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本文以“巢湖水的净化”为任务开展自制净水器跨学科实践活动，通过重演净水科技史，学生亲历科学技术的迭代过程，将抽象的化学知识置于真实的任务中，学生经历调查、制作、展示、评价、反思、改进等活动，培养运用多学科知识、技术融合解决实际问题的系统思维和动手能力。

饮用水安全与人们健康息息相关，水的净化和水质检测是保障饮用水安全的重要环节。从《天工开物》中记载的“沉淀法”到现代利用RO反渗透膜净水，是一部人类利用知识改善生存环境的实践史。位于合肥市的巢湖是中国五大淡水湖之一，其水环境状况直接关联着周边城市的生活质量与经济发展，如何让巢湖水变得“干净”可饮用？本案以2024年人教版九年级化学第四单元跨学科实践活动3“水质检测及自制净水器”为载体，以“巢湖水的净化”为主题，探索将化学史与问题解决的探究相结合，开展促进认知发展的初中化学跨学科实践教学活动。

1 教学主题内容分析

“巢湖水的净化”教学内容属于“物质的性质与应用”和“化学与社会·跨学科实践”学习主题，核心知识为物质分离和提纯的基本方法及其与物质性质的关系。《义务教育化学课程标准(2022年版)》(以下简称“课标”)中提出了如下的内容要求：“了解吸附、沉降、过滤和蒸馏是净化水的常用方法；能利用物质的溶解性，设计水的净化等物质分离方案；能基于真实问题情境，依据常见物质的性质，初步分析和解决相关的综合问题”。课标还提供了“探究活性炭等净水剂的净水作用、调查饮用水源的质量和水净化处理方法”的学习活动建议。

初三学生已经初步了解沉降、过滤和吸附等水的净化方法，但还不能依据杂质性质将之整合成有序的系统，对净水原理的微观理解比较欠缺，利用跨学科知识解决复杂真实问题的能力有待增强。

目前，有关初中化学“水的净化”的教学设计主要集中于净水器的制作优化与水质检测等方面，少有涉及净水器的发展史。本案以“巢湖水的净化”为主题，以“物质的性质与应用”“化学与可持续发展”为大概念，整合地理、历史、生物、技术、工程等多学科知识，以“水的净化史”为主线(见图1)，开展探究不同活性炭的吸附效果和硬水检验等实验，沿着科学技术的发展，不断设计、制作、检测并优化净水装置，让学生亲历从简单过滤到吸附，再到高效膜分离技术的演进过程，完成对巢湖水的净化，初步形成分类观、变化观等化学观念。通过历史发展线索理解科学知识的建构过程，从静态的知识学习转向动态的体验科学技术的发展过程，培养学生的科学思维。

从“看得见”的浑浊、“闻得到”的异味，到“看不见”的病毒，再到“检得出”的污染，学生重走水净化技术的探索之路，体会化学在解决环境、健康等相关问题中的作用，形成节约水资源和保护水环境的意识。

2 教学目标

(1)能依据水中杂质性质选择合适的分离方法，设计并优化水的净化流程，形成依据物质性质进行分离提纯的一般思路。

(2)能设计实验探究不同活性炭的吸附效果，并能依据实验现象和数据得出结论；能从活性炭和离子交换树脂的结构特点分析其用途，建立“结构－性质-用途”之间的关联。

(3)能选取合适的材料设计和制作净水器，并进行测试、评估与改进，建立水净化的一般思路，形成从科学、技术、工程等多学科视角分析和解决实际问题的意识。

(4)能说明现代净水技术相较于古代方法的进步之处，体会科技发展对人类健康和社会进步的贡献；能主动关注饮用水安全和本地水环境状况，形成节约水资源、保护水环境的态度。

3 教学流程

本课例以“感知历史－循史探究－迁移创新”为主线，围绕过滤、吸附、消毒等净水知识设计课外调查巢湖水质和古法净水、课内探究巢湖水净化、课后制作简易净水器三个子任务，让学生经历从杂质分类、原理理解到系统设计，最后迁移至解决真实问题的完整历程。具体任务及流程见表1。

4 教学实录

4.1 子任务1：调查巢湖水质及我国古法净水

［学生汇报］巢湖由于工业废水、生活污水直排、农业面源污染、湖泊自净能力弱、内源污染释放及气候因素共同作用，导致水体富营养化与蓝藻频发。逐年治理后，水质有较大改善，2025年上半年水质已改善至Ⅲ类。

