基于工程思维的简易供氧系统设计与制作-九年级化学跨学科项目式学习活动设计

基于工程思维的简易供氧系统设计与制作——九年级化学跨学科项目式学习活动设计一、教学内容分析  本项目隶属于人教版九年级化学上册第二单元《我们周围的空气》的延伸与实践环节，是“物质的性质与转化”大概念下的工程实践载体。从课标深度解构，其知识技能图谱聚焦于“氧气”这一核心物质：学生需理解氧气的实验室制取原理（高锰酸钾或过氧化氢分解），掌握其收集与检验方法（识记与理解层级），并进一步在真实需求驱动下，应用这些知识解决简易供氧装置的设计问题，实现了从“知道是什么”到“解决怎么办”的认知跃迁。过程方法上，本课高度融合“科学探究”与“技术与工程实践”，引导学生经历“明确需求→方案设计→原型制作→测试优化”的完整工程流程，这正是“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”等化学核心素养落地的具体路径。素养价值渗透方面，项目以“特定需求”（如高原旅行、家庭急救、鱼塘增氧）为出发点，引导学生关注化学与生活、社会、技术的关联，培育“科学态度与社会责任”，理解化学知识在满足人类需求、改善生活质量中的创造性价值。  学情诊断方面，九年级学生已初步学习氧气的基本性质与实验室制取方法，具备一定的实验操作基础与小组合作经验，对动手制作兴趣浓厚。然而，将离散的化学知识整合为一个功能化、情境化的工程系统，对学生而言是认知上的巨大跨越。主要障碍可能在于：系统思维欠缺，难以统筹考虑反应可控性、气体纯度、装置气密性、安全性等多重要素；工程思维薄弱，在设计时易忽略成本、简易性、可靠性等实际约束条件。教学调适策略上，教师需提供结构化的设计支架（如设计任务单），将大问题分解为可操作的子任务；通过提供不同复杂度的材料包（如可选用注射器、塑料瓶、软管等多种组件），支持差异化设计；在过程中加强巡回指导，针对“卡点”提供及时的策略性提示，如“大家想想，怎么让过氧化氢的滴加速度可控呢？”。二、教学目标  知识目标：学生能系统阐述实验室制取氧气的化学反应原理（以过氧化氢分解为主），并能依据反应物状态和反应条件，有理有据地选择和优化发生装置；能精准说明氧气收集与检验的物理、化学依据，并将其迁移应用于自制装置的功能实现与效能评估中。  能力目标：学生能够以小组为单位，遵循工程设计流程，完成一份包含装置示意图、材料清单、操作步骤及安全预案的简易供氧器设计方案；能够安全、规范地动手制作原型，并通过实验测试其功能，依据观察到的现象（如气泡产生速率、木条复燃情况）进行初步的性能分析与问题诊断。  情感态度与价值观目标：在项目协作中，学生能主动承担角色任务，乐于分享创意并倾听同伴意见，共同应对挑战；通过将化学知识应用于解决真实或拟真需求，深刻体会化学的实用价值，初步建立基于科学原理进行技术创新、服务社会的责任感。  科学（学科）思维目标：重点发展学生的“系统思维”与“模型认知”能力。引导他们将一个复杂的供氧需求，分解为“产气、控速、收集、验纯、供气”等多个子系统进行思考，并尝试构建“需求原理结构功能”之间的逻辑模型，实现从具体装置到抽象原理的思维升华。  评价与元认知目标：引导学生使用量规（如功能性、安全性、创新性、环保性）对自评、互评作品；鼓励学生在项目各阶段后进行“思维快照”记录，反思如“我们小组最大的设计调整是什么？为什么？”等问题，提升对工程设计与问题解决过程的元认知监控能力。三、教学重点与难点  教学重点：基于化学反应原理进行简易供氧装置的工程化设计与系统整合。