初中化学“物质分离与提纯”的项目式教学设计——保护滇池母亲湖争做小小水质检测员

刘清清，吴 琦，吴嘉雯，李 睿

(云南师范大学化学化工学院，云南 昆明 650500)

滇池是昆明的母亲湖，中国第六大内陆淡水湖。这颗高原明珠曾一度沦为我国污染最严重的内陆淡水湖之一，曾是“劣V”级水体。2020年10月，云南省生态环境厅发布了《下一个五年，滇池治理应该怎么干》相关文件，开启了新一轮的滇池治理新征途。《义务教育化学课程标准(2022年版)》中[1]，“水的净化”一节被列为“物质的性质与应用”模块中的一个重点内容，是 “化学与社会·跨学科实践”模块中一个重要的实践活动(水质检测及自制净水器)，同时“粗盐提纯”也是学生必做实验及实践活动。“物质的分离与提纯过程”是研究物质组成、结构、性质、变化、制备和其应用的基本过程，对化学工业的发展起着举足轻重的作用[2]。随着中学有关内容(工业制氧气、水的净化、海水晒盐、粗盐提纯等)的学习，学生对“物质分离与提纯”的模型的建构也将会逐步完善。传统的“水的净化”授课过程，侧重于让学生了解自来水净水方法与原理、过滤操作与原理，忽略了“水的净化”理论在实际中的运用，也忽略了“物质分离与提纯”模型的构建。

在项目教学中学生要完成项目任务，就需要对天然水中所含的杂质进行分析，综合所学知识，用它的理化性质来评估分离和除杂需采用的方法，并将沉淀、过滤、吸附和蒸馏等净水方法结合起来，然后通过数字化传感器测定处理前和处理后水的指标(pH、电导率、色度等)，比对数据，归纳出不同方法净化水的效果，最终使滇池水的杂质依次去除，将其逐步转化为趋于纯净水的水。通过这些核心活动，可以帮助学生建立起系统的“物质分离与提纯”的思维，同时提高学生的 “化学观念”“科学思维”“科学探究与实践”“科学态度与责任”学科核心素养。

综上所述，根据项目式教学的项目选择需要满足以下的要求：具备学科思维和方法的特征、培养学生核心素养、贴近生活和社会、具有实际可操作性等特点，选择并确立 “滇池水的检测与净化”为项目主题，把 “构建以思维导图为载体物质分离的提纯的模型和自制净水器”作为项目学习的最终结果。

1 项目教学目标

根据课程标准中相关主题的内容要求以及学业要求，结合学生的具体情况，制定了本项目的教学目标。

1.1 化学观念

1)初步认识天然水的成分和性质，了解混合物和纯净物的相关概念，形成物质的多样性化学观念。

2)通过除去水样中的不溶性杂质，掌握过滤操作相关原理；通过活性炭吸附水中色素和异味，了解疏松多孔结构及吸附性原理，形成物质结构决定性质、物质性质决定用途的化学观念。

1.2 科学思维

1)学生在水净化过程中学会构建不同物质分离提纯方法的模型，即根据物质的不同性质选择合适的方法进行物质的分离与提纯，培养学生解决化学问题的思路化、结构化，形成化学实验探究的一般思路与方法。

2)通过传感器测定滇池水样和蒸馏水的pH、色度、电导率等数据，并进行对比；选择合适的方法，设计除去水样中杂质的相关实验，并对除杂后的水样进行水质指标再测定；从定量角度评价除杂效果，培养学生基于证据，进行科学分析和利用证据形成结论的科学思维。

