簡(jiǎn)易供氧器制作的實(shí)踐活動(dòng)

摘要：通過查閱文獻(xiàn)了解制取氧氣的現(xiàn)狀及發(fā)展歷程；通過簡(jiǎn)易供氧器制作拓展知識(shí)邊界、建構(gòu)認(rèn)知新模型和提高工程技術(shù)素養(yǎng)等。經(jīng)過不斷地優(yōu)化制作方案的實(shí)踐以及系列評(píng)價(jià)，逐步調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和方法。這種將理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，可以使教學(xué)更符合實(shí)情規(guī)律，過程更銜接貫通，進(jìn)而能促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)制作；簡(jiǎn)易供氧器；實(shí)踐活動(dòng)；過碳酸鈉和二氧化錳教育部《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提出，學(xué)生跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)原則上所用課時(shí)不少于本學(xué)科總課時(shí)的10%［1］，“設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易供氧器”作為項(xiàng)目主題已被納入初中項(xiàng)目學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教材，其目的是通過變革學(xué)習(xí)方式以鼓勵(lì)學(xué)生富有創(chuàng)造性地完成學(xué)習(xí)任務(wù)和重構(gòu)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)以突破傳統(tǒng)的單一學(xué)科學(xué)習(xí)方法的束縛。1問題的提出1.1教材供氧器的分析人教版《化學(xué)》上冊(cè)第33頁至40頁核心內(nèi)容是制取氧氣，學(xué)生通過教材可以掌握實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的原理、氣體的發(fā)生和收集裝置、操作步驟、收集方法和檢驗(yàn)方法等。通過資料卡片可以了解到工業(yè)上利用低溫加壓分離液態(tài)空氣制取氧氣，以及教材第80頁運(yùn)用電解法制取氫氣和氧氣以探究水的組成［2］。雖然學(xué)生根據(jù)教材初步認(rèn)識(shí)了制取氧氣的方法并能組裝簡(jiǎn)易的發(fā)生和收集裝置，但所涉及的知識(shí)面較窄，思維不夠開闊，往往不能夠理論聯(lián)系實(shí)際，缺少質(zhì)疑和批判精神。通過特定需求設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易供氧器可以拓展知識(shí)邊界、建構(gòu)新模型、提高工程技術(shù)素養(yǎng)等。1.2研究現(xiàn)狀及分析近年來，供氧的方式多種多樣。如以空氣為原料的家庭制氧機(jī)，利用分子篩的吸附性能，把空氣中的氮?dú)夂脱鯕膺M(jìn)行分離得到較高濃度的氧氣。以化學(xué)試劑為原料，通過化學(xué)反應(yīng)制取氧氣，如過碳酸鈉與雙氧水反應(yīng)制取氧氣；“氧燭”主要以固態(tài)含氧化合物為原料，通過催化分解，制備高純度的氧氣；二氧化碳分別與水蒸氣和超氧化鉀反應(yīng)制氧等。以水為原料，如潛水艇、航空艙和坑道等在密閉的環(huán)境下利用電解水制取氧氣。還可以直接利用儲(chǔ)存氧供氧。這些特定需求都為設(shè)計(jì)制作供氧器提供了成功的案例。特定需求條件下設(shè)計(jì)制作的供氧器不僅要考慮使用環(huán)境和使用對(duì)象，還要考慮具體的技術(shù)手段、材質(zhì)的選擇、氣體的密封性、壓強(qiáng)的檢測(cè)、氣體的流速等。