沪教版九年级化学跨学科实践活动2 自制净水器（教学设计教案）

跨学科实践活动2自制净水器一、知识目标1.进一步巩固水净化的原理和方法；2.学会设计和制作简单的净水器；3.综合运用化学、技术、工程及跨学科知识，并对自制净水器进行评价、改进和优化，培养创新意识及敢于质疑、严谨求实的科学态度。二、核心素养目标1.宏观辨识与微观探析：通过观察浑浊河水经自制净水器后变澄清的宏观现象，关联微观层面过滤层阻隔不溶性杂质（利用颗粒大小差异）、活性炭多孔结构吸附色素和异味的净化原理，建立宏观净水效果与微观物质分离作用的认知关联，理解净水材料组成和结构对其功能的影响。2.证据推理与模型认知：基于不同小组净水器的净水效果差异，结合选用材料和装置结构的不同，推理各类材料的核心作用；通过归纳沉淀、过滤、吸附的分步净化过程，构建分层材料实现分步净化的通用净水模型；依据实验探究数据推导水流速度等因素对净水效率的影响，形成基于证据的逻辑推理能力。3.科学探究与创新意识：在设计自制净水器时提出材料堆叠顺序、成本控制等探究问题，通过控制变量法开展实验验证；结合净水原理、材料、成本等评价结果优化装置设计，体现跨学科知识综合运用；在改进过程中通过多次实验调整参数，培养严谨求实的科学态度和创新实践能力。一、教学重点1.巩固水净化的原理和方法，明确过滤、吸附等净化过程的作用机制；2.掌握简易净水器的设计思路和制作方法，能合理选用材料完成装置搭建；3.学会从净水原理、选用材料、成本、使用效果等维度对净水器进行评价与初步改进。二、教学难点1.综合运用化学净化原理与工程设计知识，实现材料选择、结构设计与净水效果的匹配；2.控制变量探究净水效率的影响因素，清晰推导材料堆叠顺序、水流速度等与净水效果的因果关系；3.结合评价结果优化装置设计，解决材料混合、成本控制等实操问题，实现理论设计到实际效果的转化。本实践活动“自制净水器”植根于初中化学“水的净化”核心知识单元。它要求学生综合运用关于水中杂质类型、基本净化原理以及关键材料特性等知识。教材设计了两个层次清晰、目标明确的任务。任务一“自制净水器并交流互评”聚焦知识的实践转化，引导学生利用身边材料，将抽象的净化原理转化为具体的简易净水器装置。通过动手制作、检验净水效果，并依据教材提供的评价表从净水原理、选用材料、成本、使用效果四个维度进行结构化小组互评，学生完成了一个包含设计、构建、测试与初步反馈的工程实践循环，深刻体验化学知识解决实际环境问题如净化浑浊河水的应用价值。任务二“探究净水效率的影响因素”则显著提升了科学探究的深度。它引导学生从任务一中观察到的不同装置净水效果差异出发，自然地提出科学问题，并遵循教材提供的完整探究流程框架，即明确问题、提出假设、设计实验、实验探究收集证据、得出结论交流分享，系统探究影响净水效率的关键变量，如材料选择、装置结构、材料堆叠顺序、水流速度等。这一任务设计将实践应用引向深入分析与规律探索，强化了控制变量等核心科学方法的训练。整个活动是一个典型的微型STSE项目，其跨学科性鲜明：以化学知识为核心，涉及净化原理与物质性质用途关系；融入技术层面，体现材料选择加工与装置制作工艺；贯穿工程思维，实践设计、制作、测试、评估与优化的迭代过程；同时自然关联物理学中的流体力学与过滤机制，以及环境科学中的水资源保护与水质评价。从课程标准视角审视，本活动精准对接《义务教育化学课程标准》的核心素养培养目标。学生在辨识不同材料净水宏观现象并探析其微观结构作用机制的过程中，发展宏观辨识与微观探析素养。通过基于净化原理和材料性质证据设计构建净水器模型，并利用实验观察数据、互评结果和探究结论来评估模型有效性、推理影响因素及修正模型，扎实锻炼证据推理与模型认知能力。更重要的是，活动贯穿全程的动手实践、基于证据的评价反思、发现问题的优化改进以及综合运用多学科知识进行创新性解决方案的尝试，全面培育科学探究与创新意识素养，并渗透敢于质疑现有方案、严谨求实分析证据、持续优化设计的科学态度。因此，该实践活动不仅是巩固应用水净化知识的平台，更是促进学生化学核心素养融合发展的有效载体。学生在进行“自制净水器”跨学科实践活动前，已经初步学习了水的组成、水的净化方法（如沉降、过滤、吸附等）以及常见净水材料如活性炭、明矾、石英砂的作用等基础知识，并在实验室进行过简单的过滤操作，具备一定的动手实践基础。他们对利用化学知识解决实际问题，尤其是动手制作类活动通常表现出较高的兴趣和热情。然而，学生将零散的净化原理和方法整合应用于一个具体装置的系统设计中可能面临挑战，往往停留在模仿层面，对材料微观结构（如活性炭的多孔性）如何决定其宏观净水效果的理解可能不够深入，自主设计时对材料选择依据、层叠顺序的优化原理认识模糊。此外，虽然学生接触过单一变量的实验，但在复杂情境中自主识别影响净水效率的关键变量、严谨设计控制变量的对比实验方案、系统收集和分析数据以得出可靠结论的能力，尚处于发展阶段，需要教师搭建脚手架进行引导。在评价环节，学生容易聚焦于装置外观、制作难易度等直观感受，对净水原理的科学性、材料选用的合理性以及成本效益的综合性分析可能缺乏深度，提出的改进建议也可能流于表面，缺乏基于证据的深入思考和创新性。同时，将化学知识主动与工程技术、物理原理（如水流速度对过滤效果的影响）乃至环境需求进行跨学科融合的意识和能力，仍需在实践活动中重点培养和提升。因此，本活动既是巩固和应用“水的净化”知识的良机，也是培养学生综合运用知识解决复杂问题、发展系统性思维、工程迭代能力和严谨科学探究素养的关键载体，需要教师有效引导他们从“知道怎么做”向“理解为什么这么做”以及“如何做得更好”的层次迈进。教学环节一新课导入【提问】同学们，如果我们去野外探险或者遇到紧急情况，发现了一条小河，河里的水看起来有些浑浊。这个时候，我们能直接饮用这些河水吗？为什么？请大家思考一下，说说你的看法和理由。【学生回答】不能，因为水里有泥沙、脏东西；可能有细菌喝了会生病；看起来很浑浊不干净等。【讲解】大家说的都很有道理。确实，野外的天然水源，即使是看起来清澈的河水，也可能含有肉眼看不见的泥沙、黏土、藻类，更可怕的是可能含有致病的细菌、病毒、寄生虫卵等微生物。直接饮用非常容易导致腹泻、腹痛、呕吐等疾病，危害我们的健康。【引入】那么，在缺乏干净水源的野外，如何保障我们的饮水安全呢？今天，我们就来挑战一个任务：利用身边的材料，设计和制作一个简易的净水器！看看我们能不能把浑浊的河水变得相对干净、安全一些。这就是我们本节课要进行的“跨学科实践活动2：自制净水器”。设计意图1.创设情境，激发兴趣：以野外生存取水的实际问题切入，贴近生活，引发学生共鸣和思考，激发学习兴趣和解决问题的欲望。2.明确问题，导入主题：通过讨论野外水源的危险性，自然引出本节课的核心任务——自制净水器，明确学习目标。3.渗透安全意识：强调饮用不洁水的危害，渗透健康生活、安全饮水的意识。教学环节二实践活动活动一：了解自来水厂和家用净水器的净水原理【引入】要设计净水器，首先得明确净水的基本原理。我们先从自来水厂的净水过程入手，梳理常见的净水方法。【提问】结合课件中的自来水生产流程图，思考：天然水要经过沉降、过滤、杀菌消毒等环节，各环节分别除去什么杂质？【学生回答】沉降：使液体中悬浮的固体凝聚而沉降，过滤：除去液体中的不溶性固体，杀菌消毒：消毒、灭杀细菌。【讲解】非常好！沉降（常加明矾加速）去除大颗粒悬浮物；过滤主要去除小颗粒不溶物；消毒（常用氯气或臭氧）杀灭微生物。经过这些处理，我们得到了自来水。【提问】天然水经处理后得到的自来水是纯净物还是混合物？【学生回答】自来水中还含有可溶性杂质，是混合物。【提问】如何除去自来水中的可溶性杂质，使其变成纯净物？【学生回答】可以使用蒸馏的方法，加热水至沸腾，再将水蒸气冷凝，收集得到蒸馏水，蒸馏水是纯净物。这是净化程度最高的方法之一。【讨论交流】从自来水厂净水到蒸馏得到纯水，这个过程中蕴含了混合物分离的什么一般思路？【讲解】核心思路是：分析混合物中的杂质成分→根据杂质的特点（如颗粒大小、溶解性、是否有颜色气味、是否为微生物）→选择针对性的分离方法（沉降→过滤→吸附→消毒→蒸馏）→净化程度由低到高。这是设计任何净水装置的基础逻辑。【提问】自来水厂净化处理过的水能够直接饮用吗？【学生回答】不能，可能还有残留的消毒剂、微生物等等。【讲解】是的，自来水中可能残留消毒剂（余氯）、管道中的杂质或微生物，不宜直饮，需煮沸或使用家用净水器二次过滤。【观看视频】播放家用净水器工作原理视频，家用净水器内部通常装有多层滤芯。展示常见滤膜（PP棉、活性炭、反渗透RO膜）及其孔径。【提问】展示某净水器原理简图：PP棉(5μm)→活性炭→PP棉(1μm)→RO膜(0.1-1nm)→活性炭）大家观察这个净水器的滤芯排列顺序，它遵循了什么原则？【学生回答】“先大后小”原则：先用孔径较大的滤芯（如PP棉）去除较大的颗粒杂质，保护后面精密的滤芯；再用活性炭吸附颜色、异味、部分有机物；再用孔径最小的滤芯（如RO膜）去除微小颗粒、离子、微生物等；最后用活性炭除色素异味，改善口感。顺序不能颠倒，否则小孔径滤芯会很快被大颗粒堵塞。【思路整理】了解了自来水厂和家用净水器，请大家思考：设计我们自制的简易净水器，有哪些关键注意事项可以借鉴？【引导归纳】关键三点：按净化程度从低到高排序方法，粗过滤（去大颗粒）→吸附（去颜色气味）→（若有条件，精过滤/消毒）；按杂质从大到小依次去除，大颗粒难溶物→小颗粒难溶物/胶体→可溶性杂质/颜色气味→微生物（简易装置通常不考虑）；根据杂质选方法和材料，如砂石、纱布过滤大颗粒；活性炭吸附小颗粒、颜色气味。设计意图1.知识基础铺垫：系统回顾水的净化原理（沉降、过滤、吸附、蒸馏）和自来水厂流程，为自制净水器提供理论依据。2.提炼设计思路：通过分析家用净水器的“先大后小”原则和分层过滤逻辑，引导学生理解净水装置设计的关键策略，为后续设计活动搭建认知框架。3.建立模型认知：将混合物分离的化学原理（物质性质、分离方法）转化为具体装置设计的工程思路（材料选择、层叠顺序）。4.联系生活实际：认识家用净水器和自来水安全知识，体现化学与生活的紧密联系。活动二：自制净水器并交流互评【引入】现在，我们就要学以致用了！任务目标：利用生活中的常见材料（如矿泉水瓶、纱布、鹅卵石、沙子、活性炭、蓬松棉等），设计并制作一款能净化模拟浑浊河水（含泥沙、可能有颜色）的简易净水器。【布置任务】①小组讨论：根据任务一中总结的注意事项，分析河水中的主要杂质（大颗粒泥沙、小颗粒悬浮物、可能的颜色气味），确定需要去除的目标。②选择材料：从提供的材料中选择合适的种类（思考每种材料的作用：鹅卵石？沙子？活性炭？纱布？蓬松棉？瓶子的哪部分作容器？哪部分作漏斗？）。③设计顺序：按照什么顺序堆叠这些材料？理由是什么？（强调“先大后小”原则）④绘制草图：在纸上画出净水器的设计示意图，标明各层材料和预期功能。⑤动手制作：根据设计图，小组合作搭建净水器。（教师巡视指导，强调安全、合作）【讲解】制作完成后，取100mL配制的有颜色浑浊水样（模拟河水），缓慢注入净水器。从以下角度观察评价效果：肉眼观察：净化前后水的浑浊度、颜色变化。气味比较：净化前后是否有异味去除。TDS笔检测：测量净化前后水样的TDS值（溶解性总固体含量），数值降低越多，说明去除可溶性杂质效果越好（注：简易净水器主要去除不溶物和吸附有机物，对溶解性离子去除有限，TDS值变化可能不大，重点在于理解其指示意义）。【互评活动】小组展示：展示本组净水器，介绍设计思路（材料选择、堆叠顺序及理由）。效果演示：展示净化前后的水样对比（及可能的TDS值）。填写评价表：各小组根据课件提供的“表2-8净水装置的分析与评价”，从净水原理、选用材料、成本、使用效果四个维度对其他小组的净水器进行评价（用简洁语言），并提出改进建议。【优化设计】各小组根据互评反馈和自我检验结果，讨论本组设计的优点和不足，提出优化改进方案（如调整材料顺序、更换材料类型、改进结构等）。设计意图1.实践应用与工程设计：将理论知识转化为动手实践，经历完整的工程设计流程：明确问题→设计解决方案（画图）→制作原型→测试性能→评估反馈→优化设计。培养技术实践和工程思维能力。2.模型构建与证据收集：学生构建自己的净水器物理模型，并通过实验（观察、TDS检测）收集证据来评估模型的有效性，实践“证据推理与模型认知”。3.合作学习与评价反思：通过小组合作、展示交流、互评活动，促进学生沟通协作能力，学习从多维度（原理、材料、成本、效果）科学评价作品，培养批判性思维和反思改进能力。4.创新意识培养：鼓励学生在材料选择和结构设计上发挥创意，并根据测试结果和他人建议进行优化，体现创新意识。活动三：探究净水效率的影响因素【引入】在刚才的互评中，我们发现不同小组的净水器效果有差异。哪些因素会影响净水器的效率呢？请大家结合制作和观察经验，提出可能的猜想。【学生回答】材料种类（有没有活性炭？）、材料堆叠顺序（砂石和活性炭谁在上？）、材料用量（活性炭放得多不多？）、水流速度（倒水快慢）、水的初始浑浊度等。【讲解】强调科学方法：要科学地探究一个因素（如水流速度）的影响，必须使用控制变量法：只改变我们要研究的那个因素（自变量），保持其他可能影响结果的因素（因变量）完全相同。【设计示例】以探究水流速度对净水效率的影响为例①明确问题：水流速度的快慢是否影响净水效率？②提出假设：水流速度越快，净化效率越低（水与材料接触时间短）。③设计实验：自变量：水流速度（快vs慢-可通过倾倒速度或用注射器控制）。因变量：净水效率（通过观察净化水浑浊度/颜色变化，或比较TDS值变化）。控制变量：相同的净水器装置、相同的待净化水样（体积、初始浑浊度）、相同的检测方法。实验组：快速注入水样。对照组：缓慢注入（相同体积）水样。④实验探究收集证据：分别收集两组净化后的水，对比浑浊度/颜色/气味，或记录TDS值。⑤得出结论交流分享：根据对比结果，分析水流速度的影响，得出结论。【延伸思考】这只是探究一个因素的例子。课后大家可以尝试设计实验探究其他因素的影响（如材料堆叠顺序：砂石在下活性炭在上vs活性炭在下砂石在上），注意控制好变量。设计意图1.深化科学探究：引导学生从实践现象中发现问题（效率差异），学习设计控制变量的对比实验来探究影响因素（如水流速度、材料顺序），培养严谨的科学探究思维和方法。2.深化原理理解：从“现象差异”推导“因果关系”，让学生明白装置优化需基于数据支撑，培养严谨的科学态度。3.强化安全意识：再次明确简易净水器净化水的局限性，强调饮用水安全（需煮沸），培养健康生活观念。跨学科实践活动2自制净水器一、核心任务探究净水原理→自制并优化净水器二、净水核心原理主要方法：沉降（除大颗粒）、过滤（除小颗粒）、吸附（除色素异味）、消毒（杀菌）关键逻辑：分步净化（先除大杂质，后除小杂质）三、自制净水器设计材料与作用：小卵石/石英砂→过滤（粗→细）活性炭→吸附（色素、异味）纱布→隔离材料（防混合）结构顺序：小卵石→石英砂→活性炭→纱布（从下到上）四、评价与优化评价维度：原理合理性、材料成本、净水效果改进方向：调整材料松紧度、增加活性炭层数五、净水效率探究影响因素：水流速度、材料顺序、活性炭层数方法：控制变量法（单一变量，对比实验）1.（2025·河北·中考真题）“中国水周”期间，学生制作了简易净水器，其中主要用于吸附水中色素的材料是（）A．小卵石 B．石英砂 C．活性炭 D．