［问题］巢湖水中含有什么杂质？如何对其分类？

［学生活动］观察巢湖原水，闻一闻，再用显微镜观察，对杂质进行分类。

［学生］依据杂质颗粒大小进行分类。不溶性杂质：泥沙、腐殖质、藻类、浮渣等；可溶性杂质：色素、异味、细菌、病毒等。

［问题］将湖水净化为饮用水，需解决什么问题？

［学生］除去不溶性和可溶性有害杂质，使之达到饮用水标准。

［问题］如何除去这些杂质？

［学生汇报］古代净水方法(见图2)。

净水流程：沉淀、过滤—除去不溶性杂质；吸附—除去色素、异味等；消毒—除去细菌、病毒等微生物。

设计意图：通过实地调查任务，将化学学习与真实环境问题关联；调查古法净水，让学生感受人类利用知识解决生存需求的智慧；直观感知杂质的复杂性，让学生认识到要依据杂质性质设计分离方法，为后续实践活动奠定思想基础。

4.2 子任务2：设计净水器净化巢湖水

4.2.1 古代萌芽阶段

［化学史1］公元前200年秦代就出现了“陶滤水器”；唐代陆羽《茶经·四之器》中记载了“漉水囊”用于过滤水中的虫等微生物，虫太小过滤不净时，可用三层密绢或加上沙子过滤。

［问题］过滤的原理是什么？

［学生］利用材料的孔径筛选，截留尺寸大于孔径的杂质。

［追问］虫太小过滤不净时，为什么可用三层密绢或加上沙子过滤？

［学生］三层密绢或沙子堆积可形成更小的孔隙。

［教师］滤材的堆积还能使水流通道变得长而曲折，相当于建造一个微型且高效的多级过滤系统。

［学生活动］结合古人智慧，设计并绘制第一版净水器草图(见图3)，组装后取100mL巢湖原水过滤。

［教师］从装置、净水效果和流速等角度评价该净水器。

［学生］装置材料简单、组装方便；四级过滤，可从上至下分别除去大小不同的杂质，较好地除去了藻类、浮渣等不溶物；不堵塞，净水速度快。

设计意图：用化学史素材，让学生理解过滤原理的古老智慧；第一版净水器的设计与制作，可将原理转化为真实的产品，培养学生的工程设计能力与动手能力；引导学生从效率、效果等维度评价装置，提升学生解决复杂工程问题的能力。

4.2.2 近代探索与深化阶段

［化学史2］1826年莱茵河水污染催生了世界上第一台活性炭净水器。该净水器使用了20层厚的细纱布袋装满石英砂和活性炭，污染的水过滤后清澈甘甜，多次改良后效果越来越好。

［问题］为什么过滤后的水甘甜？

［学生］活性炭具有较大的表面积，能吸附异味。

［资料］活性炭疏松多孔，具有很强的吸附能力，水中的污染物可被活性炭通过物理、化学作用吸附；1g活性炭具有的外表面积和内部空隙的内表面积之和称为比表面积。

［讨论］如何寻找吸附效果更好的活性炭？

［学生］取相同的水分别通过质量相同的不同活性炭，过滤后比较颜色和异味。

［分组实验］分别称取5.0g颗粒直径均为4mm，比表面积不同的木质、煤质和椰壳活性炭，加入三只盛有50mL红墨水的烧杯中，搅拌，静置相同时间后过滤。

现象：红墨水均褪色。

［教师］肉眼无法分辨时可借助数字化仪器精确测量。色度传感器可测量特定波长的光穿过被测溶液时的吸收率，吸收率是被溶液中的物质吸收而损失掉的光强度比例。

［演示］用色度传感器测三只烧杯中水的吸收率(见图4)。

［结论］颗粒直径相同的活性炭，比表面积越大，吸附效果越好。

［学生］还需比较相同材料、不同颗粒大小活性炭的吸附效果。

［分组实验］分别称取5.0g三种不同颗粒大小的椰壳活性炭，加入三只盛有50mL红墨水的烧杯中，搅拌，静置相同时间，过滤后测吸收率(见图5)。

［结论］其他条件相同时，活性炭颗粒越小、比表面积越大，吸附效果越好。

［问题］化学史2中可能进行了哪些改良使水越来越好？

［学生］加厚滤材；使用比表面积更大、颗粒更小的活性炭等。

［学生活动］设计制作第二版净水器(见图6)，取100mL巢湖原水过滤。

现象：得到无色无味的水。

［教师］水已经“干净”可饮用了吗？

［学生］水中还有看不见的细菌和病毒。

［学生活动］阅读水质检测仪资料卡片(见图7)，用水质检测仪和pH计检测净化后的水质(见表2)。

［学生汇报］除细菌和病毒外，依据TDS值还发现了较多的可溶性固体。

［教师］这些可溶性固体是什么？

［学生］湖水中含有较多矿物质，如钙盐、镁盐等，会使水的硬度变大，可用肥皂水检测。

［分组实验］取少量上述净化水于试管中，加入肥皂水，产生较多浮渣。

［教师］为抑制湖水中藻类繁殖加入的杀藻剂、含氯消毒剂以及钙镁离子、排入湖水中的重金属离子等使TDS值变大，长期饮用会增加肾脏负担，甚至威胁健康。如何除去钙、镁等离子呢？

［学生］可加入试剂将钙、镁离子沉淀出来，也可用蒸馏的方法除去这些离子。

［教师］野外条件有限时，可在过滤后再蒸馏获得饮用水；净水时也可使用化学试剂除去某些杂质，如亚硫酸钙可去除含氯消毒剂产生的余氯。

［化学史3］1935年起，离子交换树脂开始用于净水。

［教师］钠离子交换树脂工作示意图见图8，解释其工作原理。

［学生］自来水中钙、镁离子与树脂中的钠离子发生交换，得到含钠离子的软化水，盐水处理使用后的树脂可再次交换离子实现树脂再生。

［问题］离子交换法有什么优点？

［学生］操作简单，无需加热，可再生。

［学生活动］将石英砂、食品级除氯亚硫酸钙和食品级软化水树脂从左至右分别置于三个饮料瓶中连接成第三版净水器(见图9)，将第二版净水器处理产生的净化水倒入，打开自吸水泵，检测净水效果(见表3)。再取净化后的水，加入肥皂水。

［学生汇报］加肥皂水后浮渣变少，说明钙、镁等离子大量减少，但TDS值增大，说明含较多钠离子；从TOC等数据发现水中还有细菌病毒、有机大分子等。

设计意图：引导学生经历相对完整的科学探究过程，形成“结构决定性质、性质决定用途”的观念，培养学生基于数据得出结论的科学实证精神；对实验方案的质疑、对历史改良的推测，培养学生的批判性思维和逻辑推理能力。

4.2.3 现代创新与飞跃阶段

［问题］如何解决细菌病毒等微生物污染？

［学生］加入消毒剂，或者煮沸利用高温杀菌。

［化学史4］1903年，氯气开始用于饮用水消毒。

［教师］足够浓度的消毒剂或高温，加上充分的作用时间可破坏微生物的结构和功能，达到杀菌的目的。自来水厂采用多种消毒剂组合，如氯、次氯酸钠、紫外线等，确保彻底灭活病原微生物，但需控制消毒副产物的生成；生活中常将自来水煮沸进行杀菌。有没有更加安全、方便的方法呢？

［化学史5］1965年，过滤精度达0.01微米的超滤膜被研制出来，其孔径比细菌、病毒和大分子有机物小。

［学生活动］组装第四版净水器(见图10)，打开自吸水泵，取100mL巢湖原水过滤，检测过滤后水质(见表4)。

［学生汇报］使用超滤膜可除去绝大多数细菌病毒等杂质，但TDS值依然较大，推测为钠离子，还有一些尺寸太小的小分子有机物。

［问题］如何除去这些极小的离子和小分子？

［学生］研制孔径更小的过滤膜。但孔径太小，会不会使水分子也难以通过？

［化学史6］1950年，科学家发现海鸥会用嘴部施加压力让水分子通过嘴里的一层薄膜得到淡水，吐出含杂质及高浓缩盐分的海水。基于该原理，科学家开发出过滤精度达0.0001微米的RO反渗透膜技术，1970年起该技术开始应用于民用水。近年来我国自主研发的RO反渗透膜，通过尺寸筛分、疏水相互作用等原理阻隔氯离子、钠离子和小分子有机物等，再通过高压驱动、亲水作用让尺寸稍大的水分子挤过RO膜，分开无法渗透过的浓缩水，最终得到“纯水”。

［教师］目前市场上过滤效果最好的家用净水器就是反渗透(RO)净水器，第一至第五级分别使用PP棉、颗粒活性炭、烧结活性炭、RO膜和后置活性炭，依次除去水中的颗粒物、色素、嗅味、有机物、余氯、金属离子、细菌等，并调节pH，改善口感。

［学生活动］组装第五版净水器(见图11)，加入100mL巢湖原水，打开自吸水泵，净化后检测水质(见表5)。

现象：水质优秀，达到饮用水标准。

［问题］反渗透(RO)净水器有什么优点？

［学生］滤材种类少，操作简单，过滤后不添加任何物质就得到可直接饮用的纯净水，水质更干净安全。

［教师］2019年，我国自主研发的长效反渗透滤芯打破了国外垄断；2021年，我国自主研发航天版大水量长效反渗透滤芯2.0版，更高效节水，抑菌率99.99%。此外与电荷排斥原理类似的选择性过滤技术因可以“滤去重金属，保留矿物质”也成为现代净水的新方向。

［小结］净水的一般思路：将杂质由大到小分离；依据杂质大小和性质设计过滤、吸附、蒸馏、电荷排斥等分离方法。

［教师］为提高巢湖水质，2014年安徽省施行了《巢湖流域水污染防治条例》，并进行了一系列生态修复与治理工程，今天的巢湖水正变得越来越好，生活在巢湖周边的我们，更要主动参与到对巢湖的保护中来，为维护生态平衡贡献自己的力量。

设计意图：拓宽学生的科技视野，体会科学技术的发展。从水的消毒史到膜技术的使用，引导学生体悟相同问题有不同的解决方法，培养学生的创新精神。

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