鏡平STEAM課程設(shè)計(jì)概述

林啟興

活動(dòng)背景

鏡平STEAM教學(xué)模式的目標(biāo)是打破各學(xué)科之間隔閡，讓學(xué)生能夠綜合地將各科知識應(yīng)用于同一個(gè)研究或設(shè)計(jì)元素中。但打破各科的隔閡并不等于放棄各科的基礎(chǔ)知識，反而學(xué)生對于各科基礎(chǔ)知識的掌握更為至關(guān)重要。課程的目標(biāo)是讓學(xué)生能夠在掌握各學(xué)科科學(xué)理論知識的基礎(chǔ)上，作分析討論并確實(shí)應(yīng)用到工程上。只有從頭體驗(yàn)，把科學(xué)的理論、工程的應(yīng)用、技術(shù)的優(yōu)化完整經(jīng)歷一次，才是打破各個(gè)學(xué)科隔閡的關(guān)鍵，才能真正達(dá)到學(xué)以致用的目標(biāo)，解決一直以來科學(xué)知識只能應(yīng)用于測驗(yàn)考試之用的偏頗想法，也可避免片面地追求應(yīng)用技術(shù)，過分強(qiáng)調(diào)實(shí)物化、產(chǎn)品化的趨勢。為此，我們擬通過制作濾水器活動(dòng)，讓學(xué)生在整個(gè)過程中有所收獲。

活動(dòng)重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)：學(xué)習(xí)污水的類型，學(xué)習(xí)污水處理的各種方法。

難點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對濾水器設(shè)計(jì)方案的評價(jià)。

活動(dòng)內(nèi)容

學(xué)習(xí)常用的污水處理方法

沉積法沉積法是凈化水最簡單的方法，可除去水中較大和較重的固體雜質(zhì)。該法利用靜置水中小顆粒懸浮的雜質(zhì)（懸浮物）因重力而自然沉降的原理分離水與雜質(zhì)。為了促進(jìn)沉淀，還可以加入混凝劑等化學(xué)物質(zhì)，使雜質(zhì)與混凝劑聚成較大物質(zhì)而加速沉淀。最常見的混凝劑是明礬，明礬價(jià)格便宜、沒有毒性。當(dāng)混濁的水加入超過一定量的明礬時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象。明礬會(huì)水解生成吸附能力很強(qiáng)的氫氧化鋁膠體，使水中不易沉淀的膠粒及微小懸浮物相互聚結(jié)、吸附，從而形成較大的絮粒沉降下來。

過濾法原水經(jīng)過單純沉淀或是混凝沉淀后，仍然含有許多微細(xì)雜質(zhì)，因此，一般沉淀水無論其處理效果如何良好，皆不適合直接當(dāng)作凈水飲用，而必須進(jìn)一步加以過濾。常用的過濾材料是細(xì)砂，其原理是當(dāng)水流經(jīng)細(xì)砂濾層時(shí)，雜質(zhì)因無法通過細(xì)砂間微小的孔隙而與水分開。

蒸餾法此法通過加熱煮沸水，使水蒸發(fā)再凝結(jié)收集，優(yōu)點(diǎn)為可去除重金屬、農(nóng)藥和細(xì)菌、病毒，水質(zhì)較純凈、安全，是戶外野炊常見的簡易凈水方法。缺點(diǎn)是部分沸點(diǎn)比水低的揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)（如三鹵甲烷）也會(huì)隨蒸餾水進(jìn)入收集桶中，另外，水體還缺乏人體必需的礦物質(zhì)。

煮沸法此法通過加熱煮沸水，利用高溫殺死細(xì)菌和病毒，是一種古老的方法，在國內(nèi)普遍應(yīng)用。缺點(diǎn)是無法去除部分化學(xué)物質(zhì)和重金屬，即使含量極低。

RO逆滲透法RO薄膜為半透膜，是一種多孔的材質(zhì)，水只能從一面流入，不會(huì)回流。薄膜孔徑極小，約0.000 l微米（只有毛發(fā)直徑的五千分之一），水分子剛好可以通過小孔，而其他比水分子大的細(xì)菌、病毒、各種化學(xué)有毒物質(zhì)（如重金屬）都無法通過。其原理是在原水端加壓，使純凈的水分子穿過RO薄膜產(chǎn)生純水，同時(shí)將無法穿透的各種雜質(zhì)及有害物質(zhì)隨著濃縮廢水排放。但此法成本較高。

活性炭過濾法活性炭主要由果殼、椰殼等含碳材料制成，是一種多孔炭，外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，具有很強(qiáng)的吸附能力，能有效吸附水中異味、色素、有機(jī)污染物等污染性物質(zhì)，并能吸附自來水中殘留的余氯。缺點(diǎn)是無法去除細(xì)菌和重金屬污染。經(jīng)多次過濾后，活性炭的吸附性會(huì)減弱。

離子交換樹脂濾水法（軟水器） 利用鈣、鎂、鐵、錳等硬度離子與交換樹脂結(jié)合力比鈉離子強(qiáng)的原理，使交換樹脂的鈉離子與水中硬度離子發(fā)生交換作用，以除去水中部分金屬離子和硬度。缺點(diǎn)是不易排除有機(jī)毒物和色素，且可能造成水中鈉含量過多。

污水處理的設(shè)計(jì)與模擬

水污染包括工業(yè)廢水、生活污水、禽畜排泄物等。各類水體污染物包括化學(xué)污染物（如重金屬、肥料中的硝酸鹽）、有機(jī)污染物（如油脂）、生物污染物（如毒素、病原體）、物理污染物（如熱污染）。

為改進(jìn)水質(zhì)，污水需經(jīng)收集和處理才可排放。污水處理程序是應(yīng)用化學(xué)和生物的處理方法以降低污染物濃度或消除污染物。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M污水處理的過程，針對廢水含有化學(xué)污染物，如有毒重金屬離子（如銅、鉛和鐵離子等），擬通過沉淀過程降低此類污染物的濃度，并簡化其移除程序。

濾水器的設(shè)計(jì)

喝水對大部分人而言或許是日常生活中再普遍不過的一件事了。不過，在某些地區(qū)與狀況中，由于水源的污染或環(huán)境條件的影響，能取用到一口干凈的水卻不是件容易的事。那如何才能將生活污水、農(nóng)業(yè)污水、工業(yè)污水還原成無色、無味、可飲用的白開水呢？

針對生活污水、農(nóng)業(yè)污水、工業(yè)污水中的雜質(zhì)，與組員討論應(yīng)如何設(shè)計(jì)濾水器，并選擇合適的濾材開展凈化實(shí)驗(yàn)。通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 寫出實(shí)驗(yàn)步驟（實(shí)驗(yàn)裝置） 記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論，分別考察不同濾材的凈水效果、濾水物料擺放順序?qū)羲Ч挠绊憽V水物料的用量對濾液流速的影響，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)凈化生活污水、農(nóng)業(yè)污水、工業(yè)污水的濾水器。

濾水器的濾水效能評價(jià)

常規(guī)的水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)主要包括pH值、色度、濁度、導(dǎo)電率、鹽度、溶解氧（DO），化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）。

◇pH值代表水的鹽堿度，水pH值的允許范圍一般在6.5 - 8.5。就天然水域而言，其pH值的變化范圍是比較小的。

◇色度。一般的水是透明的。當(dāng)水中含有其他有顏色的可溶物質(zhì)時(shí)，色度就高。

◇濁度是用來表示水質(zhì)混濁程度的。當(dāng)水中含有懸浮物質(zhì)，就會(huì)造成混濁，使光線通過時(shí)產(chǎn)生干擾。簡單來說，濁度就是所謂的透明度。

◇導(dǎo)電率代表水中所含有的離子量。導(dǎo)電度越高，表示含有腐蝕或水垢生成要素的物質(zhì)越多;導(dǎo)電度越低，水中所含離子或?qū)щ娢镔|(zhì)含量越少。一般淡水的導(dǎo)電率是比較低的。

◇鹽度代表水中含有的氯離子量。水中鹽度越低越接近淡水，蒸餾水的鹽度為0。

◇溶解氧。自然界的水由于與大氣接觸，或多或少都溶解有氧氣，這些氧氣稱為水中溶氧。水體中溶氧濃度經(jīng)常受到系統(tǒng)中生物、物理及化學(xué)物質(zhì)的影響。

◇化學(xué)需氧量指水中有機(jī)物質(zhì)在酸性及高溫條件，經(jīng)由強(qiáng)氧化劑將其氧化成CO，與H：O所用的氧量。與生化需氧量類似，化學(xué)需氧量值的大小可表示水中有機(jī)物的多少，用以指示水中有機(jī)物污染的程度。

◇生化需氧量指水中有機(jī)物質(zhì)在某一特定時(shí)間及溫度下，由于微生物的生物化學(xué)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機(jī)物的多少，用以指示水中有機(jī)物污染的程度。

撰寫設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案主要由4部分構(gòu)成：第1部分，寫出選用的材料與工具;第2部分，繪制濾水器設(shè)計(jì)圖，需要標(biāo)明每層材料名稱、厚度、放置順序、每種材料起到的作用等信息;第3部分，記錄結(jié)果;第4部分，進(jìn)行可行性分析。

該項(xiàng)目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科技教育方案類一等獎(jiǎng)。

專家評語

該方案通過濾水器的設(shè)計(jì)與制作，致力于組織學(xué)生開展基于相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)知識，又能跳出單一學(xué)科，把各科知識綜合運(yùn)用于同一個(gè)研究或設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)，形成解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)通過活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保和服務(wù)社會(huì)的意識。活動(dòng)取材簡單、成本低廉、易于推廣。