其确立依据在于，此过程是将本单元核心知识（氧气制取）转化为解决实际问题的综合能力的关键枢纽，它不再是单一知识点的应用，而是对物质性质、反应原理、实验装置、操作技能乃至工程约束（如简易、安全）的统整性实践，高度契合化学学科核心素养中“科学探究与创新意识”的要求，也是培养学生高阶思维和解决问题能力的核心环节。  教学难点：学生如何将化学原理与工程需求相结合，实现“可控、安全、有效”的供氧功能设计。难点成因在于其综合性：首先，它要求学生克服“实验室标准装置”的思维定势，根据特定需求（如便携、可控制氧量）进行再创造；其次，设计需平衡多重要素，例如，如何用简易材料实现固液反应的随时开始与停止（可控性），如何确保装置气密性并防止液体倒吸（安全性），这对学生的创新思维与系统思维提出挑战。预设突破方向是通过提供多样化材料选项、展示经典简易装置案例作为“思维跳板”，并引导小组进行“设计论证迭代”的循环讨论。四、教学准备清单  1.教师准备  1.1媒体与教具：教学课件（含多种应用场景视频/图片、工程设计流程导图）、不同原理的简易供氧器范例（实物或清晰结构图）。  1.2实验器材与材料：分组材料包（提供基础与拓展两类组件）：基础包（塑料瓶、导管、止水夹、二氧化锰、过氧化氢溶液、集气瓶、水槽、木条、火柴）；拓展包（注射器、Y型管、单向阀、安全瓶组件、不同规格容器）。通用实验器材（护目镜、手套、抹布、废液缸）。  1.3学习支持材料：《项目设计任务书》（内含需求背景、设计要点提示、评价量规）、《小组活动记录与反思单》。  2.学生准备  2.1知识预习：复习实验室制取氧气的原理、装置与步骤。  2.2小组组建：45人异质分组，推选组长，初步进行角色分工（如设计师、材料师、安全员、记录员）。  3.环境布置  3.1座位安排：小组围坐式，便于讨论与协作。  3.2板书记划：预留“核心原理区”、“设计要点区”、“小组创意展示区”。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与冲突激发：“同学们，请看屏幕。这是一段高原旅行的视频，有人出现了轻微高原反应；这是一个家庭医疗急救箱；这是一个清晨缺氧的鱼塘。它们看似无关，但都有一个共同的核心需求——那就是及时补充氧气。实验室里我们能规范地制取氧气，但到了这些真实、复杂甚至紧迫的场景下，该怎么办呢？”  1.1核心问题提出与路径勾勒：“今天，我们就化身小小化学工程师，接受一项挑战：基于一个特定需求，设计和制作一个简易、可行的供氧器原型。我们不再仅仅是知识的‘学习者’，更是知识的‘应用者和创造者’。我们的路线图很清晰：第一步，分析需求，明确设计目标；第二步，回顾原理，这是我们所有设计的‘心脏’；第三步，头脑风暴，画出你们组的创意蓝图；第四步，动手制作，把图纸变为现实；最后，测试展示，看看谁的设计更胜一筹。大家准备好了吗？让我们一起从化学实验室，走向工程实践场！”第二、新授环节  任务一：分析需求，明确设计目标  教师活动：分发《项目设计任务书》，内含三个差异化情境（情境A：高原便携式增氧器，强调轻便、可控吸氧；情境B：家庭急救用氧器，强调快速启动、安全可靠；情境C：鱼塘应急增氧机，强调产氧量大、持续供氧）。引导学生阅读并小组讨论：“你们组选择或自拟哪个需求？这个需求对供氧器的核心要求是什么？是更关注便携、快速，还是产氧量？”巡视中，我会追问：“对于‘便携’，在材料选择上你有什么想法？”“‘快速启动’在化学原理上如何实现？”  学生活动：小组讨论，选定或共同商定一个拟解决的需求情境。分析该情境下的具体约束条件（如使用环境、使用者、核心性能指标），并尝试用关键词（如“可控制氧量”、“防液体倒吸”）提炼出23条核心设计目标，记录在任务单上。  