劉清清，吳 琦，吳嘉雯，李 睿

(云南師范大學化學化工學院，云南 昆明 650500)

滇池是昆明的母親湖，中國第六大內(nèi)陸淡水湖。這顆高原明珠曾一度淪為我國污染最嚴重的內(nèi)陸淡水湖之一，曾是“劣V”級水體。2020年10月，云南省生態(tài)環(huán)境廳發(fā)布了《下一個五年，滇池治理應(yīng)該怎么干》相關(guān)文件，開啟了新一輪的滇池治理新征途?！读x務(wù)教育化學課程標準(2022年版)》中[1]，“水的凈化”一節(jié)被列為“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”模塊中的一個重點內(nèi)容，是 “化學與社會·跨學科實踐”模塊中一個重要的實踐活動(水質(zhì)檢測及自制凈水器)，同時“粗鹽提純”也是學生必做實驗及實踐活動?！拔镔|(zhì)的分離與提純過程”是研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化、制備和其應(yīng)用的基本過程，對化學工業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用[2]。隨著中學有關(guān)內(nèi)容(工業(yè)制氧氣、水的凈化、海水曬鹽、粗鹽提純等)的學習，學生對“物質(zhì)分離與提純”的模型的建構(gòu)也將會逐步完善。傳統(tǒng)的“水的凈化”授課過程，側(cè)重于讓學生了解自來水凈水方法與原理、過濾操作與原理，忽略了“水的凈化”理論在實際中的運用，也忽略了“物質(zhì)分離與提純”模型的構(gòu)建。

在項目教學中學生要完成項目任務(wù)，就需要對天然水中所含的雜質(zhì)進行分析，綜合所學知識，用它的理化性質(zhì)來評估分離和除雜需采用的方法，并將沉淀、過濾、吸附和蒸餾等凈水方法結(jié)合起來，然后通過數(shù)字化傳感器測定處理前和處理后水的指標(pH、電導率、色度等)，比對數(shù)據(jù)，歸納出不同方法凈化水的效果，最終使滇池水的雜質(zhì)依次去除，將其逐步轉(zhuǎn)化為趨于純凈水的水。通過這些核心活動，可以幫助學生建立起系統(tǒng)的“物質(zhì)分離與提純”的思維，同時提高學生的 “化學觀念”“科學思維”“科學探究與實踐”“科學態(tài)度與責任”學科核心素養(yǎng)。

綜上所述，根據(jù)項目式教學的項目選擇需要滿足以下的要求：具備學科思維和方法的特征、培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)、貼近生活和社會、具有實際可操作性等特點，選擇并確立 “滇池水的檢測與凈化”為項目主題，把 “構(gòu)建以思維導圖為載體物質(zhì)分離的提純的模型和自制凈水器”作為項目學習的最終結(jié)果。

1 項目教學目標

根據(jù)課程標準中相關(guān)主題的內(nèi)容要求以及學業(yè)要求，結(jié)合學生的具體情況，制定了本項目的教學目標。

1.1 化學觀念

1)初步認識天然水的成分和性質(zhì)，了解混合物和純凈物的相關(guān)概念，形成物質(zhì)的多樣性化學觀念。

2)通過除去水樣中的不溶性雜質(zhì)，掌握過濾操作相關(guān)原理；通過活性炭吸附水中色素和異味，了解疏松多孔結(jié)構(gòu)及吸附性原理，形成物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、物質(zhì)性質(zhì)決定用途的化學觀念。

1.2 科學思維

1)學生在水凈化過程中學會構(gòu)建不同物質(zhì)分離提純方法的模型，即根據(jù)物質(zhì)的不同性質(zhì)選擇合適的方法進行物質(zhì)的分離與提純，培養(yǎng)學生解決化學問題的思路化、結(jié)構(gòu)化，形成化學實驗探究的一般思路與方法。

2)通過傳感器測定滇池水樣和蒸餾水的pH、色度、電導率等數(shù)據(jù)，并進行對比；選擇合適的方法，設(shè)計除去水樣中雜質(zhì)的相關(guān)實驗，并對除雜后的水樣進行水質(zhì)指標再測定；從定量角度評價除雜效果，培養(yǎng)學生基于證據(jù)，進行科學分析和利用證據(jù)形成結(jié)論的科學思維。

1.3 科學探究與實踐

1)通過查閱資料，了解水質(zhì)的檢測指標以及相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)，再根據(jù)所查資料來分析、解決問題，提升學生利用網(wǎng)絡(luò)查詢等技術(shù)手段獲取和加工信息的能力。

2)通過學生自制凈水器這一活動，培養(yǎng)其運用所學相關(guān)知識與方法解決問題的能力，提升學生動手能力、與他人合作解決問題的能力，達到發(fā)展學生創(chuàng)新精神的最終目的。

1.4 科學態(tài)度與責任

在對滇池水凈化過程中體會到污染容易治理難，以此加強學生保護環(huán)境的意識，樹立生態(tài)文明及可持續(xù)發(fā)展的理念。

2 項目任務(wù)及教學流程

本項目以不同區(qū)域的滇池水為活動載體，以檢測和凈化等活動為切入點，應(yīng)用數(shù)字化的手段，從定量角度來反映水的凈化效果，引導學生構(gòu)建物質(zhì)分離提純的模型，感受化學學科促進社會可持續(xù)發(fā)展的重要意義，幫助樹立節(jié)約資源、保護環(huán)境的意識以及生態(tài)文明的理念。本項目一共包含了4個子任務(wù)，每個子任務(wù)都有對應(yīng)的問題線、知識線、學生活動線，以及能力發(fā)展線。項目的具體規(guī)劃見圖1。

3 項目實施過程

3.1 確定并測定不同區(qū)域滇池水的水質(zhì)指標

【教師創(chuàng)設(shè)情境，提出驅(qū)動性問題1】長江、黃河是中國的母親河，而滇池作為昆明的母親湖目前水質(zhì)如何呢？(學生討論，并對滇池的水質(zhì)形成擔憂的情緒。)如果你作為污水處理廠的一名設(shè)計師，如何將滇池水進行凈化呢？

【課前活動】各小組在課前已經(jīng)對不同區(qū)域的滇池水進行取樣，拍照記錄周圍環(huán)境，并上網(wǎng)查閱了水質(zhì)檢測有哪些指標、含義及其檢測方法，一起完成表1。

【學生活動】 分小組展示并分享取水時的所見所聞、 取來的水樣中含有哪些雜質(zhì)和所查閱到水質(zhì)指標。

【教師活動】 引導學生從課本知識、技術(shù)條件、資源等多方面分析水質(zhì)指標測定的可行性，最終確定了測定滇池水的pH、色度、電導率三個指標，實驗裝置如圖2。

【學生活動】分組利用數(shù)字化傳感器測定所采水樣和蒸餾水的pH、色度、電導率，并進行對比，發(fā)現(xiàn)滇池水樣與蒸餾水的pH差不多，色度和導電率這兩指標相差比較多，檢測結(jié)果見表2。

表1 水質(zhì)檢測指標、含義及檢測方法

圖1 項目式學習“滇池水質(zhì)檢測與凈化”教學設(shè)計思路

圖2 手持傳感器實驗圖

表2 滇池水樣檢測結(jié)果

3.2 探究如何降低滇池水色度

【教師提出驅(qū)動性問題2】請同學們觀察所采的滇池水樣，能夠肉眼觀察到里面有什么？水樣呈現(xiàn)什么顏色？各小組自行設(shè)計實驗利用老師所給的器材將可見的固體顆粒和顏色除去，并通過色度的檢測來驗證方案實施的效果。水樣渾濁程度對比如圖3。

【學生設(shè)計實驗】學生分組進行實驗設(shè)計。小組中出現(xiàn)了兩種設(shè)計方案：方案一是先利用活性炭吸附色素和異味再一起過濾；方案二是先利用過濾方法除去固體顆粒，再加入活性炭除去色素和異味，再過濾除去活性炭。

圖3 滇池水樣渾濁程度對比

【學生實驗】各小組實施自己設(shè)計的試驗方案并利用傳感器檢測凈化后水質(zhì)的色度和pH，檢測結(jié)果見表3。

表3 滇池水樣凈化前后的色度檢測結(jié)果對比

【教師支持】教師展示活性炭的吸附色素和異味的動畫演示，學生能從宏觀和微觀兩個層面來認識活性炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)，初步構(gòu)建“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的化學概念，引導學生認識過濾是分離固液不相溶的重要手段。

表4 降低色度實驗方案設(shè)計評價表

3.3 探究如何降低滇池水的電導率

【教師提出驅(qū)動性任務(wù)】同學們之前檢測水樣色度和電導率均與蒸餾水有所不同，目前已經(jīng)完成了降低色度這一小項目，現(xiàn)在需要同學們來設(shè)計實驗完成電導率的降低。水溶液的電導率是由所含的可溶性雜質(zhì)離子引起的，請同學們根據(jù)老師所提供的資料確定所要除去的主要離子，資料如表5所示[4]。

表5 滇池入湖河流主要離子質(zhì)量濃度

【學生活動】分組設(shè)計實驗除去以上離子，設(shè)計方案如表6。

表6 學生設(shè)計的實驗方案

表7 滇池水樣除雜前后的電導率檢測結(jié)果對比

【教師提出驅(qū)動性問題3】為什么除去滇池水溶液中的離子后電導率反而還升高了呢？請同學們討論分析這三個方案除雜后的離子成分以及造成電導率升高的原因。

此后的周小羽在回家路上不再踢小石子，他不再踢一腳踢一腳地前進。他現(xiàn)在是慢慢地晃著回家?；蔚臅r候，他總是拿一根小樹枝，一邊走一邊在地上畫，一路上畫出許多亂七八糟的東西來。

