基于科学探究与社会责任的初中化学单元教学设计与实践-以“水的净化”为例

基于科学探究与社会责任的初中化学单元教学设计与实践——以“水的净化”为例一、教学内容分析  本课隶属于沪教版九年级化学上册第二章“身边的化学物质”中“自然界中的水”单元，是学生系统认识物质性质及其转化、初步建立化学应用观的关键节点。《义务教育化学课程标准（2022年版）》明确要求，学生应“认识水的组成，知道纯水与矿泉水、硬水与软水等的区别；了解吸附、沉降、过滤和蒸馏等净化水的常用方法”。这为本课教学提供了清晰的坐标。从知识技能图谱看，本课需建构“混合物分离”的初步观念，掌握过滤这一基本实验操作，理解自来水生产的基本原理，并能辨析硬水与软水的概念及软化方法。它在单元内承接了“水资源的分布与保护”，后续启发了“物质构成的奥秘”及“溶液的组成”，起到承上启下的桥梁作用。从过程方法路径看，课标强调“科学探究”与“化学服务社会”。这要求我们将“水的净化”转化为一个真实的探究项目，引导学生像工程师一样设计净化方案，像科学家一样进行实验验证，在“做中学”中发展实验设计、动手操作与证据推理能力。从素养价值渗透看，本课是培育“科学探究与创新意识”、“科学态度与社会责任”的绝佳载体。通过对一杯浑浊天然水的净化实践，学生不仅能习得知识，更能深刻体会化学在解决实际问题、保障民生健康中的巨大价值，从而激发社会责任感与可持续发展观念。  学情方面，九年级学生正处于从具体形象思维向抽象逻辑思维过渡的关键期。他们已具备一定的物质分类及物理变化基础知识，对生活中的净水现象（如使用滤水壶、看到自来水厂）有模糊感知，这构成了教学宝贵的起点。然而，他们可能存在以下认知障碍：一是难以将零散的净水方法整合为系统的工艺链；二是对过滤操作中“一贴二低三靠”的原则知其然不知其所以然；三是容易将“纯净物”等同于“洁净、安全的水”，产生概念混淆。为动态把握学情，教学将设计前置性问题单进行诊断，并在课堂中嵌入多个形成性评价点，如观察小组设计方案时的逻辑性、巡视过滤操作时的规范性、倾听学生解释硬水危害时的生活关联度等。基于此，教学调适策略将体现差异化：对基础薄弱学生，提供图文并茂的“操作提示卡”和分步指导；对思维活跃学生，则抛出“如何设计一套家庭应急净水装置”的拓展挑战，鼓励，确保所有学生都能在“最近发展区”内获得成长。二、教学目标  知识目标：学生能够系统地阐述自来水的生产流程，辨识沉降、吸附、过滤、消毒等环节的作用；能准确描述过滤操作的要点（“一贴二低三靠”）并解释其原理；能通过实验区分硬水与软水，列举硬水的危害及常见的软化方法，从而建构起从天然水到可饮用水、从混合到初步分离的知识框架。  能力目标：学生能够以小组合作形式，针对模拟浑浊水样，设计并实施一套包含多个步骤的净化方案；能独立、规范地完成过滤实验操作；能基于实验现象（如泡沫多少）对水的硬度进行初步检验，并尝试对生活中的相关现象（如水垢形成）作出合理解释，提升科学探究与实践能力。  情感态度与价值观目标：通过体验净水的复杂过程，学生能深切感受到洁净水的来之不易，从而增强节水意识和社会责任感；在小组合作设计方案与实验的过程中，培养倾听、协作与共享的科学态度；通过了解我国水资源现状及净水技术发展，激发运用化学知识服务社会的使命感。  科学思维目标：本节课重点发展学生的“系统思维”与“模型认知”能力。引导他们将零散的净水方法整合为一个有序、协同的工艺系统（即建构“自来水厂”模型）；并通过分析过滤中不同层材料的作用，初步建立“利用物质性质的差异实现混合物分离”的化学思维模型。  评价与元认知目标：引导学生依据清晰的实验操作评价量规，进行小组间的互评与自评；在课堂小结环节，鼓励学生反思“在设计方案时，我最初忽略了哪个环节？为什么？”，从而提升对学习过程的监控与调控能力，学会优化问题解决策略。三、教学重点与难点  教学重点：过滤操作的原理与规范实践，以及自来水生产流程的系统性认知。确立依据在于：过滤是初中化学首个重要的分离操作技能，是后续学习蒸发、结晶等实验的基础，其规范性直接影响实验安全与成效，是课标明确要求的必备技能。同时，将沉降、吸附、过滤、消毒等方法整合为“自来水厂”流程，体现了“化学技术社会环境”（STSE）的联系，是学业水平考试中考查学生知识整合与应用能力的高频考点。  教学难点：一是从微观角度理解明矾净水、活性炭吸附的原理；二是过滤操作中各个环节要点的原理性理解与精准执行；三是建立“针对不同水质与需求，选择与组合不同净化方法”的系统思维。预设难点成因在于：微观过程抽象，学生前概念中缺乏对应图景；过滤操作细节多，学生手眼协调与细致观察能力不一；系统思维要求较高，需克服线性思维惯性。突破方向在于：利用动画模拟微观过程；通过正误操作对比视频强化要点认知；以“设计家庭净水方案”为项目，驱动综合应用。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：制作包含自然界水循环、自来水厂工艺流程图解、明矾净水与活性炭吸附微观动画的交互式课件；录制过滤操作规范与常见错误的对比微视频。1.2实验器材（按小组配置）：模拟浑浊天然水（泥土、植物油、细沙等配制）、明矾、活性炭粉末、玻璃棒、烧杯、漏斗、滤纸、铁架台（带铁圈）、滴管、肥皂水、蒸发皿、酒精灯。1.3学习材料：设计“水质净化工程师”任务单（含设计方案区、实验记录区、反思区）、过滤操作评价量规卡片、分层巩固练习活页。2.学生准备2.1知识预习：阅读教材，初步了解常见净水方法名称；思考家中自来水是如何来的。2.2物品携带：签字笔、直尺。3.环境准备3.1座位安排：实验课桌椅按4人一小组拼合，便于合作探究。3.2板书记划：预留中心区域绘制概念图，左侧记录净水方法，右侧记录学生生成的关键问题。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题驱动：上课伊始，教师不急于开口，而是在讲台上静置一杯预先准备好的、极其浑浊的“天然水”（含泥沙、悬浮物、色度）。稍后，拿起一瓶清澈的矿泉水饮用一口。“大家看，如果我们在野外只有这样的水，”教师指向浑浊水样，“直接喝行不行？为什么？”学生会异口同声说“不行”。“那这瓶清澈的矿泉水，又是如何从可能同样不干净的水源变来的呢？这就是我们今天要化身‘水质净化工程师’来解决的核心问题。”2.联系旧知与路径明晰：“上节课我们为水资源的短缺而忧心，这节课我们要用化学的智慧来‘开源节流’中的‘开源’——把脏水变清。我们将通过三个挑战来完成：第一，像古代智者一样，寻找让水变清的初步方法；第二，像自来水厂工程师一样，设计一套完整的净水流水线；第三，像质检员一样，判断我们得到的水是否‘达标’。准备好接受挑战了吗？”第二、新授环节任务一：探寻古法净水的智慧——沉降与吸附1.教师活动：“面对这杯浑水，假如没有现代设备，你们的第一反应会怎么做？让它静置一会儿？”教师引导学生观察静置后部分泥沙下沉，但水仍浑浊。“古人在这个基础上，发现了一种‘神奇’的物质——明矾。