设计家用净水机
作者：魏威1 赵瑛1 张博涵1 郭晓丽2 魏锐3 沈瑾3 谢丽娟4
（1. 北京联合大学；2. 北京市海淀区教师进修学校；3. 北京师范大学；4. 北京市玉渊潭中学）
水是维持生命和新陈代谢必不可少的物质。随着生活水平的提高，我们对饮用水的需求也越来越多元化。家用净水机在满足对饮用水多元化需求方面起到了非常重要的作用，已逐渐成为千家万户的生活必需品。为此，有必要引导学生通过项目式学习深入认知净水机的工作原理。本案例属于“开展调查、产品设计类”科技创新项目式学习。
三、活动设计
项目导引：开启项目活动
在项目导引部分中，共设计了3个活动。
活动1. 调查居民对饮用水的需求
学生调查现实生活中的饮用水，了解真实的饮用水种类情况；通过在线探究，了解不同种类饮用水的制作工艺和优点。在活动中，学生可以使用问卷等调查形式，对当地居民的饮用水现状开展调研，了解居民主要喝哪种类型的饮用水，以及居民选择喝该种饮用水的原因，从而引导学生思考“自来水是否能够满足用户的饮用需求？家里是否有必要安装净水机？家用净水机是如何净化水的？你期望的家用净水机是怎样的？”学生带着思考的问题开启项目。
活动2. 明确任务与主要环节 通过自主思考与小组讨论，让学生思考项目开展的必要步骤，并在组间进行讨论，通过学生自主讨论、教师引导的形式逐步展开项目主要任务和环节，确保项目活动规范且有序开展。
活动3. 制订进度计划 在学生明确目标与方向后，由教师提供支架，小组成员间进行交流研讨，针对小组项目制订实施计划，最终各小组敲定实施方案并实施。
图 2 “项目导引”活动设计 [ 制订进度计划 ]
任务１. 论证安装家用净水机的必要性
通过项目导引中提出的“自来水是否要净化”问题，展开项目活动。在本任务中，设计了3个活动。
活动1. 寻找安装家用净水机必要性的证据
利用头脑风暴，教师引导学生寻找是否有必要安装家用净水机的证据，学生在探究过程中进行自主调查分析，并探究水质对健康的影响。学生通过调查饮用水的卫生标准、比较当地的自来水与纯净水等多维度调研，从多角度进行知识探究。在学生调研后，教师引导学生亲自实践，使用TDS笔检测自来水与纯净水的数值，探究不同状态下，两种水的TDS数值差异，让学生在实验中更直观地感受自来水与纯净水之间的区别。在此项实验中，学生可以得到水质差异的直接经验。
活动2. 引导学生开展调查，收集不必要安装家用净水机的证据
学生通过市场或网络等不同途径调查净水机的价格、性能与口碑等数据，并对数据进行整理分析。同时开展科学求真探索的活动：一些推销净水机的销售人员使用两根铁钉电解自来水，发现自来水变黄、出现墨绿色或红褐色不溶物，以此证明自来水不干净，这个实验是否科学？通过教师的引导，学生会认识到这是伪科学，从中获得更真实的知识与体验。
活动3. 研讨安装家用净水机的必要性
通过之前搜集到的证据与居民对饮用水的需求调研，学生之间开展充分的交流研讨，从口感、卫生程度、安全健康、方便快捷性、性价比等维度进行思考，最终得出客观结论。
图 3 任务 1 活动设计
任务2. 探究家用净水机的工作原理
任务2包含2个活动。
活动1. 家用净水机的市场调研
通过实际产品提供项目式学习支架，教师提供净水机拆解视频，引导学生学习、了解净水机的内部构造及各核心部件，学生学习后进行组内交流研讨，初步形成家用净水机设计方案。然后学生进行市场调研，了解市面净水机的核心系统和其他系统组成。在调研后，学生对市面上净水机的净水核心系统、压力系统、电力系统、装备系统、外围设计等具备直接经验，形成调研报告，并交流汇报。
图 4 任务 2 活动设计
活动2. 探究净水核心系统的工作原理
在本活动中，通过丰富的实验模拟为学生提供学习途径，学习共分4个部分进行。①教师引导学生进行模拟过滤净水实验。在开始实验模拟之前，教师展开交流研讨，让学生交流讨论生活中常见的过滤实例，学生结合教师提供的资料卡片，思考过滤的原理。在实验过程中，学生量取相同体积的2份污水，分别用不同规格的滤纸进行过滤，观察不同孔径滤纸的过滤效果，获得过滤的直接经验。②学生探究膜技术净水原理。在过滤实验基础上，通过教师提供的丰富的资料卡片，学生了解膜技术的作用，以及各类膜的实际过滤效果。③探究反渗透净水原理。学生通过制作半透膜，探究渗透作用，理解渗透技术的实质，然后引出反渗透的原理。为让学生更好地理解渗透与反渗透之间的关系，本活动设计了角色扮演的趣味活动环节，请学生戴上不同的帽子，分别饰演水分子、病毒、颗粒杂质、半透膜、RO膜与压力等角色，从而体验渗透与反渗透的关系，趣味活动环节后，学生交流讨论收获与体会。④探究活性炭吸附净水原理实验。在实验中分别向2个烧杯中加入等量的水，分别滴等量的红墨水，再分别加入等量的不同种类的活性炭，学生通过观察，发现不同种类的活性炭净水效果的差异，由此获得关于活性炭的直接经验。在开展4项不同的实验探究后，学生将对净水机核心系统的构造，以及净水机的分级净化工作原理有较深层次的了解。
任务3. 设计你的家用净水机
学生通过前2个任务的学习，了解了安装家用净水机的必要性，掌握了净水机的净水原理，在本任务中，学生将通过3个活动亲自设计一台家用净水机。
活动1. 净水核心系统设计
学生根据设计需求和设计对象进行头脑风暴，反复交流研讨，通过流程图的形式表达自己设计的净水机经过哪些除杂技术，并能够进行阐述。在动手实践的过程中根据教师提供的材料，制作模拟反渗透装置，攻克核心系统的技术难关，并思考该核心系统的创新与解决的问题。
活动2. 完善电力系统和装备系统等其他系统的设计
在小组间交流研讨中确定实现目标。
活动3. 外围设计
在基本实现了家用净水机的功能后，完成美化色彩、外观装饰、自由设计等要素，最终完成家用净水机的设计方案。
图 5 任务 3 活动设计
交流展示：呈现你的设计方案
本项目中，教师通过提供资料，让学生能够获得对净水机设计方案呈现方式的感性认识，并与小组成员交流目标受众，组内交流并呈现设计方案的目标。明确目标后，教师引导学生选取呈现内容，学生以表格形式完成交流研讨，通过交流研讨的形式确定索要展现的内容主题与视听表达方式。在全部准备完毕后，通过交流展示的形式与大家进行交流，通过多元评价的方式收获反馈。
图 6 “交流展示”设计
四、项目特色与使用建议
本项目适用于小学高年级学生，具备探究与团队协作能力、热爱科学实验、能够积极参与调研活动的学生都可以参与。本项目的特色与使用建议如下。
项目实践与科学素养相融合
本项目可以锻炼学生的实践操作能力，项目包含丰富的探究与实验活动，包括检验自来水和纯净水的水质、过滤净水、自制半透膜、探究半透膜渗透作用、活性炭吸附等实验；更有渗透与反渗透的角色扮演活动，旨在让学生经历科学知识的自主建构过程，提升学生的科学素养。本项目中科学素养导向的小学科学项目式设计适合应用到相关小学科学课程的设计与教学中，便于小学教师了解有关科学素养导向的小学科学项目式教学设计，对小学生科学素养的培养提供可供参照的实施路径。
项目领域与多个学科相融合
不同于传统的科学课程，本项目涵盖化学、工程设计、信息技术等多个学科，充分发挥了项目式学习在多学科融合方面的特色，同时也突出了真实体验方面的特点。
项目内容与现实生活相融合 通过从人们日常要喝的饮用水的角度出发，调研居民对饮用水的多元化需求，从而引出并探究净水机的工作原理，最终设计属于自己的家用净水机。学生在项目的参与中能够综合运用多个不同领域的方法解决现实生活中的问题，并从生活实践中积累科学知识。当下传统的讲授式教学方式更注重知识的传授，不利于学生科学素养的培养。而本项目从日常生活中的饮用水入手，覆盖了调研、实验、讨论、实践等多维度目标，更有利于科学探究、科学态度，以及科学、技术、社会与环境等教学目标的实现。
凸显教师的辅助作用
首先，教师应提供及时的科学知识支撑。在项目推进过程中，学生会遇到未接触过的内容，而教师则提供方法导引及资料卡片，让学生能够理解知识，有助于后续的实验操作。其次，教师应强调科学的实验流程。在项目实验前，教师应积极引导学生规范操作，纠正实验动作，不仅可以避免因操作不当引起的意外事故，更能培养学生严谨的科学态度与科学探究精神。在实验结束后，教师引导学生养成及时整理实验报告、对实验现象进行解释的好习惯。最后，教师应鼓励学生的探究精神。在交流研讨或分享活动中，教师对于学生的想法应给予肯定，在小学高年级阶段，学生的独立意识开始增强，每个学生的想法可能都不尽相同，而教师正向的反馈有助于激发学生的探究欲望，提高学生的参与热情，最终提高学生的科学素养。
参考文献
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[2] 崔玉川．饮水是健康之本知识问答（第二版）[M].北京.化学工业出版社，2021．
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[4] 曹喆，钟琼，王金菊．饮用水净化技术[M].北京.化学工业出版社，2018．
（本案例为北京师范大学科学教育研究院、中国科协青少年科技中心联合开展的“科创项目式学习示范课程开发”课题研究成果，课题主持人为魏锐、郑永和，魏锐系本文通讯作者；同时为北京联合大学教育教学研究与改革项目“科学教育专业学生的工程思维培养探索与实践”研究成果，课题负责人为魏威；感谢陈征、曾筝等为本案例开发提供的指导与帮助）
全文完
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内容编辑 | 孟想
来源 | 《中国科技教育》2024-1
一校 | 孟想
复校 | 刘科
终校 | 朱志安