【教師提出驅(qū)動性問題4】因此同學們在除雜過程中不要引入新的雜質(zhì)，方案1和2均有體現(xiàn)這一思想這點非常好，而且方案1中引入的雜質(zhì)離子是最少的，但是它也有不合理的地方，請同學們在方案1的基礎(chǔ)上完善該方案，使其用最少的步驟和試劑盡可能少的引入雜質(zhì)離子。

【教師提出驅(qū)動性問題5】請同學們分析完善方案1的剩余離子情況。

3.4 構(gòu)建物質(zhì)分離和提純的模型和自制凈水器

【教師提出該項目的最后任務(wù)】請同學們根據(jù)所完成的前三個任務(wù)總結(jié)并繪制出不同物質(zhì)之間分離和提純的思維導圖，形成相關(guān)知識模型，并談?wù)勀阍谡麄€項目中有哪些收獲？

【學生展示并匯報】學生展示繪制的物質(zhì)分離和提純的思維導圖，分享自己在團隊中所做的貢獻以及完成整個項目的收獲和感想。學生設(shè)計思維導圖如圖4和圖5所示。

圖4 學生設(shè)計“物質(zhì)分離與提純”思維導圖1

圖5 學生設(shè)計“物質(zhì)分離與提純”思維導圖2

【小組互評、教師評價】各位同學，經(jīng)過幾節(jié)課的學習，同學們都對滇池的水質(zhì)狀況和簡單的檢測和治理方法有了深入的了解，請大家分組對自己的學習情況進行互評打分。(評價表見表8)

【教師布置給學生凈水器任務(wù)】相信大家經(jīng)過本項目的學習不僅對滇池的水質(zhì)狀況和簡單的檢測以及治理方法有了一定的了解，同時也對物質(zhì)如何提純和分離有了自己的認識。在項目進行過程中凈化都是一步一步分別進行的，那這些凈化過程能否設(shè)計成完整的流程呢？請各小組課后利用身邊的廢料自制凈水器并使用數(shù)字化傳感器測定凈化后水樣的三個指標。

表8 思維導圖互評表

【各小組展示作品】作品圖如圖6所示。

圖6 學生設(shè)計的自制凈水器

【生生互評、教師評價】請同學們在每個小組展示自制凈水器后根據(jù)評價表給予評分，然后根據(jù)組內(nèi)成員在整個項目中的表現(xiàn)給予評分，最后總計分數(shù)選出最佳小組和優(yōu)秀個人。評價表如表9所示。

【教師總結(jié)】好的，這次我們一共有四個小組，每組同學都進行了認真的學習，其中第一小組最終得分90分，同學A以93分獲得了優(yōu)秀個人的稱號，讓我們一起為他們的優(yōu)秀成績給予掌聲！

表9 自制凈水器與個人表現(xiàn)評價表

表9(續(xù))

4 教學反思

1)本項目作為初中化學相關(guān)內(nèi)容的重點學習環(huán)節(jié)，教師首先要給予學生充分的項目式調(diào)查研學時間，要給與學生充分時間進行水質(zhì)的取樣、觀察、思考討論、交流展示等。

2)在進行相關(guān)內(nèi)容的教學時，可以按照學生查閱到的信息，利用數(shù)字化傳感器進行教學，將書本上的文字知識傳授方法改為學生可以接觸得到的數(shù)據(jù)信息來強化感知認識，充分體現(xiàn)數(shù)字化傳感器在教學中的優(yōu)勢。

3)學生在學習理論知識后，面對復雜情境時并不能很好地將所學知識與陌生問題解決相結(jié)合，這表明學生沒有建立相關(guān)理論和實踐之間的聯(lián)系。因此，在教學中需要創(chuàng)設(shè)真實問題情境，尤其要注重理論知識在復雜陌生環(huán)境中的應(yīng)用。這樣的教學方式有助于提高學生的問題解決能力，幫助他們更好地將理論知識應(yīng)用于實踐中，從而更好地實現(xiàn)課程目標中要求的理論與實際的有效結(jié)合。

4)注重培養(yǎng)學生的科學思維：設(shè)置了多個分離提純活動，包括運用物理方法和化學方法，難度逐漸加深，從簡到繁，知識結(jié)構(gòu)層層遞進，邏輯層次清晰。最后讓學生自制簡易凈水器，將所學知識用于動手實踐，體驗親自凈水的過程、感受純凈的水被人為污染是何其簡單，但一滴污水要凈化為純水是何其困難的教學思想，落實“節(jié)約用水、保護滇池母親湖”的最終教學理念。

5)由淺入深地經(jīng)歷構(gòu)建模型的過程：在本研究中，設(shè)置了多個物質(zhì)分離提純的任務(wù)，由淺入深、由物理方法到化學方法、由宏觀到微觀的認識角度。在探究過程中，學生結(jié)合已有認識，親自體驗建模過程，形成并應(yīng)用“物質(zhì)分離與提純”的思維模型。