项目式学习：水质检测与净水器设计与应用-九年级化学跨学科素养实践课

项目式学习：水质检测与净水器设计与应用——九年级化学跨学科素养实践课一、教学内容分析  本课位于人教版九年级化学上册第四单元《自然界的水》之后，是“跨学科实践”主题下的核心活动，承载着将学科知识转化为实践能力、发展综合素养的关键使命。从《义务教育化学课程标准（2022年版）》看，其坐标定位清晰：在知识技能图谱上，它深度融合了“水的净化”（吸附、沉淀、过滤、蒸馏等核心概念）与“科学探究”（提出问题、设计实验、进行实验、解释与结论等关键技能），要求学生从“理解”原理层面跃升至“应用”与“创造”层面，是单元知识链的集大成与输出端。在过程方法路径上，本课本质是一次完整的科学探究与工程设计（ETS）循环，学生将亲历“定义问题—设计方案—制作测试—评估优化”的全过程，蕴含了模型建构、变量控制、系统分析等核心科学思想方法。在素养价值渗透上，它以“水”这一生命之源和战略资源为情感纽带，将“科学探究与实践”“科学态度与责任”等核心素养具象化。学生在解决真实水质问题的过程中，自然生发对环境保护的关切、对技术造福社会的理解，实现了知识学习、能力发展与价值引领的有机统一。  基于“以学定教”原则，进行学情研判：九年级学生已掌握混合物分离、水的物理性质及部分净化原理，具备初步的实验操作技能，对动手制作兴趣浓厚，此为“已有基础”。然而，主要障碍在于：其一，从分散知识点到系统性解决复杂问题的能力不足，即“知”与“行”存在鸿沟；其二，工程设计思维（如考虑成本、可行性、迭代优化）近乎空白；其三，小组合作中易出现任务分配不均或思维依赖。因此，教学调适策略为：提供阶梯式任务支架与多样化的资源支持包（如“设计锦囊”），实施“异质分组”并明确角色分工（如项目经理、首席科学家、质检员），通过贯穿全程的形成性评价（观察、提问、任务单反馈）动态诊断，对困难组提供针对性指导，对快速完成组提出“优化挑战”，实现差异化推进。二、教学目标  知识目标：学生能够整合应用吸附、沉淀、过滤等水的净化原理，系统性解释自制净水器中各层材料的功能；能辨析实际净水效果与理想模型的差异，并基于证据说明原因，构建起从理论原理到技术应用的层级化知识结构。  能力目标：学生能够小组协作，完成从水质简易检测（如浑浊度、pH）到净水器方案设计、原型制作与效果测试的完整探究流程；能规范操作实验，科学记录数据，并依据测试结果对自制净水器进行初步分析与评估，形成基于证据的结论。  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资源的来之不易，增强节水意识与社会责任感；在小组协作中，能积极倾听、有效沟通，共同面对设计与测试中的失败与调整，培育严谨求实的科学态度与团队精神。  科学思维目标：重点发展学生的工程设计与系统思维。引导其经历“分析问题构思方案物化模型测试评估”的迭代过程，学会从成本、效率、可行性等多维度权衡设计方案，初步建立“结构决定功能”的模型认知。  评价与元认知目标：引导学生依据明晰的评价量规对小组作品进行自评与互评；鼓励其在项目结束后，反思本组设计方案的优劣、合作过程的得失，并能够提出具体的改进设想，提升自主学习与批判性反思的能力。三、教学重点与难点  教学重点为：基于净化原理设计并制作简易净水器模型，完成水质检测与效果评估的探究实践。其确立依据在于，该重点直接对应课标中“跨学科实践”的要求，是连接本单元核心知识（净化方法）与高阶能力（科学探究、问题解决）的枢纽。它并非单一技能的重复，而是对知识应用、实验设计、动手操作、数据分析等能力的综合检验，是发展化学核心素养的关键载体和显性表现。  教学难点为：将理论净化原理转化为可行的、优化的工程设计，并对净水效果进行科学归因。难点成因有二：一是认知跨度大，学生需克服从“知道各方法作用”到“有序组合并实现功能”的思维跳跃；二是涉及多变量系统分析，净水效果受材料选择、填充顺序、颗粒大小、水流速度等多因素影响，学生易陷入片面归因或描述现象。突破方向在于提供结构化设计支架与对比实验引导，例如提问：“同学们想想，如果把活性炭和石英砂的顺序对调，可能会发生什么？咱们怎么设计实验来验证这个猜想？”四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式课件（含水质问题新闻视频、净水厂流程动画、评价量规）；板书设计（左侧预留原理区，右侧为项目进程图）。1.2实验器材与材料：1.检测组：浑浊水样（泥土配置）、pH试纸、比色卡、烧杯、玻璃棒。2.设计制作组：多种净水材料（活性炭颗粒/粉末、石英砂、小卵石、蓬松棉、纱布）、塑料瓶（去底）、剪刀、胶带、漏斗、空烧杯。3.展示台：用于陈列各小组最终作品。1.3学习支持材料：分层学习任务单（含基础任务与挑战任务）、小组角色卡、工程设计思维导引卡（“设计锦囊”）。2.学生准备2.1知识预习：复习水的净化方法及原理。2.2小组构成：课前完成异质分组（45人一组），明确初步分工。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题驱动：同学们，请看屏幕上的这瓶水和这瓶水。（展示清澈矿泉水和自备的浑浊泥水）如果置身野外，只有这瓶浑浊的水，你们敢直接喝吗？我听到大家齐声说“不敢”。没错，健康饮水是生命线。那如何判断它能否饮用？又如何把它变清澈呢？这不只是生存技能，更是我们化学家、工程师要解决的实际问题。1.1提出核心问题与路径概览：今天，我们就化身“水质检测员”和“净水工程师”，完成一个挑战项目：第一，检测这份水样的基本情况；第二，设计并制作一个简易净水器，让它变得尽可能清澈。我们将遵循“明确问题设计制作测试改进”的工程流程来探索。回想一下，我们学过的哪些知识能成为今天项目的“理论武器库”？第二、新授环节任务一：水质初探——明确“对手”情况教师活动：首先，我们需要像侦察兵一样了解“对手”。我会分发浑浊水样。请大家先观察并描述它的物理性质。除了肉眼观察，我们能否更科学地描述它的“浊度”？引导思考：“如何比较谁的水更清？”引出简易对比法。接着，指出水质另一个重要指标——酸碱度。演示并讲解如何用pH试纸规范测定水样pH值：用玻璃棒蘸取，滴在试纸上，半分钟内与比色卡对比。“看，这个颜色对应pH大约是多少？它告诉我们水样的什么信息？”学生活动：小组观察水样，描述颜色、状态、悬浮物。尝试将水样静置，观察沉淀现象。学习并使用pH试纸测定水样pH，记录结果。讨论这些初步检测结果的意义。即时评价标准：1.观察描述是否全面、准确（如“黄色浑浊、有固体颗粒悬浮”）。2.pH测定操作是否规范（是否用洁净玻璃棒、是否及时比色）。3.小组能否根据初步检测结果，提出净化目标（如“需去除固体、调节酸碱度”）。形成知识、思维、方法清单：★水质简易检测指标：包括感官指标（色、味、浑浊度）和简单化学指标（如pH）。这是评估水质和净化效果的基线。▲沉淀法初步应用：静置可使大颗粒杂质因重力沉降，这是最基础的分离方法，也为后续净化降低负荷。科学探究起点：任何工程解决都应始于对问题的清晰界定与表征。任务二：原理关联——激活“理论武器库”教师活动：现在，面对这份水样，我们的“知识武器库”里有哪些法宝？通过提问激活旧知：“要使水变清，我们学过哪些净化方法？各自原理是什么？比如，过滤像什么？”（期待回答：筛子）“活性炭呢？它更像一个高效的‘吸附卫士’。”利用动画回顾净水厂流程，强调各环节的协同作用。然后提出挑战：“如果把这些大型工厂的工艺，微缩成一个能放在桌上的简易装置，你们小组会如何取舍和排列这些净化单元？别急着动手，咱们先想想这个方案里，谁是‘保安’（第一道防线）？谁是‘清洁工’（核心处理）？谁是‘质检员’（最后把关）？”学生活动：小组头脑风暴，回顾沉淀、过滤、吸附、蒸馏等原理。结合水样特点，讨论哪些方法适用于本次简易装置。初步构思净化单元的排列顺序，并尝试用化学语言解释每一步的设计意图。即时评价标准：1.能否准确说出不同净化方法的原理与适用对象。2.小组讨论是否基于水样特性（如颗粒大小）选择方法。3.设计的流程是否具有初步的逻辑性（如先粗后精）。形成知识、思维、方法清单：★水的净化原理体系：物理方法（沉淀、过滤）主要去除不溶性杂质；吸附（如活性炭）可去除部分可溶性杂质、色素异味。工程思维萌芽：将理论原理转化为技术方案时，需考虑处理顺序的优化，通常遵循“先易后难、先粗后细”的原则，形成预处理、核心处理、后处理的系统观。任务三：蓝图设计——绘制净水器“施工图”教师活动：创意时间到！现在，请各小组将你们的构思变成可操作的“施工图”。分发“工程设计思维导引卡”，提示学生从材料选择、结构设计、顺序安排、预期效果等多维度思考。我会巡视并提供差异化支持：对无从下手的小组，引导参考教材案例或“设计锦囊”；对思路活跃的小组，则挑战他们：“如何证明你们选的活性炭颗粒比粉末更好？”“怎样防止小石子堵住出水口？”鼓励绘制草图并标注材料与功能。学生活动：小组合作，根据任务单要求，完成净水器设计草图。明确列出所需材料、各层填充物及其预计功能。组内论证设计的合理性，并准备向全班简要阐述设计理念。可能产生争论，例如“应该先放棉花还是先放砂？”这正是深度思考的体现。即时评价标准：1.设计图是否清晰标明材料与结构。2.每一层材料的功能解释是否与化学原理吻合。3.设计是否考虑了实际操作的可行性（如固定方式、水流通道）。形成知识、思维、方法清单：★模型设计与表达：将抽象思路可视化为设计图，是工程实践的关键步骤。变量控制思想：设计时实际上已预设了“材料种类与顺序”是影响净水效果的自变量，而出水水质是因变量。▲材料特性考量：活性炭颗粒与粉末的吸附效率与水流阻力不同，需权衡选择；支撑层（如卵石）与精滤层（如棉、纱布）的作用各异。任务四：动手制造——将蓝图“物化”为模型教师活动：激动人心的制作环节开始！依据设计图领取材料。在动手前，强调安全与规范：小心使用剪刀，注意瓶口裁剪光滑。制作过程中，我会深入各小组，关注两个层面：一是操作层面，如“这一层填充得是否均匀？会不会一边厚一边薄导致水流短路？”二是思维层面，如“你们现在实际填充的顺序和设计图一致吗？为什么做了调整？”鼓励记录任何对原设计的修改及原因。学生活动：小组分工协作，安全、规范地裁剪塑料瓶，依次填充所选材料，制作净水器实物模型。在操作中可能遇到问题（如材料漏出、层间混合），需及时讨论解决，并可能调整原设计。完成制作后，为作品命名，并准备测试。即时评价标准：1.操作是否安全、有序。2.制作工艺是否细致（材料固定牢固、层次分明）。3.能否根据实际情况灵活调整原计划，并记录原因。形成知识、思维、方法清单：实践出真知：制作过程是对设计可行性的第一次检验，常会发现图纸上未曾料到的问题（如材料沉降、通道不畅）。技术优化意识：实时调整体现了工程的“迭代”特性。结构与功能紧密关联：填充的松紧度、均匀度都会直接影响净水效果与流速。任务五：测试评估——用数据“说话”教师活动：产品出厂，必须质检！各小组用自制净水器过滤一份等量的原水样。在等待过滤时，引导思考对比方案：“我们如何科学地评价谁的作品更优秀？