資源簡介

4.2 水的凈化 教學設計
一、教學分析
“水的凈化”隸屬于2022 年版課標學習主題2 物質的性質與應用，本主題的大概念是物質的多樣性，基于大概念統領的課標要求見表1。
表1 本節課相關的課標要求
本節課是人教版九年級上冊第四單元課題2的教學內容，教材通過對比純水和自然界的水認識自然界水中可能含有的雜質，然后通過自來水廠的凈水過程介紹了沉淀、過濾和吸附的凈水方法，再基于硬水軟化介紹了煮沸和蒸餾，并在課后安排了“自制簡易凈水器”的課外實踐活動。
對于本節課的學習內容，學生通過對教材的自主學習基本能達到課標的內容要求，但要達到課標的學業要求則是學生自主學習不能完成的，需要教師創設真實的問題情境，引導學生在解決真實問題的過程中理解。
二、教學目標
1.通過對滹沱河水樣的分析和探究，了解沉降、吸附、過濾和煮沸等是凈化水的常用方法，初步體會物質分離的一般思路和方法。
2.通過過濾的基本實驗技能認識混合物分離的方法；通過區分硬水與軟水的實驗方案，進一步體會控制變量思想的運用。
3.通過對自來水廠凈水流程的分析討論，加深對凈水原理的理解，建構基于真實情境的凈水模型，提高解決實際問題的能力。
4.通過對本地區水資源狀況的了解，認識水的凈化在生活和生產中的意義；增強愛護水資源、保護環境的意識，提升社會責任感。
三、教學思路
本節課基于石家莊市水資源的現狀和利用，也就是學生自己身邊的真實問題情境引導學生開展學習活動。
四、教學過程
課前，教師給學生布置了如下自主學習任務：（1）自然界的水中常含有哪些雜質？并對雜質進行分類歸納。（2）去除水中不同雜質的方法有哪些？并查閱資料說明其原理。（3）實驗室中過濾的實驗操作及注意事項。本節課就是在基于學生自主學習了上述內容的基礎上展開的。
環節1：認識石家莊用水現狀——創設學習情境
一上課，教師首先提出問題：請觀看視頻，你從中獲取了哪些與水相關的信息？然后教師播放關于華北地下水降落導致漏斗區形成的短視頻資料。學生觀看視頻后從中提煉出信息：華北地區地下水位大幅下降；石家莊地處華北地區，地下水嚴重短缺。
教師給出石家莊市2019年和2020年全市用水總量數據（見表2），并追問：面對石家莊地下水短缺而用水總量卻很大的現狀，你能想到哪些解決辦法？學生經討論提出“使用地表水”“對污水進行處理”“水的循環利用”等解決問題的辦法。
表2 石家莊市2019、2020年用水量
基于學生的回答，教師繼續給學生提供資料（見表3）肯定了學生分析，并繼續追問：你知道石家莊地表水的主要來源有哪些嗎？
表3 石家莊市2019-2020年不同水源供水量情況
學生在小組討論的基礎上，在石家莊市區域地形圖上標出了南北走向的滹沱河和東西走向的南水北調工程兩大主要地表水系（如圖1所示），教師用“江河之水都關情！這一江一河便是我們石家莊的命脈！”語言渲染，引導學生感受兩大水系對石家莊人民生活、生產的重要意義；并結合2019—2020年石家莊市用水的分布情況（見表4）引導學生認識兩大水系在生活生產中的主要用途，進而引發學生思考“水源不同，用途不同，用水的標準不同，水的凈化方法和過程也會不同”。提出問題：作為石家莊飲用水水源的兩大地表水系的水，需要經過哪些凈化過程呢？將本節課引入到環節2的學習中。
圖1 石家莊市兩大主要地表水系
表4 石家莊市2019-2020年用水分布
設計意圖：這一環節主要是通過石家莊市地下水短缺及石家莊本土各種水資源的數據創設學習情境，用“石家莊面臨著地下水資源短缺問題”“滹沱河和南水北調兩大地表水系”引發學生的共鳴，激發學生作為石家莊人的主人翁意識，增強學生的社會責任感；用兩大地表水系的水源不同，面臨的凈水過程便會有所不同，進而為后面的學習埋下伏筆。
