从简易净水装置到阶梯式净水装置的实验探究

柏品良+吴常名

摘要：以学生在简易净水器实验中生成的问题为切入口，引导学生对各净水材料的净水速度、净水效果、净化原理以及水通过净化材料的方式进行了实验探究。得出了净水材料的最佳放置顺序；设计了能直接观察各净水材料的净水速度与净水效果的阶梯式净水装置；进一步指导学生进行课外活动，利用生活中的可取材料自制阶梯式净水装置。

关键词：简易净水装置；阶梯式净水装置；自制净水装置；实验探究；课外化学实验活动

文章编号：1005–6629（2017）4–0077–03 中圖分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

九年级《化学》（人民教育出版社）上册第四单元课题2“水的净化”的课外实验：自制简易净水器。取一个空塑料饮料瓶，剪去底部，瓶口用带导管的单孔橡胶塞塞紧，将瓶子倒置，瓶内由下向上分层放置洗净的蓬松棉、纱布、活性炭等，就得到一简易净水器[1]（如图1）。

学生按照操作步骤，均能完成实验。在实验装置展示、现场演示净水过程、对实验过程中的疑问和技巧等进行交流与研讨后，有学生提出问题：装置中的小卵石、石英砂、活性炭三种物质放置顺序是否可以改变？

2 讨论与猜想

方案一：改变三种物质的放置顺序，分别进行实验，比较净化效果；

方案二：将这三种物质分别进行净化水实验，比较其净化效果。

查阅资料，结合这三种物质净化水的原理，确定三种物质的最佳放置顺序。

经过讨论，认为方案二比方案一合理，决定以方案二为基础进行实验。

3 实验探究

3.1 实验

将整个装置拆分成三个净化器，分别用小卵石、石英砂和活性炭做净水材料对相同的污水进行净化（如图2），比较净化水的效果与速度。

实验说明：（1）样品污水是100mL河水，并向其中滴入1滴红色墨水。（2）蓬松棉难以获得且在实验装置中难以保证一样的厚度，为此用12层的纱布口罩替代蓬松棉。（3）活性炭因为细小密度小，加水后漂浮在水面，须在活性炭上方加一微孔瓷制隔板（化学仪器商店有售）。

实验结论：（1）不同材料净化速度、净化效果见表1。（2）小流量、低流速时的净化效果要好一些。

3.2 分析与结论

纱布、蓬松棉都是用来隔离小卵石、石英砂、活性炭等净化材料的。小卵石用来过滤一些体积较大的不溶性固体杂质；石英砂用来过滤一些体积较小的不溶性固体物质；活性炭用来过滤、吸附更细小的固体颗粒和一些溶于水的异味气体和色素等。

综合“净化速度”“净化效果”“净化原理”，过滤应该按照先“粗净化”再“精净化”的顺序进行，也就是先过滤掉体积大的杂质，再过滤体积小的杂质。这样做一是能使过滤速度更快，二是避免活性炭因过滤、吸附的杂质较多而削减其净化能力。

净水材料的最佳放置顺序是按照流水方向依次放小卵石、石英砂、活性炭。

3.3 阶梯式净水装置

将分别用小卵石、石英砂和活性炭做净水材料的净水装置从上向下依次连接起来，就形成了阶梯式净水装置（如图3）。将水从最上方注入净水装置，收集装置中水满后从支管口溢入下一个净水装置，这样便于观察、对比它们的净水效果，理解它们在净水过程中发挥的作用。

4 实验改进完善

4.1 问题提出

在评价阶梯式净水装置时，有学生提出问题：“阶梯式净水装置”包括“简易净水器”与教科书P75“图4-17活性炭净水器示意图”（如图4）中水通过活性炭层的方式不相同，那么，活性炭净水时进、出水口的相对位置对净化效果有没有影响呢？

4.2 对比实验

将一定质量的活性炭放入漏斗内部，将水从漏斗中注入，形成水自上而下通过活性炭层的净化装置（如图5）；在漏斗的下端固定有微孔瓷制隔板，将等质量的活性炭放在漏斗和收集装置之间，将水从漏斗中注入到收集装置的底端，水浸泡过活性炭后从支管口流出，形成水自下而上通过活性炭层的净化装置（如图6）。完成这组对比实验：分别将水从上、下入水口进入净化装置，比较活性炭的净化效果。

4.3 实验结果

在相同流量情况下，水自下而上通过活性炭层的净化效果好于水自上而下通过活性炭层。

4.4 实验分析

水自下而上通过活性炭层，会减小水的流速（也便于控制水的流速），延长水在“过滤层”的停留时间，让水和活性炭充分接触，以最大程度去除水中的异色和异味，净水效果好。

4.5 实验装置修改

将图3中阶梯式净水装置的下端盛有活性炭的净化装置改换成图6中的盛有活性炭的净化装置。

5 探究延伸

学生用医用注射器、输液器自制阶梯式净水装置。

用注射器做过滤器、将输液器的一端连接在注射器上组成净水装置（如图7），从输液器可以观察到净化水的效果。

将有孔活塞压入注射器一半位置，在活塞上方装满活性炭，用胶将两个注射器对接在一起，组装成水自下而上通过活性炭层的净水装置（如图8）；

把分别填入小卵石、石英砂和活性炭的净水装置自上而下连接起来，形成自制阶梯式净水器。

6 活动意义

以学生在实验中遇到的问题为切入口，引导学生去分析问题、设计实验解决问题，不仅解答了学生在学习上的疑问，还让学生体验到科学探究的过程，从而获得实验成功及通过实验解决问题的喜悦。

以教科书中的[课外实验]为基础，拓展了教科书上的教学资源，利用生活中的教学资源，充分发挥了化学实验的教学功能[2]。

从实验探究的过程中发现新的问题，通过实验对比，改进实验装置，提高净化效果，使学生感受到科学探究是一个不断完善、不断发展的过程。强化科学探究意识，促进学习方式的改变，使学生学习化学的兴趣朝定向、持久的方向发展[3]。

阶梯式净水装置生动形象地演绎了净水的过程，让学生观察到不同物质净水效果，领悟它们在净化水的过程中所起的作用，让学生知其然，并知其所以然。同时，用生活中的材料经过简单加工自制有创意的阶梯式净水装置，培养了学生的创新能力。

将教科书中的[课外实验]延伸为化学课外兴趣小组活动，开放实验室，在教师的指导下探究并解决实验过程中的疑问，把化学课外活动引向深入。

参考文献：

[1]课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012：77.

[2]张军.初中化学教学实验现象的反思与策略研究[J].化学教学，2014，（8）：21～23.

[3]魏书彬，陈加柱.浅议高中化学实验教学的问题与对策[J].化学教学，2015，（11）：78.