第2章跨学科实践活动2自制净水器教学设计--2026-2027学年九年级化学沪教版上册

该初中化学教学设计聚焦沉降、过滤、吸附的净水原理（均为物理变化），从生活中天然水含泥沙、色素等杂质的场景导入，引导学生思考净水逻辑，通过任务式探究梳理知识，为自制净水器构建学习支架。 此资料以跨学科实践为特色，通过小组合作完成净水器设计、制作、测试及优化，体现科学探究与实践，培养科学思维（如材料“先粗后细”的层级逻辑）和科学态度（节水护水意识），提升学生实操创新能力，为教师提供结构化教学方案。

跨学科实践活动 2 自制净水器（教学设计） 课题 课时安排 核心 素养目标 化学观念：掌握沉降、过滤、吸附的净水原理，明晰净水过程均为物理变化。 科学思维：依据杂质粒径大小，梳理净水材料层级排布逻辑，建立循序渐进的净水思维。 科学探究与实践：小组合作完成净水器设计、制作、测试与优化，提升实操与创新能力。 科学态度与责任：认识净水技术的价值，树立节水护水、科学利用水资源的环保意识。 重点 和难点 重点：掌握常见净水方法的原理与作用，明确自制净水器材料选取、层级铺设的核心逻辑，熟练完成简易净水器的制作与净水效果检验。 难点：理解净水材料“先粗后细、先过滤后吸附”的排布依据，能结合净水效果自主分析装置缺陷，针对性优化净水器结构与材料搭配。 教学过程 教学环节 教学活动 设计意图 导入新课 日常生活中，天然河水、湖水均含有泥沙、色素、异味等多种杂质，无法直接饮用。自来水厂通过多重净水工艺将天然水净化为生活用水，家用净水器也广泛普及。那么净水的核心原理是什么？如何利用身边常见材料模拟净水工艺，自制简易净水器？本节课将通过系列探究任务，解锁净水奥秘，动手制作实用的简易净水装置。 立足学生认知规律，以生活净水场景为切入点，将理论知识与实操结合。通过任务式探究，落实净水核心知识，锻炼学生动手能力，渗透环保理念，实现知行合一。 讲授新课 任务一：情境感知，梳理净水基础知识 在正式开展自制净水器实践活动前，学生需要夯实净水相关基础理论，明确天然水中的杂质类型、常见净水方法及对应作用，为后续装置设计与制作筑牢知识根基。首先引导学生自主观察、思考天然水的成分特点，自然界中的河水、湖水、井水等天然水资源并非纯净物，其中包含多种类型的杂质，不同杂质的颗粒大小、存在形态、去除难度存在明显差异，对应的净化方法也各不相同。 组织学生以小组为单位，梳理已学的四种基础净水方法，分别为沉降、过滤、吸附、蒸馏，逐一明确每种方法的适用对象、净化效果及变化类型。沉降法主要针对水中颗粒较大、不溶于水的悬浮杂质，这类杂质自重较大，静置一段时间后会自主沉降至水体底部，实现固液初步分离，该过程无新物质生成，属于物理变化，是最简单、最基础的净水方式，常用于净水前期预处理。 过滤法是净水过程中的核心环节，主要用于去除水中颗粒较小的不溶性杂质，弥补沉降法无法细化净水的短板。过滤的核心原理是利用多孔介质的筛分作用，允许水分子通过，截留不溶性固体杂质，生活中的滤网、滤纸、纱布等均是常见的过滤介质，该过程同样仅实现杂质与水的分离，无化学变化发生。 吸附法主要用于去除水中的色素、异味等可溶性杂质，常规过滤、沉降无法去除这类杂质。初中阶段最常用的吸附材料为活性炭，活性炭内部具有疏松多孔的结构，具备极强的吸附性，能够将水中的色素、异味分子吸附在其孔隙中，从而改善水质色泽与气味，整个吸附过程仅为物理吸附，不产生新物质，属于物理变化。 蒸馏法是净化程度最高的净水方法，通过加热使水汽化，再将水蒸气冷凝为液态水，能够去除水中所有不溶性杂质和可溶性杂质，得到纯净的蒸馏水，但该方法操作复杂、耗时较长、成本较高，不适合日常简易净水场景，因此本次自制净水器实践不采用蒸馏法。 