跨学科实践活动3 水质检测及自制净水器（教学设计）化学新教材人教版九年级上册

第四单元 自然界的水 跨学科实践活动3 水质检测及自制净水器 年级 九年级 学科 化学 课型 实践活动课 教材 人教版上册 第四单元 跨学科实践活动3 教学目标 1. 了解水的净化过程，掌握分离和提纯的基本方法及其与物质性质的关系，关注饮用水安全与人体健康的关系。 2. 从化学、生物学、物理、地理等多学科视角分析并检测水质，体会科学、技术、工程融合解决问题的基本方法。 3. 通过自制净水器的方案设计与动手实践，初步形成工程思维与成本意识，增强保护水资源、关注饮水安全的责任感。 教学重点 掌握分离和提纯的基本方法；了解自来水生产与家用净水的原理。 教学难点 体会科学、技术、工程融合解决问题的基本方法。 教材分析 本节内容源于人教版九年级化学上册第四单元《自然界的水》的跨学科实践活动3，安排在课题1“水资源及其利用”、课题2“水的组成”之后，是一次以真实问题为驱动的综合性实践活动。活动内容由“调查参观—水质检测—动手制作”三个递进板块构成：从了解 GB 5749-2022《生活饮用水卫生标准》和饮用水的发展历史入手，认识自来水生产的工艺流程并提炼混合物分离的一般思路；进而用 pH 检测笔、TDS 笔、16 合 1 检测试纸等工具对生活饮用水进行多指标检测；最后借鉴家用净水器的多级过滤原理，利用生活中的常见材料设计并制作简易净水器，再依据检测结果评价与优化。 本活动融合了化学（分离提纯、吸附）、生物学（微生物与消毒）、物理（滤膜孔径与过滤）、地理（湘江水系与水资源）等多学科视角，承载着“科学·技术·工程”融合解决问题的独特育人功能。它既是本单元水的净化、水的组成等知识的应用与升华，也是发展学生创新意识、工程思维和社会责任感的重要载体。 学情分析 教学对象为九年级学生。知识上，他们已在课题1中学习了沉降、过滤、吸附、消毒、蒸馏等净水方法，知道活性炭的吸附作用，但对“根据混合物成分的性质差异选择分离方法”这一思路缺乏系统认识，容易把各种净水材料的作用张冠李戴，也常误以为“澄清透明的水就是纯净的水”。 能力上，学生乐于动手，具备基本的过滤操作技能，但“先设计后制作”的工程意识薄弱，常边做边改、缺少方案意识，观察记录也不够规范；对 pH、TDS 等检测指标较为陌生，不理解数值背后的健康意义。教学中要充分利用熟悉的湘江水和家用净水器拉近情境，用“分析成分—寻找性质差异—选择分离方法”的思维框架统整全课，并通过小组分工、方案展示、评价优化等环节，让每个学生都能在真实任务中获得参与感与成就感。 教学过程 教学内容 设计意图 课堂导入 【情境引入】展示一组图片：家乡的湘江水域、社区里的直饮水机、厨房中的家用净水器、超市货架上的瓶装水。饮用水安全与人们的健康息息相关，水的净化和水质检测是保障饮用水安全的重要环节。 【提问】我们每天喝的水从哪里来？它经过了怎样的处理，才成为安全的生活饮用水？ 【数据激趣】出示资料：2022 年 3 月 15 日我国发布并执行 GB 5749-2022《生活饮用水卫生标准》，该标准重点关注感官指标、消毒副产物（如具有致癌、致畸、致突变风险的消毒副产物）、重金属及化学残留等。 【任务驱动】今天我们将化身“水质检测员”和“净水工程师”，完成三项递进任务：调查参观——了解水的净化；水质检测——给身边的水做“体检”；动手制作——自制一台净水器。 