项目式学习：设计并制作一座简易净水装置-高中化学必修课程

项目式学习：设计并制作一座简易净水装置——高中化学必修课程一、教学内容分析  本课内容深度锚定于《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中“科学探究与创新意识”、“科学态度与社会责任”两大核心素养的培育。在知识图谱上，它居于“常见的无机物及其应用”与“化学与社会发展”两大主题的交汇点，是对“胶体、沉淀、过滤、吸附、消毒”等水处理核心原理（属于“理解”与“应用”层级）的综合应用与工程化转化，并为后续学习“化学反应原理”中的速率与平衡概念提供鲜活情境。从过程方法看，本课是“科学探究”基本流程（问题设计实施结论交流）的完整实践场，并融入了初步的“工程设计与物化”思想（明确需求、权衡方案、制作模型、测试优化），是将学科思想方法转化为跨学科问题解决能力的典范。其素养价值渗透于多个维度：在探究浑浊水变清澈的过程中，深化“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”；在设计方案的选择与权衡中，发展“证据推理与模型认知”；在理解净水技术对人类生存的意义时，激发“科学态度与社会责任”，实现知识载体与育人目标的深度融合。  学情研判需立体化。学生已有基础包括：对混合物分离的初步认识（如过滤）、对活性炭吸附性的生活经验、以及基本的实验操作技能。潜在障碍可能在于：将零散的净水原理整合为有序、高效的工艺系统（系统思维缺失）；对材料选择的科学依据与经济、环境等因素进行综合权衡（决策复杂度高）；在动手制作中将二维图纸转化为三维结构时遇到技术困难（空间实践能力差异）。教学调适应基于动态评估：通过导入环节的头脑风暴、方案设计时的论证会，敏锐捕捉学生的前概念与思维火花；在制作阶段，通过巡回指导，识别操作难点，为“技能生疏者”提供操作支架（如捆绑技巧示范），为“思维敏捷者”提出优化挑战（如“如何提高流速且保证净水效果？”）。支持策略上，将提供“材料库”与“原理工具箱”，允许学生分层调用，确保不同起点的学生都能卷入深度探究。二、教学目标  知识目标：学生能够系统性阐述天然水净化所涉及的主要原理（如沉降、过滤、吸附、消毒）及其微观作用本质；能辨析不同净化方法（如普通过滤与活性炭吸附）在目的与效果上的区别与联系；能依据水质初步判断，选择合适的净化方法与材料序列，建构起“水质问题净化原理材料选择”的关联性认知结构。  能力目标：学生能够以小组为单位，经历完整的工程设计流程：明确净水需求、绘制并论证设计方案、依据方案选择器材并动手制作原型机、设计简易方案测试其效能并基于证据进行优化。重点发展基于多重约束条件（效果、成本、时间）进行方案设计与决策的能力，以及将理论模型转化为实物模型的动手实践与协作能力。  情感态度与价值观目标：学生在方案论证与小组协作中，能认真倾听同伴观点，理性提出质疑或补充，体验到团队智慧优于个人灵光；通过对净水技术重要性的认识，建立起珍惜水资源、运用科学知识改善生活品质的责任感与认同感。  科学（学科）思维目标：本课重点发展“模型认知”与“系统思维”。引导学生将复杂的市政净水系统简化为可操作的物理模型（简易净水装置），理解其分层、分级的净化思想；同时，培养从整体功能出发，审视各部件作用及相互关联的系统性思维方式，例如思考“如果去掉活性炭层，对整个系统的出水水质会产生哪方面的影响？”  评价与元认知目标：引导学生使用教师提供的简易评价量规（如净水效果、结构稳定性、创新性）对自制装置进行自评与互评；在项目复盘时，能够反思本组在设计、制作、测试环节中的成功经验与失误原因，并提炼出“设计实践反馈优化”的迭代改进策略。三、教学重点与难点  教学重点：净水装置的系统性设计思想与各层净化原理的整合应用。确立依据：从课程标准看，它指向“能运用化学知识对与化学有关的社会热点问题做出合理的分析和评价”，是“科学态度与社会责任”素养的关键表现；从学科逻辑看，如何将沉淀、过滤、吸附等单元操作有序组合成一个高效协同的系统，是理解现代水处理技术的核心思维模型，也是培养学生工程思维的重要载体。  