楊雪梅

摘要：以學(xué)生對(duì)直飲水點(diǎn)產(chǎn)生的疑問為入手點(diǎn)，結(jié)合教材“水的凈化”相關(guān)內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生利用生活中的材料自制個(gè)性化凈水器，進(jìn)行凈水實(shí)驗(yàn)探究并交流展示；設(shè)計(jì)了含離子交換樹脂凈化層的多層便攜式凈水裝置，每層可取樣通過感官感知和電導(dǎo)率傳感器等數(shù)字化儀器評(píng)價(jià)凈水效果；通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析裝置凈化效果，進(jìn)一步改進(jìn)裝置，完善實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；自制裝置；離子交換；凈化效果

文章編號(hào)：1008-0546（ 2022）12x-0064-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.015

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》修訂原則提出要堅(jiān)持問題導(dǎo)向，注重對(duì)實(shí)際問題的有效回應(yīng)，[1]這就要求教師對(duì)學(xué)生提出的問題要進(jìn)行有效解答。通過科學(xué)探究活動(dòng)解答學(xué)生疑問，學(xué)生通過解決當(dāng)前疑問，并遷移運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，解決其他問題，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)檢測自制凈水器的凈水效果，科學(xué)解答學(xué)生對(duì)凈水的相關(guān)疑問，拓展了學(xué)生的凈水知識(shí)，拓寬了學(xué)生的科技視野，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的探究熱情。

一、問題的提出

水是生命之源，是維持日常生活不可缺少的物質(zhì)之一，學(xué)生對(duì)水非常熟悉，經(jīng)過教材學(xué)習(xí)，對(duì)水的凈化有所了解，在進(jìn)行戶外活動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了直飲水點(diǎn)，提出疑問：能否自制凈水器凈化自然界的水并飲用？凈水效果如何檢測呢？“水質(zhì)檢測及自制凈水器”是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)之一，[1]通過解決學(xué)生問題，可完成該活動(dòng)的部分內(nèi)容。

二、活動(dòng)思路

為解答學(xué)生疑問，筆者結(jié)合人教版九年級(jí)《化學(xué)》上冊(cè)第四單元課題2“水的凈化”一課中的相關(guān)內(nèi)容，[2]引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“水的凈化”科學(xué)探究，學(xué)生通過查閱相關(guān)資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行凈水實(shí)驗(yàn)、表達(dá)并交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)水的凈化有了深入了解。延伸學(xué)生科學(xué)探究，融合數(shù)字化檢測技術(shù)，自制便攜式分層凈水器，通過檢測各凈化層的凈水效果，分析各物質(zhì)的凈化功能，進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)凈水的認(rèn)知水平。

三、學(xué)生自主探究

1．實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

查閱資料可知，直飲水凈化流程主要包括三個(gè)流程：預(yù)處理、核心處理和后處理，其中主要的凈化技術(shù)和原理有：石英砂過濾、活性炭吸附、超濾、反滲透、藥物消毒等。[3]根據(jù)所查資料，結(jié)合教材相關(guān)知識(shí)引導(dǎo)學(xué)生自制凈水器。學(xué)生根據(jù)自己所查資料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、材料準(zhǔn)備、交流互助等活動(dòng)。

2．學(xué)生裝置展示

學(xué)生開展了一系列個(gè)性化凈水實(shí)驗(yàn)探究，參與度非常高，將自制裝置帶來學(xué)校展示并交流，提高了學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的表達(dá)能力，促進(jìn)學(xué)生將化學(xué)與生活緊密結(jié)合，提升學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的興趣，部分同學(xué)還拆解了家用凈水器，了解各凈水器的原理與優(yōu)劣，達(dá)到了擴(kuò)展學(xué)習(xí)的目的，現(xiàn)選取幾例代表性裝置進(jìn)行展示，如圖1，表1所示。

3．學(xué)生實(shí)驗(yàn)分析

學(xué)生在教材學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上對(duì)裝置加以創(chuàng)新，裝置2材料簡單，操作方便；裝置5能清楚觀察每一層的凈化效果，裝置6用常見材料組裝了一套蒸餾裝置，得到了自制蒸餾水。學(xué)生裝置能達(dá)到不同程度的凈水效果，但只從感官感知，未用定量指標(biāo)對(duì)凈化后的水進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，因此考慮借助數(shù)字化儀器檢測凈化效果，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀化。裝置5分層凈化效果明顯，但攜帶不方便，若要進(jìn)行戶外凈水，可對(duì)裝置的便攜性進(jìn)行改進(jìn)。據(jù)此，筆者利用生活中材料制作了便攜式分層凈水器，并借助數(shù)字化儀器檢測凈水效果。

