镜平STEAM课程设计概述

林启兴

活动背景

镜平STEAM教学模式的目标是打破各学科之间隔阂，让学生能够综合地将各科知识应用于同一个研究或设计元素中。但打破各科的隔阂并不等于放弃各科的基础知识，反而学生对于各科基础知识的掌握更为至关重要。课程的目标是让学生能够在掌握各学科科学理论知识的基础上，作分析讨论并确实应用到工程上。只有从头体验，把科学的理论、工程的应用、技术的优化完整经历一次，才是打破各个学科隔阂的关键，才能真正达到学以致用的目标，解决一直以来科学知识只能应用于测验考试之用的偏颇想法，也可避免片面地追求应用技术，过分强调实物化、产品化的趋势。为此，我们拟通过制作滤水器活动，让学生在整个过程中有所收获。

活动重点和难点

重点：学习污水的类型，学习污水处理的各种方法。

难点：实验设计，对滤水器设计方案的评价。

活动内容

学习常用的污水处理方法

沉积法沉积法是净化水最简单的方法，可除去水中较大和较重的固体杂质。该法利用静置水中小颗粒悬浮的杂质（悬浮物）因重力而自然沉降的原理分离水与杂质。为了促进沉淀，还可以加入混凝剂等化学物质，使杂质与混凝剂聚成较大物质而加速沉淀。最常见的混凝剂是明矾，明矾价格便宜、没有毒性。当混浊的水加入超过一定量的明矾时，便会产生凝聚现象。明矾会水解生成吸附能力很强的氢氧化铝胶体，使水中不易沉淀的胶粒及微小悬浮物相互聚结、吸附，从而形成较大的絮粒沉降下来。

过滤法原水经过单纯沉淀或是混凝沉淀后，仍然含有许多微细杂质，因此，一般沉淀水无论其处理效果如何良好，皆不适合直接当作净水饮用，而必须进一步加以过滤。常用的过滤材料是细砂，其原理是当水流经细砂滤层时，杂质因无法通过细砂间微小的孔隙而与水分开。

蒸馏法此法通过加热煮沸水，使水蒸发再凝结收集，优点为可去除重金属、农药和细菌、病毒，水质较纯净、安全，是户外野炊常见的简易净水方法。缺点是部分沸点比水低的挥發性化学物质（如三卤甲烷）也会随蒸馏水进入收集桶中，另外，水体还缺乏人体必需的矿物质。

煮沸法此法通过加热煮沸水，利用高温杀死细菌和病毒，是一种古老的方法，在国内普遍应用。缺点是无法去除部分化学物质和重金属，即使含量极低。

RO逆渗透法RO薄膜为半透膜，是一种多孔的材质，水只能从一面流入，不会回流。薄膜孔径极小，约0.000 l微米（只有毛发直径的五千分之一），水分子刚好可以通过小孔，而其他比水分子大的细菌、病毒、各种化学有毒物质（如重金属）都无法通过。其原理是在原水端加压，使纯净的水分子穿过RO薄膜产生纯水，同时将无法穿透的各种杂质及有害物质随着浓缩废水排放。但此法成本较高。

活性炭过滤法活性炭主要由果壳、椰壳等含碳材料制成，是一种多孔炭，外观呈黑色，内部孔隙结构发达，具有很强的吸附能力，能有效吸附水中异味、色素、有机污染物等污染性物质，并能吸附自来水中残留的余氯。缺点是无法去除细菌和重金属污染。经多次过滤后，活性炭的吸附性会减弱。

离子交换树脂滤水法（软水器） 利用钙、镁、铁、锰等硬度离子与交换树脂结合力比钠离子强的原理，使交换树脂的钠离子与水中硬度离子发生交换作用，以除去水中部分金属离子和硬度。缺点是不易排除有机毒物和色素，且可能造成水中钠含量过多。

污水处理的设计与模拟

水污染包括工业废水、生活污水、禽畜排泄物等。各类水体污染物包括化学污染物（如重金属、肥料中的硝酸盐）、有机污染物（如油脂）、生物污染物（如毒素、病原体）、物理污染物（如热污染）。

为改进水质，污水需经收集和处理才可排放。污水处理程序是应用化学和生物的处理方法以降低污染物浓度或消除污染物。本实验模拟污水处理的过程，针对废水含有化学污染物，如有毒重金属离子（如铜、铅和铁离子等），拟通过沉淀过程降低此类污染物的浓度，并简化其移除程序。

滤水器的设计

喝水对大部分人而言或许是日常生活中再普遍不过的一件事了。不过，在某些地区与状况中，由于水源的污染或环境条件的影响，能取用到一口干净的水却不是件容易的事。那如何才能将生活污水、农业污水、工业污水还原成无色、无味、可饮用的白开水呢？

针对生活污水、农业污水、工业污水中的杂质，与组员讨论应如何设计滤水器，并选择合适的滤材开展净化实验。通过设计实验 写出实验步骤（实验装置） 记录实验结果分析实验结论，分别考察不同滤材的净水效果、滤水物料摆放顺序对净水效果的影响、滤水物料的用量对滤液流速的影响，并依据实验结果设计净化生活污水、农业污水、工业污水的滤水器。

滤水器的滤水效能评价

常规的水质评价指标主要包括pH值、色度、浊度、导电率、盐度、溶解氧（DO），化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）。

◇pH值代表水的盐碱度，水pH值的允许范围一般在6.5 - 8.5。就天然水域而言，其pH值的变化范围是比较小的。

◇色度。一般的水是透明的。当水中含有其他有颜色的可溶物质时，色度就高。

◇浊度是用来表示水质混浊程度的。当水中含有悬浮物质，就会造成混浊，使光线通过时产生干扰。简单来说，浊度就是所谓的透明度。

◇导电率代表水中所含有的离子量。导电度越高，表示含有腐蚀或水垢生成要素的物质越多;导电度越低，水中所含离子或导电物质含量越少。一般淡水的导电率是比较低的。

◇盐度代表水中含有的氯离子量。水中盐度越低越接近淡水，蒸馏水的盐度为0。

◇溶解氧。自然界的水由于与大气接触，或多或少都溶解有氧气，这些氧气称为水中溶氧。水体中溶氧浓度经常受到系统中生物、物理及化学物质的影响。

◇化学需氧量指水中有机物质在酸性及高温条件，经由强氧化剂将其氧化成CO，与H：O所用的氧量。与生化需氧量类似，化学需氧量值的大小可表示水中有机物的多少，用以指示水中有机物污染的程度。

◇生化需氧量指水中有机物质在某一特定时间及温度下，由于微生物的生物化学作用所耗用的氧量。生化需氧量的大小可表示生物可分解的有机物的多少，用以指示水中有机物污染的程度。

撰写设计方案

设计方案主要由4部分构成：第1部分，写出选用的材料与工具;第2部分，绘制滤水器设计图，需要标明每层材料名称、厚度、放置顺序、每种材料起到的作用等信息;第3部分，记录结果;第4部分，进行可行性分析。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科技教育方案类一等奖。

专家评语

该方案通过滤水器的设计与制作，致力于组织学生开展基于相关学科基础知识，又能跳出单一学科，把各科知识综合运用于同一个研究或设计项目的实践学习活动，形成解决实际问题的能力。同时通过活动培养学生的环保和服务社会的意识。活动取材简单、成本低廉、易于推广。