數字化環境下初中化學實踐作業拓展研究

楊雪梅

摘要：以學生對直飲水點產生的疑問為入手點，結合教材“水的凈化”相關內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字化儀器評價凈水效果；通過實驗結果分析裝置凈化效果，進一步改進裝置，完善實驗。

關鍵詞：數字化；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。筆者借助數字化實驗技術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，激發了學生的創新意識，培養了學生的探究熱情。

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之一，學生對水非常熟悉，經過教材學習，對水的凈化有所了解，在進行戶外活動時，發現了直飲水點，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容。

二、活動思路

為解答學生疑問，筆者結合人教版九年級《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、表達并交流實驗結果，對水的凈化有了深入了解。延伸學生科學探究，融合數字化檢測技術，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]根據所查資料，結合教材相關知識引導學生自制凈水器。學生根據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劣，達到了擴展學習的目的，現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，因此考慮借助數字化儀器檢測凈化效果，使實驗結果直觀化。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，并借助數字化儀器檢測凈水效果。

四、數字化實驗

1．儀器和用品

計算機、Vernier LabQuest Mini數據采集器、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安裝在一起，制成凈水裝置。根據凈化需求，可進行個性化凈水：選擇單一凈化層，或將幾個凈化層進行不同方式的組裝，還可將凈化層的物質進行更替后再組裝，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，經過第1、2層處理，顆粒物明顯減少，經過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，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?！渡铒嬘盟l生標準》對濁度、色度、臭和味等有明確規定，[8]在大部分水質檢測時，電導率是必測項目[9]，據此，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，結果如圖9所示，經1-4層后電導率變化不大，經第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，經第1層、1-2層、1-3、1-4層凈化后，分別取樣測定電導率，結果圖1 1所示。

5．結果與討論

分析以上數據，水樣經過凈化裝置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[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值，可初步判斷水樣的硬度。水樣電導率經過白石子、石英砂、活性炭、棉柔巾凈化層處理后變化不大，經過離子交換樹脂凈化層處理后明顯減小。從以上數據說明經凈化處理后水中難溶性雜質和可溶性雜質在不斷減少。各水樣經裝置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本實驗構建的分層裝置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的材料可根據需要更換為其他物質，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。學生可根據需要構建專屬凈水器，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）有啟發性本實驗裝置給學生提供了構建實驗裝置的思路，在其他自主實驗中也可以借鑒思路；數字化檢測手段給學生提供了測定數據指標的方向，為學生創新實驗探究添加定量測定工具，為深入科學探究積累經驗。在實驗探究過程中不斷查閱資料，豐富凈水知識，擴展技術視野，為后續實施“水質檢測以及自制凈水器項目”打下基礎。

五、結語

本文從學生疑問出發，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，激發學生對化學的熱愛，培養學生“科學探究與創新意識”的科學素養。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字化儀器測定凈水過程中各指標的變化，使學生對實驗現象感受從感官感知到微觀表征與宏觀表征相結合，提高學生“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養。經該科學探究活動，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

[1] 中華人民共和國教育部．義務教育化學課程標準（2022年版）[S]．北京：北京師范大學出版社，2022：4.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心．義務教育教科書（化學九年級上冊）[M]．北京：人民教育出版社，2012：77。

[3]杜昊明，新型直飲水凈化裝置系統的設計研究[J].當代化工研究，2017（07）：30-31．

[4] 翁天野．混凝一離子交換-Fenton氧化處理水基切削廢液的研究[D]．大連：大連海事大學2020.6．

[5] 李佳佳．離子交換樹脂去除原水中銻的研究[D]．大連：大連海事大學2020.6．

[6]蔡艷．離子交換樹脂在廢水處理中的綜合運用[D]．安徽：安徽大學2010.5．

[7]任有良，孫楠，曹寶月，郭晉邑，離子交換法制備純水實驗的改進[J]. China Academic Journal Electronic PublishingHouse 2021（07）：79-83．

[8] GB 5749-2022，生活飲用水衛生標準[S]．北京：中華人民共和國衛生部，2022.

[9] 余翔．新型電導率和pH水質參數檢測技術與實驗研究[D]．浙江：浙江大學，2015.