法，这是保证实验成功的关键前提，热熔胶、橡皮泥等都是可选材料。（注：因篇幅所限，此处展示两个完整任务作为示例，后续任务将简述核心）任务二：化图为物——动手制作与初步测试教师活动：在审核各组草图，确认基本方案可行后，允许学生领取选定的材料开始制作。制作过程中，我将重点巡视几个易出问题的环节：指导学生正确、安全地使用打孔器在瓶盖上打孔；演示热熔胶枪的规范使用方法，并强调安全；提醒学生检查导管连接处的气密性（可先用嘴吹气测试）。当大部分小组完成组装后，我将召集学生进行安全操作集体示范：“在加入反应物前，我们最后检查一次：排水法集气的准备工作做好了吗？止水夹是否处于关闭状态？好，现在请各组操作员，先向小药瓶中装入少许二氧化锰，固定好；然后向大瓶中加入约100毫升过氧化氢溶液，注意旋紧瓶盖。准备，开始反应！”观察各组的反应情况。学生活动：小组根据最终设计方案，分工协作进行实物制作：打孔、连接导管、密封接口、固定内部小瓶等。制作完成后，进行装置气密性自检。在教师统一指令下，进行首次制氧测试：将装置出口导管伸入水槽中装满水的集气瓶底部，打开止水夹，观察是否有连续气泡冒出并收集气体。即时评价标准：1.实验操作是否规范、安全，特别是工具使用和药品取用。2.小组分工是否明确、协作是否高效有序。3.能否根据观察到的气泡产生情况，初步判断装置是否成功运行。形成知识、思维、方法清单：★实践是检验设计的唯一标准：设计草图在实物化过程中会暴露出未曾预料的问题（如导管太长、瓶盖打孔偏移），需要即时调整，这体现了“设计迭代”的工程思想。▲安全规范贯穿始终：化学实验的安全意识（如药品取用、避免喷溅）与手工制作的安全操作（如工具使用）同等重要，必须时刻牢记。★观察与证据收集：产生的气泡是否连续、均匀，是判断反应是否平稳、装置是否通畅的直接证据，为后续优化提供依据。任务三：见证成果——氧气检验与效能评估教师活动：待各组收集到约半瓶气体后，引导进行氧气检验。“大家已经收集到了气体，它是不是氧气呢？我们需要用化学的‘眼睛’——检验方法来确认。回忆一下，氧气有什么独特的‘自我介绍’方式？”学生回答后，指导他们用带火星的木条进行检验。之后，引导学生进入评估阶段：“恭喜各位工程师，原型机基本成功！但我们的工作还没结束，一个好的产品需要不断优化。请大家从这几个维度评估一下你们的作品：出氧速度快还是慢？操作方便吗？有没有漏气或液体倒吸的风险？想想看，有哪些地方可以改进？”学生活动：用排水法收集气体，并用带火星的木条伸入集气瓶中进行检验，观察木条是否复燃，并记录现象。小组内部根据测试体验和教师提出的维度，讨论本组装置的优点与待改进之处，并记录在“项目挑战书”的反思区。即时评价标准：1.氧气检验操作是否规范，现象描述是否准确。2.小组评估是否客观、全面，能否结合具体观察指出装置的优缺点。3.能否提出至少一条有明确方向的改进设想。任务四：思维进阶——优化迭代与跨学科联结教师活动：邀请12个小组分享他们的评估结果和改进想法。在此基础上，提出进阶挑战：“如果我们希望这个供氧器能模拟‘持续缓慢供氧’，或者能‘随开随用、随关随停’，可以在设计上做哪些改进？”引导思维向更高层次发展。同时，建立跨学科联系：“大家思考一下，我们克服了哪些‘力’才让气体顺利导出并收集？对，大气压和液体压力。这就是物理知识在化学装置中的应用。一个优秀的工程设计，往往是多学科智慧的结晶。”学生活动：聆听他组分享，吸收有益思路。针对教师提出的进阶挑战，进行更深入的思维碰撞。尝试从控制反应速率（如调整催化剂接触面积、使用更细的滴加管）或优化阀门控制（如增加多个止水夹）等角度，提出创新性优化方案，并在草图旁进行补充标注。形成知识、思维、方法清单：▲控制变量思想的延伸：供氧速率可以通过控制反应物的接触面积、溶液浓度、滴加速率等多个变量进行调节，这为装置功能优化打开了思路。★工程设计的平衡艺术：优化往往意味着权衡，例如追求完全密封可能牺牲了便捷性，追求快速供氧可能增加了失控风险，需要在多重目标间找到平衡点。▲气压是驱动与约束：理解排水集气背后的大气压原理，以及装置内外气压平衡的重要性，是预防液体倒吸、保证气流顺畅的关键物理概念。第三、当堂巩固训练  本环节设计分层任务，学生可根据本组装置完成情况及自身兴趣选择完成。1.基础层（必做）：完善“项目挑战书”中的测试记录与反思部分，清晰描述实验现象（包括氧气检验），并列出本组装置最突出的一个优点和一个待改进点。2.综合层（选做）：绘制一幅优化后的装置设计图（可基于原图修改），用文字简要说明优化之处及其预期解决的问题。思考：如果反应物中的过氧化氢浓度增加一倍，你的装置设计需要做何调整以确保安全？3.挑战层（选做）：以“首席设计师”的身份，撰写一段简短的产品说明，向“客户”（如户外探险队）介绍你的供氧器设计特点、使用方法和注意事项。或者，构思如何将太阳能、小型气泵等元素融入设计，实现装置的“升级版”。  反馈机制：基础层任务由小组内交叉检查并教师抽查；综合层与挑战层的成果，将利用教室实物展台或拍照投屏进行快速展示分享，由教师和其他小组进行简短点评，聚焦于思维的创新性与可行性。第四、课堂小结  引导学生一同回顾本节课的“项目历程”。知识整合方面，我在黑板上用概念图梳理从“化学原理（过氧化氢分解）”到“设计依据（固液常温）”，再到“装置模型（发生、收集、净化等模块）”的逻辑链条。方法提炼方面，我强调：“今天我们不仅复习了一个化学反应，更重要的，我们体验了一次完整的微型工程实践：定义问题、设计方案、动手实施、测试评估、思考优化。这就是科学家和工程师们解决问题的基本方式。”作业布置如下：必做作业——整理本节课的核心知识原理与实验报告；选做作业（二选一）——（1）查找生活中还有哪些场合使用小型供氧设备，了解其工作原理；（2）尝试寻找更环保、易得的催化剂（如土豆块、锈铁钉）进行家庭小实验（注意安全），比较效果。最后，预告下节课我们将探讨氧气的另一种制取方法，并比较不同方法的优劣。六、作业设计  基础性作业：1.书面完成实验报告，清晰陈述过氧化氢制氧的原理、催化剂作用、简易供氧器的设计思路及测试结果。2.完成课后习题中关于气体发生装置选择的配套练习。  拓展性作业：设计一份“家庭应急简易供氧包”方案清单。列出所需材料（均需为家庭常见或药房可购物品），并画出示意图，说明其组装和使用步骤。思考在紧急情况下，如何快速获取或替代化学药品（如医用双氧水）。  探究性/创造性作业：以“未来供氧技术”为主题，进行一项开放性调研或创意设计。可以撰写一篇小短文，设想一种基于新材料、新原理（如光合作用仿生、电化学制氧）的便携供氧装置；或利用编程与传感器知识（如Arduino），设计一个能监测氧气浓度并自动控制供氧的智能模型概念图。七、本节知识清单及拓展★1.过氧化氢分解制氧原理：化学方程式为2H₂O₂(MnO₂催化)→2H₂O+O₂↑。这是典型的分解反应，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。教学提示：可类比“红娘”促进结合与分离，但自身不结婚，帮助学生理解催化剂的“参与但不变”特性。★2.催化剂及其特点：催化剂的核心价值在于“选择性”和“高效性”。并非所有反应都需要或能找到催化剂，且一种催化剂通常只对特定反应有效。教学提示：可简单提及工业上寻找合适催化剂是技术关键，如合成氨中的铁触媒。★3.气体发生装置的选择模型：这是本节课的核心思维模型。选择依据首要看反应物状态（固固、固液、液液）和反应条件（加热、常温）。固液常温反应最易实现简易化装置。教学提示：带领学生对比实验室制氧气（高锰酸钾加热、氯酸钾加热）的装置差异，强化这一模型。★4.简易固液常温发生装置的设计要点：包括（1）如何盛放固体（置于多孔容器或底部）；（2）如何控制液体加入（倾倒、注射器注入）；（3）如何确保气密性（瓶塞、接口密封）；（4）如何导出气体（导管连接）。教学提示：这是工程实践的起点，鼓励学生尝试多种实现方式。▲5.排水集气法的物理原理：利用氧气不易溶于水的性质，更重要的是利用气体产生时瓶内气压增大，将水排出。其背后是大气压的作用。教学提示：可做简单类比，如同向充满水的塑料袋吹气将水挤出。★6.氧气的检验方法：将带火星的木条伸入集气瓶中，若木条复燃，则该气体是氧气。这是氧气的特征性检验方法。教学提示：强调“带火星”与“燃着”的区别，以及操作规范性（缓慢伸入瓶内）。▲7.装置气密性检查的简易方法：对于这类简易装置，可在组装后，将导管末端浸入水中，用手温热反应容器（如塑料瓶），观察导管口是否有气泡冒出；松开手后，导管内是否形成一段稳定水柱。教学提示：这是保证实验成功的关键操作习惯，务必养成。★8.工程思维中的“迭代优化”：初步成功的原型不是终点。基于测试反馈（如出氧速度、操作便利性、稳定性）进行改进，是工程设计的核心环节。优化可能涉及结构、材料或控制方式。教学提示：引导学生接受“第一次不完美”是常态，持续改进才是科学精神。▲9.安全与风险评估意识：化学制品的安全使用（如避免过氧化氢接触皮肤、眼睛）、装置承压极限（避免使用完全密封的刚性容器）、防止液体倒吸等，是设计时必须前置考虑的问题。教学提示：安全是任何科学实践不可逾越的红线。▲10.过氧化氢的浓度与应用：实验室常用3%10%的过氧化氢，浓度过高（如>30%）具有强腐蚀性和爆炸风险，需严格管理。医用双氧水（通常3%）是安全的反应物来源。教学提示：建立浓度与用途、风险关联的观念，解释为何我们使用低浓度溶液。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析：从课堂观察和任务单反馈看，绝大多数小组成功制作出了能产生并收集氧气的装置，知识目标与能力目标中的实践操作部分达成度较高。学生能准确描述原理和操作步骤。然而，在能力目标的高阶部分——提出有依据的优化建议，以及科学思维目标中的系统权衡能力上，表现出现明显分层。部分小组的优化思路仍停留在“更牢固”、“更美观”层面，未能深入反应控制或功能扩展。这提示我在“任务四”的引导中，应提供更具体的优化案例或对比实验，搭建更扎实的思维阶梯。  （二）核心环节有效性评估：导入环节的情境创设成功激发了兴趣。“动手制作”环节学生参与度极高，但时间略显紧张，部分小组在密封环节耗时过多，影响了后续深度评估。我意识到，提前录制一段“关键接口密封技巧”的微视频，供有需要的小组扫码观看，可能是更高效的差异化支持手段。小组协作整体有效，但个别组仍存在“能者多劳”现象，角色分工流于形式。下次需在任务单中嵌入更明确的角色任务清单和互评表，强化个体责任。  （三）学生表现的深度剖析：学有余力的学生（如选择挑战层任务者）展现了惊人的创造力，