《水的净化：自制净水器的跨学科实践》九年级化学教学设计

《水的净化：自制净水器的跨学科实践》九年级化学教学设计一、教学内容分析  本节内容源自《义务教育化学课程标准（2022年版）》中“科学探究与化学实验”、“物质的性质与应用”主题，是“地球周围的空气”与“自然界的水”单元知识的综合应用与深化。从知识技能图谱看，它直接关联“水的净化”核心概念，要求学生不仅识记沉降、过滤、吸附、蒸馏等分离方法的名称，更要深入理解其基于物质物理性质的分离原理，并能迁移应用于解决实际水质问题，构成了从单一知识点学习到综合问题解决的关键枢纽。过程方法上，本节课是践行“科学探究与实践”的绝佳载体。学生将亲历从明确问题、设计方案、动手制作到测试评价的完整工程实践流程，其中蕴含了控制变量、模型建构、系统分析等关键科学思维方法。素养价值层面，活动将化学知识置于“水资源保护与利用”的真实社会议题中，引导学生从技术应用角度思考可持续发展，有效培育科学态度与社会责任感，实现知识学习与价值引领的“化合反应”。  学情研判方面，九年级学生已初步掌握混合物、纯净物概念，并对沉降、过滤有粗浅的生活经验（如泡茶），这为学习奠定了认知起点。然而，学生往往将不同净化方法视为孤立步骤，难以从“颗粒大小”、“物质性质差异”的维度系统理解其内在原理关联，这是认知的难点与关键增长点。同时，学生动手能力与抽象思维能力存在显著差异：部分学生善于动手操作但疏于原理阐述，另一部分则长于理论推演但实践怯场。因此，教学过程中需嵌入形成性评价“雷达”，如通过“请你解释为什么这层放石英砂，那层放活性炭”等追问，动态诊断理解层次；通过巡视指导，观察记录操作规范性。基于此，教学调适应提供“分层脚手架”：为实践型学生提供“原理提示卡”，引导其将操作上升为理论；为理论型学生提供“分步操作指南”和鼓励，帮助其克服畏难情绪，确保所有学生都能在“做中学”和“学中思”的平衡中获得发展。二、教学目标  知识目标：学生能系统阐述自来水厂常规净化流程（沉降、过滤、吸附、消毒）中各环节的目的与原理；能基于物质颗粒大小、溶解性、吸附性等物理性质差异，辨析并解释自制净水器中各层材料（如石子、石英砂、活性炭、蓬松棉）所起到的净化作用，构建起“性质决定用途，用途体现性质”的认知模型。  能力目标：学生能够以小组为单位，依据提供的材料清单，协作设计并动手制作一个具有多层结构的简易净水器模型；能够运用观察、比较的方法，定性评估净水器对模拟污水（如含泥沙、有色杂质）的净化效果，并尝试分析影响净化效果的可能因素，初步形成基于证据得出结论的科学探究能力。  情感态度与价值观目标：通过亲历净水器制作，学生能切实感受到化学技术对改善生活、保护环境的价值，增强节约用水、爱护水资源的意识；在小组合作中，能主动承担角色任务，倾听同伴意见，共同面对挑战，体验团队协作的成就感。  科学（学科）思维目标：发展学生的“模型建构”与“系统分析”思维。引导他们将复杂的实际净水系统简化为可操作的物理模型（净水器），并能够分析模型中各组件（过滤层）的功能及其相互协作关系，理解系统整体功能大于部分之和的工程思想。  评价与元认知目标：学生能够依据教师提供的简易量规（如结构合理性、协作有效性、净化效果），对本组及他组的净水器作品与制作过程进行初步评价；并能反思在设计与制作过程中遇到的困难及解决策略，总结“从失败中学习”的经验。三、教学重点与难点  教学重点：基于物质物理性质差异的分离原理在净水过程中的综合应用。确立此为重点，源于其在课标中的核心地位——是“物质的分离”这一学科大概念的具体化呈现，也是连接物质性质与生产生活应用的桥梁。从学业评价看，该原理是分析各类净化、分离装置（如简易净水器、海水淡化设备）的通用思维工具，是高频考查的能力立意点。掌握此原理，学生方能举一反三，而非机械记忆净水步骤。  教学难点：从“单一分离方法”的线性认知到“多级协同净化”的系统性理解。成因在于学生思维需完成一次跃迁：他们已学习过滤等独立操作，但自制净水器要求他们综合考量不同材料净化功能的差异性与序贯性，进行系统集成设计。这一过程抽象且需工程思维，学生常见的设计误区是材料层顺序混乱或功能重叠。突破方向是强化类比（如“像层层设卡的安检”）和可视化拆解（分析每一层“拦截”了什么），引导学生在动手前先完成“纸上谈兵”的系统规划。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含自来水厂净水流程动画、不同水质图片）；实物投影仪。1.2实验器材与材料（按小组配备）：剪去底部的塑料瓶（作净水器外壳）、带导管的瓶盖、烧杯、玻璃棒；过滤材料包（鹅卵石、石英砂、活性炭颗粒、蓬松棉）；模拟污水（泥沙水、滴有红墨水的溶液）；对比用的纯净水样品。1.3学习支持材料：“净水器设计师”任务单（含设计草图区、原理说明区、效果记录区）；课堂分层练习题单；小组合作评价量规卡片。2.学生准备  预习教材中“水的净化”相关内容；复习混合物分离的常用方法；以46人小组为单位就座，便于合作探究。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题提出：教师展示两杯水：一杯清澈的纯净水，一杯浑浊的模拟河水/泥水。“同学们，如果我们在野外探险，只有这杯浑浊的水，怎样才能把它变成相对安全、可以饮用的水呢？大家生活中知道哪些让水变干净的办法？”（学生可能回答：静置、用纱布过滤、烧开等）教师予以肯定：“这些都是非常朴素有效的智慧。那么，大规模生产饮用水的自来水厂，他们的净化过程是不是更精密、更系统呢？今天，我们就化身‘水质工程师’，尝试揭开净化的奥秘，并亲手制作一个简易净水器。”2.建立联系与路径明晰：“要当好工程师，我们先要打好理论基础。请大家回忆，我们学过的混合物分离方法有哪些？它们分别利用了物质性质的什么差异？”（快速回顾过滤、吸附等）。“很好，今天我们的核心任务就是：综合运用这些原理，设计并制作一个多层净水器。我们将首先分析自来水厂的‘专业蓝图’，然后自己动手‘绘制草图’、‘选材施工’，最后测试我们的‘工程作品’。”第二、新授环节任务一：解构“蓝图”——分析自来水厂净化流程教师活动：播放自来水厂净水流程的简化动画或图示。教师不是简单复述步骤，而是以“总工程师”身份进行解说：“各位见习工程师，欢迎来到我们的‘云参观’现场。请大家聚焦几个关键‘车间’：第一站，‘反应沉淀池’，这里投加了明矾，大家看到什么现象？（絮状沉淀）这其实是利用胶体的聚沉原理，让微小颗粒抱团变大，便于沉降。这步叫‘沉降’或‘混凝沉淀’。接下来，水流向‘过滤池’，这里铺着厚厚的砂层，它的作用类似于我们学过的什么操作？对，过滤，拦截更小的颗粒。第三站很关键，‘活性炭吸附池’，黑乎乎的活性炭有什么本事？它能‘吸味除色’。最后一站，‘清水池’，这里要投加氯气等消毒剂，对付我们看不见的敌人——微生物。好，流程走完了，谁能用一句话概括，这一系列操作的核心思想是什么？”（引导学生得出：逐步去除不同大小、性质的杂质）。学生活动：认真观看动画，跟随教师的引导性问题进行思考。在教师讲解关键步骤时，在任务单上做简要笔记或标注。回答教师的提问，尝试用自己的语言描述各步骤的目的，并思考其背后的化学或物理原理。即时评价标准：1.观看与倾听的专注度，能否抓住教师讲解的关键点。2.回答问题时，能否准确联系已学知识（如过滤、吸附）。3.能否初步理解净化流程的“逐步精制”逻辑，而非简单罗列步骤。形成知识、思维、方法清单：★常规净化四部曲：沉降（混凝沉淀）→过滤→吸附→消毒。▲明矾净水原理：明矾溶于水生成胶状物，吸附水中悬浮杂质沉降，属物理变化。★核心思想：根据杂质颗粒大小、性质的不同，采用不同的物理或化学方法进行逐级去除。方法提炼：分析复杂工业流程时，可将其分解为若干单元操作，并思考每个单元的原理与目的。任务二：构思“草图”——设计多层净水器模型教师活动：“现在，我们要把宏大的水厂微缩成手中的一个瓶子。请大家小组讨论：如果给你们石子、砂子、活性炭和棉花，你们打算怎么排列它们？