我们来试试。”教师指导各组取两份等量浑水，一份作为对照，另一份加入少量明矾粉末并搅拌。“仔细观察，对比两者，有什么神奇的变化？”随后，展示活性炭，类比生活中冰箱除味剂、防毒面具。“如果把活性炭这位‘吸附大王’加入经过明矾初步处理的水中，又会怎样？请大家动手试试，并思考：明矾和活性炭让水变清的‘本领’原理一样吗？”2.学生活动：观察静置现象，描述明矾加入后絮状沉淀产生、水体变清的过程；进行活性炭吸附实验，观察颜色和异味去除效果；小组讨论并尝试从“变大沉降”和“吸附杂质”两个角度初步解释两者原理的不同。3.即时评价标准：1.观察是否细致，能否准确描述实验现象的前后对比。2.讨论时能否将实验现象与材料特性（明矾形成胶状物、活性炭多孔）进行关联。3.操作是否规范，如搅拌时玻璃棒不碰杯壁、药品取用适量。4.形成知识、思维、方法清单：★沉降：利用重力使水中较大颗粒物下沉，是初步分离方法。▲明矾净水：明矾溶于水生成胶状物，吸附悬浮杂质沉降，属于化学变化，是凝聚沉降。▲吸附：利用活性炭等多孔物质的强大吸附性，去除颜色、异味，是物理变化。教学提示：此处不深究胶体化学，只需让学生感知“生成新物质将杂质团在一起”与“直接用多孔材料抓住杂质”的差异。任务二：构建精细分离的关卡——过滤操作探究1.教师活动：“经过前两步，水看起来清了，但里面可能还藏着我们看不见的‘漏网之鱼’。如何将它们彻底截留？这就需要构建一道‘精细关卡’——过滤。”教师播放过滤操作微视频（正确版），强调“一贴二低三靠”。然后，展示一个滤纸与漏斗壁有大气泡、液面高于滤纸边缘的错误操作视频。“大家来找茬，这个操作问题在哪？会导致什么后果？”接着，分发滤纸，让学生触摸感受其纤维结构。“想一想，为什么滤纸能挡住小颗粒？这层‘网’的网眼有多细？”2.学生活动：观看视频，记忆并复述操作要点；找出错误操作并分析后果（如过滤慢、液体从缝隙流下导致失败）；触摸滤纸，形成“过滤是依据颗粒大小不同进行分离”的直观认识；小组合作，搭建过滤装置，对经过吸附处理的水进行过滤，并收集滤液。3.即时评价标准：1.装置搭建是否规范、稳固（滤纸贴合、边缘低于漏斗口等）。2.过滤过程中能否自觉做到“液面低于滤纸边缘”、用玻璃棒引流。3.能否用“颗粒大小不同”解释过滤原理。4.形成知识、思维、方法清单：★过滤：分离不溶性固体与液体的基本操作，核心原理是颗粒粒径差异。★操作要点“一贴二低三靠”：滤纸紧贴漏斗壁；滤纸边缘低于漏斗口、液面低于滤纸边缘；烧杯尖嘴靠玻璃棒、玻璃棒下端靠三层滤纸处、漏斗下端尖嘴靠烧杯内壁。易错点：未用玻璃棒引流直接倾倒，会导致液体溅出或冲破滤纸。思维方法：建立“依据物质物理性质（如颗粒大小、吸附性）差异选择分离方法”的思路。任务三：整合与提升——设计“微型自来水厂”1.教师活动：“恭喜各位工程师，我们已经掌握了净水的三大法宝：沉降、吸附、过滤。现在，我们需要将这些‘单元操作’整合成一条高效的生产线。请大家观看自来水厂实际工艺流程动画，然后以小组为单位，在白板上画出我们的‘微型自来水厂’工艺流程图，并标注每个环节使用的净水方法及其目的。”教师巡视，引导思考：“为什么顺序通常是‘取水→加药沉降→过滤→吸附→消毒’，而不是反过来？消毒（如投氯）这个环节，和我们之前的物理方法有本质不同吗？”2.学生活动：观看动画，提取关键信息；小组讨论，合作绘制流程图，并向全班展示讲解；辩论环节设置的合理性，理解顺序是基于去除杂质从大到小、从易到难的逻辑；认识到“消毒”是杀灭微生物，属于化学方法，是保障饮水安全的最后一道关键防线。3.即时评价标准：1.绘制的流程图是否逻辑清晰、环节完整、标注准确。2.小组展示时，解说是否流畅，能否阐明各环节间的逻辑关系。3.能否区分物理净化与化学消毒的本质不同。4.形成知识、思维、方法清单：★自来水厂一般流程：取水→加絮凝剂（明矾等）沉降→过滤→活性炭吸附→消毒（氯气等）→配水。系统思维：将复杂问题分解为有序步骤，并优化步骤顺序以达到最佳整体效果。STSE联系：化学技术（净水方法）服务于社会需求（安全饮水），并需考虑成本、效率等因素。任务四：辨识“硬水”与“软水”——水的品质检验1.教师活动：“经过重重净化，我们得到的水清澈透明，但它就是‘理想’的用水了吗？我们来做个有趣实验。”教师指导学生用肥皂水分别滴入蒸馏水和课前准备的本地自来水（或硬水样品），振荡观察。“大家看到了什么差异？为什么会有这么多浮渣？这些浮渣就是‘水垢’的前身。”引出硬水与软水的概念。“长期使用硬水有什么麻烦？（结合水壶水垢、洗澡时肥皂不易起沫讲解）如何软化硬水？生活中煮沸是最简便的方法，其原理是什么？”2.学生活动：进行肥皂水对比实验，描述硬水产生浮渣、软水产生丰富泡沫的现象；倾听讲解，理解硬水（含较多钙镁化合物）的概念及危害；讨论并理解煮沸软化硬水的原理（钙镁化合物受热生成沉淀，即水垢）。3.即时评价标准：1.实验操作是否规范，观察对比是否仔细。2.能否将实验现象（浮渣多少）与水的“硬度”概念关联。3.能否列举出硬水在生活中的至少两种实际危害。4.形成知识、思维、方法清单：★硬水与软水：含较多可溶性钙、镁化合物的水为硬水，反之则为软水。★鉴别方法：用肥皂水，泡沫多、浮渣少为软水；反之为硬水。▲硬水危害：浪费肥皂、影响洗涤效果；锅炉结垢浪费燃料、引发安全隐患。▲软化方法：生活中常用煮沸；实验室及工业上可用离子交换法等。生活联系：将化学知识与日常生活经验（水垢、洗涤效果）紧密结合，体现学以致用。任务五：总结归纳与概念辨析1.教师活动：引导学生回顾整个探究历程。“我们从一杯浑水出发，到现在得到相对洁净的水，并学会了检验其‘软硬’。请大家思考并小组讨论：我们最终得到的水是‘纯净物’吗？为什么？化学中的‘纯净物’和我们生活中说的‘干净、纯净的水’是一回事吗？”教师通过板书画出混合物、纯净物的集合关系，将净化方法标注在从混合物向纯净物过渡的路径上，指出目前方法只能得到“较纯的混合物”，为后续学习“蒸馏”和“纯净物概念”埋下伏笔。2.学生活动：小组开展头脑风暴，辨析概念；认识到经过上述净化，水中仍含有可溶性矿物质和微生物（除非蒸馏），因此是混合物；理解化学术语“纯净物”的严格定义，与日常用语区分。3.即时评价标准：1.讨论是否深入，能否清晰表达“是否含有其他物质”是判断纯净物的标准。2.能否理解当前净化工艺的限度，并对更深入的分离方法（如蒸馏）产生期待。4.形成知识、思维、方法清单：★概念辨析：自来水、矿泉水等饮用水都是混合物；化学上的纯净物指只由一种物质组成，如蒸馏水。认知进阶：净化是一个相对的过程，根据需求选择净化程度。前瞻铺垫：引出更彻底的分离方法——蒸馏，构建持续探究的动力。第三、当堂巩固训练  设计分层练习，学生根据自身情况至少完成A、B两层。  A层（基础应用）：1.判断：过滤能将海水中的盐分除去。（）2.填空：过滤操作中，玻璃棒的作用是____。3.选择：区分硬水与软水的最佳方法是（）。  B层（综合理解）：1.排序：将“吸附、消毒、沉降、过滤”按自来水厂一般处理顺序排列。2.简答：简述明矾净水的原理，并说明属于物理变化还是化学变化。  C层（挑战迁移）：项目设计：为你家即将进行的野外露营活动，设计一套简易便携的净水方案（可图文结合）。要求说明所用材料或方法的原理。  反馈机制：A、B层练习完成后，通过投影展示答案，学生同桌互批，教师针对共性错误（如A层第1题）进行简短讲评：“过滤只能除去不溶性杂质，溶解在水中的盐分是除不掉的，这就要用到下节课可能学的蒸馏了。”C层设计作为课后延伸，鼓励学生在班级群分享创意，教师进行点评并展示优秀设计。第四、课堂小结  知识整合：“现在，请各位‘工程师’闭上眼睛，回顾一下我们今天建造‘净水工厂’的全过程。你能用一幅简单的思维导图或者几个关键词把它串起来吗？”邀请12名学生到黑板前绘制或陈述，教师辅助形成“天然水（混合物）→沉降（除大颗粒）→过滤（除小颗粒）→吸附（除颜色异味）→消毒（除微生物）→饮用水（仍是混合物）”的主线。  方法提炼：“今天我们不仅仅学了净水，更体验了一种解决问题的方法：面对复杂问题（净化脏水），我们可以将它分解（分步骤），利用物质性质的差异（颗粒大小、吸附性）选择合适工具，最后整合成系统方案。这就是化学的思维，也是工程的思维。”  作业布置：必做作业：1.整理本节课堂笔记，画出完整的净水流程思维导图。2.完成练习册上对应基础习题。选做作业（二选一）：1.查阅资料，了解一种先进的社区或家用净水技术（如反渗透、超滤），并简述其原理。2.动手实践：利用家中的沙、石、活性炭（或木炭）、棉布等，制作一个简易净水器，并测试其效果。六、作业设计  基础性作业（必做）：  1.知识梳理：绘制“水的净化”方法概念图，需包含沉降、过滤、吸附、蒸馏（预习）、消毒等方法，并简要标注每种方法能去除的杂质类型。  2.巩固练习：完成教材本节后练习题14题，重点巩固过滤操作要点及硬水软水鉴别。  3.生活观察：观察家中热水壶内壁是否有水垢，思考其成分、成因及去除方法，并记录。  拓展性作业（建议大多数学生完成）：  1.情境分析：撰写一篇短文，以“一滴水的旅程”为题，描述一滴河水经过自来水厂处理后进入家庭的过程，要求使用准确的化学术语。  2.资料调查：调查你所在城市自来水的水源、水厂主要处理工艺及最终的消毒方式，形成一份简单的调查报告。  探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：  1.微型项目：“设计未来家庭智能净水系统”。要求考虑进水水质（如硬水）、不同用水需求（饮用、洗漱、洗衣）、节水与能耗、智能监测（如水质TDS值显示）等因素，绘制设计草图并附简要说明。  2.实验探究：探究不同材料（如石英砂、瓷砂、无烟煤）作为过滤介质的效果差异。可设计对比实验，比较过滤速度、出水浊度等，尝试得出结论。七、本节知识清单及拓展  1.★水的净化目的：除去天然水中不溶性杂质、可溶性杂质、色素、异味及病原微生物，使之达到生活或工业使用标准。这是一个将混合物初步分离的过程。  2.★沉降：静置或加入明矾等絮凝剂，使水中较大颗粒悬浮物聚集下沉。明矾净水发生化学变化，生成胶状物吸附杂质，属于凝聚沉降。  3.★过滤：分离液体与不溶性固体的基本操作。核心是利用颗粒大小差异。★关键操作“一贴二低三靠”必须熟记并理解其原理：确保过滤高效、无短路。过滤后液体称为滤液，固体称为滤渣。  4.★吸附：利用活性炭等多孔物质的强吸附性，去除水中的颜色、异味及部分可溶性杂质。这是物理变化。活性炭的吸附性是物理性质。  5.★自来水厂净水流程（一般）：取水→加絮凝剂沉降→过滤→活性炭吸附→消毒（常用氯气、二氧化氯等，属化学方法）→供水。需理解各步骤顺序的逻辑性。  6.★硬水与软水：含较多可溶性钙、镁化合物（如Ca(HCO₃)₂，Mg(HCO₃)₂）的水为硬水；含量较少或不含的为软水。这是饮用水品质的重要指标之一。  7.★硬水检验：用肥皂水。泡沫丰富、浮渣少为软水；泡沫少、易形成浮渣为硬水。  8.▲硬水危害：①洗涤时与肥皂反应生成浮渣，浪费肥皂、降低洗涤效果；②锅炉、水管内容易形成水垢（主要成分CaCO₃等），阻碍传热、浪费燃料，甚至引发爆炸；③长期饮用硬度极高的水可能不利于健康。  9.★硬水软化：①生活中常用煮沸：使部分钙、镁化合物转化为水垢（沉淀）析出。②实验室及工业上：可用离子交换法、蒸馏法等。  10.★概念辨析纯净物与混合物：经过上述净化得到的水（如自来水）仍含有可溶性矿物质，是混合物；化学上纯净物指只由一种物质组成，如纯水（蒸馏水）、氧气。注意与日常语言中“纯净”区分。  11.▲蒸馏：利用液体沸点不同进行分离，可得到蒸馏水（相对纯净的水）。是更彻底的净化方法，为下节课重点。  12.学科思维：建立“根据混合物中各组分性质的差异（颗粒大小、吸附性、沸点等），选择合适物理或化学方法进行分离”的化学分离提纯基本思路。  13.STSE理念：水的净化是化学知识应用于解决社会（保障健康饮水）、技术（发展净水工艺）、环境（水资源循环利用）问题的典范，深刻体现科学的社会价值。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析  从假设的课堂实施来看，知识目标达成度较高。通过“工程师”项目式驱动，学生能较好地复述流程、理解操作要点，这一点在“微型自来水厂”设计展示和当堂练习正确率上可以得到验证。能力目标方面，小组合作设计实验方案与动手操作环节是亮点也是难点。预计大部分小组能完成基础操作，但过滤的规范性与效率存在差异，这正体现了过程性评价的必要性。情感与价值观目标在“硬水危害”讨论和“节水倡议”环节得到自然渗透，学生表现出对水资源问题的关切。科学思维目标中的“系统思维”在任务三的流程图绘制中得以落实，但“模型认知”的深度——即自觉应用“性质差异分离混合物”的模型去解决新问题，可能需要更多变式练习来强化。  （二）核心环节有效性评估  1.导入环节：浑浊水与清水的强烈对比瞬间抓住了学生的注意力，核心问题“如何变清”精准引出课题，动机激发成功。“当时我就在想，这泥汤一样的水，真能变清澈吗？这个悬念留得好。”  2.任务二（过滤探究）：正误操作对比视频的运用效果显著。学生乐于“找茬”，在辨析错误原因的过程中，对“一贴二低三靠”的理解从机械记忆转向了原理性理解。巡视时的一句提醒：“你的‘关卡’（滤纸）没贴紧，小心‘敌人’（杂质）从旁边溜走哦！”比单纯说“滤纸要贴紧”更有效。  3.任务五（概念辨析）：这是将教学推向深度的关键。部分学生可能会坚持认为“我得到的水很清，就是纯净物”。这时引导学生思考“水里有没有溶解矿物质？有没有溶解气体？”从而引发认知冲突，为纯净物的严格定义和后续学习做好铺垫。这个讨论的价值甚至高于单纯的知识传授。  （三）学生表现差异与应对  课堂中，动手能力强的学生可能更早完成实验并乐于帮助同伴，思维活跃的学生则在方案设计环节提出创新点（如“能不能用棉花代替滤纸