在梳理基础知识点后，引导学生对比四种净水方法的净化程度，明确净水的整体逻辑：净水过程需遵循“先去除大颗粒杂质，再去除小颗粒杂质，最后去除可溶性色素、异味”的顺序，层层递进、逐步净化，这也是后续自制净水器材料铺设、结构设计的核心依据，让学生从原理层面理解净水器的设计逻辑，而非机械模仿组装。 任务二：研读教材，确定净水器设计方案 结合教材跨学科实践活动要求，学生以小组为单位开展方案设计研讨，结合生活化材料、净水原理、实操可行性，确定自制简易净水器的整体结构、材料选取、铺设顺序和装置组装方案。首先明确本次实践的核心要求，自制净水器需依托重力作用实现自然净水，结构简单、材料易得、操作便捷，能够有效净化浑浊天然水，去除水中泥沙、色素、异味等杂质，达到初步净水效果。 小组开展材料筛选研讨，结合生活常见物品与教材指定实验材料，确定最终用料：废弃塑料饮料瓶、剪刀、纱布、蓬松棉、小卵石、石英砂、活性炭、烧杯、浑浊天然水、红墨水。同时各组分析每种材料的净水功能，明确材料对应的净水原理，杜绝盲目选材。其中塑料饮料瓶作为净水器外壳，取材便捷、质地轻便、易于裁剪改造；纱布和蓬松棉孔隙细密，可起到隔离分层、截留细小杂质、防止上层材料流失的作用。 小卵石的孔隙较大，作为第一层净水材料，主要拦截水中较大的泥沙、悬浮颗粒物等杂质，完成初步粗过滤，降低水体浑浊度；石英砂孔隙小于小卵石，可进一步截留水中细小的不溶性杂质，细化过滤效果，承接小卵石的粗过滤，实现梯度净化；活性炭作为核心吸附材料，专门去除水中人工添加的红墨水色素及水体自带的异味，完成深度净化。 在材料功能明确的基础上，各组结合教材图示与净水梯度原理，敲定材料铺设顺序，统一遵循“由粗到细、先过滤后吸附”的核心原则，规划完整层级结构。自下而上依次为蓬松棉、纱布、活性炭、石英砂、小卵石，该层级排布完全贴合净水逻辑，水流自上而下流动，依次经过不同孔隙的过滤材料，逐级截留不同粒径杂质，最后通过活性炭完成吸附净化，最大程度提升净水效果。 各组绘制简易净水器结构示意图，标注各层级材料名称、对应功能，完善设计方案，同时梳理组装注意事项。重点明确外壳改造方式，将塑料饮料瓶从瓶身中部剪开，保留带瓶盖的上半部分，倒置固定在下半瓶身上方，作为净水装置主体，瓶盖均匀扎出细小孔洞，保证水流匀速滴落，避免水流过快导致净化不充分、水流过慢影响净水效率。 小组完成方案设计后，开展组间交流互评，针对方案中的漏洞进行优化完善。部分小组初始方案存在材料顺序颠倒、层级缺失、材料用量不合理等问题，经过互评研讨，统一规范设计标准，确保所有小组的设计方案科学合理、贴合教材要求、具备实操性，为后续动手制作奠定基础。 任务三：动手实操，组装自制简易净水器 各组依据完善后的设计方案，有序开展净水器组装实操，严格按照规范流程操作，注重实验细节与层级规范，保证装置结构稳固、层级清晰、密封良好。首先进行外壳改造，取干净的塑料饮料瓶，平稳放置在操作台面上，用剪刀沿瓶身中轴线平整裁剪，将瓶子分为上下两部分，上半部分为带瓶盖的锥形瓶体，下半部分为圆柱形接水容器。使用剪刀尖端在瓶盖均匀扎出多个细小孔洞，孔洞大小适中，既能保障水流顺畅流出，又不会出现水流直冲、杂质渗漏的情况，扎孔完成后清理瓶盖碎屑，避免堵塞孔洞。 将裁剪好的上半瓶体倒置，瓶口朝下固定在下半瓶体内部，保证装置整体竖直平稳，无倾斜晃动，防止后续净水过程中水流偏移、材料塌陷。随后开始逐层铺设净水材料，严格遵循自下而上的铺设顺序，把控每层材料的厚度与平整程度。第一步，在瓶口内侧铺设第一层蓬松棉，将蓬松棉均匀铺展、压实，完全覆盖瓶口区域，作为最底层防护层，防止上层细小材料随水流漏出，同时截留最后残留的细微杂质。 第二步，在蓬松棉上方铺设一层纱布，纱布平整贴合瓶壁，进一步隔离材料，提升过滤均匀度。第三步，装入适量活性炭颗粒，平铺压实，保证活性炭层厚度均匀，无空隙、无堆积，确保水流能够充分接触活性炭，最大化发挥吸附作用，有效去除水中色素与异味。第四步，在活性炭上方铺设第二层纱布，隔离活性炭与石英砂，避免两种材料混合，影响分层净化效果。 第五步，装入石英砂，均匀平铺，厚度适中，通过石英砂细密孔隙进一步过滤细小不溶性杂质。第六步，再次铺设一层纱布，隔离石英砂与最上层过滤材料。最后装入小卵石，均匀铺展，作为最外层粗过滤层，拦截水中大颗粒泥沙、悬浮杂质，同时压实整体材料结构，防止后续加水后材料漂浮、塌陷。 组装全过程中，教师巡回指导，针对学生操作中的共性问题进行规范纠正。重点提醒学生各层级材料必须平整铺展、分层清晰，杜绝不同材料混杂堆叠；材料厚度把控合理，过薄会导致净水效果不佳，过厚会造成水流堵塞、流速过慢；装置整体保持竖直稳固，避免倾斜导致水流偏流、局部过滤不充分。学生完成组装后，自主检查装置完整性、分层规范性，确认无结构问题、无材料漏洞、无孔洞堵塞，完成简易净水器的制作。 任务四：实操测试，检验净水效果 净水器组装完成后，各组开展净水效果测试实验，自主配制待测水样，模拟天然污水状态，精准检验自制装置的净水能力，同时观察记录实验现象，分析净水效果差异。首先配制浑浊水样，向洁净烧杯中加入适量清水，加入少量泥土、细沙，搅拌均匀，得到含有不溶性泥沙杂质的浑浊水，再滴加少量红墨水，搅拌均匀，使水样带有明显红色色素，模拟含有杂质、色素的天然污染水体。 将配制好的浑浊水样缓慢、匀速倒入自制净水器顶端，全程保持水流平缓，避免水流冲击冲散上层材料、破坏分层结构。观察水流经过各材料层级的变化，记录水流速度、出水清澈度、水体颜色、有无异味等实验现象。初始倒入的浑浊污水含大量泥沙，水体浑浊泛红，经过小卵石粗过滤后，大部分大颗粒泥沙被截留，水体浑浊度明显降低；经过石英砂细过滤后，细小悬浮杂质被去除，水体基本澄清；最终经过活性炭吸附后，水体红色色素完全褪去，出水清澈透明、无异味。 各组收集净水器流出的净化水，与原浑浊水样进行直观对比，从浑浊程度、水体颜色、气味三个维度对比净水效果。同时开展平行实验，多次加水净化，观察装置持续净水的稳定性，记录装置是否出现堵塞、漏料、流速骤变等问题。实验过程中，部分小组出现出水仍轻微浑浊、色素去除不彻底、水流过慢等问题，各组自主记录实验异常现象，为后续装置优化提供依据。 测试结束后，各组梳理实验现象，总结自制净水器的净水优势与不足。明确本次自制净水器能够有效去除水中不溶性泥沙杂质、有色色素和异味，实现污水初步净化，净水效果显著，但受材料精度、装置结构限制，无法去除水中可溶性钙、镁化合物等杂质，不能得到纯净水，也无法杀灭水中细菌病毒，仅能满足日常简易净水需求，贴合生活化简易净水的实践定位。 任务五：问题剖析，优化净水器装置 结合净水测试中出现的各类问题，各组开展深度探究，剖析问题成因，结合净水原理、装置结构、材料选用等维度，针对性提出优化方案，完成装置迭代升级，培养学生工程设计与创新改进能力。首先汇总各组实验中出现的典型问题，主要包含出水浑浊度不达标、色素去除不彻底、水流速度过快、水流堵塞、材料混杂漏料五类核心问题。 针对出水轻微浑浊的问题，引导学生分析成因，主要为石英砂、蓬松棉铺设厚度不足，细小杂质未被完全截留，或是材料铺设不平整、存在空隙，导致水流短路、过滤不充分。对应的优化方案为适当增加石英砂与蓬松棉的铺设厚度，将各层级材料充分压实、平整铺展，填补材料空隙，杜绝水流未经充分过滤直接流出，强化细过滤效果。 针对色素去除不彻底的问题，核心成因是活性炭用量不足、活性炭层厚度过薄，或是水流速度过快，水流与活性炭接触时间过短，吸附反应不充分。优化方案为增加活性炭填充量，加厚活性炭吸附层，同时减缓加水速度，延长水流与活性炭的接触时长，保证色素、异味被充分吸附，提升深度净化效果。 针对水流速度过快、净水不充分的问题，主要是瓶盖孔洞过大、材料整体孔隙偏大导致。优化方式为减少瓶盖扎孔数量、缩小孔洞孔径，同时规整各层级材料排布，细化过滤层级，放缓水流流速，让水流逐层充分过滤、吸附，保障净水质量。针对水流堵塞问题，多为上层大颗粒杂质堆积、材料压实过密导致，优化时可适当疏松材料层级，提前对原水样进行简单静置沉降，去除超大颗粒杂质后再过滤，避免装置堵塞。 针对材料混杂漏料问题，原因是纱布隔离层数不足、铺设不严密。优化方案为在各材料层之间增加纱布隔离层，边缘贴合瓶壁压实，彻底隔离不同粒径的净水材料，防止材料混杂、细小材料随水流渗漏。各组结合自身装置问题，选取对应优化方案，对净水器进行二次改造，改造完成后再次开展净水测试，对比优化前后的净水效果，验证优化方案的有效性，深刻体会装置结构、材料搭配对净水效果的影响。 任务六：归纳总结，深化跨学科认知 完成实操、测试与优化后，组织全班开展总结研讨，整合本次实践活动的核心知识、实操技能、跨学科内涵，实现知识内化与能力提升。首先梳理核心化学知识，再次巩固沉降、过滤、吸附三种净水方法的原理、作用及物理变化属性，明确自制净水器的核心净水逻辑是梯度净化，依托不同材料的孔隙差异与吸附特性，逐层去除水中不同类型杂质。 其次总结装置设计的核心原则，让学生明确简易净水器制作的两大关键要点，一是材料排布必须遵循“先粗后细、先过滤后吸附”的梯度原则，贴合杂质去除的难易规律；二是装置结构必须保证分层清晰、密封完好、水流匀速，保障净水过程稳定高效。同时区分自制简易净水器与自来水厂净水、家用净水器的差异，明晰不同净水方式的适用场景与净化限度。 深入挖掘本次活动的跨学科价值，本次实践以化学净水原理为核心，融合物理学科的筛分原理、重力流动原理，工程学科的装置设计、结构优化思维，生活学科的资源利用、实用创新理念，是典型的跨学科实践活动。学生在活动中不仅掌握化学知识，更锻炼了工程设计、动手实操、问题分析、创新优化的综合能力，实现多学科知识的融合运用。 最后结合生活实际开展价值升华，引导学生联系自来水厂净水流程、家用净水器工作原理，感知化学知识在生活生产中的广泛应用，认识到净水技术对水资源保护、饮用水安全的重要意义。结合当下水资源短缺、水体污染的现状，树立节约用水、保护水资源、科学利用水资源的责任意识，将学科知识学习与社会责任培养深度结合。 本节课严格依据沪教版新教材标题编排教学内容，以学生自主、合作、探究为核心，设计递进式任务探究活动，摒弃传统灌输式教学，全程以任务驱动学生主动参与知识构建，完整落实新知探究、合作研讨、归纳总结、拓展应用的课堂流程。 板书设计 跨学科实践活动2 自制净水器 一、核心净水原理（物理变化） 1. 沉降：去除大颗粒不溶性杂质 2. 过滤：去除细小不溶性杂质 3. 吸附（活性炭）：去除色素、异味 二、净水器层级（自下而上） 蓬松棉→纱布→活性炭→纱布→石英砂→纱布→小卵石 三、设计核心原则 先粗后细、逐层净化、先过滤后吸附 四、实践收获 实操创新、学以致用、节水护水 作业布置 完成分层作业 教学反思 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $