簡易供氧器制作的實踐活動

陳善西

摘要： 通過查閱文獻了解制取氧氣的現狀及發展歷程；通過簡易供氧器制作拓展知識邊界、建構認知新模型和提高工程技術素養等。經過不斷地優化制作方案的實踐以及系列評價，逐步調整學生的學習態度和方法。這種將理論與實踐相結合的方式，可以使教學更符合實情規律，過程更銜接貫通，進而能促進學生綜合能力的培養。

關鍵詞： 設計制作； 簡易供氧器； 實踐活動； 過碳酸鈉和二氧化錳

文章編號： 1005-6629（2024）02-0066-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

教育部《義務教育化學課程標準（2022年版）》中提出，學生跨學科實踐活動原則上所用課時不少于本學科總課時的10%［1］，“設計制作簡易供氧器”作為項目主題已被納入初中項目學習的實驗教材，其目的是通過變革學習方式以鼓勵學生富有創造性地完成學習任務和重構學習經驗以突破傳統的單一學科學習方法的束縛。

1 問題的提出

1.1 教材供氧器的分析

人教版《化學》上冊第33頁至40頁核心內容是制取氧氣，學生通過教材可以掌握實驗室制取氧氣的原理、氣體的發生和收集裝置、操作步驟、收集方法和檢驗方法等。通過資料卡片可以了解到工業上利用低溫加壓分離液態空氣制取氧氣，以及教材第80頁運用電解法制取氫氣和氧氣以探究水的組成［2］。

雖然學生根據教材初步認識了制取氧氣的方法并能組裝簡易的發生和收集裝置，但所涉及的知識面較窄，思維不夠開闊，往往不能夠理論聯系實際，缺少質疑和批判精神。通過特定需求設計制作簡易供氧器可以拓展知識邊界、建構新模型、提高工程技術素養等。

1.2 研究現狀及分析

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，利用分子篩的吸附性能，把空氣中的氮氣和氧氣進行分離得到較高濃度的氧氣。以化學試劑為原料，通過化學反應制取氧氣，如過碳酸鈉與雙氧水反應制取氧氣；“氧燭”主要以固態含氧化合物為原料，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制氧等。以水為原料，如潛水艇、航空艙和坑道等在密閉的環境下利用電解水制取氧氣。還可以直接利用儲存氧供氧。這些特定需求都為設計制作供氧器提供了成功的案例。

特定需求條件下設計制作的供氧器不僅要考慮使用環境和使用對象，還要考慮具體的技術手段、材質的選擇、氣體的密封性、壓強的檢測、氣體的流速等。

1.3 創設特定需求

鑒于該項目涉及到多門跨學科知識，可以培養學生的綜合應用能力和創新能力。如創設“基于野外環境下急救設計制作供氧器”這一實踐活動，既要考慮到“野外環境下”可能缺電，不能用電解法制取氧氣，還要考慮到“急救”時，制取氧氣速度要及時，并能長時間供人呼吸，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 滿足供氧器的設想

供氧器密封效果要好，便于隨身攜帶，操作簡便，制取快速，反應時間長，效果明顯。試劑和儀器要便于購買，實驗過程要求節能環保。

2 實踐活動

2.1 制氧劑選擇

查閱文獻資料得知，不同制氧劑能實現不同的制氧目標，需要考慮使用場所和試劑的特點。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，可迅速產生氧氣。

反應原理：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制取氧氣分為以下兩種情況，均可迅速產生氧氣［3］。

反應原理：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

過氧化鈉與水反應生成氫氧化鈉和氧氣，也能與二氧化碳反應生成碳酸鈉和氧氣，但不能與木材、

紙、布等可燃物接觸，以免引起燃燒與爆炸，與水猛烈作用產生大量的熱易引起火災。

反應原理：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上購買，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、購買方便、價格適中，選擇作為本次實驗的最佳反應試劑。

2.2 設計制作供氧器

（1） 實驗器材。550mL礦泉水瓶兩個，100cm長3.5mm內徑輸液管一根，100cm長3.3mm內徑鼻氧管一根［4］，錐子一個，少量粘土（可用強力膠或嚼過的口香糖代替），牙簽，火柴。

（2） 設計供氧器。學生根據提供的實驗器材建構模型。選擇其中一位學生設計的模型如圖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，輸液管連接兩個瓶孔導氣，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，蓋緊兩個瓶蓋。點燃牙簽，用帶火星的牙簽在鼻氧管出氣口處檢驗氧氣。戴好鼻氧管，當觀察到連續均勻的氣泡后開始吸氧。

（5） 發布說明。說明反應原理、使用方法和供氧時間（大約50分鐘）。

3 改進供氧器

學生設計的第一代供氧器產品實現了從無到有的過程，但還有值得改進的地方。為了鼓勵學生創新，可以提出更高的要求：制作的供氧器需經久耐用、攜帶方便、操作簡便并能批量生產［6］。

學生有了第一次經驗后，興趣陡增，開始展開豐富的想象。在不固定實驗器材的條件下，一名學生認為第二個礦泉水瓶可以適當縮小，然后擺放在第一個礦泉水瓶中，依然可以通過氣泡的快慢來體現氧氣產生的速率。

（1） 設計供氧器。該學生設計的模型如圖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生的快慢，蓋緊瓶蓋。點燃牙簽，用帶火星的牙簽在鼻氧管出氣口處檢驗氧氣。戴好鼻氧管，當觀察到連續均勻的氣泡后開始吸氧。

（4） 發布說明。說明反應原理、使用方法和供氧時間（大約50分鐘）。

（5） 小組討論。有學生認為在第二代產品的基礎上可以對瓶身進行加高、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；對瓶內容積可定出500mL、 1000mL、 2000mL等不同類型的標準，便于批量生產降低生產成本；還有學生建議在使用方式中可以嘗試智能化操作，以及更換其他實驗器材等。

通過小組討論發現，只要我們能夠提供平臺，學生的創新思維和設想就會無處不在，層出不窮。

4 活動評價

活動評價是教學工作的重要組成部分，其設計的評價維度見表1。通過本次活動，教師可以診斷學生思維的發展狀況，總結教學經驗，改進教學工作，引領學生的發展方向。學生也能從活動中及時獲得矯正信息，進一步調整自己的學習態度與方法。

5 自制供氧器優點

（1） 制氧方法安全，使用安全。

（2） 便于隨身攜帶，操作簡便。

（3） 試劑和儀器價格便宜（一套第一代供氧器價格約為15元左右，一套第二代供氧器價格約為10元左右），且能反復使用。

（4） 制取氧氣速度快，反應時間長，效果明顯。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定， 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022： 59～80.

［2］王晶， 鄭長龍主編. 義務教育教科書·化學［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. 過氧化氫催化分解制備氧氣實驗改進研究［J］. 化學教學， 2019， （6）： 73～69.

［4］金鑫， 章玲， 張亮. 研究型實驗活動［J］. 中國醫學裝備. 2016， 13（6）： 141～143.

［5］馬力. 趙雯. 密封性氣體實驗裝置的改進［J］. 化學教學， 2020， （5）： 69～72.

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