陳善西

摘要： 通過(guò)查閱文獻(xiàn)了解制取氧氣的現(xiàn)狀及發(fā)展歷程；通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)碳酸鈉和二氧化錳

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）02-0066-03

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

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(guò)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(wèn)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(yè)至40頁(yè)核心內(nèi)容是制取氧氣，學(xué)生通過(guò)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(guò)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(yè)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(kāi)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(guò)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(lái)，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(guò)化學(xué)反應(yīng)制取氧氣，如過(guò)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(guò)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(mén)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(lái)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(mǎi)，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)碳酸鈉和二氧化錳制氧氣

過(guò)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(guò)氧化氫溶液制氧氣

過(guò)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(guò)氧化鈉制氧氣

過(guò)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(guò)氧化鈉購(gòu)買(mǎi)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(mǎi)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(mǎi)，可以考慮在中性條件下制取氧氣。過(guò)碳酸鈉和二氧化錳固體因其使用安全、購(gòu)買(mǎi)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(guò)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(kāi)瓶蓋，向單孔瓶中倒入200g過(guò)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(kāi)始吸氧。

（5） 發(fā)布說(shuō)明。說(shuō)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(wú)到有的過(guò)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(kāi)始展開(kāi)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(guò)氣泡的快慢來(lái)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(kāi)瓶蓋，向大瓶中倒入200g過(guò)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(kāi)始吸氧。

（4） 發(fā)布說(shuō)明。說(shuō)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(lèi)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(guò)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(wú)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(jiàn)表1。通過(guò)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］中華人民共和國(guó)教育部制定， 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］王晶， 鄭長(zhǎng)龍主編. 義務(wù)教育教科書(shū)·化學(xué)［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012： 37～40.

［3］王麗麗， 吳噋艷， 張艷華， 譚宗俊. 過(guò)氧化氫催化分解制備氧氣實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （6）： 73～69.

［4］金鑫， 章玲， 張亮. 研究型實(shí)驗(yàn)活動(dòng)［J］. 中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備. 2016， 13（6）： 141～143.

［5］馬力. 趙雯. 密封性氣體實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （5）： 69～72.

［6］夏九云， 劉傳友， 毛思哲， 曹飛. 硬錳礦石催化過(guò)氧化氫制備氧氣的實(shí)驗(yàn)探究［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （5）： 73～74.