環節2：石家莊的水如何凈化？——探究水的凈化過程
教師展示從滹沱河取來的水樣，提出問題：滹沱河水中含有哪些雜質？去除這些雜質分別采用什么方法？
學生在預習的基礎上，能較快地回答出雜質的種類有：不溶性、微生物和可溶性三大類雜質。然后教師帶領學生探究三大類雜質的去除方法。
任務一實驗室去除三大類雜質的方法
探究1.去除水中難溶性雜質的方法——沉淀和過濾
問題1：請列舉生活中有哪些過濾操作，并思考過濾的原理是什么。
【交流討論】教師先讓學生列舉了生活中的過濾，如茶漏濾茶、笊籬撈餃子、漁網撈魚等，基于生活中的過濾引導學生總結：過濾的目的——去除水中的難溶性雜質；原理——利用過濾工具的孔徑小于難溶性固體的顆粒直徑。然后教師提供了三種型號濾紙的指標數據（如表5所示），通過“孔徑越小，過濾速率越慢，但難溶性雜質去除的效果越好”，引導學生進一步加深對過濾原理的理解。
表5 三種不同型號濾紙的孔徑與濾速
問題2：實驗室過濾的操作及注意事項有哪些？
【演示實驗】請一名學生到講臺進行過濾實驗操作的演示（課前布置學生自主學習）。
【交流討論】在學生演示實驗的過程中，教師抓拍學生部分實驗操作，并上傳到大屏幕。然后組織學生基于學生的演示實驗進行充分討論，在自主學習的基礎上進一步深化對過濾器的制作、過濾操作“一貼二低三靠”注意事項等核心知識的落實。
問題3：一杯渾濁的河水，直接過濾速率會慢，那該如何加快其過濾的速率呢？
【演示實驗】靜置了一段時間的2份相同的水樣，底部有一定量沉淀，上層漂浮著一些細小的泥土顆粒。水樣A 用玻璃棒充分攪拌，水樣B 中加入明礬（如圖2所示）。學生觀察到：A中固體瞬間懸浮起來，B中上層的小顆粒逐漸變成大顆粒，并沉淀到燒杯底部，上層變得非常澄清。
圖2 沉淀實驗
【交流討論】學生基于上述現象，經交流討論后認識到：（1）靜置可將大顆粒難溶物自然沉淀，加入明礬后可繼續將小顆粒聚集成大顆粒沉淀；（2）在過濾之前，應先進行沉淀，否則大顆粒直接倒入過濾器，容易將濾紙的空隙堵塞，導致過濾速率減慢。
設計意圖：本環節通過三個問題和兩個實驗活動，引導學生不僅認識難溶物的去除方法，還要理解方法背后的原理，也就是知其然還要知其所以然，才能真正理解知識的內在本質，進而靈活運用知識解決實際問題。
探究2.去除水中可溶性雜質的方法——吸附和蒸餾
問題4：生活中有哪些去除異味或色素的方法？
【演示實驗】教師用圖3所示裝置演示活性炭吸附作用，然后用水質檢測筆檢測被活性炭處理后的水。
圖3 吸附實驗
【分析討論】教師引導學生從活性炭的結構（如圖4所示）認識其具有吸附性的原因，并根據水質檢測筆的檢測結果判斷活性炭吸附后的水中，仍然含有可溶性鈣鎂化合物等雜質，于是教師順勢講解硬水與軟水及硬水的危害。
圖4 活性炭的結構
【演示實驗】教師將剛才經活性炭處理后的水分成三等份于A、B、C三支試管中，然后將試管B、C進行圖5 所示實驗；然后向圖6中試管A、B、D 中加入等量肥皂水。觀察到：A 中大量浮渣，少量泡沫；B 中浮渣較少，泡沫較多；D中沒有浮渣，大量泡沫。
圖5煮沸和蒸餾實驗
圖6 檢驗水的硬度實驗
【分析討論】學生基于上述實驗過程及現象的討論，認識到：（1）活性炭吸附只能去除水中有色有異味的可溶性物質，不能去除可溶性的鈣鎂化合物，即不能降低水的硬度；（2）煮沸可以降低水的硬度，但不能將鈣鎂化合物完全去除；（3）蒸餾是利用物質的沸點不同，可去除水中全部雜質，得到的蒸餾水屬于純凈物。
設計意圖：本環節對活性炭吸附、煮沸和蒸餾三種凈水實驗進行了整合處理，可以更好地引導學生認識三種凈水方法的原理，以及三種凈水方法對水的凈化結果及凈化程度，為后續應用凈水原理選擇合適的凈水過程奠定了基礎。
探究3.去除水中微生物的方法——煮沸和消毒
最后一個問題是：水中的細菌、病毒等微生物一類的雜質如何去除？
學生根據已有認知和課前的自主學習，能順利地達成一致意見：（1）生活中煮沸的方法不僅可降低水的硬度，還可對水進行殺菌消毒，且殺菌消毒是其主要作用；（2）自來水廠常用的消毒劑有氯氣、次氯酸鈉、漂白粉和二氧化氯等。
設計意圖：任務一在學生課前預習的基礎上，通過三個探究活動對凈水方法進行了再認識。一是打破教材順序，沒有按照自來水廠的凈水過程認識幾種凈水方法，而是按照水中雜質的類別，認識一類雜質的去除方法，更有利于學生認識凈水方法的基本原理；二是對教材實驗的方案進行了改進，一方面促進學生對知識的理解，另一方面培養學生科學探究和創新意識。
任務二自來水廠的凈水方法
到此為止，學生只是清楚了水中每一類雜質的去除方法，或者知道了每種凈水方法能去除什么雜質，但是自然界的水中多種雜質并存時，這些凈水方法的合理順序又該是什么？這便是下一個探究任務：自來水廠如何將水送到千家萬戶的？
探究4.假如你是自來水廠的工程師，你如何將自然界的水送到千家萬戶？
教師采用活動磁貼的方式，組織學生以小組為單位設計自來水廠凈水的流程，為進一步促進學生的深度思考，教師給的活動磁貼中增加了“蒸餾池”和“煮沸池”。
小組設計完成后，教師選擇有代表性的作品投影到大屏幕上（如圖7所示），請小組派代表進行分析評價。從圖8 中可看到，有小組將“活性炭吸附”與“過濾”的順序弄反了，并分析了二者順序反了不合理的原因；有小組將“蒸餾”或“煮沸”也作為自來水廠的凈水方法了。通過交流評價，學生再次結合實際進一步認識了幾種凈水方法的原理。
圖7 部分小組設計的凈水流程
探究5.圖8 是我市某自來水廠凈水過程的示意圖。請分析該自來水與大家設計的凈水流程有什么不同？并思考可能的原因是什么？
圖8自來水廠凈水過程
學生對比圖8與剛才討論得出的自來水廠合理的凈水流程，不難發現該自來水廠的凈水過程中竟然沒有使用“活性炭吸附”，這又引發了學生極大的好奇心，他們經過討論后一致認為：可能是水源的水質比較好，不需要活性炭吸附。是否如此呢？教師連線了該自來水廠的技術人員，技術人員說“同學們，我們廠的水源是南水北調的水，由于進入我們廠的水源中色素和異味這些指標符合居民飲用水標準，所以就不再需要活性炭吸附這個環節了”，學生們恍然大悟：原來不同的水源，其中所含雜質不同，凈水所用的方法也不同。
設計意圖：這一環節通過一般自來水廠的凈水過程與某自來水廠的凈水過程的對比，不僅結合實際進一步深化了學生認識凈水方法和原理，促進了學生的深度思維；并引導學生認識到運用知識解決實際問題時，必須要具體問題具體分析，不能生搬硬套，才是真正的學以致用。
任務三生活中的凈水方法
探究6.從自來水廠出來的水，是否一定可以直接使用呢？又取決于什么因素呢？
新的問題又引發了學生的思考，經討論后學生認識到：自來水廠的水是否可直接使用，取決于使用的目的。比如若用來洗菜、做飯、洗拖把等可直接使用；但要飲用，似乎一般要加熱煮沸進行消毒殺菌比較好；但如果是制藥廠、檢測化驗部門等用于配制藥品、試劑，甚至實驗室要配制一些化學試劑，也不能直接使用自來水，煮沸過的水有時候也不能滿足要求，要蒸餾水才可以。
教師肯定了學生們的討論結果，然后教師介紹隨著科技的發展，凈水的方法也在不斷出現新的技術，然后用圖9所示的一套自制反滲透膜凈水器現場演示讓滹沱河水秒變飲用水，并借助水質檢測筆記錄凈化前后水質數據來說明凈化效果。
圖9 自制凈水演示器
探究7.請根據本節課所學知識，用流程或思維導圖的方式總結凈水的一般思路和方法。
設計意圖：本環節的目的是結合生活實際，引導學生認識凈水方法的選擇除與水源地的水質有關外，還需考慮用水的目的，水源、用水目的之間的路徑還與科技發展也有密切關系。既引導學生體會學習化學不是為了考試，而是為了解決生活中的實際問題；科學技術的進步會使人類生活更加美好，從而增強學生的社會責任感。
環節3：石家莊的水如何保護——提升社會責任
教師講述：不管是自山西一路向東而來的滹沱河水，還是千里迢迢南水北調的長江水，很多領域都需要對水進行凈化后才能利用。可用之水來之不易，面對石家莊嚴重缺水的現狀，你有哪些措施和建議？
學生思考、交流，給出可行性措施和建議。教師播放課的開頭視頻的后續“華北地區水資源的保護措施和成效介紹”，用以印證學生們提出的建設性意見大多都是可行的。
設計意圖：這一環節基于對自己家鄉水資源的保護，一方面提高學生對解決社會問題的參與意識，另一方面通過激發作為“石家莊人”的主人翁精神，來進一步增強學生的社會責任感。
環節4：課后實踐作業
設計制作一個簡易凈水器，用它對一些含有雜質的水（如泥水、墨水等）進行凈化。要求：簡易凈水器要具有方便、快捷、高效、易攜帶等優點，完成后相互比較自制凈水器設計方案的優缺點。
五、教學反思
1.創設真實問題情境，增強學生社會責任
本節課的每一位學習者——生活在石家莊這塊土地上，都是滹沱河和來自長江南水北調兩大地表水系的受益者，以“江河之水都關情”這樣有情懷的視角切入本節課“水的凈化”這樣一個學習主題，賦予了抽象的學科知識以人文溫度。本節課以滹沱河水的凈化方法、自來水廠的凈水過程、生活醫療科學研究等不同行業對水的進一步處理為情境素材，挖掘其中蘊含的學科問題，實現了學科知識與生活、社會的緊密聯系，引導學生靈活運用化學學科知識，解決復雜的社會和生活問題，在凸顯了化學學科價值的同時，更增強了學生的社會責任。
2.基于學生已有認識，促進學生科學思維
很多老師在進行本節課教學時也會創設基于學生的真實情境，但多數教師會基于自來水廠（或教材上）凈水的合理過程認識水的凈化方法和原理。我們認為這不是學生真正的認識基礎，學生在沒學習本節課甚至學完本節課后，對凈水的合理順序可能還有困惑。那么，學生的認知基礎是什么呢？我們經討論認為是散亂的凈水方法，也就是學生能知道某種雜質如何去除，也能記住自來水廠的凈水過程，但難以弄清楚它們之間的邏輯關系。所以本節課，我們打破了以往的教學設計思路，以“自然界水中雜質的種類”為主線，引導學生基于雜質類別認識水的凈化方法和原理，然后在解決自來水廠凈化流程的實際問題中，再將學生頭腦中雜亂無序的凈水方法進行邏輯梳理，找到不同凈水方法之間的內在邏輯關系，從而認識凈水方法的合理選擇和順序。在這個過程中，即便學生對教材進行了問題提綱式的充分預習，在學習本節課時仍然會有很多認知沖突，在學習的進程中不斷將這些認知沖突解決掉，就是學生形成科學思維的最好契機。
3.構建問題解決思路，落實課程目標要求
新課標化學課程的內容結構的n.3 都是“……的思路和方法”，可見新課標特別強調對認知模型的建構。本節課在真實情境中的問題驅動下，不斷引導學生認識凈水的方法和原理，最終形成了圖10所示的凈水的一般思路和方法，有效地落實新課標的目標要求，也較好地促進了學生核心素養的形成。
圖10 凈水的一般思路和方法

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