即时评价标准：1.能否清晰陈述所选需求的特点。2.提炼的设计目标是否与该需求紧密相关、具体可操作。3.小组讨论时，成员是否均参与了意见表达。  形成知识、思维、方法清单：★工程设计的起点是需求分析。任何技术产品的设计都不是凭空想象的，必须首先明确“为谁设计”、“在何种场景下使用”、“需要解决什么核心问题”。这体现了“科学态度与社会责任”素养中关注社会需求的面向。▲从需求到技术指标的转化是工程思维的关键一步，例如将“高原便携”转化为“装置总质量轻、便于携带、能间歇可控供氧”。  任务二：回顾原理，锚定化学核心  教师活动：“设计目标有了，我们的‘动力来源’是什么？没错，就是氧气制取的化学反应。”通过提问引导学生快速回顾：“我们学过哪些实验室制氧法？哪种更适合我们今天的简易、可控制作场景？为什么？”聚焦过氧化氢在二氧化锰催化下分解的原理。强调：“这是我们的能量源泉，但实验室的严整装置需要被‘重塑’。大家想想，这个反应原理给了我们什么‘设计自由度’？又带来了什么‘设计挑战’？”（如：固液常温反应，便于启停控制；但可能产生气体速率不稳、液体易倒流等问题）。  学生活动：集体回顾并确认以过氧化氢分解为主要反应原理。思考并讨论该原理应用于简易装置时的优势与潜在问题，为后续设计环节奠定基础。  即时评价标准：1.能否准确复述反应原理与条件。2.能否基于原理初步分析其应用于简易装置的利弊。  形成知识、思维、方法清单：★过氧化氢（双氧水）分解制氧气：化学方程式为2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑。这是固液常温型反应。▲原理决定基本架构：该原理决定了发生装置必然包含盛放液体（H₂O₂）和固体催化剂（MnO₂）的容器，以及让它们可控接触与分离的机构。这是“结构决定性质，性质决定用途”的逆向思维应用。  任务三：方案设计与草图绘制  教师活动：这是核心“脚手架”环节。首先展示几种简易发生装置的思路（如“固液接触型”、“注射器推注型”等），但不提供完整方案。抛出引导性问题链：“如何让二氧化锰和过氧化氢‘碰面’并开始反应？”“反应太剧烈了怎么办？能不能让它们‘分开’来停止反应？”“产生的氧气怎么收集和导出？怎么防止液体被气体‘倒推’回来？”分发材料清单，鼓励学生利用可选材料构思。巡视中，针对不同层次小组进行差异化指导：对基础组，帮助厘清气体流向；对进阶组，挑战他们思考如何实现“流量调节”或“添加安全瓶”。  学生活动：小组进行头脑风暴，结合材料清单，构思本组供氧器的整体结构。在任务单上绘制设计草图，标注各部分材料及功能，并尝试用箭头表示气体流动路径。讨论可能遇到的问题及应对策略。  即时评价标准：1.设计草图是否体现了清晰的化学反应发生、气体收集/导出的路径。2.是否考虑了反应的控制与安全问题（如可控启停、防倒吸）。3.小组成员间是否围绕设计进行了有效的辩论与协商。  形成知识、思维、方法清单：★气体发生装置的设计核心是控制反应。关键在于实现反应物的可控接触与分离。常用简易方法包括：将固体置于多孔容器中浸入液体，或通过挤压、倾斜等方式使液体流入固体所在区域。▲安全瓶（缓冲瓶）的作用：在气体通路中增加一个空瓶，可以防止液体倒吸进入发生装置或进入输气管路，是重要的安全设计。★系统思维在此任务中至关重要，需将化学反应器、气体管路、收集/输出终端、安全部件视为一个整体进行布局。  任务四：原型制作与功能实现  教师活动：强调安全规范（佩戴护目镜，小心使用化学品）后，宣布制作开始。提供“技术支持热线”：对于普遍性问题（如连接处漏气），进行集中微型讲解演示。鼓励小组边制作边调试：“别怕失败，现在发现问题就是最大的成功！试试这里用热熔胶密封一下？”“你们组的反应速率感觉怎么样，需不需要调整催化剂用量或者液体浓度？”关注各小组进度，提醒记录员记录制作过程中的关键调整与发现。  学生活动：小组依据设计草图，选取材料，分工协作进行组装。在初步组装后进行气密性检查（如将导管口浸入水中，微热容器）。然后加入试剂进行初步测试，观察反应情况，并根据测试结果对装置进行微调（如加固连接、调整导管位置、增减催化剂）。  即时评价标准：1.实验操作是否规范、安全。2.能否根据测试结果对装置进行有效的诊断与调整。3.小组分工是否明确，协作是否高效有序。  形成知识、思维、方法清单：★气密性检查是成功的前提。对于简易装置，可采用微热法或液差法进行快速检验。▲催化剂用量与反应速率：在给定反应物浓度和温度下，催化剂用量会影响初始反应速率，这是一个可以通过实验优化的工程参数。★工程实践的迭代性：设计制作测试调整是一个循环过程，真正的设计往往在动手制作中才得以完善和实现。  任务五：性能测试、展示与评价  教师活动：组织“微型产品发布会”。要求每组展示作品，并现场演示两个核心功能：1.制取并检验氧气（用带火星木条）；2.展示其一项特色设计（如可控启停、流量调节）。引导其他小组作为“用户”和“评委”提问与评价：“请问你们的设计如何确保在颠簸环境下不泄露？”“这个设计的最大优点和可能改进点是什么？”教师最后结合评价量规进行总结性点评，肯定创意，指出共性问题。  学生活动：小组代表展示并演示作品功能，阐述设计理念与特色。其他小组观看、提问，并依据评价量规进行小组互评。各小组根据演示和反馈，完成《活动记录与反思单》中的总结部分。  即时评价标准：1.展示是否清晰，能否合理解释设计思路。2.功能演示是否成功、规范。3.提问与评价是否基于观察、依据量规，体现建设性。  形成知识、思维、方法清单：★氧气的检验方法：将带火星的木条伸入集气瓶或导管口，若木条复燃，则证明是氧气。这是基于氧气助燃性的定性检验。▲基于证据的评价：对工程产品的评价应基于其是否满足预设需求（功能性）、是否安全可靠、是否具有创新性等可观察、可测量的指标，而非主观喜好。第三、当堂巩固训练  基础层（全员参与）：请根据你们小组的设计与制作经验，绘制一幅你们最终版简易供氧器的装置图，并用文字简要说明各部分的功用，以及如何实现反应的“开始”与“停止”。  综合层（多数学生挑战）：如果现在需求变更为“为一个小型仓鼠笼在运输途中提供持续、温和的氧气流”，你们小组的设计需要做出哪些关键调整？请列出至少两点，并从化学原理或装置结构上解释原因。  挑战层（学有余力选做）：查阅资料，了解商业化的“便携式化学制氧器”（如某些高原用制氧机）的工作原理。对比你们今天的自制装置，分析其在反应原理、控制系统、安全性设计上的先进之处，思考化学工程是如何将实验室原理转化为成熟产品的。  反馈机制：基础层练习通过小组内交换检查、教师抽查进行快速反馈；综合层与挑战层问题，抽取不同思路的学生分享答案，教师进行点评和归纳，重点强化“需求变化驱动设计迭代”的工程思维。第四、课堂小结  “同学们，今天我们从‘用户’需求出发，走完了一次小小的化学工程之旅。现在，请大家闭上眼睛，在脑海里‘画’出一条线：我们从‘需求分析’开始，找到‘化学原理’这个发动机，然后进行‘方案设计’画蓝图，接着‘动手制作’把蓝图变实物，最后‘测试优化’让它更好用。这条线，就是工程思维的闭环。”请学生用关键词或简图在笔记本上梳理这个流程。