發展工程思維的初中化學項目式學習
——生活中水的凈化與檢驗

魏 軍

（常州市新北區奔牛初級中學 江蘇 常州 213131）

一、項目價值分析

項目式學習是新課標倡導的學習方式，新課標在每個學習主題中都給出了項目式活動建議。它是一種建構主義理念下的以學生為中心的教學方式，它主張學生通過一定時長的小組合作，解決一個真實世界中的復雜、非常規且具有挑戰性的問題，或完成一項源自真實世界且需要深度思考的任務，進而逐步習得包括知識、可遷移技能、思維方式價值觀等在內的21世紀核心素養［1］。本研究中的項目式學習有以下兩方面的突出作用。

1.落實新課程

《義務教育化學課程標準（2022 年版）》指出:“教師盡可能設計多樣化的學習任務，結合教學內容的特點和學生的實際，引導學生開展分類與概括、證據與推理、模型與解釋、符號與表征等具有化學學科特點的高階思維活動；注意設計真實情境下不同陌生度和復雜度的問題解決活動，引導學生通過小組合作、實驗探究、討論交流等多樣的方式解決問題；在課后服務中，開展項目學習活動，讓學生在“做中學”“用中學”“創中學”，促進學生化學核心素養的發展［2］。以素養為導向的課程改革，對作業也提出新的要求，讓學生在真實情境下，經歷解決復雜問題的全過程，通過推理、思辨、決策、遠遷移，提升學生解決問題以及與同伴合作的能力，從而發展核心素養。

2.培育工程思維

工程是人類一種創造實踐活動，是人們為了改善自己的生存和生活條件，根據當時對自然規律的認識，進行的物化勞動的過程。工程思維是在工程的設計、研究和實踐過程中形成的思維，其關鍵是運用各種知識及方式解決現實中的問題。工程思維的主體是工程師、企業家和管理者，它的核心是籌劃性地運用各種知識解決工程實踐問題，主要包含創造性思維、系統性思維、權衡性思維、價值性思維、雙贏思維［3］?！吧钪兴臋z測與凈化”項目任務，按過程分，達成目標見表1。

表1 項目任務中工程思維達成目標

二、項目學習目標

該項目在學生學習滬教版化學第九章第三節“環境污染的防治——保護水資源”時實施，學生已掌握水處理的一般方法，即過濾、蒸餾、吸附、沉降等，硬水的檢驗、水中某些離子的檢驗方法、水的導電性實驗等。根據課標內容，欲達成的目標如下:

1.通過查閱資料與上網信息搜索，能提煉出生活中水處理的一般方法及優缺點。

2.通過調查不同地方污水的信息，能從不同維度表述出水的生化指標。

3.通過網絡查詢一般家用水凈水器、實地走訪當地污水處理廠、自來水廠等，根據不同的場景，能選擇合適的材料，制出簡易凈水裝置。通過實驗，評價設計的凈水裝置，初步判斷凈水器的優劣，并能說出理由。

4.通過“生活中水的凈化與檢驗”這個項目任務，能從資源利用、成本、制作難易程度、凈水效果、綠色安全等視角分析水的凈化與檢驗的流程，初步形成工程思維。并形成污水處理、水凈化等相關小論文，給出一般性水處理的方案、建議。

三、項目任務及教學流程

［創設情境］小田同學的父親在魚塘邊有一個工棚，由于沒有通自來水，用水有困難。由于河水比較渾濁，魚腥味大，難以作為飲用水、生活用水。他想請同學們幫他設計一個能處理水的裝置，并檢驗合格，放心飲用。

以“生活中水的凈化與檢驗”為總項目，經學生討論后拆解為四個遞進式子項目，以“小田同學父親的魚塘邊的工棚用水問題”這一真實情境，引發問題，開展活動，在真實的情境中發展學生的化學素養和工程思維。四個子項目、問題線、活動線、達成目標線如圖1。

圖1 “生活中水的凈化與檢驗”教學思路

四、項目實施過程

1.子項目1——了解常見水處理的方式

［項目背景］“水的凈化”是《義務教育化學課程標準（2022年版）》中“物質的性質與應用”模塊下的重要內容。滬教版第三章“自然界的水”這一節中介紹了水處理的一般方法，第九章“環境污染與防治”中有污水凈化相關內容。

［項目拆解］學生經分組討論，提出以下問題:處理水的物理方法有哪些？化學方法有哪些？生化方法有哪些？小田同學的父親有哪些用水問題？根據不同的用水問題，選擇適合的水處理方法。

［學生活動］學生通過查閱資料、請教教師，實地參觀常州市深水城北污水處理有限公司，整理歸納出水處理的幾種方法。通過實地走訪，了解到小田同學的父親主要用水問題是工棚內的飲用水問題、生活用水問題，包括洗臉、刷牙、洗衣服用水等。