谁打头阵？谁压轴？为什么这样安排？”教师巡视，聆听各小组的初步设想。针对典型设计（无论对错），邀请小组代表分享并阐述理由。可能有的组顺序颠倒，比如把活性炭放在最上层。“大家听听这个方案，活性炭先接触污水，会怎样？”引导学生思考活性炭孔道可能被大颗粒堵塞而失效。从而引出设计关键：“所以，我们的过滤层排列，要遵循什么原则？”——引导得出“从粗到细，前级保护后级”的序贯设计思想。学生活动：小组展开热烈讨论，可能产生争议。利用手边的材料实物进行比划、模拟。尝试在任务单的设计草图区画出结构示意图，并标注各层材料。派代表分享本组设计思路，并倾听其他组的方案，进行比较和辩论。即时评价标准：1.小组讨论是否全员参与，能否倾听并回应同伴观点。2.设计方案是否有理有据，能否尝试用“颗粒大小”、“吸附特性”等术语解释。3.能否在听取他组分享后，反思并优化本组设计。形成知识、思维、方法清单：★净水器分层设计原则：按过滤介质孔隙从大到小、拦截颗粒从粗到细的顺序填充，即：鹅卵石（去除大颗粒）→石英砂（去除较小颗粒）→活性炭（吸附色素、异味）→蓬松棉（精滤，防止活性炭颗粒漏出）。▲系统工程思维：各层功能明确且协同，上一层的输出是下一层的合格输入，优化整体效能。易错点预警：活性炭若置于最上层，其微孔会迅速被大颗粒堵塞而失去吸附能力，需置于粗滤层之后。任务三：“施工”与观察——动手制作与初检教师活动：“设计图通过审核，现在进入激动人心的‘施工’阶段！请大家按照最终确定的设计，小心地将材料装入净水器柱。注意：每装入一种材料，可以轻轻晃动或敲击瓶身，让填充更均匀，但不要压实，要保持一定的疏松度让水流通过。老师有个小提示：在放活性炭之前，可以先垫一层薄薄的棉花，防止细沙漏下去；活性炭之后更要垫好棉花，这叫‘封口’。做完的同学，可以先倒入少量清水，看看水流是否通畅，检查有没有‘塌方’或‘渗漏’。”教师巡视，重点指导动手能力较弱的学生，确保操作安全规范。学生活动：小组分工合作，有人扶稳装置，有人负责添加材料，有人负责记录。小心谨慎地按顺序填充各层材料。完成后进行“试水”初检，观察水流速度，检查装置密封性和层状结构是否稳定。即时评价标准：1.操作是否规范、安全，是否有明确的分工协作。2.填充顺序是否与设计图一致，各层界面是否基本清晰。3.能否通过“试水”初步检验装置的制作质量。形成知识、思维、方法清单：★实践要点：填充过滤介质时应疏松、均匀，留有水流通道；活性炭层前后宜用蓬松棉包裹固定。▲工程意识：制作环节是对设计方案的实体化检验，需要精细操作和团队配合。方法链接：这是将理论模型转化为物理实体的关键步骤，体现了“实践是检验真理的唯一标准”。任务四：运行“测试”——净化效果对比实验教师活动：“我们的净水器正式‘开机运行’！请各小组将模拟污水（提前准备好的泥沙水或有色水）缓缓倒入净水器顶部，用烧杯在下方接取过滤后的水。同时，请大家也保留一份原污水样品作为对比。”教师强调：“注意观察和记录：过滤的速度怎么样？处理前后，水的颜色、透明度发生了怎样的变化？闻一闻气味有没有不同？”教师巡回指导，提醒学生进行公平比较（如倒入等量污水）。针对净化效果特别显著或不太理想的小组，引导他们思考原因：“你们组的水很清澈，想想看，哪个环节起了关键作用？”“你们组的水还有点浑，可能是哪一层填充得太紧或者材料顺序有问题？”学生活动：进行过滤操作，仔细观察过程中水流的变化以及滤出液的外观、气味。与原始污水样品并排放置，进行直观对比。在任务单上记录观察到的现象（颜色、透明度、气味的变化，过滤速度等）。即时评价标准：1.实验操作是否规范（如缓慢倾倒）。2.观察是否细致，记录是否客观、准确。3.能否将观察到的现象与净水器的具体结构、材料联系起来进行初步分析。形成知识、思维、方法清单：★现象与结论：经多层过滤后，水的浑浊度、颜色通常显著降低，说明物理过滤和吸附有效去除了悬浮颗粒和部分溶解性色素。★活性炭的特性验证：若使用红墨水做模拟污水，颜色变浅可直观证明活性炭的吸附作用。▲评价维度：净水效果可从澄清度、色度、异味去除率等多方面定性评价。科学探究要素：本任务包含了进行实验、观察记录、对比分析等关键探究环节。任务五：复盘“评估”——原理阐释与优化探讨教师活动：组织小组展示与交流。邀请12个小组展示他们的净水器和过滤后的水，并阐述设计思路、各层作用及实验现象。“大家看，这组的水非常清澈，请‘工程师’来解释一下你们的成功秘诀。”引导学生用化学语言总结。进而提出更深层问题：“我们的净水器得到的水，能直接喝吗？和自来水厂出来的水、市面上卖的纯净水，主要差别在哪里？”（引导学生认识到未经过消毒和深度处理，不能直接饮用；且可能无法去除可溶性离子、微生物等）。再追问：“如果想让我们的净水器能力升级，比如去除水中的咸味（可溶性盐），该怎么办？”（引出反渗透、蒸馏等更高级的分离方法）。学生活动：代表小组进行展示汇报，自信地解释装置原理。聆听他组汇报，思考其优缺点。参与全班讨论，回答教师的进阶问题，认识到自制净水器的局限性，并联系到更广阔的净水技术（如家用净水机原理、海水淡化）。即时评价标准：1.汇报时能否清晰、有条理地阐述原理，将现象与知识紧密结合。2.能否辩证地看待自制净水器的净化效果，理解其适用范围与局限。3.能否在讨论中进行批判性思考，提出合理的改进或联想。形成知识、思维、方法清单：★自制净水器功能定位：主要用于去除不溶性悬浮杂质和部分有机色素、异味，属于初级物理净化。★局限性认识：无法去除可溶性离子、微生物、病毒等，故滤出水非直饮水。▲技术延伸：去除可溶性杂质需应用蒸馏、反渗透（基于膜分离）等原理，这是家用纯水机的核心。★STSE观念：任何技术都有其适用边界，选择净水方式需根据水质情况和需求而定，建立合理的技术观。第三、当堂巩固训练  1.基础层（必做）：下图是某同学设计的简易净水器示意图，请指出各层（A、B、C、D）可能放置的材料名称，并简述其作用。（提供分层标注图）  2.综合层（选做）：某山区饮用水源含有较多的泥沙和落叶腐烂产生的异味。现准备设计一个简易净水装置，除常规过滤材料外，你认为还应重点加强哪个处理环节？请说明理由。  3.挑战层（选做/课后思考）：查阅资料，了解家用反渗透净水机的基本工作原理，并与今天制作的过滤吸附式净水器进行比较，分析它们在原理、去除杂质种类和能耗等方面的主要异同。  反馈机制：基础层题目通过实物投影展示学生答案，集体核对，聚焦原理表述的准确性。综合层题目请不同意见的学生简要阐述，教师点评其问题分析与关联知识的能力。挑战层题目作为思维拓展，鼓励感兴趣的学生课后探究，可在下节课课前进行简短分享。第四、课堂小结  “同学们，今天我们从工程师的视角，完成了一次完整的‘探秘设计建造检验’之旅。现在请大家用一分钟，在笔记本上画一个简单的概念图，核心是‘水的净化’，看看你能辐射出多少今天学习的关键词。”学生自主梳理后，教师邀请一位学生分享，并引导全班共同构建知识网络图（板书或课件呈现）：核心是“水的净化”，分支包括“厂级流程”（沉降、过滤、吸附、消毒）、“自制模型”（原理：依性质差异分离；设计：从粗到细序贯；材料：石子、砂、活性炭、棉；局限：初级物理净化）。最后总结：“化学，就是能让浑浊变清澈的智慧。今天我们学到的不仅是几种净水方法，更是一种解决问题的系统思维。希望这份智慧，能让大家更珍惜每一滴清澈的水。”  作业布置：1.基础性作业：整理本节课知识要点，完成同步练习册对应基础题。2.拓展性作业：尝试利用家中易得材料（如纱布、沙子、木炭等），改进或重新制作一个简易净水器，并测试其效果，用照片和文字记录过程。3.探究性作业（选做）：设计一个实验，探究活性炭用量对去除红墨水颜色效果的影响，写出简单的实验方案。六、作业设计  基础性作业（全体必做）：1.书面整理“水的净化”常规方法流程表，注明各步骤目的及主要原理。2.解释自制净水器中，活性炭层为什么通常放置在石英砂层之后、蓬松棉层之前。3.完成教材课后相关基础练习题。  拓展性作业（建议大多数学生完成）：“家庭水质改善师”项目：观察家中饮用水情况（如烧水壶水垢、自来水余氯味等），结合本节课知识，查阅一种家用净水设备（如滤水壶、超滤净水器）的产品说明，分析其宣称的净化功能主要对应我们学习的哪种或哪几种原理，撰写一份简要的分析报告（200300字）。  探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：1.创意设计：如果要求你的净水器不仅能去污，还能在紧急情况下提示水质是否可饮用（例如通过颜色变化），你打算如何集成新的功能或材料？画出设计草图并说明思路。2.深度调研：以“从江河到水杯：现代城市供水系统的挑战与创新”为题，进行小型资料调研，了解当前水处理领域面临的新问题（如新型污染物、节水技术）及前沿解决方案，形成一份调研摘要。七、本节知识清单及拓展  ★水的净化：指通过物理或化学方法去除水中杂质，使其满足特定使用要求的过程。  ★沉降（混凝沉淀）：利用明矾等混凝剂使水中细小悬浮颗粒凝聚成较大颗粒而沉降。提示：此过程主要是物理变化，明矾作混凝剂。  ★过滤：分离液体与不溶性固体的操作，利用物质的颗粒大小差异，让液体通过滤纸或滤层，固体被截留。  ★活性炭吸附：利用活性炭疏松多孔的结构，吸附水中的色素、异味等可溶性杂质。提示：这是物理吸附过程。  ★消毒：通常使用氯气、二氧化氯或紫外线等方法杀灭水中的细菌、病毒等微生物。提示：消毒与净化（去除杂质）概念有区别，常协同进行。  ★自制净水器原理：综合运用过滤（拦截颗粒）和吸附（去除色素异味）等物理方法，进行多级净化。  ▲净水器设计序贯原则：过滤材料应按孔隙从大到小、拦截颗粒从粗到细的顺序填充，以保护精细滤材、延长使用寿命。  ★常见过滤材料特性：鹅卵石（粗滤，除大颗粒）、石英砂（精滤，除较小颗粒）、活性炭（吸附）、蓬松棉（精滤及支撑）。  ★自制净水器的局限性：只能去除部分不溶性杂质和某些可溶性有机物，不能去除可溶性盐类、重金属离子及所有微生物，故滤出水不可直接饮用。  ▲蒸馏：通过加热蒸发再冷凝，获取纯水的方法，能去除几乎所有杂质（包括可溶性盐），但能耗较高。  ▲反渗透：在压力驱动下，使水通过特定半透膜，从而分离盐分和杂质的技术，是家用纯水机的核心。提示：与过滤相比，反渗透能去除离子级杂质。  ▲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。硬水加热易产生水垢。关联：普通过滤无法软化硬水。  ★节约用水与爱护水资源：化学知识为我们提供了净化水的技术，但地球上淡水资源有限，每个人都应树立节水意识，防治水污染。八、教学反思  （一）目标达成度分析：本节课预设的多维目标基本达成。知识层面，通过“设计制作解释”循环，绝大多数学生能清晰阐述各净化步骤的原理及在净水器中的体现，课后作业反馈良好。能力与过程层面，小组合作制作环节参与度高，学生表现出强烈的实践兴趣和问题解决动机，成功制作出能直观看到净化效果的装置，科学探究能力得到锻炼。情感态度方面，学生对水资源的重要性和净化技术的价值有了切身体会，课堂讨论中自然流露出节水环保意识。科学思维目标中，“系统设计”思维是难点，部分学生在初始设计时仍考虑不周，但通过组间分享和教师引导，多数在任务二中后期能够调整优化，理解了序贯设计的重要性。  （二）核心环节有效性评估：“任务二：构思草图”是本课承上启下的思维枢纽，耗时比预想稍长，但价值显著。学生在此处的争论、试错是最真实的思维过程暴露。有小组坚持把活性炭放第一层，认为“最好的材料要先用”，这反映了典型的前科学思维。通过引导他们思考“堵塞”后果，并类比“先用大网捕大鱼，再用小网捕小鱼”，成功实现了认知冲突的解决。下次可以准备更直观的教具，如不同孔径的筛网叠放演示，让“序贯过滤”思想更可视化。“任务五：复盘评估”中关于“能否直饮”和“技术局限”的讨论，将课堂从动手操作拉升到理性思辨的高度，有效防止了课堂停留于“手工课”的浅层热闹。  （三）学生差异化表现与应对：课堂中观察到明显的差异化表现。A类学