教学难点：基于多重约束条件的方案设计与优化决策。预设依据：学生习惯于追求单一目标（如仅追求最清澈），但真实工程问题需要在效果、成本、流速、便携性等多目标间权衡。这需要克服线性思维，进行辩证分析和综合决策，对高一学生的认知复杂度提出挑战。突破方向在于提供结构化讨论框架，例如“我们的设计首要保证什么？为此可以牺牲什么？”引导学生展开优先级辩论。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含市政水厂工艺流程简图、不同净水材料微观结构图）；项目学习任务书及评价量规（每组一份）；模拟污水（泥土、细沙、墨水配制）。1.2实验器材与材料库：1.基础材料包（必选）：空塑料瓶、剪刀、棉纱、石英砂、细鹅卵石、活性炭颗粒。2.进阶材料库（可选）：蓬松棉、明矾粉末、吸管、不同孔径的纱布。3.测试工具：烧杯、玻璃棒、电子天平（可选，用于引入成本核算）、pH试纸、浊度比色卡（自制）。2.学生准备  预习教材中水的净化相关原理；以小组（45人）为单位，课前初步讨论装置构思并绘制草图；携带手套等个人防护用品。3.环境布置  教室布局调整为小组合作式，每桌配备一个“制作工作区”；黑板划分出“原理区”、“设计展示区”和“问题墙”。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与驱动性问题提出：“同学们，如果我们突然身处一个只有浑浊河水的野外环境，如何获得一杯相对洁净的饮用水？是不是直接把水煮开就行？”（等待学生反应）播放一段30秒的短片，展示自然灾害后应急净水设备工作的场景。随后，呈现一杯模拟的浑浊污水。“看，这就是我们面临的‘挑战’。今天，我们不是简单地学习知识点，而是要像工程师一样，接受一个项目挑战：利用有限的材料，设计并制作一座高效、稳定的简易净水装置。”2.建立联系与路径预览：“要当好工程师，光有热情不够，还得有扎实的科学依据。我们将分三步走：第一步，化身‘分析师’，拆解浑水里到底有哪些‘不速之客’，又有什么‘武器’能对付它们；第二步，成为‘设计师’，画出你们的净化蓝图，并说服你的组员和‘评审团’（全班）；第三步，动手做‘建造师’，把蓝图变为现实，并测试它的‘战斗力’。好，让我们先从分析敌情开始！”第二、新授环节任务一：分析“污水”成分与净化“武器库”1.教师活动：首先，引导学生观察模拟污水，提问：“大家目测，这杯水里可能含有哪些类型的杂质？大的、小的、有颜色的…？”根据学生回答，在黑板上“原理区”分类列出：不溶性固体（大颗粒、小颗粒）、可溶性有色物质、微生物等。接着，提供“原理工具箱”：展示石英砂、活性炭、棉纱等材料，设问：“针对每一类‘敌人’，我们工具箱里的这些‘武器’可能通过什么方式起作用？比如，棉纱对付谁最拿手？活性炭又擅长什么？大家回忆一下它们的微观结构。”在学生讨论基础上，精讲并板书核心原理：拦截（过滤）、吸附、沉淀（引入明矾作为可选进阶知识）。最后提出导向性任务：“现在，请各小组根据‘歼灭’不同杂质的需要，初步规划一下，这些‘武器’按什么顺序排列组合，才能形成一道高效的‘多重防线’？先别急着做，想想顺序为什么重要。”2.学生活动：观察污水样品，基于生活经验和预习，小组讨论杂质类型。触摸、观察教师提供的各种材料，结合微观结构图（课件展示），讨论并推测其净化原理。尝试排列净化材料的顺序，并初步给出理由（如“先粗滤后精滤，不然细砂很快会把活性炭堵住”）。3.即时评价标准：1.能否从宏观现象合理推测杂质类别（如看到沉淀想到大颗粒，水有色想到可溶性色素）。2.能否将材料特性（如活性炭多孔）与净化原理（吸附）准确关联。3.在讨论顺序时，理由是否体现了对“防止堵塞”、“分级处理”等系统思维的初步考量。4.形成知识、思维、方法清单：1.★常见杂质分类：不溶性固体（按颗粒大小分）、可溶性有色/有味物质、微生物等。这是选择净化方法的依据。