1.3 科学探究与实践

1)通过查阅资料，了解水质的检测指标以及相关物质的性质，再根据所查资料来分析、解决问题，提升学生利用网络查询等技术手段获取和加工信息的能力。

2)通过学生自制净水器这一活动，培养其运用所学相关知识与方法解决问题的能力，提升学生动手能力、与他人合作解决问题的能力，达到发展学生创新精神的最终目的。

1.4 科学态度与责任

在对滇池水净化过程中体会到污染容易治理难，以此加强学生保护环境的意识，树立生态文明及可持续发展的理念。

2 项目任务及教学流程

本项目以不同区域的滇池水为活动载体，以检测和净化等活动为切入点，应用数字化的手段，从定量角度来反映水的净化效果，引导学生构建物质分离提纯的模型，感受化学学科促进社会可持续发展的重要意义，帮助树立节约资源、保护环境的意识以及生态文明的理念。本项目一共包含了4个子任务，每个子任务都有对应的问题线、知识线、学生活动线，以及能力发展线。项目的具体规划见图1。

3 项目实施过程

3.1 确定并测定不同区域滇池水的水质指标

【教师创设情境，提出驱动性问题1】长江、黄河是中国的母亲河，而滇池作为昆明的母亲湖目前水质如何呢？(学生讨论，并对滇池的水质形成担忧的情绪。)如果你作为污水处理厂的一名设计师，如何将滇池水进行净化呢？

【课前活动】各小组在课前已经对不同区域的滇池水进行取样，拍照记录周围环境，并上网查阅了水质检测有哪些指标、含义及其检测方法，一起完成表1。

【学生活动】 分小组展示并分享取水时的所见所闻、 取来的水样中含有哪些杂质和所查阅到水质指标。

【教师活动】 引导学生从课本知识、技术条件、资源等多方面分析水质指标测定的可行性，最终确定了测定滇池水的pH、色度、电导率三个指标，实验装置如图2。

【学生活动】分组利用数字化传感器测定所采水样和蒸馏水的pH、色度、电导率，并进行对比，发现滇池水样与蒸馏水的pH差不多，色度和导电率这两指标相差比较多，检测结果见表2。

表1 水质检测指标、含义及检测方法

图1 项目式学习“滇池水质检测与净化”教学设计思路

图2 手持传感器实验图

表2 滇池水样检测结果

3.2 探究如何降低滇池水色度

【教师提出驱动性问题2】请同学们观察所采的滇池水样，能够肉眼观察到里面有什么？水样呈现什么颜色？各小组自行设计实验利用老师所给的器材将可见的固体颗粒和颜色除去，并通过色度的检测来验证方案实施的效果。水样浑浊程度对比如图3。

【学生设计实验】学生分组进行实验设计。小组中出现了两种设计方案：方案一是先利用活性炭吸附色素和异味再一起过滤；方案二是先利用过滤方法除去固体颗粒，再加入活性炭除去色素和异味，再过滤除去活性炭。

图3 滇池水样浑浊程度对比

【学生实验】各小组实施自己设计的试验方案并利用传感器检测净化后水质的色度和pH，检测结果见表3。

表3 滇池水样净化前后的色度检测结果对比

【教师支持】教师展示活性炭的吸附色素和异味的动画演示，学生能从宏观和微观两个层面来认识活性炭疏松多孔的结构，初步构建“结构—性质—用途”的化学概念，引导学生认识过滤是分离固液不相溶的重要手段。

表4 降低色度实验方案设计评价表

3.3 探究如何降低滇池水的电导率

【教师提出驱动性任务】同学们之前检测水样色度和电导率均与蒸馏水有所不同，目前已经完成了降低色度这一小项目，现在需要同学们来设计实验完成电导率的降低。水溶液的电导率是由所含的可溶性杂质离子引起的，请同学们根据老师所提供的资料确定所要除去的主要离子，资料如表5所示[4]。

表5 滇池入湖河流主要离子质量浓度

【学生活动】分组设计实验除去以上离子，设计方案如表6。

表6 学生设计的实验方案

表7 滇池水样除杂前后的电导率检测结果对比

【教师提出驱动性问题3】为什么除去滇池水溶液中的离子后电导率反而还升高了呢？请同学们讨论分析这三个方案除杂后的离子成分以及造成电导率升高的原因。

此后的周小羽在回家路上不再踢小石子，他不再踢一脚踢一脚地前进。他现在是慢慢地晃着回家。晃的时候，他总是拿一根小树枝，一边走一边在地上画，一路上画出许多乱七八糟的东西来。

【教师提出驱动性问题4】因此同学们在除杂过程中不要引入新的杂质，方案1和2均有体现这一思想这点非常好，而且方案1中引入的杂质离子是最少的，但是它也有不合理的地方，请同学们在方案1的基础上完善该方案，使其用最少的步骤和试剂尽可能少的引入杂质离子。

【教师提出驱动性问题5】请同学们分析完善方案1的剩余离子情况。

3.4 构建物质分离和提纯的模型和自制净水器

【教师提出该项目的最后任务】请同学们根据所完成的前三个任务总结并绘制出不同物质之间分离和提纯的思维导图，形成相关知识模型，并谈谈你在整个项目中有哪些收获？

【学生展示并汇报】学生展示绘制的物质分离和提纯的思维导图，分享自己在团队中所做的贡献以及完成整个项目的收获和感想。学生设计思维导图如图4和图5所示。

图4 学生设计“物质分离与提纯”思维导图1

图5 学生设计“物质分离与提纯”思维导图2

【小组互评、教师评价】各位同学，经过几节课的学习，同学们都对滇池的水质状况和简单的检测和治理方法有了深入的了解，请大家分组对自己的学习情况进行互评打分。(评价表见表8)

【教师布置给学生净水器任务】相信大家经过本项目的学习不仅对滇池的水质状况和简单的检测以及治理方法有了一定的了解，同时也对物质如何提纯和分离有了自己的认识。在项目进行过程中净化都是一步一步分别进行的，那这些净化过程能否设计成完整的流程呢？请各小组课后利用身边的废料自制净水器并使用数字化传感器测定净化后水样的三个指标。

表8 思维导图互评表

【各小组展示作品】作品图如图6所示。

图6 学生设计的自制净水器

【生生互评、教师评价】请同学们在每个小组展示自制净水器后根据评价表给予评分，然后根据组内成员在整个项目中的表现给予评分，最后总计分数选出最佳小组和优秀个人。评价表如表9所示。

【教师总结】好的，这次我们一共有四个小组，每组同学都进行了认真的学习，其中第一小组最终得分90分，同学A以93分获得了优秀个人的称号，让我们一起为他们的优秀成绩给予掌声！

表9 自制净水器与个人表现评价表

表9(续)

4 教学反思

1)本项目作为初中化学相关内容的重点学习环节，教师首先要给予学生充分的项目式调查研学时间，要给与学生充分时间进行水质的取样、观察、思考讨论、交流展示等。

2)在进行相关内容的教学时，可以按照学生查阅到的信息，利用数字化传感器进行教学，将书本上的文字知识传授方法改为学生可以接触得到的数据信息来强化感知认识，充分体现数字化传感器在教学中的优势。

3)学生在学习理论知识后，面对复杂情境时并不能很好地将所学知识与陌生问题解决相结合，这表明学生没有建立相关理论和实践之间的联系。因此，在教学中需要创设真实问题情境，尤其要注重理论知识在复杂陌生环境中的应用。这样的教学方式有助于提高学生的问题解决能力，帮助他们更好地将理论知识应用于实践中，从而更好地实现课程目标中要求的理论与实际的有效结合。

4)注重培养学生的科学思维：设置了多个分离提纯活动，包括运用物理方法和化学方法，难度逐渐加深，从简到繁，知识结构层层递进，逻辑层次清晰。最后让学生自制简易净水器，将所学知识用于动手实践，体验亲自净水的过程、感受纯净的水被人为污染是何其简单，但一滴污水要净化为纯水是何其困难的教学思想，落实“节约用水、保护滇池母亲湖”的最终教学理念。

5)由浅入深地经历构建模型的过程：在本研究中，设置了多个物质分离提纯的任务，由浅入深、由物理方法到化学方法、由宏观到微观的认识角度。在探究过程中，学生结合已有认识，亲自体验建模过程，形成并应用“物质分离与提纯”的思维模型。