数字化环境下初中化学实践作业拓展研究

杨雪梅

摘要：以学生对直饮水点产生的疑问为入手点，结合教材“水的净化”相关内容引导学生利用生活中的材料自制个性化净水器，进行净水实验探究并交流展示；设计了含离子交换树脂净化层的多层便携式净水装置，每层可取样通过感官感知和电导率传感器等数字化仪器评价净水效果；通过实验结果分析装置净化效果，进一步改进装置，完善实验。

关键词：数字化；自制装置；离子交换；净化效果

文章编号：1008-0546（ 2022）12x-0064-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

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

《义务教育化学课程标准（2022年版）》修订原则提出要坚持问题导向，注重对实际问题的有效回应，[1]这就要求教师对学生提出的问题要进行有效解答。通过科学探究活动解答学生疑问，学生通过解决当前疑问，并迁移运用所学知识，解决其他问题，提升学科核心素养。笔者借助数字化实验技术检测自制净水器的净水效果，科学解答学生对净水的相关疑问，拓展了学生的净水知识，拓宽了学生的科技视野，激发了学生的创新意识，培养了学生的探究热情。

一、问题的提出

水是生命之源，是维持日常生活不可缺少的物质之一，学生对水非常熟悉，经过教材学习，对水的净化有所了解，在进行户外活动时，发现了直饮水点，提出疑问：能否自制净水器净化自然界的水并饮用？净水效果如何检测呢？“水质检测及自制净水器”是《义务教育化学课程标准（2022年版）》提出的跨学科实践活动之一，[1]通过解决学生问题，可完成该活动的部分内容。

二、活动思路

为解答学生疑问，笔者结合人教版九年级《化学》上册第四单元课题2“水的净化”一课中的相关内容，[2]引导学生进行“水的净化”科学探究，学生通过查阅相关资料、设计实验方案、进行净水实验、表达并交流实验结果，对水的净化有了深入了解。延伸学生科学探究，融合数字化检测技术，自制便携式分层净水器，通过检测各净化层的净水效果，分析各物质的净化功能，进一步提升学生对净水的认知水平。

三、学生自主探究

1．实验准备

查阅资料可知，直饮水净化流程主要包括三个流程：预处理、核心处理和后处理，其中主要的净化技术和原理有：石英砂过滤、活性炭吸附、超滤、反渗透、药物消毒等。[3]根据所查资料，结合教材相关知识引导学生自制净水器。学生根据自己所查资料进行方案设计、材料准备、交流互助等活动。

2．学生装置展示

学生开展了一系列个性化净水实验探究，参与度非常高，将自制装置带来学校展示并交流，提高了学生对化学实验的表达能力，促进学生将化学与生活紧密结合，提升学生对科学探究的兴趣，部分同学还拆解了家用净水器，了解各净水器的原理与优劣，达到了扩展学习的目的，现选取几例代表性装置进行展示，如图1，表1所示。

3．学生实验分析

学生在教材学习的基础上对装置加以创新，装置2材料简单，操作方便；装置5能清楚观察每一层的净化效果，装置6用常见材料组装了一套蒸馏装置，得到了自制蒸馏水。学生装置能达到不同程度的净水效果，但只从感官感知，未用定量指标对净化后的水进行量化评价，因此考虑借助数字化仪器检测净化效果，使实验结果直观化。装置5分层净化效果明显，但携带不方便，若要进行户外净水，可对装置的便携性进行改进。据此，笔者利用生活中材料制作了便攜式分层净水器，并借助数字化仪器检测净水效果。

四、数字化实验

1．仪器和用品

计算机、Vernier LabQuest Mini数据采集器、电导率传感器、色度传感器、浊度传感器、奶粉盒、纱布、白石子、石英砂、块状活性炭、棉柔巾、离子交换树脂（抛光树脂）、矿泉水、纯净水、自来水、河水、湖水、池塘水、雨水。

2．材料加工与装置制作

在奶粉盒底部中间用电烙铁打孔，白石子直接在盒中平铺两层作为净化层，棉柔巾剪好平铺两层作为净化层，称取石英砂70 g、块状活性炭55 g、离子交换树脂50 g，分别用纱布包好，用纯净水洗净晾好，放人奶粉盒中，制成不同的净化层。将5层净化层和1个接水器按照如图2所示的顺序通过螺纹旋转安装在一起，制成净水装置。根据净化需求，可进行个性化净水：选择单一净化层，或将几个净化层进行不同方式的组装，还可将净化层的物质进行更替后再组装，图2组合形式的净化装置实物图如图3所示。

3．净化原理

净水时，将原始水样从上层倒下，经净化层后到达接水器中。白石子净化层分离大颗粒；石英砂净化层分离小颗粒；活性炭层具有吸附作用；棉柔巾可再次净化，且能将上一层可能掉落的小颗粒分离；离子交换树脂在水处理中应用广泛，[4-6]该实验选取的离子交换树脂是由高度纯化、转型的H型阳树脂和OH型阴树脂混合而成，净水时将水中的阳离子交换为氢离子，阴离子交换为氢氧根，从而降低离子浓度。[7]

4．净化过程与指标检测

将装置1从上到下的第1层、1-2两层、1-3三层、1-4四层、1-5五层净化层分别与接水器组装，净化后取样观察。以河水为例，净化后的水样效果如图4所示。从感官判断，泥土等气味逐渐变淡，经过第1、2层处理，颗粒物明显减少，经过3层、4层、5层处理，观察不到明显变化。为了了解各层分离出的杂质，对净化河水后的残留物进行研究，如图5所示，净化层1和2有明显颗粒物，净化层4有藻类残留物，其他净化层观察不到明显现象。为了深入了解各净化层的净化效果，决定借助其他指标辅助评价。《生活饮用水卫生标准》对浊度、色度、臭和味等有明确规定，[8]在大部分水质检测时，电导率是必测项目[9]，据此，本实验从浊度、色度、电导率角度检测净化效果，检测装置如图6所示。

（1）浊度检测

按操作标准校准浊度传感器，将装置1从上到下的第1层、1-2两层、1-3三层、1-4四层、1-5五层净化层分别与接水器组装，净化后取样，再取原始水样（图中用0层表示），用浊度传感器检测，三次测定取平均值，结果如图7所示。

（2）色度检测

按照标准校准色度传感器，将装置1从上到下的第1层、1-2两层、1-3三层、1-4四层、1-5五层净化层分别与接水器组装，净化后取样，再取原始水样（图中用0层表示），用色度传感器检测，三次测定取平均值，用透光率表示，结果如图8所示。

（3）电导率检测

将装置1上到下的第1层、1-2两层、1-3三层、1～4四层、1-5五层净化层分别与接水器组装，净化后取样，再取原始水样（图中用0层表示），用电导率传感器检测，三次测定取平均值，结果如图9所示，经1-4层后电导率变化不大，经第5层后电导率明显减小。

（4）拓展实验

离子交换树脂层能否再次降低电导率呢？笔者采用4层离子交换树脂净化层和接水器组装成分层装置2，如图10所示。将河水、湖水、池塘水分别用分层装置1的1-4层净化后，加入分层装置2，经第1层、1～2层、1-3层、1-4层净化后，分别取样测定电导率，结果如图11所示。将自来水、雨水、矿泉水直接加入分层装置2，经第1层、1-2层、1-3、1-4层净化后，分别取样测定电导率，结果图1 1所示。

5．结果与讨论

分析以上数据，水样经过净化装置1的各净化层后，浊度不断减小，最终浊度降低至生活饮用水标准（<1）内[8]；透光率不断变大，最终与某品牌纯净水接近；分析各水样的初始电导率数值，可初步判断水样的硬度。水样电导率经过白石子、石英砂、活性炭、棉柔巾净化层处理后变化不大，经过离子交换树脂净化层处理后明显减小。从以上数据说明经净化处理后水中难溶性杂质和可溶性杂质在不断减少。各水样经装置2处理后，电导率逐渐降低，最终与某品牌纯净水电导率（5 μS/cm）接近，说明离子交换树脂净化层能有效降低离子浓度，降低硬度，达到软化水的目的。

自然界的部分水样经本实验构建的分层装置1和2净化处理后，从浊度、色度、电导率指标分析，已达到饮用指标，说明该装置能有效净化自然界的水，但要饮用，还要考查其他净水标准。[8]

该装置有以下特点：

（1）可视化该装置本身透明，能在装置外部初步观察净水效果。净化后，可观察水样以及净化层的残留物，从感官感知到仪器检测，利用定性、定量检测手段相结合，分别以浊度、色度、电导率进行定量检测，多角度、多指标评价净水效果，使各净化层的净化效果准确化、直观化。

（2）个性化该装置净化层内的材料可根据需要更换为其他物质，采用不同的净化材料，可制成不同的净化层，组装为个性化净化装置，净化功能随之改变。装置各净化层的组装顺序方便调换，同一组净化层，不同的组装顺序可达到不同的净化效果。学生可根据需要构建专属净水器，进行个性化净水实验。

（3）易推广本装置材料价格低廉易得，所用试剂安全无毒，便于学生开展实验探究。装置轻便易携，可在自然界不同地方进行水的净化，并通过检测净水效果，组装适合净化自然界水样的净水装置。

（4）有启发性本实验装置给学生提供了构建实验装置的思路，在其他自主实验中也可以借鉴思路；数字化检测手段给学生提供了测定数据指标的方向，为学生创新实验探究添加定量测定工具，为深入科学探究积累经验。在实验探究过程中不断查阅资料，丰富净水知识，扩展技术视野，为后续实施“水质检测以及自制净水器项目”打下基础。

五、结语

本文从学生疑问出发，在真实情境中引导学生进行科学探究，自制个性化净水器，并交流展示，激发学生对化学的热爱，培养学生“科学探究与创新意识”的科学素养。笔者在学生探究后又进行了自制净水装置的深入探究，用离子交换树脂等净水后，通过电导率传感器等数字化仪器测定净水过程中各指标的变化，使学生对实验现象感受从感官感知到微观表征与宏观表征相结合，提高学生“宏观辨识与微观探析”的核心素养。经该科学探究活动，学生对化学更加热爱，对科学更具热情，对科技更加向往。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．義务教育化学课程标准（2022年版）[S]．北京：北京师范大学出版社，2022：4.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心．义务教育教科书（化学九年级上册）[M]．北京：人民教育出版社，2012：77。

[3]杜昊明，新型直饮水净化装置系统的设计研究[J].当代化工研究，2017（07）：30-31．

[4] 翁天野．混凝一离子交换-Fenton氧化处理水基切削废液的研究[D]．大连：大连海事大学2020.6．

[5] 李佳佳．离子交换树脂去除原水中锑的研究[D]．大连：大连海事大学2020.6．

[6]蔡艳．离子交换树脂在废水处理中的综合运用[D]．安徽：安徽大学2010.5．

[7]任有良，孙楠，曹宝月，郭晋邑，离子交换法制备纯水实验的改进[J]. China Academic Journal Electronic PublishingHouse 2021（07）：79-83．

[8] GB 5749-2022，生活饮用水卫生标准[S]．北京：中华人民共和国卫生部，2022.

[9] 余翔．新型电导率和pH水质参数检测技术与实验研究[D]．浙江：浙江大学，2015.