【板书】跨学科实践活动3 水质检测及自制净水器 从学生每天接触的饮用水切入，用湘江水域和家用净水器等熟悉情境拉近心理距离；以国家标准 GB 5749-2022 引出检测的现实必要性，顺势抛出本课三项递进任务，使整节课线索清晰、指向明确。 环节一 调查参观——了解水的净化 【引入】要了解今天的自来水如何生产，先看看人类饮用水经历了怎样的发展历程。 一、我国生活饮用水卫生标准 2022 年 3 月 15 日国家发布、执行 GB 5749-2022《生活饮用水卫生标准》。《标准》关注感官指标、消毒副产物（如具有致癌、致畸、致突变风险的消毒副产物）、重金属及化学残留等，对提升我国饮用水水质、保障饮用水水质安全发挥了重要作用。 二、饮用水的发展历史 ① 饮用天然水：人们最早喝的是取自江河湖泊、山泉水井里面的水，一般就地取水；大城市也会开挖沟渠输送水、修建水塘储存水，那时家家都有水缸之类的储水容器。 ② 自来水：1902 年发现氯可以去除水中的生物污染，比利时成为第一个使用自来水的国家，用混凝、沉淀、过滤、消毒的方法制作自来水——这是人类饮用水的第一次革命。 ③ 桶装水：通过 RO 反渗透技术有效去除水中的有害有机物、重金属等污染物，现已普及；但存在二次污染、水桶污染、水质状况不稳定、饮用成本高等缺点。 ④ 终端直饮水：无污染、经济方便、可以直饮，在欧美等发达国家普及率很高，我国现阶段普及率非常低，仅在大城市的一些高档小区采用，其实质是采用最新过滤消毒技术的中央净水器供水。 三、自来水的生产过程 【回顾】1. 自来水生产过程中，天然水要经过沉降、过滤、杀菌消毒等净化环节，各环节的作用分别是什么？ 【答案】沉降——使液体中悬浮的固体凝聚而沉降；过滤——除去液体中的不溶性固体；消毒——消毒、灭杀细菌。 2. 天然水经处理后得到的自来水是纯净物还是混合物？ 【答案】自来水中还含有可溶性杂质，是混合物。 【尝试】请同学们绘制自来水生产的工艺流程简图：取水 → 混凝沉降 → 过滤 → 活性炭吸附 → 消毒杀菌 → 配水。 四、混合物分离的一般思路 【思考】通过自来水净化过程，你能总结出混合物分离的一般思路吗？ 【归纳】分析混合物成分 → 寻找成分性质差异 → 找到分离方法。 以水的净化为例：泥沙等杂质难溶于水 → 沉降、过滤；色素、异味可被吸附 → 活性炭吸附；微生物可被消杀 → 投药消毒。随着净化程度由低到高，依次为 沉降 → 过滤 → 吸附 → 消毒 → 蒸馏。 【方法提炼】选用何种分离方法，取决于混合物各成分的性质差异，这是混合物分离的核心思路。 【对应训练1】下列关于生活饮用水发展历史的说法错误的是（ ） A. 19 世纪之前人们主要饮用天然水　　B. 1897 年人们发现氯可以消毒净水 C. 20 世纪 90 年代开始出现直饮水　　D. 桶装水可能存在运输污染问题 【答案】C 【解析】人类饮用水经历了天然水→自来水→桶装水→终端直饮水的跨越：19 世纪之前人们主要就地取用天然水，A 正确；氯用于饮用水消毒始于 19 世纪末，B 正确；终端直饮水是近年才在我国逐步推广的新型饮水方式，普及率仍很低，并非始于 20 世纪 90 年代，C 错误；桶装水在储存运输中可能产生二次污染，D 正确。 【对应训练2】自来水生产过程中，除去色素、异味的步骤是（ ） A. 凝聚沉降　　B. 过滤　　C. 吸附　　D. 消毒 【答案】C 【解析】活性炭具有疏松多孔的结构，吸附能力强，可吸附水中的色素和异味，故该步骤为吸附；凝聚沉降除去悬浮固体，过滤除去不溶性固体，消毒用于杀灭细菌。 1. 以饮用水发展史为线索展开，把每一次跨越背后的化学原理（氯消毒、RO 反渗透）揭示出来，让学生感受化学对社会发展的贡献。 