1.3創(chuàng)設(shè)特定需求鑒于該項(xiàng)目涉及到多門跨學(xué)科知識(shí)，可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。如創(chuàng)設(shè)“基于野外環(huán)境下急救設(shè)計(jì)制作供氧器”這一實(shí)踐活動(dòng)，既要考慮到“野外環(huán)境下”可能缺電，不能用電解法制取氧氣，還要考慮到“急救”時(shí)，制取氧氣速度要及時(shí)，并能長(zhǎng)時(shí)間供人呼吸，因此也不能用加熱高錳酸鉀（或氯酸鉀和二氧化錳）的方法來制取氧氣。1.4滿足供氧器的設(shè)想供氧器密封效果要好，便于隨身攜帶，操作簡(jiǎn)便，制取快速，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，效果明顯。試劑和儀器要便于購(gòu)買，實(shí)驗(yàn)過程要求節(jié)能環(huán)保。2實(shí)踐活動(dòng)2.1制氧劑選擇查閱文獻(xiàn)資料得知，不同制氧劑能實(shí)現(xiàn)不同的制氧目標(biāo)，需要考慮使用場(chǎng)所和試劑的特點(diǎn)。常溫下制得氧氣的方式主要有以下三種。（1）利用過碳酸鈉和二氧化錳制氧氣過碳酸鈉和二氧化錳混合物加入水中后，可迅速產(chǎn)生氧氣。反應(yīng)原理：2Na2CO3·3H2O22Na2CO3+3H2O2；2H2O2催化劑2H2O+O2↑。（2）利用高錳酸鉀和過氧化氫溶液制氧氣過氧化氫溶液和高錳酸鉀反應(yīng)制取氧氣分為以下兩種情況，均可迅速產(chǎn)生氧氣［3］。反應(yīng)原理：①酸性條件下：2KMnO4+5H2O2+3H2SO4K2SO4+2MnSO4+5O2↑+8H2O。②中性或堿性條件下：2KMnO4+3H2O22KOH+2MnO2+2H2O+3O2↑。（3）利用過氧化鈉制氧氣過氧化鈉與水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氧氣，也能與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈉和氧氣，但不能與木材、紙、布等可燃物接觸，以免引起燃燒與爆炸，與水猛烈作用產(chǎn)生大量的熱易引起火災(zāi)。反應(yīng)原理：2Na2O2+2H2O4NaOH+O2↑；2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2。試劑選擇分析：以上三種制氧的方式中，因過氧化鈉購(gòu)買極不方便，使用也不安全，故選擇放棄。硫酸具有一定的腐蝕性，購(gòu)買不方便，也不納入選擇范圍。高錳酸鉀和雙氧水均能在藥店和網(wǎng)上購(gòu)買，可以考慮在中性條件下制取氧氣。過碳酸鈉和二氧化錳固體因其使用安全、購(gòu)買方便、價(jià)格適中，選擇作為本次實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)試劑。2.2設(shè)計(jì)制作供氧器（1）實(shí)驗(yàn)器材。550mL礦泉水瓶?jī)蓚€(gè)，100cm長(zhǎng)3.5mm內(nèi)徑輸液管一根，100cm長(zhǎng)3.3mm內(nèi)徑鼻氧管一根［4］，錐子一個(gè)，少量粘土（可用強(qiáng)力膠或嚼過的口香糖代替），牙簽，火柴。（2）設(shè)計(jì)供氧器。學(xué)生根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材建構(gòu)模型。選擇其中一位學(xué)生設(shè)計(jì)的模型如圖1所示。（3）制作供氧器。用錐子把一只礦泉水瓶蓋打成單孔，另一只礦泉水瓶蓋打成雙孔，輸液管連接兩個(gè)瓶孔導(dǎo)氣，瓶塞穿刺器（輸液管組成的一部分）倒插入雙孔瓶蓋的另一孔中，鼻氧管連接瓶塞穿刺器，分別用粘土密封連接處［5］。（4）操作步驟。打開瓶蓋，向單孔瓶中倒入200g過碳酸鈉和1g二氧化錳，加入250mL水，雙孔瓶中加入250mL水，蓋緊兩個(gè)瓶蓋。點(diǎn)燃牙簽，用帶火星的牙簽在鼻氧管出氣口處檢驗(yàn)氧氣。戴好鼻氧管，當(dāng)觀察到連續(xù)均勻的氣泡后開始吸氧。（5）發(fā)布說明。說明反應(yīng)原理、使用方法和供氧時(shí)間（大約50分鐘）。3改進(jìn)供氧器學(xué)生設(shè)計(jì)的第一代供氧器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了從無到有的過程，但還有值得改進(jìn)的地方。為了鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新，可以提出更高的要求：制作的供氧器需經(jīng)久耐用、攜帶方便、操作簡(jiǎn)便并能批量生產(chǎn)［6］。學(xué)生有了第一次經(jīng)驗(yàn)后，興趣陡增，開始展開豐富的想象。在不固定實(shí)驗(yàn)器材的條件下，一名學(xué)生認(rèn)為第二個(gè)礦泉水瓶可以適當(dāng)縮小，然后擺放在第一個(gè)礦泉水瓶中，依然可以通過氣泡的快慢來體現(xiàn)氧氣產(chǎn)生的速率。（1）設(shè)計(jì)供氧器。該學(xué)生設(shè)計(jì)的模型如圖2所示。（2）制作供氧器。用錐子把一只礦泉水瓶蓋打成單孔，瓶塞穿刺器倒插入瓶蓋孔中，瓶蓋內(nèi)用一只小塑料瓶粘連在瓶蓋下方（也可做成螺絲口擰上去），大瓶蓋下端和小塑料瓶之間用輸液管（可用膠皮管代替）連接，鼻氧管連接瓶塞穿刺器，用強(qiáng)力膠密封連接處。（3）操作步驟。打開瓶蓋，向大瓶中倒入200g過碳酸鈉和1g二氧化錳，加入250mL水，小瓶中加入一半容積的水用于洗氣和觀察氣泡產(chǎn)生的快慢，蓋緊瓶蓋。點(diǎn)燃牙簽，用帶火星的牙簽在鼻氧管出氣口處檢驗(yàn)氧氣。戴好鼻氧管，當(dāng)觀察到連續(xù)均勻的氣泡后開始吸氧。（4）發(fā)布說明。說明反應(yīng)原理、使用方法和供氧時(shí)間（大約50分鐘）。（5）小組討論。有學(xué)生認(rèn)為在第二代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上可以對(duì)瓶身進(jìn)行加高、加寬、附加組合，如增加供氧器把手、背帶或者氣速傳感器等；也可以縮小體積、縮小長(zhǎng)度、降低高度、改變形狀功能，如供氧器的外形改為弧線形便于握持；還可以用別的材料或方法代替部分功能，如瓶身可用竹筒、塑料、PVC、不銹鋼、搪瓷、陶瓷等代替；對(duì)瓶?jī)?nèi)容積可定出500mL、1000mL、2000mL等不同類型的標(biāo)準(zhǔn)，便于批量生產(chǎn)降低生產(chǎn)成本；還有學(xué)生建議在使用方式中可以嘗試智能化操作，以及更換其他實(shí)驗(yàn)器材等。通過小組討論發(fā)現(xiàn)，只要我們能夠提供平臺(tái)，學(xué)生的創(chuàng)新思維和設(shè)想就會(huì)無處不在，層出不窮。4活動(dòng)評(píng)價(jià)活動(dòng)評(píng)價(jià)是教學(xué)工作的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)維度見表1。通過本次活動(dòng)，教師可以診斷學(xué)生思維的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)教學(xué)工作，引領(lǐng)學(xué)生的發(fā)展方向。學(xué)生也能從活動(dòng)中及時(shí)獲得矯正信息，進(jìn)一步調(diào)整自己的學(xué)習(xí)態(tài)度與方法。5自制供氧器優(yōu)點(diǎn)（1）制氧方法安全，使用安全。（2）便于隨身攜帶，操作簡(jiǎn)便。（3）試劑和儀器價(jià)格便宜（一套第一代供氧器價(jià)格約為15元左右，一套第二代供氧器價(jià)格約為10元左右），且能反復(fù)使用。（4）制取氧氣速度快，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，效果明顯。參考文獻(xiàn)：［1］義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：59～80.［2］義務(wù)教育教科書