真实情境下的水处理主题教学设计与实践*

张爱平 朱栓平

“贴近生活，服务社会”成为化学教育改革的重要指导思想。而实践应用、拓宽课堂教学内容，既能够增强学生探究和思考化学问题的兴趣，又能够提高学生应用化学知识解决实际问题的能力。水处理专题涉及知识范围较广，其独特的实验研究方法和操作技术辐射在中学化学多个模块知识中，具有很强的实践性和应用性，对学生深入理解和应用化学知识起着非常重要的作用。同时，通过专题拓展知识和实验动手的有机结合，既能加强学生对基础知识的理解，又能培养学生分析问题和解决问题的能力。

北京师范大学燕化附中开展水处理主题教学由来已久，继北京教育学会“十一五”教育科研规划课题—“北师大燕化附中化学校本课程的开发与实践”以来，通过化学组、生物组教师持续多年对燕山地区水环境和环保主题教育资源的开发总结，陆续改版并最终出版了校本教材《水中探幽——燕山地区水环境与水化学》《生命之源——燕山地区水质的生物学探究》《石化科技实践课程——燕山水生态》，同时在威立雅牛口峪生态中心建成了“北京师范大学燕化附中环保教育基地”，保证学校学生有计划地开展环保及污水处理实践教学。基于以上历史积累，学校通过与北京师范大学魏锐博士团队合作，进一步凝练出“培养学生可持续发展素养”的育人目标，深度开发地域资源并整合学科资源，进行课程设计和教学实践，努力构建一个结构合理、内容丰满、可行性强的水处理主题课程体系。

一、专题设计 整合资源 建构学生对水处理的全景式认识

1.从水循环角度认识水处理的重要性

自工业革命以来，大量含有高浓度有机物和无机物的水被排放到自然水体中，打破了水体的自然循环生态，人类对水循环的干预越来越多：大量的水被应用，也导致人类用水的成本大大增加，这就是水危机产生的根源，而水处理作为危机防治的基本措施已经受到人类的普遍关注。

水处理从水循环利用的角度出发，利用化学、生物等学科的基础知识和工程技术手段，对水质进行检测、改进和提高，以满足工农业和生产生活需要，实现水的良性循环和经济社会的可持续发展。水处理在水循环中的重要性可如图1所示。

图1 水处理在水循环中的重要作用示意图

2.从学科知识角度认识多样化的水处理技术

水处理是实用性很强的教学内容，高中化学教材中所介绍的都是最基本的污水处理技术。其实，针对不同类型的污水、不同的净化要求等可以选择的处理方法很多，有物理法、物理化学法、化学法、生物化学法等，其中蕴含丰富的化学、生物等知识，可以作为很好的拓展知识素材使用，同时也是渗透环保意识和绿色化学思想的良好契机。

表1 水处理技术涉及的多学科知识素材

结合具体污水处理流程(如图2所示)讲解拓展知识，能开阔学生视野，使学生的知识结构更加完善和合理化，并激发学生的学习热情和求知欲，同时进一步加深其对学科基础知识的理解。

图2 北京市燕山威立雅牛口峪污水处理基本流程

二、通过分析水中除杂的方法 引导学生从多角度认识复杂问题

1.应用分类法对水中杂质进行系统梳理

自来水或工业、生活污水都是复杂混合物，从化学角度认识其组分是进行除杂的前提；按照树状分类法要求，引导学生对水中杂质进行系统梳理，培养学生的发散与归纳的思维能力，既是对学科分类知识的实际应用，又有助于训练学生严密的逻辑思维，为后续污水检测和处理做好铺垫。

表2 污水中常见杂质分类汇总

2.了解不同的水处理指标及其检测原理

水处理就是通过物理或者化学的方式去除水中的杂质，为了适应不同需要进行水质处理的方式。最常见的水处理是生活饮用水处理以及污水处理，水处理的效果需要通过水质的标准进行衡量，不同用途的水有不同的标准，而水处理也要根据水源的不同采取不同的处理工艺。学生对某些水处理指标，如pH值、含氧量等的原理已经有了一些基本认识，需要引导学生按照系统逻辑思路将多类方法梳理，便于学生对水的检测指标有个概貌似的总体认识，无论对其学科知识应用还是科学素养提升都有益处。

表3 污水中常见杂质检测指标及方法

水质分析可以作为很好的教学素材，原理囊括化学中常用的滴定分析(氧化还原滴定、络合滴定、酸碱滴定、沉淀滴定)、色度分析、电化学分析方法，对比介绍可让学生对化学学科的分析检测有一个概貌认识和了解。

3.结合实例对比分析常见的水处理技术及其特点

水是生产、生活常用介质和资源，不同的应用对水质的要求不一样，其前期处理所需要的技术指标也有很大区别。教学中可引导学生选取某个水技术，参考不同技术标准，了解学科知识服务于人类的不同处理特点和价值取向，无论对提升学生科学素养、生活品质或是对增进学生对学科知识的深入理解都很有帮助；同时通过分析原理，并指导工艺及设计，可以培养学生的创新思维和实践能力。

表4 污水中常见杂质的去除方法及处理后水的应用

三、还原真实情景中的水处理技术 体验解决实际问题的工艺策略

1.校企合作开展实践教学 提升学生实践能力

校企合作是提升学生实践能力的重要渠道。充分利用各种机会到污水处理厂去了解水处理工艺流程，找到理论知识与工艺应用的具体结合点，如隔栅的过滤作用，曝气池和氧化沟除厌氧菌，加氯间的消毒工艺等。教学内容和工程实践紧密结合，使课堂教学更加生动，感性认识和理性认识相互促进，在激发学生兴趣的同时，加深了他们对理论知识的理解，也培养了他们解决实际问题的能力。

图3 学生到污水处理厂学习

2.动手制作不同水处理设备 培养学生工程素养

工程素养是以利用和改造世界为目标的工程实践过程中所表现出来的综合能力，它包含非技术的成分，如团队协作精神和市场效益、安全和绿色环保意识等；它使工程的创造性、现实性、科学性和艺术性得以集中体现，同时能让工程得以经济、清洁、高效的付诸实践。自制净水器的实验，就要求学生综合运用除杂原理(吸附、过滤等)、结合各类实验设备和器材的特点，开展动手设计的课程，我们采取过3种层次的教学，分别模拟地壳岩层过滤、家用桶装饮用水过滤和工业膜处理3种工艺，制作过程中鼓励学生开启发散性思维，以产品开发的思路去要求和动手制作，体验过程中关注工程素养的培养。

表5 三种水处理装置的制作及教学实践

3.采用微型化实验套装开展教学 渗透绿色化学思想

微型化学实验的优点是节省实验经费，操作安全，污染小，节省实验时间。但微型实验中规范操作难度较大，误差较大，实验现象的可见范围小等特点，让学生自制微型实验仪器和实验的替代品，从而培养学生观察和立足生活实际的意识，提高动手和就地取材的能力，同时开阔了学生的思维，激发了学生的兴趣。

图4 学生在课堂上使用微型化学实验套装模拟各类化学反应

另外，化学实验的绿色化是指通过一些有效措施使化学实验对实验场所和环境的污染降低到最低限度。微型实验的选取，尽可能避免涉及毒性较大物质参与或生成的实验，尽量选择污染小的实验方法和实验装置，同时所需化学试剂量也大大降低。

四、构建多学科交叉的主题课程 按照固定课时开展教学实践

通过前期调研地域资源，研讨国家课程、校本课程及地域资源的有机结合，整合水处理相关教学资源，根据知识和能力递增顺序，按不同学科领域和专题设置，构建由知识网络自学、视野拓展讲座、自主调查汇总、实验室动手、企业实践等组成的系列课程。并在高一、高二按照固定课表开展教学实践。

表6 不同专业领域主题实践活动简介

五、结语

水处理专题实验教学内容围绕水质分析和污水净化两大主题展开，涉及的化学、物理、生物等学科知识极为丰富，很多素材学生耳熟能详，但是不能系统认知。因此，在教学中，更应该着重于让学生梳理零散知识，建立对水处理的概貌认识；同时，在实验过程中，引导学生站在化学学科的角度，理解不同方法所蕴含的化学原理和知识，同时体会从知识到技术加工所需要解决的实际问题，唤醒和培养学生应用所学知识保护水资源的意识及能力。

[1]仇静.多样化水处理技术实用教学设计[J].数理化解题研究,2014(5):77.

[2]孟立新.应用水的处理教学设计[J].化学教学,1995(5):30-31.