四、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

1．儀器和用品

計(jì)算機(jī)、Vernier LabQuest Mini數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器、色度傳感器、濁度傳感器、奶粉盒、紗布、白石子、石英砂、塊狀活性炭、棉柔巾、離子交換樹脂（拋光樹脂）、礦泉水、純凈水、自來水、河水、湖水、池塘水、雨水。

2．材料加工與裝置制作

在奶粉盒底部中間用電烙鐵打孔，白石子直接在盒中平鋪兩層作為凈化層，棉柔巾剪好平鋪兩層作為凈化層，稱取石英砂70 g、塊狀活性炭55 g、離子交換樹脂50 g，分別用紗布包好，用純凈水洗凈晾好，放人奶粉盒中，制成不同的凈化層。將5層凈化層和1個(gè)接水器按照如圖2所示的順序通過螺紋旋轉(zhuǎn)安裝在一起，制成凈水裝置。根據(jù)凈化需求，可進(jìn)行個(gè)性化凈水：選擇單一凈化層，或?qū)讉€(gè)凈化層進(jìn)行不同方式的組裝，還可將凈化層的物質(zhì)進(jìn)行更替后再組裝，圖2組合形式的凈化裝置實(shí)物圖如圖3所示。

3．凈化原理

凈水時(shí)，將原始水樣從上層倒下，經(jīng)凈化層后到達(dá)接水器中。白石子凈化層分離大顆粒；石英砂凈化層分離小顆粒；活性炭層具有吸附作用；棉柔巾可再次凈化，且能將上一層可能掉落的小顆粒分離；離子交換樹脂在水處理中應(yīng)用廣泛，[4-6]該實(shí)驗(yàn)選取的離子交換樹脂是由高度純化、轉(zhuǎn)型的H型陽樹脂和OH型陰樹脂混合而成，凈水時(shí)將水中的陽離子交換為氫離子，陰離子交換為氫氧根，從而降低離子濃度。[7]

4．凈化過程與指標(biāo)檢測

將裝置1從上到下的第1層、1-2兩層、1-3三層、1-4四層、1-5五層凈化層分別與接水器組裝，凈化后取樣觀察。以河水為例，凈化后的水樣效果如圖4所示。從感官判斷，泥土等氣味逐漸變淡，經(jīng)過第1、2層處理，顆粒物明顯減少，經(jīng)過3層、4層、5層處理，觀察不到明顯變化。為了了解各層分離出的雜質(zhì)，對(duì)凈化河水后的殘留物進(jìn)行研究，如圖5所示，凈化層1和2有明顯顆粒物，凈化層4有藻類殘留物，其他凈化層觀察不到明顯現(xiàn)象。為了深入了解各凈化層的凈化效果，決定借助其他指標(biāo)輔助評(píng)價(jià)?！渡铒嬘盟l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)濁度、色度、臭和味等有明確規(guī)定，[8]在大部分水質(zhì)檢測時(shí)，電導(dǎo)率是必測項(xiàng)目[9]，據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)從濁度、色度、電導(dǎo)率角度檢測凈化效果，檢測裝置如圖6所示。

（1）濁度檢測

按操作標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)濁度傳感器，將裝置1從上到下的第1層、1-2兩層、1-3三層、1-4四層、1-5五層凈化層分別與接水器組裝，凈化后取樣，再取原始水樣（圖中用0層表示），用濁度傳感器檢測，三次測定取平均值，結(jié)果如圖7所示。

（2）色度檢測

按照標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)色度傳感器，將裝置1從上到下的第1層、1-2兩層、1-3三層、1-4四層、1-5五層凈化層分別與接水器組裝，凈化后取樣，再取原始水樣（圖中用0層表示），用色度傳感器檢測，三次測定取平均值，用透光率表示，結(jié)果如圖8所示。

（3）電導(dǎo)率檢測

將裝置1上到下的第1層、1-2兩層、1-3三層、1～4四層、1-5五層凈化層分別與接水器組裝，凈化后取樣，再取原始水樣（圖中用0層表示），用電導(dǎo)率傳感器檢測，三次測定取平均值，結(jié)果如圖9所示，經(jīng)1-4層后電導(dǎo)率變化不大，經(jīng)第5層后電導(dǎo)率明顯減小。

（4）拓展實(shí)驗(yàn)

