项目式学习：守护生命之源-水质检测与净水系统设计探究

项目式学习：守护生命之源——水质检测与净水系统设计探究一、教学内容分析  本课立足于《义务教育化学课程标准（2022年版）》“科学探究与化学实验”“身边的化学物质”及“化学与社会发展”主题，是“水”单元知识的综合应用与升华。从知识图谱看，它以“水的净化”（过滤、吸附、蒸馏等）及“硬水与软水”的鉴别为核心技能点，向上衔接了“混合物分离”的物理方法认知，向下为“溶液”及后续“探究水的组成”的化学本质理解铺垫了坚实的感性基础与问题意识。过程方法上，本课是践行“科学探究”与“跨学科实践”的绝佳载体。它要求将化学实验技能（水质检测、实验操作规范）与工程设计的迭代优化思想（净水器设计）、数据分析与解释能力深度融合，引导学生经历“发现问题→设计解决方案→制作模型→测试评估→改进优化”的完整项目流程。在素养价值层面，教学超越了技术操作本身，指向“科学态度与社会责任”的培育。通过联系本地水资源状况，引导学生理解化学在解决环境问题中的价值，培养节水、爱水的公民意识，以及运用学科知识服务社会的责任感。正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，本次实践活动旨在将知识转化为解决真实问题的力量。  九年级学生已初步掌握了过滤、吸附等基础操作，并具备一定的实验观察与记录能力。然而，将分散知识点整合应用于一个复杂、开放的真实项目，对他们而言仍具挑战。主要障碍可能体现在：其一，在设计净水方案时，难以系统性地考虑各净化步骤的顺序逻辑与协同效应；其二，在测试评估环节，可能仅关注“水是否变清”的直观结果，而缺乏多指标（如pH、可溶性杂质）的系统评价意识；其三，小组协作中，可能出现任务分工不均或观点冲突。基于此，教学将提供“设计思维脚手架”，如净水流程排序卡，引导逻辑构建；设计包含多维度指标的评价量表，引导系统思维；并实施“角色认领”与过程性协作评价，支持差异化参与。我们将通过观察小组讨论的热点与盲点、分析设计方案初稿、点评实验操作规范性等方式，动态评估学情，即时调整指导的侧重点与深度。二、教学目标  知识目标：学生能系统阐述自来水厂净水流程中各环节（如沉降、过滤、吸附、杀菌）所依据的化学与物理原理，并能辨析硬水与软水的概念及鉴别方法。他们能够解释自制净水器中每种材料（如石英砂、活性炭、纱布）的功能，并理解其排序的科学依据，构建起“混合物分离方法—净水原理—实际应用”三位一体的知识网络。  能力目标：学生能够以小组为单位，自主设计并绘制一份包含材料、步骤与原理说明的净水器草图；能安全、规范地完成浑浊水的配制、水质简易检测（透明度、pH）及净水器组装与测试操作；能基于测试数据（如净化前后水样的对比）对自制净水器进行有效性评估，并提出至少一条具体的改进建议，初步形成“设计—实践—评价—改进”的工程思维闭环。  情感态度与价值观目标：通过亲历净水过程，学生能深刻体会洁净水源的来之不易，增强节约用水、保护水资源的自觉意识。在小组合作中，能积极倾听同伴意见，理性探讨方案分歧，共同应对挑战，体验团队协作攻克实际问题的成就感与责任感。  科学（学科）思维目标：重点发展学生的“系统思维”与“模型建构”能力。引导他们将一个复杂的净水问题，分解为沉降、过滤、吸附等多个子任务（系统分析），并思考如何将这些子任务有序整合成一个有效的整体（系统综合）。通过将抽象净化原理转化为具象的净水器模型，体验模型在解决实际问题中的价值。  评价与元认知目标：学生能够依据教师提供的项目评价量规（涵盖设计科学性、操作规范性、协作有效性、成果创新性等维度），对小组与他组的工作过程及成果进行初步的、有依据的评价。在项目结束后，能通过反思日志，回顾自己在“遇到困难—寻求解决”过程中的策略选择，总结本次项目学习的个人收获与待改进之处。三、教学重点与难点  教学重点：净水原理的综合应用与净水系统的初步设计。确立依据在于，该点是连接本单元核心知识（混合物的物理分离方法）与高阶能力（跨学科项目实践）的枢纽。它要求学生不是孤立地记忆过滤、吸附等概念，而是能根据水质问题（如悬浮物多、有颜色异味）灵活选择并排序净化方法，这正是课标所强调的“在真实情境中应用知识解决问题的能力”，也是学业水平考试中考查学生综合实践能力的常见命题方向。  教学难点：基于多因素考量的净水器优化设计与系统性评价。难点成因在于，这要求学生克服线性思维，进行多变量综合思考。例如，在有限的瓶身空间内，如何平衡各层滤料的种类、粒度与厚度？净化效果、流速与成本如何兼顾？这不仅需要扎实的学科知识，还需要初步的工程权衡思维。常见的设计错误是简单堆砌材料而忽略顺序逻辑，或仅以“清澈度”为单一评价标准。突破方向是提供“设计挑战单”，引导学生从“去除何种杂质？”“每种材料如何发挥作用？”“如何知道它有效？”三个核心问题出发，进行有依据的设计与多指标测试。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：制作多媒体课件，包含本地水源图片、自来水厂工艺微视频、项目任务书、评价量规。准备水质检测对比样品（清澈、浑浊、有色）。1.2实验器材（按小组配备）：空塑料瓶（制作净水器主体）、剪刀、美工刀、热熔胶枪；净水材料包（活性炭颗粒、石英砂、细沙、鹅卵石、蓬松棉、纱布、橡皮筋）；检测用具（烧杯、玻璃棒、滴管、pH试纸及比色卡、浊度比色卡或激光笔）；实验水样（模拟浊水：泥土、植物油、红墨水配制）。1.3学习材料：“守护生命之源”项目学习任务单（含设计区、实验记录区、反思区）、小组角色卡（项目经理、首席设计师、实验安全员、首席汇报官）。2.学生准备  复习教材“水的净化”相关内容；预习项目任务书；以4人小组为单位提前组建团队，并初步商议分工；携带科学记录本。3.环境布置  教室桌椅调整为68个小组合作式岛屿状；准备23个公用材料台和废液回收区；黑板预留“核心问题区”、“设计原理区”和“成果展示区”。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与冲突激发：“同学们，请看我手中的两瓶水。”（展示一瓶清澈矿泉水与一瓶自制的浑浊、略带颜色的污水）“如果身处野外，你只有右边这瓶‘天然河水’，你敢直接饮用吗？为什么？”（等待学生回答：不干净、有杂质、可能有毒……）“是的，直觉告诉我们它不安全。但究竟哪里不‘净’？我们能否用所学的化学知识，把它变成相对安全的饮用水呢？今天，我们就化身‘小小环境工程师’，接受一项挑战：检测水质并设计制作一个简易净水装置。”2.核心问题提出与路径勾勒：“我们的核心驱动问题是：如何运用化学原理，设计和制作一个有效的简易净水系统？”“为了解决它，我们需要三步走：首先，当好‘水质检测员’，学会用化学的‘眼睛’定量看待水质；接着，成为‘系统设计师’，规划我们的净水蓝图；最后，动手‘建造与测试’，在实践中检验并优化我们的设计。大家准备好了吗？让我们先从认识手中的‘研究对象’开始。”第二、新授环节任务1：化身检测员——多维度初探水质教师活动：首先，分发模拟浊水样本至各组，并提问：“面对这瓶水，仅凭肉眼观察，你能获取哪些信息？”引导学生描述颜色、浑浊度、有无悬浮物。接着，引入科学检测方法：“肉眼所见是有限的。化学家需要更精确的‘尺子’。”演示并讲解pH试纸的使用方法，强调比色读数规范。然后，介绍浊度概念，可用激光笔照射对比清浊水样，直观展示丁达尔效应，或提供浊度比色卡。“现在，请各小组‘检测中心’对领取的‘原水’进行初步‘体检’，记录下它的‘相貌’（外观）和‘体质’（pH、浊度初步描述）。”巡视指导，纠正不规范操作。学生活动：观察并描述水样的物理性状。在教师指导下，学习使用pH试纸测定水样酸碱度，并尝试用激光笔照射或比色卡初步判断浊度。小组协作完成学习任务单上“原水水质初测记录表”。即时评价标准：①观察描述是否全面、客观（如：淡黄色、浑浊、有悬浮颗粒）；②pH检测操作是否规范（是否用洁净干燥的滴管取样，是否正确比色）；③记录是否及时、准确。形成知识、思维、方法清单：  ★水质评价多维性：评价水质需综合物理指标（色、味、浊度）和化学指标（如pH、硬度、重金属含量等），单一指标不能代表水质全貌。这培养了系统看待问题的视角。  ★pH与溶液酸碱性：pH是衡量溶液酸碱性强弱的常用指标，范围通常为014。pH=7为中性，小于7为酸性，大于7为碱性。大部分天然饮用水pH在6.58.5之间。  ▲浊度与分散系：水的浑浊程度与其中悬浮的固体颗粒大小和数量有关，这关联到悬浊液、胶体等分散系知识，激光笔的光路现象是鉴别胶体的简易方法。任务2：解密净水厂——原理迁移与方案构思教师活动：播放一段简化版自来水厂净水流程动画，并提问：“请大家当一回‘流程分析师’，找一找视频中包含了我们学过的哪些净化方法？它们各自解决了什么问题？”（预计学生能找出沉降、过滤、吸附、消毒）。随后，聚焦原理迁移：“如果我们用一个塑料瓶来模拟这个大型系统，哪些环节可以简化保留？可以选用什么身边的材料来实现类似功能？”组织小组进行5分钟的头脑风暴，在任务单上画出初步的设计草图，并标注每层预计使用的材料及其作用原理。“想一想，材料摆放的顺序可以随意调换吗？为什么？比如，能把鹅卵石放在最下面，蓬松棉放在最上面吗？”以此引发对流程逻辑的思考。学生活动：观看视频，识别并回顾沉降、过滤、吸附等核心净化步骤及其原理。小组展开讨论，将大型水厂工艺迁移到微型净水器设计中，初步商定材料选择与分层结构，绘制设计草图。就教师提出的顺序问题进行组内辩论，尝试从“拦截颗粒大小”、“防止堵塞”等角度思考顺序的科学性。即时评价标准：①能否准确将水厂工序与化学原理对应；②设计草图中材料与功能的标注是否清晰、有依据；③小组讨论是否围绕“原理”和“顺序”展开，成员参与度如何。形成知识、思维、方法清单：  ★净水核心原理三要素：沉降（重力作用除去大颗粒）、过滤（根据颗粒大小分离，如纱布、砂层）、吸附（利用物质表面作用力除去颜色、异味，如活性炭）。这是设计的基础逻辑。  ★净水流程的顺序逻辑：原则一般是“先粗后精，先物理后（特定）化学”。例如，先由大颗粒鹅卵石承托和初步拦截，再由石英砂、细沙进行精细过滤，最后经活性炭吸附。顺序错误会导致小颗粒堵塞上层，降低效率甚至失效。  ▲活性炭的吸附特性：活性炭具有疏松多孔的结构，表面积巨大，能吸附色素、异味等小分子物质，是常见的吸附剂。但它不能有效去除所有溶解性离子或微生物。任务3：巧手制滤器——模型构建与工程实践教师活动：在小组确定最终设计方案后，宣布进入制作阶段。首先进行安全教育：“使用剪刀、美工刀时务必专注、小心；热熔胶枪温度很高，由老师或指定安全员操作。”然后，分发材料包。制作过程中，教师巡回指导，重点关注：①塑料瓶裁剪与组装的安全性；②各层滤料填充的均匀度与紧实度；③层与层之间是否用纱布有效隔离，防止混料。针对遇到困难的小组，通过提问引导：“你们这层鹅卵石看起来有点少，想想它在整个结构中主要起什么作用？这个量能‘撑’起上面的砂层吗？”学生活动：小组根据最终设计图，分工合作动手制作净水器。可能包括：裁剪塑料瓶、安全使用工具、依次填充并固定各层滤料（如鹅卵石、石英砂、活性炭、蓬松棉等）。过程中不断对照设计图，检查顺序和填充质量，并进行组内即时调整。即时评价标准：①工具使用是否安全、规范；②各层滤料填充是否与设计图一致，顺序是否正确；③团队分工是否明确，协作是否流畅、高效。形成知识、思维、方法清单：  ★理论设计与工程实践的差距：设计图是理想化的，实践中会遇到材料粒度不均、填充松散、接口漏水等实际问题。解决这些问题需要动手能力、耐心和临场调整，这正是工程思维的重要体现。  ★控制变量思想：在测试时，为了公平比较净化效果，应尽量让除净水器结构外的其他条件（如原水水量、浑浊度、倒入方式）保持一致。这是科学实验的基本思想。  ▲简易净水器的局限性：自制净水器主要去除物理杂质和部分有机物，无法像专业设备一样去除微生物、重金属离子或彻底软化硬水。因此，其产水不建议直接饮用，需煮沸杀菌。这体现了技术的边界意识。任务4：实践验真知——测试、数据与初步评估教师活动：引导各小组使用自制净水器净化统一分发的模拟原水。明确测试要求：“请用烧杯承接过滤后的水，并与原水进行‘三对比’：比外观、比pH、再用激光笔照一照比浊度。”指导学生进行规范测试并记录数据。随后，组织小组间初步展示与交流：“请‘首席汇报官’带着你们的‘产品’和检测数据，到相邻小组进行‘路演’，介绍设计亮点，并展示净化效果。看看别组的设计，有没有给你们带来新的启发？”学生活动：小组进行净化实验，仔细观察过滤过程（如流速快慢）和滤后水的性状变化。规范完成净化后水质的检测（外观、pH、浊度），并与原水数据对比，记录在任务单上。进行组间参观交流，观察他组设计，听取他组介绍，对比净化效果，思考差异原因。即时评价标准：①实验操作是否规范，观察记录是否细致；②能否基于检测数据（而不仅仅是肉眼感觉）对净化效果进行客观描述；③交流展示时，能否清晰说明本组设计思路。形成知识、思维、方法清单：  ★硬水与软水的简易鉴别：可使用肥皂水。泡沫多、浮渣少的是软水；泡沫少、浮渣多的是硬水。本实验中原水若使用自来水（常为硬水），可作为一个拓展检测点。  ★数据驱动的评价：科学的评价依赖于客观数据（如pH数值变化、浊度描述）而非主观感受。“看起来干净”和“检测数据合格”是不同层次的标准。这培养了实证意识。  ▲影响净水效率的因素分析：净化效果差异可能源于滤料种类、顺序、粒度、厚度、填充紧实度、原水水质等多种因素。分析差异原因是进行优化的前提。任务5：迭代促优化——反思、改进与创意延伸教师活动：在测试交流后，引导学生进入优化环节。“各位工程师，根据测试数据和参观见闻，你们的‘一代机’有没有可以升级的地方？是过滤速度太慢，还是对颜色去除不明显？”要求各小组在任务单的“优化区”写下至少一条具体的改进设想，并简述理由。可以提出拓展挑战：“如果目标不仅是让水变清，还想让略带咸味的水变淡，我们可能需要引入什么新的原理？（提示：海水淡化工厂用什么方法？）”将问题引向更前沿的分离技术（如蒸馏、膜分离）。学生活动：小组回顾整个设计、制作、测试过程，结合本组数据和他组经验，进行反思讨论，提出明确的优化方案（如“增加活性炭层厚度以更好吸附色素”、“在底层增加一层更细的纱布防止细小活性炭漏出”）。思考教师提出的拓展问题，联系已学或未学的知识（如蒸发），进行开放性探讨。即时评价标准：①提出的优化建议是否针对本组实验中发现的具体问题；②优化理由是否结合了化学原理或工程考量；③是否积极参与拓展性问题的思考。形成知识、思维、方法清单：  ★工程设计的迭代性：优秀的设计rarelyesfromthefirsttry.“设计—实践—评估—改进”的循环是工程与产品开发的核心流程，不断逼近最优解。这培养了持续改进、追求卓越的思维习惯。  ▲其他净水与海水淡化技术：除本节课涉及的物理方法外，还有蒸馏（利用沸点差异）、膜分离（如反渗透，利用半透膜）等更精密的分离技术，用于实验室纯水制备或海水淡化。这打开了学科视野。  ▲项目式学习的核心价值：知识在应用中巩固，能力在挑战中提升，素养在体验中内化。本次项目不仅是做一个净水器，更是一次完整的科学探究与工程实践体验。第三、当堂巩固训练  基础层：请根据所学，完成下列填空：自来水厂净水过程中，明矾沉降利用的是______作用；活性炭池利用了其______性以除去异味；杀菌消毒属于______变化（填“物理”或“化学”）。（针对全体，巩固核心概念）  综合层：某小组设计的净水器流速非常慢，可能的原因有哪些？（至少列出两点）如果你是该组顾问，会建议他们如何调整？（考察原理应用与问题分析能力）  挑战层：查阅资料，了解“反渗透”净水技术的基本原理。与今天我们制作的“重力式”净水器相比，它在原理、效果和能耗上有什么主要区别？（引导学有余力者进行拓展探究，联系科技前沿）  反馈机制：基础层答案通过集体口答快速核对。综合层问题，邀请23个小组分享他们的分析，由其他小组补充或质疑，教师最后总结常见问题（如滤料太细、填充过紧、进水口堵塞等）及解决思路。挑战层作为课后延伸思考点，鼓励学生将查阅结果在下节课用1分钟进行“微分享”。第四、课堂小结  “同学们，今天我们完成了一次从‘知水’到‘治水’的探索之旅。现在，请大家用1分钟时间，在笔记上以‘净水’为中心，画出本节课的知识方法思维导图。”随后请一位学生上台展示并讲解其导图结构，其他学生补充。教师提升总结：“我们不仅复习了沉降、过滤、吸附等化学原理，更关键的是，我们体验了像工程师一样思考和工作：定义问题、基于原理设计、动手创造、测试数据、反思优化。这就是解决真实世界复杂问题的‘法宝’。”最后布置作业：“今天的项目报告——完整的设计图、实验数据记录和优化反思，就是一份宝贵的成果。请各小组完善后提交。另外，必做作业是基础训练题；选做作业是探究‘反渗透’技术或设计一个解决特定水质问题（如除铁锈）的净水方案。期待大家更精彩的想法！”六、作业设计  基础性作业（必做）：1.整理本节课核心知识笔记，清晰列出三种主要净水方法（沉降、过滤、吸附）的原理、实例及在净水器中的可能应用材料。2.完成课后练习中关于硬水软化及净化方法选择的3道基础题目。  拓展性作业（建议大多数学生完成）：撰写一份简易的“家庭净水方案建议书”。调查家中自来水水质情况（观察、闻味，有条件可测pH），结合本市水厂处理工艺，分析自来水可能存在的余氯或管道二次污染问题，并为家庭选购或使用净水设备（如滤水壶）提出12条基于化学原理的科学建议。  探究性/创造性作业（选做，学有余力或兴趣浓厚者完成）：二选一：1.微型研究：探究不同品牌活性炭（或比较活性炭与木炭）对同一种有色溶液（如稀释的红墨水）的脱色效果，设计对比实验，记录并分析结果。2.创意设计：设计一个适用于野外紧急求生的、能同时实现净水与获取饮用盐（从海水中）的简易联装装置草图，并说明其工作流程和涉及的化学原理。七、本节知识清单及拓展  ★水的净化：去除水中杂质使其更适合使用的过程。方法包括静置沉降、吸附沉降（如加明矾）、过滤、吸附、蒸馏、杀菌消毒等，需根据杂质类型选择。  ★过滤：分离不溶性固体与液体的操作。要点：“一贴二低三靠”。滤纸孔径有限，不能分离溶解在水中的物质。  ★活性炭吸附：利用其巨大表面积和疏松多孔结构，物理吸附色素、异味等。是物理变化，饱和后需更换。  ★硬水与软水：含较多可溶性钙、镁化合物的水叫硬水，反之叫软水。鉴别：加肥皂水，振荡，观察泡沫和浮渣多少。  ★蒸馏：利用液体沸点不同进行分离，可得纯水。实验室蒸馏装置包括蒸馏烧瓶、冷凝管、接收器等。  ▲明矾的净水原理：明矾溶于水生成胶状物[Al(OH)3]，吸附水中悬浮颗粒并沉降，属吸附沉降。  ▲自来水厂净水流程：一般取水→加絮凝剂沉降→过滤→吸附（活性炭）→杀菌（氯气或二氧化氯等）→配水。杀菌是化学变化。  ▲简易净水器设计原则：遵循“先粗后精”顺序，常用材料顺序（自上而下）：蓬松棉（初滤）→石英砂（过滤）→活性炭（吸附）→鹅卵石（承托、粗滤）。顺序错误会降低效率。  ▲水质指标：包括物理指标（色度、浊度、气味等）、化学指标（pH、硬度、余氯、重金属含量等）、生物指标（细菌总数）。全面评价需综合考量。  ▲pH与水体健康：大多数水生生物适宜在pH6.58.5的水体中生存。pH过低（酸雨）或过高都会破坏水生生态系统。  ▲混合物分离方法体系：本节课涉及的过滤、吸附、蒸馏，与蒸发、结晶、层析等共同构成混合物分离的方法网络，选择依据是物质性质的差异。  ▲项目式学习(PBL)要素：包含驱动性问题、持续性探究、真实性、学生发言权与选择权、反思、批判与修正、公开展示成果等关键要素。  ▲反渗透技术：利用半透膜，在压力驱动下使溶剂（水）透过而截留离子、小分子，是海水淡化和制备超纯水的核心技术。比蒸馏能耗低。  ▲“碳达峰、碳中和”与节水：水处理是高耗能过程。节约用水直接降低水厂能耗与碳排放，个人节水行动是助力“双碳”目标的具体实践。  ▲实验中的变量控制：在对比净水效果时，应控制原水水质、水量、倾倒速度等变量相同，只改变净水器结构，结论才可靠。  ▲净水技术的局限性：任何技术都有其适用范围和成本。家用净水器需定期更换滤芯，否则可能成为细菌滋生的温床。  ▲我国水资源现状：总量丰富，人均不足，时空分布不均，污染问题仍存。珍惜水资源是基本国情要求。  ▲STEM/STEAM教育理念：本课融合了科学(S)、技术(T)、工程(E)、数学(M)，亦可融入艺术(A，如设计草图美学)，是典型的跨学科整合案例。八、教学反思  (一)目标达成度与证据分析本次教学基本实现了预设目标。知识层面，从学生设计的净水器图纸和优化建议中，可见他们对净化原理及顺序逻辑有了较深理解，例如有小组明确指出“将细沙层置于活性炭层之上是为了防止炭粉流失并先过滤大颗粒”。能力层面，各小组均成功制作出能工作的净水器模型，并在测试中积极对比数据，体现了工程实践与数据分析能力的初步形成。情感与素养层面，课堂中“这水原来这么难变干净”、“以后得节约用水”的感叹不绝于耳，小组合作中虽有争论但最终能达成共识，社会责任感和协作精神得以滋养。然而，部分小组在“基于数据进行系统评价”方面仍显薄弱，多停留在“看谁的水更清”的直观比较。  (二)环节有效性评估导入环节的对比水样迅速抓住了学生注意力，驱动性问题明确。新授的五个任务环环相扣，逻辑清晰。任务2（原理迁移）是承上启下的关键，头脑风暴时间充足，确保了后续设计的科学性。任务4（测试评估）中增加组间“路演”，极大地激发了学生的展示欲和批判性思维，课堂气