半岛官网入口网页版活动DIY]工程设计与效果 ——一个水过滤实例

　　半岛官网入口网页版活动DIY]工程设计与效果 ——一个水过滤实例在这个活动中，学生要设计、建造和测试水过滤系统，并从饮用水源中去除模拟的污染物。这个活动是将工程设计很好地融入中学科学课堂的范例，它作为水循环单元的一部分，在6年级的科学课上开展，它向学生提供了一个绝佳的机会学习人类的用水是如何进入水循环系统的。

　　将储藏于湖泊、河流及地下的水进行净化是为人类提供饮用水源的必要步骤。在进行这项活动之前，学生们应该对水循环有一个大致的了解。他们应该理解有关水循环的一般过程：蒸发将水中的污染物去除，并通过降水将干净的水再放回循环中。同样重要的是，他们要明白降水储存于河流、湖泊和海洋之中，而且进行直接饮用是不安全的。

　　这项活动的第一个步骤便是用一种学生能领悟的方式向他们说明这项设计问题。首先要让学生参与关于环境工程的课程讨论，讨论中应包括有关环境工程师在做什么的具体实例。对学生来说，环境工程可定义为：应用科学和工程原理来解决重大的环境问题，以此为人们提供一个安全干净的生活环境。讨论将涉及到学生们日常生活的相关活动，如垃圾处理、淋浴、使用卫生间，甚至于呼吸空气等都和环境工程师们的职责联系在一起了。重点强调的是环境工程师们处理的最重要的议题之一——处理饮用水。环境工程师们有责任确保其设计的水处理厂能提供安全的水，而不仅仅是干净的水。

　　学生需要说明安全水源和干净水源的差别。干净的水是指水看起来是透彻干净的。而被视为安全的水应该是无污染物的，污染物包括那些若是摄入将会对造成伤害的化学物质。由于很多有害的污染物是无色的，还有些污染物因为体积太小，除了用显微镜之外不能被肉眼所察觉。因此，干净的水可能并不安全。

　　以下的一些示例问题可能会推动讨论的进行：①首先除去什么物质湖泊中的水才能成为饮用水？②有哪些污染物是无色的，或者体积小到肉眼无法看到，但却是有害的，以至于你不愿意去饮用的？③为何湖泊水净化如此重要？

　　还可以提出能帮助学生更好地理解水处理、水循环及工程设计之间的关系的问题。以下是一些与此方面相关的示例问题：①饮用水从哪里来？②确定我们在水循环的哪个步骤中汲取饮用水。③如果降水是“干净的”，那我们为什么还要在饮用前先对其进行水处理呢？④环境工程师是如何帮助水循环的？

　　当学生根据以上的讨论充分确定了现有问题时，就可以向全班同学提出导入问题：“环境工程师是如何去除水中的污染物，让水成为安全的饮用水的？”

　　从这之后，教师要求学生把自己当成环境工程师来开展活动。他们被告知：Beaufort镇需要他们的帮助来去除饮用水中的有害杂质，有害杂质是用红色食用色素与自来水混合来模拟的。学生需要建造1个过滤器（特别是过滤器中的介质），尽可能地去除水中的红色，以便最后向全镇的居民提供安全的饮用水源。

　　之所以选择红色的水是因为它易于制作，对学生来说操作安全，并且能够让学生对过滤器的性能进行实时的视觉观察（观察颜色的变化）。像泥浆和垃圾（例如碎纸）等无害而普遍的杂质虽然没有在本活动中应用，但是它们同样可以加入到需要被处理的水样本中。

　　在确认问题之后和开始进入初始设计阶段之前，学生要独立完成一份活动前决策工作表（见图表2）。此工作表旨在通过学生回答3个有关去除污染物的基本问题的思维过程来对每个学生进行评测。

　　●第2个问题关注过滤的过程半岛.体育 (中国) 官方网站，学生需要在没有形状、尺寸或材料的约束条件下，画出1个过滤器。这个过程提升了学生对于约束条件的自我认同（比如哪种材料有利于从水中过滤出污染物）。

　　●第3个问题，需要学生解释为什么他们认为自己设计的过滤器能够发挥作用。与第2个问题相似，这个问题也在激励学生明确什么是成功的设计的标准。同样重要的是，该问题的答案能反映出学生认为什么会导致设计的失败或阻碍设计的成功。

　　在学生独立完成他们的决策工作表后，被分成4〜6人组成的小组。他们被告知工程师必须在固定的预算内进行设计，每组分到50美元作为资金。50美元的总预算是根据购买足够的过滤材料的花费来计算的。

　　有以下4种材料可供购买：活性炭（4美元／克），沙（2美元／克），砾石（1美元／克）和棉球（1美元／个）。根据南卡罗莱纳大学的初步过滤实验，这些材料构建的过滤器能去除水中99%的红色。

　　要求每组必须达成组内一致，绘出1张过滤器的草图，并制订1个可行的小组预算计划。作为要对选择1种方法（步骤6）达成共识的过程的一部分，学生必须基于新的约束条件（即可用的过滤材料和相关的成本材料）来考虑步骤2和步骤3。然后每组将提出总的想法（步骤4），并探索其可能性（步骤5）。

　　在每个小组向教师提交了过滤器的草图和预算支出计划后，只要其设计在预算范围内，他们就可以开始称量、采购所需材料了。

　　所需材料的质量根据每组设计的过滤器而各有不同。基于对这一环节的预算限制和注射器的最大容量，预期每个过滤器最多能装入12克活性炭、25克沙、10克砾石和5个棉球。

　　学生在小组内通力合作构建出他们设计的过滤器的物理模型。应向学生提供引导，告诉他们如何在注射器内构建过滤器，并且组装起来以便测试。图表3是一个过滤器的样例，图表4中列举了所需的材料。学生还要在所提供的工作表（图表5）中画出他们设计的过滤器。

　　之所以选择塑料注射器作为过滤器的搭建容器，是因为塑料注射器较为便宜，并且注射器上的体积刻度能帮助学生画出有刻度的过滤器设计图。干净的塑料杯、药瓶也可以作为过滤器容器，使用哪种过滤器容器取决于所希望的过滤器的体积大小，并且这样的容器要能使水缓慢地流过整个过滤器容器。

　　每个过滤器都会接受将200毫升红色的水流过注射器的测试，并用1个小瓶收集流出的水。学生在佩戴化学护目镜的条件下，按照自己选择的速率将液体加入到过滤器中。然而，过滤器的设计和材料装填方式经常限制了过滤器中液体的流速。过滤器中材料压得越紧实，液体的流速就越慢，一般的过滤时间在1〜15分钟之间。

　　有3种评判过滤器效果的方式，而每种方式都有不同的时间和材料需求（见图表6）。教师可根据自己学校的实际情况选择不同的方式。

　　过滤器测试在小组间带动了一种有趣而又有意义的竞争，这让学生能一直投入其中。它鼓励学生比较各种不同的过滤器，并且思考为什么某些过滤器比其他的过滤器工作得更好。事实上，过滤器没能去除很多污染物也是在学习设计的过程中不可避免的，这也会促使学生去思考他们该如何改进或纠正自己的设计。为了实现这一学习过程，学生要回答他们的设计是否成功，并给出理由（图表5）半岛.体育 (中国) 官方网站。

　　在这个阶段，学生们已经意识到过滤材料的效果并不相同，但是还不知道为什么会是这样半岛.体育 (中国) 官方网站。为了进一步完善设计，学生们必须重新回到步骤4和步骤5，考虑哪种材料的效果最好及其原因。

　　为了激发这一讨论，用“怎样判断哪种材料效果最好”这样的问题来询问学生。这个问题可以在课堂讨论中呈现，或者，如果愿意，教师可以要求每个学生或学生小组准备一个书面的回答。

　　这个问题旨在引导学生去开展简单的吸附实验（比如，红色染料对于固体材料的附着）。教师给每个小组提供5个100毫升的玻璃广口瓶，并且指导他们用4克的某种物质（沙、砾石或是活性炭）来分别填充进3个广口瓶，同时将棉球装入另一个广口瓶。学生们测量出20毫升红色溶液装入每一个广口瓶，并用盖子盖上。剩余的那个广口瓶将作为控制组而装入20毫升的红色溶液。在准备这些实验条件时，教师询问学生有关实验流程的一系列问题（比如：什么是控制，因变量是什么），然后他们必须准备1个吸收实验工作表（如图表7）。

　　在下一堂课，每组同学将用评估过滤效果的技术来测量每个广口瓶的液体颜色。内含活性炭的广口瓶中的液体基本上是干净的，其吸光度值非常低（小于0.2）。内含沙和砾石的广口瓶中的液体仍然保留着较多的红色，反映了红色染料并未明显被消除。内含棉球的广口瓶中的液体被完全吸收了，但红色却没有从液体中被去除。

　　在得到了吸附实验的结果后，学生们将回答没有棉球的3个广口瓶中的“红色染料去哪儿了”这一问题。为了帮助学生理解如何去回答这个问题，引入、定义并描述了“吸附”和“表面积”这2个术语。通过课堂讨论对活性炭、沙和砾石的表面积进行了对比。

　　讨论之后学生们需要回答一个实验工作表上的问题（见图表7），这个问题将鼓励他们去思考如何应用从吸附实验中得到的新知识。

　　接下来各个小组被要求使用新知识，在50美元的预算之下，利用同样4种材料来重新设计他们的过滤器。学生将流出溶液的颜色与他们设计的第1个过滤器的测量结果进行比较（使用图表6中的某项技术）。再设计的过滤器往往会更加成功，因为其中的大多数都比原先设计的过滤器使用了更多的活性炭。

　　●第2个问题，让学生讨论他们的过滤器结构是如何从最初的过滤器草图变化而来的，这需要学生们反思他们的学习。

　　还可以进一步完善决策表，以使对学习的确认和评价更为明确，决策表中可包括以下问题：什么是吸收率（或浓度）？什么是吸附？什么是分光光度计？什么是比表面积？

　　本活动为学生提供了一个了解工程设计的机会，在学生学习工程设计及了解环境工程师在社会中角色的过程中，为他们提供了培养解决问题及批判性思维能力的机会。学生获取了水处理及有关吸收的核心知识，并且学到了活性炭和比表面积在水处理过程中的重要性。

　　本活动案例改编自《中国科技教育》杂志2015年第4期NSTA专栏文章。中国青少年科技辅导员协会会员可登录杂志网站下载全文。返回搜狐，查看更多