仅靠眼睛看吗？”引出需要对比过滤前后的水样（浑浊度、pH变化）以及记录过滤速度。指导设计简单的数据记录表。过滤完成后，组织“成果发布会”：请小组展示并介绍作品，分享测试数据。“大家看，这组的水非常清澈，但流速很慢；那组流速快，但略显黄色。你们认为‘好’的标准应该是什么？是清澈第一，还是兼顾效率？”学生活动：小组进行净水测试，用烧杯收集滤液。对比原水与滤液的外观，可再次用pH试纸检测。记录过滤所需时间。分析本组作品的优缺点，准备汇报。倾听他组汇报，进行思考与质疑。即时评价标准：1.测试过程是否规范，数据记录是否真实、完整。2.汇报时能否结合原理分析结果（成功或不足）。3.能否对他组作品提出基于观察的、有依据的看法或疑问。形成知识、思维、方法清单：★科学评估基于证据：定性观察（视觉对比）与定量数据（pH、时间）相结合，使评价更客观。多目标权衡：工程产品往往需要在不同性能指标（如净化效果、处理速度、成本）间取得平衡，没有唯一的“最佳答案”。反思与改进起点：测试结果无论理想与否，都是宝贵的反馈，为分析原因和优化设计提供了直接依据。第三、当堂巩固训练  现在，我们进入“专家会诊”环节，请基于刚才的设计、制作与测试体验，完成以下分层任务：1.基础层（全员必做）：请用流程图的形式，梳理并标注出你小组净水器中各层材料所利用的净化原理（如：卵石层→过滤；活性炭层→吸附）。并简要解释，如果去掉活性炭层，可能会导致滤液在哪些指标上表现不佳？2.综合层（多数学生挑战）：假设有一小组的滤液仍然比较浑浊，请你担任“技术顾问”，帮助他们分析可能的原因（至少两点，如：“石英砂颗粒太大，缝隙大，小颗粒杂质穿过了”；“各层材料之间可能发生了混合，过滤通道紊乱”）。3.挑战层（学有余力选做）：从“系统工程”角度看，我们今天的净水器主要处理了“浊度”问题。如果要进一步改善口感或去除可溶性重金属离子，你认为可以引入什么新的化学原理或材料？请提出一个大胆的“升级版”设想。  反馈机制：完成基础层后，小组内交换检查流程图；针对综合层和挑战层的问题，我将邀请不同小组分享他们的分析或设想，组织简短辩论或补充，并展示一份“典型问题归因分析图”，帮助学生系统化认知。第四、课堂小结  旅程即将到站，让我们一起来绘制今天的“学习地图”。请闭上眼睛回想：我们从一瓶浑浊的水开始，最终得到了什么？（停顿）是的，我们不仅得到了一杯更清的水，更收获了一套解决问题的“工具箱”。请各小组用一句话总结本次项目的核心收获，可以关于知识、方法或感受。  （学生分享后）教师整合：今天我们完整体验了“项目式学习”的循环：从真实问题出发，链接化学原理，进行工程设计与实践，最后通过科学评估来反思。这个过程中，知识是工具，思维是引擎，合作是桥梁。课后，请大家根据任务单上的要求，完成分层作业。分层作业布置：1.必做（基础性作业）：完善本课学习任务单，撰写一份简短的实验报告，包括设计图、测试现象（或数据）与结果分析。2.选做A（拓展性作业）：调研家中的自来水来源及自来水厂的主要净化流程，写一篇短文，对比其与今天自制净水器的异同。3.选做B（探究性作业）：尝试利用生活中的其他材料（如沙子、木炭、毛巾等）改进或重新设计一个净水器，并测试效果，用照片和文字记录你的“家庭创新实验”。六、作业设计1.基础性作业：  全体学生必做。核心是巩固与规范。要求学生整理课堂学习任务单，形成一份结构完整的简易实验报告。报告需包含：项目课题、设计原理简述、净水器设计草图（标注材料）、实验步骤简述、实验现象（或数据）记录、结果分析与反思（至少写出一个成功点与一个可改进点）。此作业旨在引导学生系统地回顾实践过程，将零散的体验转化为结构化的科学记录，训练其科学表述能力。