然后总结：“化学不仅是试管中的奇妙反应，更是我们用来创造、用来解决问题的强大工具。课后，请大家完成分层作业，继续深化我们的思考。下节课，我们将探讨另一种重要气体的制取，相信有了今天的经历，你们会有更深的感悟。”六、作业设计  基础性作业（必做）：1.整理本节课的核心知识清单，包括制氧原理、装置设计要点、氧气检验方法。2.写一篇简短的制作日记，记录你们小组在设计制作过程中遇到的一个主要问题及解决方案。  拓展性作业（建议完成）：假设你是一位产品设计师，请为你制作的简易供氧器设计一份简要的“产品说明书”，需包含：产品名称、适用场景、使用方法、注意事项。要求图文并茂，语言通俗易懂。  探究性/创造性作业（选做）：探索其他简易制氧方法（如利用氯酸钾与二氧化锰加热，注：强调必须在绝对安全条件和成人监护下进行理论探讨，不实际操作），或探究不同催化剂（如土豆块、氧化铁等）对过氧化氢分解速率的影响，设计一个对比实验方案。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2H₂O₂MnO₂2H₂O+O₂↑。这是固液常温反应，催化剂MnO₂加快反应速率但本身质量和化学性质不变。此为所有设计的化学基础。  ★2.简易气体发生装置设计核心：实现反应物的“可控接触”。常见思路有：将固体催化剂置于有孔容器（如纱布包、塑料盒扎孔）浸入液体；或通过挤压容器、倾斜角度使液体流入固体区。反应停止的原理是使固液分离。  ▲3.防倒吸安全设计：在气体导出的路径中增加一个空瓶作为“安全瓶”或“缓冲瓶”，可有效防止液体因压力变化倒流回发生装置，是重要的工程安全思维。  ★4.氧气检验方法：将带火星的木条伸入气体中，木条复燃，证明是氧气。这是基于氧气支持燃烧的化学性质进行的定性检验。  ★5.工程实践基本流程：明确需求→确定原理→设计方案→制作原型→测试优化。这是一个非线性的、迭代的过程，失败和调整是其中不可或缺的环节。  ▲6.系统思维在装置设计中的应用：供氧器是一个系统，需统筹考虑发生、净化（如需）、收集/输送、控制、安全等子系统之间的匹配与协调。  ★7.气密性检查：装置组装后必须检查气密性。简易方法：将导管末端浸入水中，用手掌或热毛巾捂住发生器外壁，若导管口有气泡冒出，冷却后形成一段稳定水柱，则气密性良好。  ▲8.催化剂用量对反应的影响：在反应初期，增加催化剂用量通常会加快反应速率。但在简易装置中，需考虑反应剧烈程度与气体导出能力的匹配，避免因产气过快导致液体喷出或装置破裂。八、教学反思  （一）目标达成度评估本节课以项目式学习贯穿始终，从课堂观察和任务单反馈看，绝大多数小组成功制作出具备基本功能的供氧器原型，知识目标（原理应用）与能力目标（设计制作）达成度较高。学生在展示环节能清晰阐述设计思路，科学思维目标中的系统思维初现端倪。小组协作普遍积极，但在深度辩论和基于证据的优化方面，各组水平参差，情感态度与元认知目标的完全达成需要更长期的培养和更多元的评价嵌入。  （二）环节有效性分析导入环节的情境对比成功激发了兴趣和内在动机。“需求分析”任务（任务一）是点睛之笔，有效避免了学生陷入盲目模仿实验室装置的窠臼，真正体现了“学以致用”。任务三（方案设计）是思维密度最高的环节，提供的“问题链”脚手架和差异化材料包起到了关键支撑作用。部分小组在绘图时仍存在表达不清的问题，未来可提前提供简单的绘图符号范例。制作环节（任务四）时间略显紧张，导致部分小组的调试优化不够充分，“迭代”过程体现不足。这提醒我，此类实践课必须给予学生充足的“试错修正”时间。  （三）学生表现与差异化