STEAM课程设计：水，到处都是水，可是没一滴能喝（1）

STEAM课程设计：水，到处都是水，可是没一滴能喝（2）

第三课时：最后的挑战

在最后这个课时里，学生们会将自己所学到的知识用于水的净化。同时，他们还会完成自己的故事，希望每个学生的故事最后都能够有一个好的结局。

教学材料

花盆土或普通的泥土

自来水

烘焙苏打

盐

《净水挑战》复印件

上一个课时中所使用的塑料饮料瓶

大部分人会把拥有干净的水当作是一件理所当然的事情，然而不幸的是，这个世界上还有很多人（包括很多在美国生活的人）没有那么幸运。就算是那些平日里拥有可靠水源的人，有时候（比如在一场自然灾害之后，或在一次用时超出预期的登山过程中）也会发现自己陷入无水可用的窘境。

在这种情况下，如果知道获取干净水的方法的话，就能派上大用场，而在本课中，学生们将探索的，就是获取干净水的方法。学生们将会学习净化水过程中的科学，并且还会自己设计一款净水器，这款净水器可以完成整个净水过程中的部分环节。在这一过程中，学生们还会了解变量的分离和迭代设计的相关内容。

在本课结束前，学生们会相互交流自己所学到的内容，分享科学知识，帮助班上每一个人做好知识储备。在课堂进行的过程中，学生们还会利用所学知识，完成叙述写作任务，主题是《世界上最渴的人》，希望学生们所创作的故事能够有一个好的结局。

课前准备

尽管在这一课时中，你不会用到很多新材料，但可能经过前两课时，有一些材料已经所剩无几甚至完全用完，所以在课前一定要检查材料剩余情况，需要的话要及时补充。另外，你还需要准备一些新东西：首先，神秘的泥土（需要大量的泥土；其实就是将土或泥跟水混合在一起）。在课前事先用pH试纸或卷心菜汁指示剂对泥土混合物进行检测（如果pH值为7，也就是说卷心菜汁指示剂保持颜色不变的话），可以往混合物中加入烘焙用苏打使其变成碱性。最后，你需要将盐和水简单混合，制成浓盐水备用。理想的浓盐水应该闻起来就非常咸。

挑战（10分钟）

将《净水挑战》分发给学生们（你可以多给学生几份，这样他们可以进行多几次实验），然后告诉学生们，他们将用盐水、橙汁和神秘的泥土来测试自己的过滤器，他们的目标是尽可能将水净化，越清澈越好。净化标准应该符合他们所知道的每一个标准。

（在本教案的前两个课时中，学生们曾做过pH值测试和盐分测试。另外，他们之前还从有关絮凝的视频中了解过浑浊度——液体的浑浊程度。学生们可以在《净水挑战》中找到上面这些水质参数，同时，如果学生们提到任何其他的水质参数的话，也可以根据该参数对水进行相关测试，作为评价水质的一个参考。）

水净化（30分钟）

引导学生就他们在上节课中所学到的知识进行讨论。给学生们大概10分钟的时间思考净水的策略并制作一个过滤器。学生们应该完整地记录下这个过程，以及自己是如何制作相应设备的。在学生们完成任务之后，可以根据《净水挑战》上面的内容，对自己的过滤器进行测试。

在本环节结束之前，他们能够进行越多次不同的实验，效果越好！不过，可能学生不会有那么多的时间，因为混合溶液通过过滤器，慢慢滤出净化后的液体是需要时间的，而且有一些溶液在经过某些过滤器的时候，速度非常慢。

提高净化效果（20分钟）

在上面的环节结束后，给学生一点时间，讨论一下什么过滤器的效果最好。哪些过滤器在过滤各种不同的混合溶液的时候，都能够收到比较好的效果？哪些过滤器能够较为高效地净化水中的酸和碱，或者是水中含有的粘性物质？学生们在听完各自的分享之后，应该借助在讨论中获得的信息，制作一个改良版的过滤器，然后对这个过滤器进行测试！

终极测试及回顾讨论（20分钟）

这一次学生们所制作的过滤器功效可能非常理想，其中可能有一些能够除去水中悬浮的大部分杂质，而且可能还有一些能够通过某种方式中和水中所含的酸和碱。同样，再次就哪些过滤器效果好，哪些效果不太好进行讨论，毕竟，有一种物质可能没有哪一种过滤方法可以将其去除，这种物质便是盐。

在课堂接近尾声的时候，跟学生们强调，目前他们所掌握的净水方法并不是完美的。当然，这些方法非常有用，但是仅仅使用这些方法，并不能够去除水中所有杂质。

在上面的环节中，我们也曾提到，通过过滤很难将盐从溶液中分离出来——而对于气候干燥的沿海地区（如澳大利亚）来说，这可是一个非常重要的课题。另外一种比较难用过滤来处理的杂质是微生物。可能学生们还记得，在之前关于絮凝作用的视频中，曾提到过滤（特别是在配合絮凝剂使用的时候）可以减少微生物，但是有没有什么办法可以彻底去除水中的微生物呢？又有什么办法可以将水中的盐全部分离出来呢？如果学生们有办法，鼓励学生与全班同学一起分享自己的想法。

不管怎样，让学生们知道，稍后你将会尝试一些可能的解决问题的方法，不过他们接下来首先要进入的，还是写作环节，他们将利用所学来继续他们的故事写作。

世界上最渴的人：一个更好的结局（15分钟）

等等！让你的学生给自己的《世界上最渴的人》创作另外一个故事结局，让主人公拥有更好的命运！可能主人公找到了更可靠的水源，又或者学会了如何净化水。为了让自己的叙述更加立体，学生们可能需要描写故事的主人公是如何脱离之前缺水窘境的。

你可以跟学生们说，就像有些DVD影片可以选择故事的结尾一样，他们也要给故事多写几个结局，或者，你还可以说，学生们写的这些结局，就好像是《选择你的冒险历程》故事中提供给读者的不同选择一样，这样说，学生可能会比较容易理解。

结束环节（20分钟或以上）

如果学生们想要分享一下自己的写作成果的话，他们可以利用现在剩余的一点时间（不过考虑到学生作品的篇幅，可能最好还是稍后再进行分享，或者你可以举办一个发布会来让学生发表自己的作品）。接下来，让我们一起回到盐和微生物的问题上。

首先，关于微生物，问问学生，一般来说，他们会用什么方式来杀死细菌？如何将这一方法应用于水中？可能会有学生说到一些化学消毒剂，你可以告诉学生们确实市面上有一些化学消毒片售卖（类似的用于处理污水的化学药品在售卖露营用品的商店里就可以买到，这些药品的主要原料很多是碘，所以碘其实也可以单独用来处理污水）。学生们可能还会说可以将水煮沸。

告诉学生，让水保持沸腾状态1分钟（在海拔高的地区可能需要3分钟）是除去微生物的一种非常好的办法，这也是美国环境保护局所提倡和建议的方法。另外一种除去微生物的办法是在水中加入几滴漂白剂。（尽管用于净水的漂白剂的量非常小，我们还是不建议老师让学生们喝下含有漂白剂的水。）

如果你想的话，你也可以给学生们演示一下前面我们提到的几种净水方法，不过这几个净水实验看起来都没那么有意思，跟水沸腾差不多，所以你也可以跳过这一环节。至于盐——问问学生，哪里可以找到咸水？（答案十有八九会是海洋。）

哪里又可以找到淡水？学生们可能会说一些内陆的水源，比如江河湖之类的，但是江河湖的水又是从哪里来的呢？我们希望大部分学生能够意识到这些水大部分来自雨水。那雨水又是从哪里来的呢？从地表水和地下水中来。雨水中的水之前是否曾是咸水？

可能在小学的时候，学生们已经接触和学习过关于水循环的知识了，在回答上面这些问题的时候，学生们的答案大多是由那时学到的内容得出的。告诉学生，当水蒸发的时候，盐会留在液体中，学生们可以将这种净水方法融入自己的故事或者探险中。

如果你愿意的话，你还可以直接给学生们看一些关于蒸馏水的视频。不过，如果你让学生们进行头脑风暴，自己想出一种蒸馏水的方法的话，对学生来说可能会更有意思一些。

在介绍了以上这些净化水的不同方面之后，重新回到第一课时中那个关键的问题：我们怎么知道水是干净的呢？我们知道，蒸馏水基本上是不含任何盐分的，在自然界水循环过程中也有类似蒸馏的环节（我们也用盐分测试器对此进行了检测）。所以，学生们或许可以从本系列课堂以及自然环境中的水净化过程找到类似的净水方式！

在讨论的过程中，一个关键问题就是，大自然是如何对水进行净化的？通过对这一问题的讨论，我们可以知道哪些关于干净水源的知识？为了让学生在情境中消化本课的所有内容，并且对本课进行一个收尾总结，问问学生，本系列课程的学习，对于自己野外生存（或者在农村生活）是否有所帮助？充分肯定学生学到的内容，然后鼓励学生们继续进行调查研究。毕竟，在面对一些大的全球性挑战的时候，只有对STEM学科不断地进行探索，我们才能够发现更好的解决方法。

酸、气体和水

在课堂上，我们发现学生们对测试各种材料的pH值很感兴趣。他们首先对液体材料进行了测试，随后也将一些固体材料溶解于水中进行测试（如：盐、烘焙苏打）。时间允许的话，你还可以为学生们进行以下演示：让学生们看看，他们还可以将自己无法看见的物质溶于水中，并借此改变溶液的pH值，这里所说的无法看见的物质便是气体！

将1汤勺蒸馏水和1茶匙卷心菜汁指示剂混合成溶液，并准备一根吸管。将吸管的一头插入溶液中，另外一头含在嘴里。注意，你不是要用吸管来喝混合溶液。（当然，你想的话也可以喝，没有关系，因为混合溶液其实就是比较稀的卷心菜汁。）

相反，你是要借助吸管，往混合溶液里面吹气，一边吹气，一边让学生们仔细观察溶液有什么变化。吹了一会儿之后，溶液应该在颜色上会有细微的变化，可以看到溶液的颜色更接近酸性那一端（也就是醋那一端）溶液的颜色，可能学生们看到的是溶液由紫色变成粉紫色。

想想看，如果你往一种碱性溶液（烘焙苏打粉溶液那一端的溶液）中不断吹气的话，可能会发生怎样的情况？（注意：如果你允许学生们在课堂上自己进行这项实验的话，一定要提醒学生，如果因为连续吹气而开始感到头疼的话，一定要停下来休息一下。）

你可以向学生们提出类似这样的问题：如果你将眼前这杯粉红色的混合液放在敞口容器中在室外静置一夜，第二天早上，这杯混合液会是什么颜色的？为什么？你认为，如果将容器盖上盖子的话，会不会有什么不同呢？当二氧化碳溶于水的时候，会变成一种弱酸。这其实也是酸雨形成的原因。而像可口可乐这一类的碳酸饮料之所以呈酸性，也是因为这个原因。往大了说，正因为大气中二氧化碳含量的增加，我们海洋的酸性才日益加剧。

你可以用pH试纸对可口可乐进行测试，先测量刚开瓶的可口可乐的pH值，然后摇动可乐瓶，释放一些原本溶解于可乐中的二氧化碳气体，之后对其pH值进行再次测量，比较两次测量的结果。

很多气体都能够溶解于水。生活在水中的动植物跟生活在地面的动植物一样，需要进行呼吸，而这个过程同样涉及到氧气和二氧化碳。当然，并不是说作为人类的你也可以在水中自由地进行呼吸。如果你一头扎进水里的话，你很有可能会溺水，因为人类的肺无法从水中获得足够的氧气（而且，水会对肺产生不利影响，导致肺无法正常工作）。很多生活在水下的生物拥有独特的器官——鳃，这让这些生物能够在水下获得足够的氧气，以维持正常的生命活动。

拓展写作及STEM活动

如果还有时间的话，你可以进行一些拓展的写作活动和STEM活动。

关于拓展写作部分，你可以让学生们写一篇公益广告，用于告诫民众饮水不洁可能导致的一系列后果，借此来练习信息写作技巧。另外还有一些其他可能的公益广告话题也可以让学生们进行写作：哪里可以找到清洁水源；为什么在灾难发生之后，饮水安全可能会成为隐患（水利设施损坏导致很多地方可能会出现水污染，等等。）

如果还需要其他灵感的话，你可以在网上查找干净水源的相关公益广告，挑选一些你觉得有意思的话题，让你的学生也写一写相关的内容！（你不需要给学生们看你找到的公益广告。）至于STEM活动部分，你可以让学生们制作一个完整的净水系统。当然了，过滤环节将会是整个系统的中心环节。学生们可以自己试着用明矾进行絮凝实验，试试看要用多少明矾比较合适。

如果想要让学生进行一个与工程学密切相关的任务的话，还可以让你的学生设计一个脱盐系统（脱盐其实就是将盐从水中分离的过程，将咸水变成可供饮用的淡水）。（如果想要让挑战难度更上一个台阶的话，你可以不给学生看任何太阳能蒸发器或蒸馏法的演示或者视频。）注意，学生们也可以通过本课《STEM课外探究：蒸馏脏水》活动来对脱盐的过程进行探索。

除了以上提到过的步骤，水净化过程中还有很多步骤可供学生们去探索研究，其中，曝气就是一个比较容易操作的净水环节。通过曝气，可以去除水中的气体（例如：二氧化碳和像氨气这一类危害比较大的气体）。此外，还可以通过化学沉淀法，让水中一些危险的杂质（如重金属）更容易经由滤的方法去除。

如果之前做过《酸、气体和水》活动，有向学生展示向水中吹气的实验的话，要给学生展示曝气这一净水步骤就容易得多。如果之前没有做过的话，可以利用时间做一下。完成实验之后，问问学生，关于碳酸液体，他们有没有什么经验？一定会有学生提到自己曾经试过猛摇碳酸饮料瓶。当摇晃或搅拌碳酸液体的时候二氧化碳会（快速）从液体中分离出来。为了让学生更直观地理解这一点，你可以检测碳酸水的pH值，然后取少量碳酸水，装入塑料小瓶中，用力摇晃后再一次进行pH值测量。学生们可以用塑料碳酸饮料瓶或者储存食物的容器等密封性比较好的容器来进行曝气实验。

关于烘焙用苏打和食醋的探索实践

在本课时中所用到的所有材料都是厨房中比较常见的。尽管这些材料都不会很危险，不用特别注意，但是这些材料能够发生一些化学反应（而且一旦进入眼睛，会让你的眼睛感到不适）。所以，在这里，最好还是强调一下基本的化学实验注意事项。为了安全起见，为学生们准备手套和护目镜，并且叮嘱学生不要吃或喝任何东西。同时，保证良好的通风效果。

如果你愿意的话（不过，如果不是非常有经验的实验老师的话，我们还是不建议进行这样的实验的），你可以给学生提供更多的化学试剂，让学生们进行实验，包括家用的一些清洁剂，比如氨水（但千万不要为学生提供漂白剂，或者任何含有漂白剂的清洁剂，因为同时使用漂白剂会发生一些危险的化学反应），在使用的过程中一定要注意安全。

正因为这些家用清洁剂相对来说还是比较危险的，所以一定要遵守美国科学教师协会（NSTA）的安全指导。（关于氨水，我们建议用水稀释其浓度，或者使用类似温迪斯Windex等牌子的清洁剂，尽量减少因为气味而造成的不适。同时，借此机会，再次提醒各位老师：不要使用漂白剂或者任何其他含有漂白剂成分的清洁剂。当漂白剂与氨水混合的时候，会生成一种有毒气体。）

在前面基本实验中所用到的烘焙用苏打和食醋，其实是常见的火山科学实验中的最重要的实验材料。烘焙用苏打和食醋会相互反应，产生大量的泡沫（这两者的反会产生二氧化碳气体，因而产生大量的气泡）。

如果不想课堂上一片狼藉的话，你也可以禁止学生将这两者混合，不过如果条件允许的话，最好还是让学生去做一做这个实验——需要注意的是，不管是往醋中加入苏打，还是往苏打中加入醋，学生们都应该缓慢加入。

通过这个实验，学生们可以了解到有一些溶液的pH值是跟纯水一样的。如果你决定允许你的学生进行这个实验，在学生们自己动手之前，最好先给学生们做一遍示范，让学生们了解这个反应的现象，这样，学生们自己在做实验的时候，心里就会有底。指导学生在实验过程中一定要多加注意，而且要科学地进行实验。

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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