2.拓展性作业：  面向大多数学有余力的学生。引导学生将课堂项目与社会生产、生活实际建立联系。要求学生通过查阅资料（书籍、互联网或咨询家人），了解本地自来水的来源（如水库、河流）以及自来水厂所采用的净化工艺流程。撰写一篇约300字的短文，从处理规模、技术复杂度、净化精度、管理规范等多个维度，对比自来水厂工艺与课堂自制净水器的异同。此作业旨在拓展视野，深化对科学技术社会（STS）关系的理解。3.探究性/创造性作业：  供有兴趣和特长的学生选做。鼓励学生将探究延伸至课外，进行开放式创新。任务为：利用家中易得的材料（如洗净的细沙、砸碎的木炭、棉布、丝袜、空塑料瓶等），重新设计并制作一个“家庭版”净水器。要求学生用照片记录制作过程，并对净化某种生活污水（如淘米水、静置后的泥水）的效果进行简单测试与记录。最后，用图文结合的形式展示其创意设计与发现。此作业重在激发创新思维，培养在真实情境中灵活应用知识解决问题的能力。七、本节知识清单及拓展1.★水质简易评价指标：主要包括感官指标（颜色、气味、浑浊度）和简单化学指标（如pH值）。pH试纸的使用是定性检测溶液酸碱度的基本技能。2.★水的净化原理与方法：沉淀（重力作用，分离大颗粒）；过滤（分离不溶性固体与液体，核心是“颗粒大小与滤孔孔径”的关系）；吸附（活性炭利用其多孔结构吸附色素、异味及部分可溶性杂质，属物理变化）。蒸馏是更高程度的净化。3.★过滤操作要点：“一贴、二低、三靠”。在自制净水器中，该原理被扩展应用，各层材料相当于多层滤网。4.常见净水材料及其功能：卵石/石子（粗滤、支撑层）；石英砂（精滤，去除较小颗粒）；活性炭（吸附）；蓬松棉/纱布（最终屏障，防止细小材料漏出）。5.▲净水流程的系统性：合理的净水流程设计通常遵循“先粗后精、逐级拦截”的原则，形成预处理、核心处理、后处理的系统，以提升整体效率与效果。6.科学探究与工程设计（ETS）流程：本课完整经历了“明确问题→构思方案→设计制作→测试评估→交流改进”的迭代过程，这是解决复杂实际问题的通用方法论。7.变量控制思想：在分析与评估净水器效果时，应意识到净水效果（因变量）受材料种类、顺序、粒径、填充紧实度、水量（自变量）等多种因素影响。对比实验需控制变量。8.工程思维中的权衡：工程产品设计往往需要在多重目标（如净化效果、制造成本、处理速度、使用寿命）之间进行权衡与优化，寻求最佳平衡点。9.化学与社会（STSE）：水的净化技术直接关系到公共卫生与健康。了解自来水生产过程，有助于增强节水意识、珍惜水资源，并理解化学对保障生活质量的重要贡献。10.从模型到实际：课堂自制净水器是高度简化的模型，实际净水工艺（如混凝、消毒、软水等）更为复杂，但核心原理相通。八、教学反思  本教学设计以项目式学习（PBL）框架统领，试图将化学核心知识（水的净化）包裹在“水质检测与净水器制作”这一真实驱动性任务中，力求实现学科逻辑与实践逻辑的统一。回顾预设流程，其优势在于结构化清晰，环节递进性强，且充分预留了学生主动建构与生成的空间。教学目标达成度预计较高，尤其是知识应用与科学探究能力目标，通过五个环环相扣的任务得以扎实落实；情感目标在“成果发布会”与“专家会诊”环节得到自然升华。  对各环节有效性的评估：导入环节的视觉对比冲击力强，能快速聚焦问题。新授的五个任务是关键，其中“任务三（蓝图设计）”与“任务五（测试评估）”是思维跃升的节点。设计环节学生可能陷入“材料堆砌”而忽视顺序逻辑，需要教师通过精准提问（如“谁做第一道防线？为什么？”）进行干预。测试评估环节，学生易满足于“变清了”的定性描述，需通过引导对比数据、讨论评价标准，将其思维推向定量与多维评