STEAM课程设计:水,到处都是水,可是没一滴能喝(2)

第二课时:过滤

在本课时中,学生们将会继续研究如何检测出水中的其他物质,同时,他们将开始学习如何对水进行净化。涉及物理科学、地球科学、工程学、技术写作、创意写作、叙述写作。

教学材料

盐分测试器

2个透明的容器

花盆土或普通的泥土

蒸馏水

明矾

上节课插在各种溶液中的植物

枝叶

自来水

碳酸水

烘焙苏打

透明塑料杯(每位学生2个,如果要进行额外的盐分测试实验的话,可以为每位学生准备4个)疾病控制与预防中心关于水媒疾病和水污染的材料1升或2升装的空饮料瓶,将饮料瓶拦腰切断,变成上下两个部分(每位学生1个,另外准备1个用于展示)

约 5 厘米见方的棉布(每位学生5块,另外还需准备一些用于展示)

过滤材料:土、沙子、鹅卵石或岩石、棉球、煤块或活性炭(活性炭比煤块的过滤效果要好得多,活性炭可以在售卖水族用品的宠物商店中买到)

卷心菜汁指示剂

课前准备

在上课前,你需要提前做好准备。在上节课过后,你应该还有一些卷心菜汁指示剂。另外,你还需要准备好盐分测试器。然后,在一些干净的容器中加入水,再往容器里加入一些花盆土或泥土,充分搅拌制成污水。你将会用这些污水向学生们展示如何使用明矾净水。如果你之前没有做过相关实验的话,建议你在课前提前进行明矾净水实验,这样你才知道大概要加入多少明矾。明矾的量如果太多或太少,都不能起到絮凝的作用(也就是说,不能与水中杂质凝结成块)!你可以在可汗学院的网站上观看麻省理工大学制作的关于絮凝作用的视频。

课堂介绍及展示(20分钟)

重新拿出上节课学生们插入到不同溶液中的植物枝叶。如果两节课之间时间间隔有一周的话,在一些比较适合植物生长的溶液中,有些植物枝叶可能已经开始长出根须。而就算两节课之间仅仅隔了一两天,插在某些溶液中的植物也可能已经奄奄一息了。很可能只剩下那些插在水和碳酸水里面的植物还生机勃勃。

但这是为什么呢?(这里可以给学生一个提示:如果你之前向学生们展示过《酸、气体和水》环节中的实验的话,让学生们回顾一下那个实验的细节。)那些看上去不太健康的植物枝叶可能是插在了盐水里面。现在,学生们的任务就是检测水里面盐的存在。之前使用的pH试纸在这里没什么作用,此时你会用到课前事先准备好的盐分测试器。首先,向学生们展示一下你手中的盐分测试器,然后通过演示,让学生们知道在纯水中,盐分测试器并不会有反应。(这里,一定要使用蒸馏水,去离子水也可以,但是自来水、纯净水或者天然泉水都不可以。)

如果你愿意并且时间上允许的话,你可以给学生几分钟的时间,让学生们用水和其他成分(比如醋、烘焙用苏打等)调制出混合溶液,然后用盐分测试器对这些溶液进行测试,让学生们记录下他们观察到的现象。接下来,他们将利用盐分测试器和卷心菜汁指示剂进行实验。

在进入下一个环节之前,跟学生们说明你将做一个非常有意思的演示。将事先准备好的两杯污水拿出来,往其中一杯加入明矾,然后同时对这两杯水进行搅拌。告诉学生过一段时间后,你会让他们仔细观察到底发生了什么,但在那之前,学生们将会了解人类饮用受污染的水之后会出现什么状况。

为什么你不应该喝那水(20分钟)

将疾病控制与预防中心的材料分发给所有同学,这是一些关于水污染和相关疾病的材料。跟学生们一起阅读这些材料,学生们有任何疑问或者对什么方面感到好奇都可以在讨论中提出来。如果可以使用互联网的话,他们也可以自己上网查找问题的答案,或者了解更多关于污染源的内容。

世界上最渴的人:一个比较痛苦的结局(15分钟)

接下来又到了写作环节,让学生们写下《世界上最渴的人》的悲惨结局。学生们应该根据刚刚学到的水污染的相关内容进行写作。注意,如果让主人公就这么死掉,情节可能太过于简单,主人公可能会经历一些比较痛苦的阶段,最终走向死亡。可能在这个故事中,最重要的就是这个主人公的经历——因为没有摄入水分而脱水?因为喝了不干净的水而生病?又或者他(或她)为了生存,被逼无奈饮用了一些含有重金属的水,导致一些神经系统的损伤?如果学生们喜欢上了自己所创造出来的人物,可以告诉他们,接下来他们的主人公很有可能被拯救。

关于明矾净水的视频和展示(20分钟)

现在,可以重新将之前给学生看的那两杯污水拿出来。加了明矾的那杯污水中的泥土应该大部分都沉淀在杯子底部!对此,学生们可能会非常惊讶,给学生一点时间进行观察,然后,为学生们播放关于絮凝的视频。问问学生,视频内容如何影响了他们对于明矾现场演示结果的理解?然后利用这个契机,跟学生们好好讨论一下什么样的沟通才是好的科学沟通。

净水试验:过滤(30分钟)

问问学生有没有自己动手做过意大利面或者榨过鲜橙汁,看看他们如何将意大利面从水中捞出来,或者如何将果汁里面的果肉去除?学生们很可能是借助了某种滤网来达到这一目的的。告诉学生,接下来他们将进行的实验原理其实跟这差不多——他们将要制作一个可以过滤水的过滤器。

给学生们看看制作过滤器的材料:土壤、沙子、棉球、卵石或岩石,以及炭块(活性炭的话效果会更好)。让学生们知道,他们将会逐个测试这些材料,看看这些材料去除水中杂质的效果怎么样(这里所用的污水跟之前用的污水一样,都是加了花盆土的水)。给学生们做个示范,让他们看看怎么用对半切开的1升或2升装的塑料饮料瓶来制作一个简易的过滤器。在瓶颈处放一块粗棉布,然后在棉布上放一到两种过滤器材料。

① 将塑料瓶横着切成两半。

② 将塑料瓶上半部分上下颠倒放置,然后放入粗棉布。

③ 加入过滤器材料(一种或多种)。

④ 将过滤器放置在塑料瓶下半部分上面。

⑤ 将需要过滤的液体倒进过滤器。

⑥ 收集过滤过的液体。

接下来,跟学生好好解释一下过滤的过程。学生们将会制作自己的塑料瓶过滤器(只选用一种材料)。然后,他们将会自己调配受污染的溶液,这一步骤与上节课一样,他们可以自由选用污染物(烘焙苏打、食醋或盐)。在过滤前,他们会用到盐分测试器和卷心菜汁指示剂对混合溶液进行测试,然后过滤混合溶液(这个过程可能需要一定的时间),在过滤后再重新进行一次测试。

这么做的目的是为了测试每一种过滤器对溶液中不同污染物的作用,看看每一种过滤器能够达到的效果有何差异。理想情况下,学生们能够借此回想起在第一课时中,我们曾说过,在可能的情况下,一定要单独测试每一个变量,而且学生们还将按照这种思路去进行实验。当然了,你也可以给学生们分配任务,争取针对每一种过滤器材料和污染源的组合都至少进行一次实验。

学生们应该有时间开展几个实验,在混合溶液方面,可以给学生一点自由发挥的空间,但是每一个过滤器中的过滤材料只能有一种。注意:在每一次过滤操作结束后,在进行下一次过滤之前,必须用自来水对过滤器进行冲洗(如果可以用蒸馏水或者过滤过的水那就更好了)。

讨论环节(15分钟)

跟学生一起回顾一下实验的结果,同时,让他们说说看什么样的过滤器才算完美。如果讨论环节很快就结束了的话,学生们可以将自己设想的完美过滤器写(或画)出来。告诉学生,他们在接下来的环节将会进行“终极测试”!如果有时间的话,学生们还可以分享一下自己所写的《世界上最渴的人》到目前为止境况如何。

摘自【美】826全美《基于课堂标准的STEM教学设计》,中国青年出版社出版

来源:中国教育学会

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