2. 通过回顾旧知并自主绘制自来水生产流程，实现零散知识的结构化，为后续自制净水器提供模仿原型。 3. 提炼“分析成分—寻找性质差异—选择分离方法”的一般思路，把净水方法上升为可迁移的方法论，突破本课的教学重点。 4. 例1、例2 分别针对饮用水发展史与自来水净水环节设计，及时巩固所学、检测理解程度。 环节二 水质检测——给身边的水做“体检” 【引入】水净化得是否合格，不能只看清不清澈，必须依靠检测数据说话。 一、生活饮用水的检测指标 《生活饮用水卫生标准》中的指标包括：感官性状（色度、浑浊度、臭和味、肉眼可见物）、pH 值、溶解性总固体、重金属、消毒副产物等。 二、对水样进行检测 1. 感官性状检测 检测指标：色度——肉眼观察——无色；浑浊度——肉眼观察——澄清；臭和味——闻——无异臭、异味；肉眼可见物——肉眼观察——无。 2. pH 值检测 【操作】用 pH 检测笔测定水样的 pH 值。 【提示】水的 pH 值过低时，可能会刺激胃黏膜，导致胃痛、消化不良等问题；《生活饮用水卫生标准》中规定的 pH 值为 6.5～8.5。 3. TDS 值检测 【操作】用 TDS 笔检测水的 TDS 值。TDS 表示水中溶解性总固体的含量，数值越小，说明水中溶解的固体越少。 4. 多指标快速检测 16 合 1 水质检测试纸是一种多功能水质检测工具，可同时检测余氯、pH 值、总硬度、重金属（铅/铜/汞/锰）等 16 项指标，适用于饮用水、自来水、山泉水等场景的快速检测。 【实践任务】各小组取湘江水样（或校园直饮水、自来水水样），按上述项目逐项检测并将结果填入表格，对照标准作出评价。 【对应训练3】下列关于生活饮用水检测指标的说法中，正确的是（　　） A. 色度、浑浊度都属于水质检测指标，其中浑浊度反映水中悬浮颗粒的多少 B. 水的温度越高，说明水质越好，因此温度是饮用水的重要检测指标 C. TDS 值越大，说明水中溶解性固体越少，水质越好 D. pH 值等于 7 的水一定可以直接饮用 【答案】A 【解析】浑浊度反映水中悬浮颗粒的多少，A 正确；水温不是评价水质的指标，B 错误；TDS 值越大说明水中溶解性固体越多，C 错误；pH 等于 7 只说明酸碱度适中，水中仍可能含有细菌、重金属等，不能直接饮用，D 错误。 【对应训练4】化学兴趣小组对湘江某段的水样进行检测，下列有关说法正确的是（　　） A. 水样澄清透明、无色无味，就一定是安全的生活饮用水 B. 检测出水样的 TDS 值很低，说明水中不含任何杂质 C. 水样经过滤、吸附后变得澄清，但水中仍可能含有可溶性杂质 D. 只要水样的 pH 值在 6.5～8.5 之间，就符合生活饮用水标准 【答案】C 【解析】澄清透明、无色无味只说明感官性状良好，不能判断是否含细菌、重金属等，A 错误；TDS 值低只说明溶解性固体少，不代表不含任何杂质，B 错误；过滤、吸附只能除去不溶性杂质、色素和异味，可溶性杂质仍留在水中，C 正确；水质合格需多项指标同时达标，pH 值只是其中之一，D 错误。 1. 用检测表格把“感官—pH—TDS—多指标”的检测项目序列化，培养学生“用数据说话”的证据意识。 2. 引入 pH 检测笔、TDS 笔、16 合 1 试纸等真实工具，让学生体验技术对科学检测的支持，体现科学·技术的融合。 3. 以湘江水样为检测对象，把检测任务与本土水资源保护联系起来，增强社会责任感。 4. 例3、例4 针对常见的认识误区设计，纠正“澄清即安全”“pH 达标即合格”等迷思概念。 环节三 动手制作——自制净水器 一、家用净水器的净水原理 【展示】家用净水器的净水流程：PP 棉（5 μm）→ 活性炭 → PP 棉（1 μm）→ 活性炭 → 反渗透膜 RO（0.1～1 nm），进水口在上方，出水口在下方。 【小结】滤膜的分子孔径越小，可以过滤的杂质越多。 【思考】家用净水器是按照什么顺序除去各种杂质的呢？ 【答案】按照“先大后小”的原理依次过滤水中的杂质。 二、设计自制净水器的注意事项 【思路整理】通过了解自来水厂和家用净水器的净水原理，你认为设计自制净水器有哪些注意事项？ 1. 按照净化程度从低到高的顺序使用净水方法：沉降→过滤→吸附→消毒→蒸馏。 2. 按照从大到小的顺序依次去除水中的杂质：大颗粒难溶性杂质→小颗粒难溶性杂质→可溶性杂质→细菌等微生物。 3. 根据杂质种类选择相应的净水方法和材料：泥沙、水中的悬浮物→过滤→小卵石、石英砂、纱布；颜色、异味→吸附→活性炭；可溶性杂质→蒸馏→蒸馏装置。 【材料清单】石英砂 2.76 元/kg、小卵石 7.6 元/kg、纱布 3.5 元/卷、活性炭 56 元/kg、塑料瓶 1 元/个……设计时同样要考虑材料的成本与获取难易。 三、动手实践 【驱动任务】河水中有哪些杂质呢？你能利用下列材料设计制作一款简易净水器净化河水吗？ 【任务要求】先确定杂质成分、选择净水材料，画出设计图，再利用矿泉水瓶、纱布、鹅卵石、沙子、活性炭、蓬松棉等材料动手搭建，最后分组展示，说明每一层材料的作用。 【评价与优化】利用自制的净水器净化天然水，从技术与工程的角度进行评价，并进一步优化：材料填充顺序、水流方式、外壳材质、材料厚度、填料层数等；优化后再次检测净水效果。 【对应训练5】家用净水器中，能除去重金属的过滤膜是（ ） A. PP 棉　　B. 活性炭　　C. 反渗透膜 RO　　D. 蓬松棉 【答案】C 【解析】反渗透膜 RO 的孔径为 0.1～1 nm，远小于重金属离子，可将其截留除去；PP 棉、蓬松棉只能除去较大颗粒的不溶性杂质，活性炭主要起吸附作用。 【对应训练6】在自制净水器时，下列材料填充顺序正确的是（ ） A. 小卵石、石英砂、活性炭　　 B. 活性炭、石英砂、小卵石 C. 石英砂、小卵石、活性炭　　 D. 小卵石、活性炭、石英砂 【答案】A 【解析】应按照“先大后小”的顺序从上往下填充：上层放颗粒最大的小卵石，除去大颗粒难溶性杂质；中层放石英砂，除去较小的难溶性杂质；下层放活性炭，吸附色素和异味，故 A 正确。 1. 从家用净水器这一真实产品反推设计原理，再迁移到自制净水器，让学生经历“模仿—理解—创造”的工程学习过程。 2. 引入材料价格表，引导学生在净水效果与成本之间权衡取舍，体现工程的综合性与现实约束。 3. 强调“先画设计图再动手”，并把“评价—优化—再检测”作为闭环，培养迭代意识，突破本课教学难点（科学、技术、工程融合解决问题）。 4. 例5、例6 分别针对滤膜孔径与填充顺序两个关键点，紧扣动手实践的核心要求。 课堂小结 板书设计 跨学科实践活动3 水质检测及自制净水器 一、调查参观——水的净化 沉降 → 过滤 → 吸附 → 消毒 → 蒸馏（净化程度由低到高） 分离思路：分析成分 → 寻找性质差异 → 选择分离方法 自来水仍是混合物 二、水质检测 感官指标：色度、浑浊度、臭和味、肉眼可见物 pH：6.5～8.5　　　TDS：越小越好 三、动手制作——自制净水器 先大后小：小卵石 → 石英砂 → 活性炭 → 蓬松棉 家用净水器：PP棉 → 活性炭 → PP棉 → RO 反渗透膜（0.1～1 nm） 随堂练习 1. 某学习小组制作的净水器如图，关于该净水器的说法正确的是（ ） A. 能把自来水变成纯净物 B. 能除尽水中的可溶性杂质 C. 能除去水中的色素和异味 D. 净水时水最后流经小卵石 【答案】C 【解析】简易净水器只能除去部分不溶性杂质并吸附色素和异味，得到的水仍是混合物，A、B 错误；其中的活性炭可吸附色素和异味，C 正确；水从上方倒入，先流经上层的小卵石，最后流经下层的蓬松棉，D 错误。 2. “中国水周”期间，学生制作了简易净水器，其中主要用于吸附水中色素的材料是（ ） A．小卵石　　B．石英砂　　C．活性炭　　D．塑料瓶 【答案】C 【解析】活性炭疏松多孔、吸附性强，可吸附水中的色素和异味；小卵石、石英砂起过滤作用，塑料瓶作装置外壳。 3. 如图所示是某化学兴趣小组设计的可视化净水装置，下列说法正确的是（ ） A. 将水加压水分子变小更有利于净水 B. 活性炭的作用是过滤和吸附 C. 可视化装置可用塑料瓶或玻璃瓶等材料 D. 该净水装置得到的水是纯净水 【答案】B 【解析】加压不能使水分子本身变小，A 错误；活性炭层既能截留固体颗粒，又能吸附色素和异味，B 正确；净水装置需要承压，一般选用透明且耐压的塑料瓶，玻璃瓶受压易破裂，C 错误；该装置得到的水仍含可溶性杂质，属于混合物，D 错误。 4. 如图所示净水器。 （1）根据方案中的装置，用小刀去掉饮料瓶瓶底，倒放，在饮料瓶中依次放入小卵石、_____________、棉花，每种物质间用纱布隔开，每放一层都稍稍压实。瓶盖上打孔，插入一段吸管。 （2）将河水从净水器上方倒入，在下方放一个烧杯。 【观察现象】吸管处有水流下，接在烧杯中的水无色、透明。 【反思评价】 （3）河水通过小卵石、细沙、棉花的过程相当于实验操作中的______。 （4）为使净水效果更好，你的建议是______________________________________。 【答案】（1）细沙、活性炭　（3）过滤　（4）将出水口留小一点（或水流慢一点，其他合理答案均可） 【解析】填充时应按“先大后小”的顺序：小卵石→细沙→活性炭→棉花，各层用纱布隔开并稍稍压实；水通过层层滤料的过程相当于过滤操作；减慢水流速度可延长水与滤料的接触时间，从而提高净水效果。 教学反思 本节课以“如何获得安全的饮用水”这一真实问题驱动，用“调查参观—水质检测—动手制作”三条主线串联跨学科实践，实现了化学、生物学、物理、地理多视角的融合。教学以 GB 5749-2022 国家标准和湘江水样检测为真实情境，让学生体会到化学知识在保障饮用水安全中的实际价值；通过“分析成分—寻找性质差异—选择分离方法”的思维框架，把零散的净水方法整合为可迁移的方法论，突出了教学重点；自制净水器的“设计—制作—展示—评价—优化”闭环，则让学生完整经历一次工程实践，初步体会科学、技术、工程融合解决问题的过程，突破了教学难点。 实践中也暴露出一些问题：一是部分小组急于动手，设计图流于形式，后续需在设计环节增加小组互评，强化“先设计后制作”的工程习惯；二是 TDS、pH 等指标概念较抽象，个别学生只关注数据大小而不理解其健康含义，需要结合具体数值作生活化解释；三是课时偏紧，评价优化环节往往被压缩，可考虑把部分检测与制作前置为课前任务，或利用课外活动时间完成迭代改进。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $