數(shù)字化環(huán)境下初中化學實踐作業(yè)拓展研究

楊雪梅

摘要：以學生對直飲水點產(chǎn)生的疑問為入手點，結(jié)合教材“水的凈化”相關內(nèi)容引導學生利用生活中的材料自制個性化凈水器，進行凈水實驗探究并交流展示；設計了含離子交換樹脂凈化層的多層便攜式凈水裝置，每層可取樣通過感官感知和電導率傳感器等數(shù)字化儀器評價凈水效果；通過實驗結(jié)果分析裝置凈化效果，進一步改進裝置，完善實驗。

關鍵詞：數(shù)字化；自制裝置；離子交換；凈化效果

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0064-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.015

《義務教育化學課程標準（2022年版）》修訂原則提出要堅持問題導向，注重對實際問題的有效回應，[1]這就要求教師對學生提出的問題要進行有效解答。通過科學探究活動解答學生疑問，學生通過解決當前疑問，并遷移運用所學知識，解決其他問題，提升學科核心素養(yǎng)。筆者借助數(shù)字化實驗技術(shù)檢測自制凈水器的凈水效果，科學解答學生對凈水的相關疑問，拓展了學生的凈水知識，拓寬了學生的科技視野，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了學生的探究熱情。

一、問題的提出

水是生命之源，是維持日常生活不可缺少的物質(zhì)之一，學生對水非常熟悉，經(jīng)過教材學習，對水的凈化有所了解，在進行戶外活動時，發(fā)現(xiàn)了直飲水點，提出疑問：能否自制凈水器凈化自然界的水并飲用？凈水效果如何檢測呢？“水質(zhì)檢測及自制凈水器”是《義務教育化學課程標準（2022年版）》提出的跨學科實踐活動之一，[1]通過解決學生問題，可完成該活動的部分內(nèi)容。

二、活動思路

為解答學生疑問，筆者結(jié)合人教版九年級《化學》上冊第四單元課題2“水的凈化”一課中的相關內(nèi)容，[2]引導學生進行“水的凈化”科學探究，學生通過查閱相關資料、設計實驗方案、進行凈水實驗、表達并交流實驗結(jié)果，對水的凈化有了深入了解。延伸學生科學探究，融合數(shù)字化檢測技術(shù)，自制便攜式分層凈水器，通過檢測各凈化層的凈水效果，分析各物質(zhì)的凈化功能，進一步提升學生對凈水的認知水平。

三、學生自主探究

1．實驗準備

查閱資料可知，直飲水凈化流程主要包括三個流程：預處理、核心處理和后處理，其中主要的凈化技術(shù)和原理有：石英砂過濾、活性炭吸附、超濾、反滲透、藥物消毒等。[3]根據(jù)所查資料，結(jié)合教材相關知識引導學生自制凈水器。學生根據(jù)自己所查資料進行方案設計、材料準備、交流互助等活動。

2．學生裝置展示

學生開展了一系列個性化凈水實驗探究，參與度非常高，將自制裝置帶來學校展示并交流，提高了學生對化學實驗的表達能力，促進學生將化學與生活緊密結(jié)合，提升學生對科學探究的興趣，部分同學還拆解了家用凈水器，了解各凈水器的原理與優(yōu)劣，達到了擴展學習的目的，現(xiàn)選取幾例代表性裝置進行展示，如圖1，表1所示。

3．學生實驗分析

學生在教材學習的基礎上對裝置加以創(chuàng)新，裝置2材料簡單，操作方便；裝置5能清楚觀察每一層的凈化效果，裝置6用常見材料組裝了一套蒸餾裝置，得到了自制蒸餾水。學生裝置能達到不同程度的凈水效果，但只從感官感知，未用定量指標對凈化后的水進行量化評價，因此考慮借助數(shù)字化儀器檢測凈化效果，使實驗結(jié)果直觀化。裝置5分層凈化效果明顯，但攜帶不方便，若要進行戶外凈水，可對裝置的便攜性進行改進。據(jù)此，筆者利用生活中材料制作了便攜式分層凈水器，并借助數(shù)字化儀器檢測凈水效果。

四、數(shù)字化實驗

1．儀器和用品

計算機、Vernier LabQuest Mini數(shù)據(jù)采集器、電導率傳感器、色度傳感器、濁度傳感器、奶粉盒、紗布、白石子、石英砂、塊狀活性炭、棉柔巾、離子交換樹脂（拋光樹脂）、礦泉水、純凈水、自來水、河水、湖水、池塘水、雨水。

2．材料加工與裝置制作

在奶粉盒底部中間用電烙鐵打孔，白石子直接在盒中平鋪兩層作為凈化層，棉柔巾剪好平鋪兩層作為凈化層，稱取石英砂70 g、塊狀活性炭55 g、離子交換樹脂50 g，分別用紗布包好，用純凈水洗凈晾好，放人奶粉盒中，制成不同的凈化層。將5層凈化層和1個接水器按照如圖2所示的順序通過螺紋旋轉(zhuǎn)安裝在一起，制成凈水裝置。根據(jù)凈化需求，可進行個性化凈水：選擇單一凈化層，或?qū)讉€凈化層進行不同方式的組裝，還可將凈化層的物質(zhì)進行更替后再組裝，圖2組合形式的凈化裝置實物圖如圖3所示。

3．凈化原理

凈水時，將原始水樣從上層倒下，經(jīng)凈化層后到達接水器中。白石子凈化層分離大顆粒；石英砂凈化層分離小顆粒；活性炭層具有吸附作用；棉柔巾可再次凈化，且能將上一層可能掉落的小顆粒分離；離子交換樹脂在水處理中應用廣泛，[4-6]該實驗選取的離子交換樹脂是由高度純化、轉(zhuǎn)型的H型陽樹脂和OH型陰樹脂混合而成，凈水時將水中的陽離子交換為氫離子，陰離子交換為氫氧根，從而降低離子濃度。[7]

4．凈化過程與指標檢測

將裝置1從上到下的第1層、1-2兩層、1-3三層、1-4四層、1-5五層凈化層分別與接水器組裝，凈化后取樣觀察。以河水為例，凈化后的水樣效果如圖4所示。從感官判斷，泥土等氣味逐漸變淡，經(jīng)過第1、2層處理，顆粒物明顯減少，經(jīng)過3層、4層、5層處理，觀察不到明顯變化。為了了解各層分離出的雜質(zhì)，對凈化河水后的殘留物進行研究，如圖5所示，凈化層1和2有明顯顆粒物，凈化層4有藻類殘留物，其他凈化層觀察不到明顯現(xiàn)象。為了深入了解各凈化層的凈化效果，決定借助其他指標輔助評價。《生活飲用水衛(wèi)生標準》對濁度、色度、臭和味等有明確規(guī)定，[8]在大部分水質(zhì)檢測時，電導率是必測項目[9]，據(jù)此，本實驗從濁度、色度、電導率角度檢測凈化效果，檢測裝置如圖6所示。

（1）濁度檢測

按操作標準校準濁度傳感器，將裝置1從上到下的第1層、1-2兩層、1-3三層、1-4四層、1-5五層凈化層分別與接水器組裝，凈化后取樣，再取原始水樣（圖中用0層表示），用濁度傳感器檢測，三次測定取平均值，結(jié)果如圖7所示。

（2）色度檢測

按照標準校準色度傳感器，將裝置1從上到下的第1層、1-2兩層、1-3三層、1-4四層、1-5五層凈化層分別與接水器組裝，凈化后取樣，再取原始水樣（圖中用0層表示），用色度傳感器檢測，三次測定取平均值，用透光率表示，結(jié)果如圖8所示。

（3）電導率檢測

將裝置1上到下的第1層、1-2兩層、1-3三層、1～4四層、1-5五層凈化層分別與接水器組裝，凈化后取樣，再取原始水樣（圖中用0層表示），用電導率傳感器檢測，三次測定取平均值，結(jié)果如圖9所示，經(jīng)1-4層后電導率變化不大，經(jīng)第5層后電導率明顯減小。

（4）拓展實驗

離子交換樹脂層能否再次降低電導率呢？筆者采用4層離子交換樹脂凈化層和接水器組裝成分層裝置2，如圖10所示。將河水、湖水、池塘水分別用分層裝置1的1-4層凈化后，加入分層裝置2，經(jīng)第1層、1～2層、1-3層、1-4層凈化后，分別取樣測定電導率，結(jié)果如圖11所示。將自來水、雨水、礦泉水直接加入分層裝置2，經(jīng)第1層、1-2層、1-3、1-4層凈化后，分別取樣測定電導率，結(jié)果圖1 1所示。

5．結(jié)果與討論

分析以上數(shù)據(jù)，水樣經(jīng)過凈化裝置1的各凈化層后，濁度不斷減小，最終濁度降低至生活飲用水標準（<1）內(nèi)[8]；透光率不斷變大，最終與某品牌純凈水接近；分析各水樣的初始電導率數(shù)值，可初步判斷水樣的硬度。水樣電導率經(jīng)過白石子、石英砂、活性炭、棉柔巾凈化層處理后變化不大，經(jīng)過離子交換樹脂凈化層處理后明顯減小。從以上數(shù)據(jù)說明經(jīng)凈化處理后水中難溶性雜質(zhì)和可溶性雜質(zhì)在不斷減少。各水樣經(jīng)裝置2處理后，電導率逐漸降低，最終與某品牌純凈水電導率（5 μS/cm）接近，說明離子交換樹脂凈化層能有效降低離子濃度，降低硬度，達到軟化水的目的。

自然界的部分水樣經(jīng)本實驗構(gòu)建的分層裝置1和2凈化處理后，從濁度、色度、電導率指標分析，已達到飲用指標，說明該裝置能有效凈化自然界的水，但要飲用，還要考查其他凈水標準。[8]

該裝置有以下特點：

（1）可視化該裝置本身透明，能在裝置外部初步觀察凈水效果。凈化后，可觀察水樣以及凈化層的殘留物，從感官感知到儀器檢測，利用定性、定量檢測手段相結(jié)合，分別以濁度、色度、電導率進行定量檢測，多角度、多指標評價凈水效果，使各凈化層的凈化效果準確化、直觀化。

（2）個性化該裝置凈化層內(nèi)的材料可根據(jù)需要更換為其他物質(zhì)，采用不同的凈化材料，可制成不同的凈化層，組裝為個性化凈化裝置，凈化功能隨之改變。裝置各凈化層的組裝順序方便調(diào)換，同一組凈化層，不同的組裝順序可達到不同的凈化效果。學生可根據(jù)需要構(gòu)建專屬凈水器，進行個性化凈水實驗。

（3）易推廣本裝置材料價格低廉易得，所用試劑安全無毒，便于學生開展實驗探究。裝置輕便易攜，可在自然界不同地方進行水的凈化，并通過檢測凈水效果，組裝適合凈化自然界水樣的凈水裝置。

（4）有啟發(fā)性本實驗裝置給學生提供了構(gòu)建實驗裝置的思路，在其他自主實驗中也可以借鑒思路；數(shù)字化檢測手段給學生提供了測定數(shù)據(jù)指標的方向，為學生創(chuàng)新實驗探究添加定量測定工具，為深入科學探究積累經(jīng)驗。在實驗探究過程中不斷查閱資料，豐富凈水知識，擴展技術(shù)視野，為后續(xù)實施“水質(zhì)檢測以及自制凈水器項目”打下基礎。

五、結(jié)語

本文從學生疑問出發(fā)，在真實情境中引導學生進行科學探究，自制個性化凈水器，并交流展示，激發(fā)學生對化學的熱愛，培養(yǎng)學生“科學探究與創(chuàng)新意識”的科學素養(yǎng)。筆者在學生探究后又進行了自制凈水裝置的深入探究，用離子交換樹脂等凈水后，通過電導率傳感器等數(shù)字化儀器測定凈水過程中各指標的變化，使學生對實驗現(xiàn)象感受從感官感知到微觀表征與宏觀表征相結(jié)合，提高學生“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)。經(jīng)該科學探究活動，學生對化學更加熱愛，對科學更具熱情，對科技更加向往。

參考文獻

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[9] 余翔．新型電導率和pH水質(zhì)參數(shù)檢測技術(shù)與實驗研究[D]．浙江：浙江大學，2015.