［交流展示］水處理物理法:主要有吸附、超濾、蒸餾、反滲透等。市場調查主要有三種方案，見表2。

表2 不同凈水器性能與成本對比

生物法:利用微生物的新陳代謝功能，將污水中呈溶解或膠體狀態的有機物分解氧化為穩定的無機物質，使污水得到凈化。常用的有活性污泥法和生物膜法。生物法處理污水可用于大型污水處理，如城市污水處理。其中常州市污水處理選用活性污泥法處理法，詳見圖2。

圖2 活性污泥法處理簡易流程

化學法:是利用化學反應來處理或回收的方法，多用于工業廢水。常用的有混凝法、中和法、氧化還原法、離子交換法等?；瘜W處理法處理效果好、費用高，多用作生化處理后的出水，作進一步的處理，提高出水水質。

［結論］同學們經過商量，一致認為小田同學的父親買一臺小型水泵，把水從河里抽到高處的水箱里，在出水口安裝一臺易某得的超濾凈水設備，可以滿足日常生活需要。

［教師評價］同學們通過完成上述的項目任務，上網查閱資料，參觀學習，通過評估各種方案，最終得出合理化建議。

設計意圖：通過查閱資料、走訪、參觀等活動，讓學生了解處理水的一般方式，家用凈水器的原理，凈化程度及成本，根據用水需求進行合理的選擇，養成系統性思維和權衡性思維。

2.子項目2——水質檢驗的一般方法

［提問］你知道有哪些水質檢驗的方法？走訪水質檢測機構或自來水廠對水質有哪些檢測指標？哪些適用于家庭檢驗？

［項目拆解］學生經過查閱資料，生活飲用水標準主要有微生物指標、毒理指標、感官性狀、化學指標、放射性指標、消毒劑限值等。水體監測部門常檢測COD、BOD、氨氮濃度、總磷等指標。初中實驗室對水質檢驗可以聞氣味、看顏色、測電導率、測pH、測氯離子、測硫酸根離子、測溶解氧等。家用有TDS（溶解性固體）水質檢驗儀，水質試劑盒如pH、氨氮、溶解氧、余氯、亞硝酸鹽、總硬度等。

［學生活動］在教師的指導下，取學校附近的河水樣品，將水樣送至專業檢測機構，得出簡明報告，水質檢測情況如下表3。

表3 水樣指標簡易報告

［實驗結論］根據《地表水環境質量標準》，COD屬于Ⅱ類水，氨氮為Ⅲ類水，總磷為Ⅱ類水，BOD為Ⅰ類水，細菌嚴重超標，是國家標準的三倍。

［學生活動］通過網上查找常州市自來水公司的相關水質檢測內容，見表4。

表4 水質檢測項目與指標

［學生活動］通過互聯網查閱塞氏盤用于測定水質透明度或透光度。制作如圖3所示的塞氏盤（直徑20 cm）。

圖3 塞氏盤

［實驗］選擇小田同學家魚塘里的水為測定對象。用釣魚線系好塞氏盤，在無直射陽光照射處，緩慢放下塞氏盤，至看不到盤面白色時，記下魚線的長度。設計如下表5的表格，記錄數據。

表5 河水透明度測量

［分析］魚塘岸邊水比較渾濁，透明度相對小，往河中心，透明度變大?？赡茉蚴前哆叺哪嗌潮容^多。

［實驗］取樣，用pH計來測量水樣的pH為7.7，河水為弱堿性。利用得力TDS 水質檢測儀測得數值358，不適合飲用。利用氨氮試劑盒檢測，取水樣至標準容器的刻度線，加入2滴氨氮試劑1，搖勻，加入5滴氨氮試劑2，搖勻，靜置10分鐘，將水樣的顏色與比色卡對照，讀數。

［結論］經實驗家庭適合的水質檢查可以通過觀察水樣的感觀指標如顏色、聞氣味，用各種試紙測pH、TDS水質檢測儀、水質快速檢測盒等。

設計意圖：通過查閱資料了解水質檢驗的一般指標，實驗測定水的透明度、pH、TDS數值、氨氮值等，培養系統性思維、權衡性思維。

3.子項目3——凈水器的制作

［材料準備］礦泉水瓶、可樂瓶、小卵石、石英砂、活性炭、濾紙、棉花、導管、橡皮塞等。

［設計方案］參考滬教版第九章的污水凈化裝置，小組成員利用兩個飲料瓶，設計了如圖4所示的簡易凈水裝置。

圖4 水處理裝置①

［小組1］將礦泉水瓶剪去底部，找一個與瓶匹配的橡皮塞，打孔，插入導管備用。在礦泉水瓶中依次裝入棉花、濾紙、活性炭、石英砂、小卵石，如圖4所示。

［小組2］將一個可樂瓶一分為二，將上半部分倒轉，依次放入棉花、濾紙、活性炭、石英砂、小卵石，如圖5所示。

圖5 水處理裝置②

［小組3］該組同學認為第一組同學在過濾的時候速度太慢，將圖6 上的可樂瓶換成吸濾瓶，并加上注射器，在過濾時，抽動注射器，過濾速度明顯加快了許多。

圖6 水處理裝置③

［教師］創新不易，科學家創造一個產品，也是經過不斷地調試、改進。侯德榜發明聯合制堿法時，也進行了成千次的嘗試，做科學需要有堅韌的毅力和勇于創新的精神。

設計意圖：在體驗中感受實驗創作的樂趣、競爭感，增強學生的參與感。認識到創作的不易，通過作品的展示、改進和討論，將同學們的思維顯性化，有利于學生的自我評價與提升，激發學生的創造力和勇于實踐的能力，在思考中探索、改進。在體驗中認識科研的艱難，培養學生創新性思維、價值思維、雙贏思維。

4.子項目4——凈水器的測試與評價

［教師］同學們，你們的凈水裝置，在實際應用中有沒有效果呢？凈水裝置的優劣應該有哪些指標呢？

［實驗1］將自制凈水器搭建好，取污水加入以上三個凈水器中，觀察凈水效果，并對比凈化1次、3次、5次的效果，記錄前后水的感觀指標，如顏色、氣味、過濾速度。

［實驗2］利用顯微鏡（1 000 倍）觀察，取過濾前一滴水于載玻片上，蓋上蓋玻片，觀察到有許多細沙、有許多單細胞生物，如草履蟲等，過濾后，細沙明顯減少，但還有許多微生物。用同樣的方法再觀察過濾后的水樣。

［參觀實踐］在教師的帶領下，走進專業實驗室，了解自然界的水質一般檢測方法，在教師指導下，利用水樣分析儀，做幾個簡單的檢測。

［查閱資料］凈水器的優劣指標可以把水質（TDS值）、流速、濾芯、成本作為主要指標。

［教師評價］同學們自制凈水器過濾材質比較單一，可以試試高透水過濾棉等其他材質。第三種裝置雖然加速了過濾速度，可以考慮接一下抽氣機，實現連續抽氣。

設計意圖：通過合作探究，查閱資料，分析解決實際問題，跨學科學習，練習了顯微鏡的使用，最終形成項目成果。在實驗、分析、討論中培養綠色化學理念，形成關注環境、保護水資源的科學態度與社會責任。

5.項目成果展示

［項目作業］經過上面的學習，請每個小組寫一篇水的凈化與檢測的小論文，利用周末的時間，每組制作一個匯報的ppt。

［交流展示］略。

設計意圖：撰寫論文是本項目外顯的研究成果，評價學生運用知識，處理水污染有關問題，并總結提煉出模型。培訓知識遷移的能力，發展化學核心素養，樹立環保意識。

五、項目評價

活動結束后，本項目設計如下表所示的評價表，見表6，將活動過程與效果，學生評價主體的多元化，最后以等級的方式呈現出來，總體85~100分為優秀，70~84為良好，60~70為合格。

表6 項目活動評價表

六、項目學習實踐反思

該項目基于初中化學新課標的第五個主題:化學與社會·跨學科實踐，以“生活中的水的凈化與檢驗”為總項目，拆解為四個子項目，以生活化真實的情境引發問題。知識層面，鞏固了硬水、軟水的區別，水處理的一般方法，吸附、沉淀、過濾、蒸餾、反滲透等；實踐層面，學生經歷了解決項目問題的全流程，即項目選擇、制訂計劃、活動探究、作品制作、成果交流、活動評價。特別是在成果交流環節，學生介紹許多新型即用新型水處理技術如反滲透過濾水袋，荒野求生中貝爾·格里爾斯處理水的方式，感覺到他們學習的熱情。有著一定的成果驅動性，使學生經歷“是什么”到“為什么”，再到“怎么做”的過程。但是在面對陌生問題時，個別女同學表現得不如解題時靈活，可能是平時實驗動手的機會偏少的原因，有關生化指標，如病毒、細菌類的指標還未能去嘗試表征。

同時，作為教師也應該不斷地學習，拓展專業知識、跨學科相關知識，如生物中細菌、微生物的相關知識，凈水機中相關的物理知識，學習專業檢測機構中COD、總氮、總磷等指標測定的原理。同時，教師在這種新的學習方式中，也要找準自己的定位，做好項目拆解，任務設計，及時發現項目實施時的生成性問題，培育工程思維。