2.★核心净化原理：过滤（固液分离，依据颗粒大小）、吸附（活性炭因表面积大，吸附色素异味）、沉淀（明矾等絮凝剂使小颗粒聚沉）。3.▲原理的微观基础：过滤是物理拦截；吸附与材料表面结构有关；絮凝是胶体聚沉原理的应用。4.系统思维起点：净化流程需考虑杂质去除的难易和顺序，通常遵循“先易后难、先粗后细”的原则，形成处理单元。任务二：设计并论证净水装置方案图1.教师活动：“有了战略，现在需要具体的作战图纸。请各小组在任务单上绘制装置的剖面设计图，标出每一层使用的材料及其厚度。”教师巡回，关注设计逻辑，并适时引入工程约束条件：“工程师设计时总会面临限制。我们的限制是：装置总高度不能超过30厘米，且要在保证净水效果的前提下，尽可能让水流得快一些。这可能会影响你们对材料颗粒大小和填充密度的选择哦。”随后组织“设计方案论证会”：邀请23个有代表性（如突出效率、突出低成本、突出创新点）的小组上台展示草图并阐述设计理由。教师扮演“首席质疑官”，引导全班提问：“请问你们组为什么把活性炭层放在中间而不是最下层？”“如果鹅卵石颗粒再大一点，会有什么利弊？”2.学生活动：小组协作，绘制详细的装置剖面设计草图，标注清晰。在教师引入约束条件后，可能修改设计（如调整层高、更换材料颗粒度）。参与论证会，展示小组方案，并回答其他小组和老师的提问，为自己的设计辩护，也可能吸收他组优点。3.即时评价标准：1.设计图是否清晰、规范，能反映各层结构。2.方案阐述是否结合了任务一中的净化原理，逻辑自洽。3.面对质疑时，能否用科学原理或对比实验的设想进行有效回应。4.在倾听他组方案时，能否吸收合理成分或提出建设性质疑。4.形成知识、思维、方法清单：1.工程绘图与表达：设计图是沟通思想的工具，需清晰、准确。2.★多目标优化决策：真实设计永远在效果、效率（流速）、成本、体积等多因素间权衡，需要取舍。这是工程思维的核心。3.论证与批判性思维：设计需要理由支撑，并能经受同行评议。科学的可重复、可检验性在此体现。4.方案迭代意识：好的设计常源于不断地质疑与完善，论证会是重要的优化环节。任务三：依据方案动手制作装置原型1.教师活动：“蓝图通过审核，现在进入激动人心的建造阶段！请大家根据最终设计图，到‘材料库’领取所需物品。操作前，老规矩，安全提示：使用剪刀时务必小心；填充材料要平稳，防止扬尘。”制作过程中，教师巡回指导，提供差异化支持：对操作困难的学生，演示关键技巧（如如何将棉纱牢固固定在瓶口）；对进度快的小组，提出深化挑战：“你们的装置结构很牢固，有没有考虑过如何方便地更换最易失效的活性炭层？能不能设计成可拆卸的？”同时，督促各组记录制作过程中的任何调整及原因。2.学生活动：小组分工协作，安全、有序地领取材料，按照设计图（或经论证会修改后的图纸）动手制作净水装置。处理可能遇到的实际问题（如漏水、层间混料），并尝试解决。记录制作日志。3.即时评价标准：1.操作是否规范、安全，桌面是否整洁。2.小组分工是否明确、协作是否高效。3.制作成品与设计图的吻合度，以及遇到问题时的应变与解决能力。4.形成知识、思维、方法清单：1.理论到实践的跨越：图纸到实物会面临许多未预料的细节问题（如密封不严），实践是检验和修正设计的最好标准。2.动手实践与问题解决：面对漏水、堵塞等实际问题，需分析原因（材料填装不实？棉纱有缝隙？）并尝试解决，这是重要的技术实践能力。3.工程日志的意义：记录修改和原因，是宝贵的项目过程性资料，体现科学工作的严谨性。任务四：测试、评估与初步优化装置效能1.教师活动：“产品下线，必须经过质检！请各小组用统一的模拟污水，测试装置效能。”提供测试步骤建议：定量取一定体积污水，记录初始状态（颜色、浑浊度）；让污水缓慢通过装置，用干净烧杯接取滤出液；观察、比较并记录滤出液的状态。“注意，我们不仅看谁的水最清，还要记录净水所用时间，计算一下‘效率’。”引导多维度评价。测试后，组织简短交流：“有没有小组的结果和预期差距较大？猜猜问题可能出在哪个环节？有没有可能现场做一些微调（比如压实某一层）再测试一次，看看效果？”引入“迭代优化”概念。2.学生活动：按照规范测试装置，认真观察、记录净水效果（清澈度、颜色去除）和净水时间。比较预期与实测结果。针对不佳的效果，小组讨论可能原因，并尝试进行简易调整（如补充材料、压实），进行二次测试。3.即时评价标准：1.测试操作是否规范（如倾倒速度控制，避免冲击破坏滤层）。2.观察记录是否客观、细致。3.能否基于测试结果，合理分析装置的性能短板（如去色不佳可能是活性炭量不足或接触时间短）。4.是否具有尝试优化的行动力。4.形成知识、思维、方法清单：1.★科学测试方法：控制变量（使用同种污水）、规范操作、客观记录是获得可靠结论的基础。2.效能多维评价：净水效果（澄清度、色度）与处理效率（流速/时间）需综合评价。3.▲数据分析与归因：将性能问题（如流速过慢）与结构设计（如填充太密、颗粒太细）关联起来，是优化改进的关键。4.迭代优化思想：很少有设计能一次完美，基于测试反馈进行改进，是工程与科学研究的共通法则。第三、当堂巩固训练  设计分层任务，供各小组在完成基础测试后选择进行：1.基础层（聚焦原理应用）：“请解释，为什么你们组装置中最上层通常放置鹅卵石，而不是细沙？如果颠倒顺序会怎样？”（旨在巩固系统思维与原理应用）2.综合层（聚焦数据分析与解释）：“假设A组出水最清但用时5分钟，B组出水稍逊但用时仅2分钟。若为灾区紧急供水，你会推荐哪种设计思路？请阐述理由。”（创设新情境，要求综合权衡效果与效率，并关联社会需求）3.挑战层（聚焦开放探究与跨学科联系）：“我们的装置主要去除物理和部分化学杂质。要直接饮用，还缺哪关键一步？请从生物学角度说明原因。你能设想一种在野外条件下实现这一步的简易方法吗？”（指向消毒与跨学科联系，激发课外探究）  反馈机制：通过小组展示答案、全班评议、教师点拨相结合。特别关注挑战层问题的讨论，鼓励多样化的合理设想，并引导比较不同方法的优劣。第四、课堂小结  “同学们，今天我们从分析师、设计师一直干到建造师和测试员，完成了一个完整的微项目。现在，请大家用1分钟时间，在脑海里或用笔画出本节课的‘思维地图’：我们是从什么问题出发？经历了哪几个关键步骤？最终收获了哪些科学知识、工程思维和合作经验？”邀请几位学生分享他们的“思维地图”。教师在此基础上进行结构化升华：“今天我们体验的‘分析需求设计原理制作测试优化迭代’，不仅是净水装置的制作流程，更是解决许多复杂问题的通用思路。它背后，是化学原理作为基础，工程思维作为框架，社会责任作为驱动。”最后布置分层作业：1.必做：完善装置设计图，并撰写一份简短的产品说明书，阐述其工作原理、使用方法和注意事项。2.选做：调研市面上一种家用净水器的滤芯结构和技术宣称，尝试用今天所学原理进行分析评价。六、作业设计4.基础性作业：完善本组净水装置的最终设计剖面图，要求标注清晰各层材料、厚度及对应的核心净化原理。撰写一份不超过200字的简易产品说明书，面向“用户”说明其工作原理、正确使用步骤及一项重要的注意事项。5.拓展性作业：假设你是一家慈善机构的项目专员，需要为某个缺水地区采购一批简易净水器。请基于课堂探究经验，制定3条选择或评价净水器的关键性能指标（除价格外），并说明每条指标背后所关注的科学或技术要点。6.探究性/创造性作业：（二选一）(1)设计一个对比实验，探究活性炭颗粒大小（如粉末状vs.颗粒状）对同一种有色溶液（如稀释的墨水）去色效果及流速的影响，写出简要的实验方案。(2)尝试利用更易得的自然材料（如沙子、木炭、棕榈纤维等）设计一款“全自然材料”净水装置，画出设计图，并分析其可能优势和局限性。七、本节知识清单及拓展7.★水的常见污染物分类：包括不溶性悬浮物（大颗粒泥沙、小颗粒胶体）、可溶性物质（色素、异味物质、矿物质）、微生物及病原体等。分类是选择净化方法的前提。8.★过滤原理及应用：基于颗粒尺寸差异，利用滤材（如砂、布、滤纸）的孔隙进行固液分离。是去除悬浮物的主要物理方法。教学提示：强调“过滤只能除去不溶物，不能除去已溶解的物质”。9.★吸附原理及活性炭的作用：利用物质（如活性炭）巨大的比表面积，将色素、异味等可溶性分子吸附在其表面。是深度净化、改善口感的关键步骤。教学提示：可与海绵吸水类比，但本质是表面作用。10.★絮凝沉淀（明矾原理）：明矾等絮凝剂在水中形成胶状物，吸附水中细小悬浮颗粒并聚集成大颗粒而加速沉降。常用于水厂预处理。▲拓展：这是胶体聚沉原理的应用。11.消毒及其必要性：物理过滤和吸附无法有效杀灭细菌、病毒。消毒（如煮沸、加氯、紫外线）是保证饮水生物安全必不可少的终端步骤。关联生物学知识。12.净化流程的系统性：一个有效的净水系统通常包含多个处理单元，并按“预处理（如沉淀）→核心处理（如过滤、吸附）→后处理（如消毒）”顺序排列，各司其职，协同工作。13.工程设计的核心思想——权衡：真实设计往往需要在净化效果、处理速度（通量）、装置成本、运行维护难度等多个目标之间寻找平衡点，不存在“完美”的唯一解。14.从原理到产品的关键环节——物化：将科学原理（过滤、吸附）转化为具体的产品（净水装置），需要经历材料选择、结构设计、工艺实现等一系列技术实践。15.原型测试与迭代优化：制作出的原型必须通过实际测试来检验性能。根据测试结果反馈，对设计进行修改和完善，是工程研发中的常态。16.▲不同滤材的特性比较：石英砂硬度高、化学性质稳定，常用于支撑和粗滤；活性炭吸附性强但易饱和；蓬松棉或PP棉常用于精密过滤。了解特性有助于合理选材。17.▲简易水质评价指标：肉眼可见的浑浊度、颜色、气味是最直观指标。可通过与标准比色卡对比进行半定量评估。更精确的还需测pH、TDS（总溶解固体）等。18.项目式学习（PBL）流程体验：本课完整经历了PBL的核心环节：驱动性问题→知识构建→方案设计与修订→产品制作与测试→成果展示与反思。这是一种深度学习方式。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析。本课以“制作一座净水装置”为显性成果，其背后多维目标的达成需从不同维度寻找证据。知识目标方面，通过方案论证会上学生对“为何此层用活性炭而非沙子”的流畅解释，以及作业中产品说明书的撰写，可以推断核心净化原理的整合性理解基本达成。能力目标上，各小组均产出了结构完整（即便简陋）的实物装置，并在测试后能进行归因分析（如“出水慢是因为沙子压得太实”），表明工程设计与问题解决能力得到了切实锻炼。情感与价值观目标，在小组协作的嘈杂声中，能观察到学生间的争论、妥协与最终共识的达成，以及在展示环节对他组创意的真诚掌声，这些都是合作精神与社会责任感萌芽的生动体现。然而，科学思维中的“多目标权衡”这一高阶目标，可能仅有一部分小组在教师追问下（“你们选了更细的砂，得到了更清的水，但付出了什么代价？”）才被真正触动，大部分学生仍将“最清澈”作为首要甚至唯一追求，这说明该思维习惯的培养非一日之功。  （二）教学环节有效性评估。导入环节的视频与实物污水展示，迅速创设了真实且富有挑战性的情境，驱动性问题有效激发了学生的探究欲望。“要是真能做出一个来，那太酷了！”——学生的此类低语是动机被点燃的证明。新授环节的四个任务构成了逻辑紧密的认知阶梯：从原理分析（知彼知己）到方案设计（运筹帷幄），再到动手制作（实战攻坚），最后测试优化（复盘精进），符合工程实践与科学探究的双重逻辑。其中，“设计方案论证会”是本课的高光思维场域，它迫使学生的思维从模糊走向清晰，从个人走向公开经受检验。“老师，我觉得他们组的活性炭层太薄了，可能很快失效！”这样的质疑正是批判性思维的闪现。当堂巩固训练的分层设计，基本满足了不同进度小组的需求，但时间稍显仓促，对挑战层问题的讨论未能充分展开。  （三）学生表现的差异性剖析。在本次项目式学习中，学生的角色和贡献呈现出丰富的多样性。“理论派”学生擅长原理分析和方案论证，在图纸设计阶段贡献突出；“动手达人”则在制作环节大显身手，解决了许多棘手的结构问题；“协调者”自然地承担起小组分工与进度管理的职责；也有少数学生处于相对游离状态，多从事一些辅助性工作