離子交換樹脂層能否再次降低電導(dǎo)率呢？筆者采用4層離子交換樹脂凈化層和接水器組裝成分層裝置2，如圖10所示。將河水、湖水、池塘水分別用分層裝置1的1-4層凈化后，加入分層裝置2，經(jīng)第1層、1～2層、1-3層、1-4層凈化后，分別取樣測定電導(dǎo)率，結(jié)果如圖11所示。將自來水、雨水、礦泉水直接加入分層裝置2，經(jīng)第1層、1-2層、1-3、1-4層凈化后，分別取樣測定電導(dǎo)率，結(jié)果圖1 1所示。

5．結(jié)果與討論

分析以上數(shù)據(jù)，水樣經(jīng)過凈化裝置1的各凈化層后，濁度不斷減小，最終濁度降低至生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)（<1）內(nèi)[8]；透光率不斷變大，最終與某品牌純凈水接近；分析各水樣的初始電導(dǎo)率數(shù)值，可初步判斷水樣的硬度。水樣電導(dǎo)率經(jīng)過白石子、石英砂、活性炭、棉柔巾凈化層處理后變化不大，經(jīng)過離子交換樹脂凈化層處理后明顯減小。從以上數(shù)據(jù)說明經(jīng)凈化處理后水中難溶性雜質(zhì)和可溶性雜質(zhì)在不斷減少。各水樣經(jīng)裝置2處理后，電導(dǎo)率逐漸降低，最終與某品牌純凈水電導(dǎo)率（5 μS/cm）接近，說明離子交換樹脂凈化層能有效降低離子濃度，降低硬度，達(dá)到軟化水的目的。

自然界的部分水樣經(jīng)本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的分層裝置1和2凈化處理后，從濁度、色度、電導(dǎo)率指標(biāo)分析，已達(dá)到飲用指標(biāo)，說明該裝置能有效凈化自然界的水，但要飲用，還要考查其他凈水標(biāo)準(zhǔn)。[8]

該裝置有以下特點(diǎn)：

（1）可視化該裝置本身透明，能在裝置外部初步觀察凈水效果。凈化后，可觀察水樣以及凈化層的殘留物，從感官感知到儀器檢測，利用定性、定量檢測手段相結(jié)合，分別以濁度、色度、電導(dǎo)率進(jìn)行定量檢測，多角度、多指標(biāo)評(píng)價(jià)凈水效果，使各凈化層的凈化效果準(zhǔn)確化、直觀化。

（2）個(gè)性化該裝置凈化層內(nèi)的材料可根據(jù)需要更換為其他物質(zhì)，采用不同的凈化材料，可制成不同的凈化層，組裝為個(gè)性化凈化裝置，凈化功能隨之改變。裝置各凈化層的組裝順序方便調(diào)換，同一組凈化層，不同的組裝順序可達(dá)到不同的凈化效果。學(xué)生可根據(jù)需要構(gòu)建專屬凈水器，進(jìn)行個(gè)性化凈水實(shí)驗(yàn)。

（3）易推廣本裝置材料價(jià)格低廉易得，所用試劑安全無毒，便于學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究。裝置輕便易攜，可在自然界不同地方進(jìn)行水的凈化，并通過檢測凈水效果，組裝適合凈化自然界水樣的凈水裝置。

（4）有啟發(fā)性本實(shí)驗(yàn)裝置給學(xué)生提供了構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置的思路，在其他自主實(shí)驗(yàn)中也可以借鑒思路；數(shù)字化檢測手段給學(xué)生提供了測定數(shù)據(jù)指標(biāo)的方向，為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究添加定量測定工具，為深入科學(xué)探究積累經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)探究過程中不斷查閱資料，豐富凈水知識(shí)，擴(kuò)展技術(shù)視野，為后續(xù)實(shí)施“水質(zhì)檢測以及自制凈水器項(xiàng)目”打下基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

本文從學(xué)生疑問出發(fā)，在真實(shí)情境中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，自制個(gè)性化凈水器，并交流展示，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的熱愛，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的科學(xué)素養(yǎng)。筆者在學(xué)生探究后又進(jìn)行了自制凈水裝置的深入探究，用離子交換樹脂等凈水后，通過電導(dǎo)率傳感器等數(shù)字化儀器測定凈水過程中各指標(biāo)的變化，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象感受從感官感知到微觀表征與宏觀表征相結(jié)合，提高學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng)。經(jīng)該科學(xué)探究活動(dòng)，學(xué)生對(duì)化學(xué)更加熱愛，對(duì)科學(xué)更具熱情，對(duì)科技更加向往。

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