魏威　趙瑛　張博涵等

水是維持生命和新陳代謝必不可少的物質(zhì)。隨著生活水平的提高，我們對飲用水的需求也越來越多元化。家用凈水機在滿足對飲用水多元化需求方面起到了非常重要的作用，已逐漸成為千家萬戶的生活必需品。為此，有必要引導(dǎo)學(xué)生通過項目式學(xué)習(xí)深入認知凈水機的工作原理。本案例屬于“開展調(diào)查、產(chǎn)品設(shè)計類”科技創(chuàng)新項目式學(xué)習(xí)。

項目簡介

本項目的核心驅(qū)動問題是“如何喝到干凈、安全的飲用水？”圍繞驅(qū)動問題，在項目式學(xué)習(xí)活動中，學(xué)生通過生活經(jīng)驗與調(diào)研，論證家用凈水機的必要性，探究家用凈水機的工作原理，了解凈水機的核心系統(tǒng)，進行頭腦風(fēng)暴并思考解決問題的方式，進而對應(yīng)項目的核心任務(wù)：設(shè)計出自己的家用凈水機。

結(jié)合項目驅(qū)動問題，應(yīng)考慮以下方面內(nèi)容。

重視“看到”的情境 學(xué)生在生活中對日常飲用水有一定的了解，通過本項目活動可使學(xué)生對各類飲用水的水質(zhì)等數(shù)據(jù)有更直接的了解，且這些數(shù)據(jù)在生活中較為常見，易于收集。

強調(diào)“實踐”的過程 學(xué)生通過對各類飲用水的調(diào)研，引出居民對飲用水的多元需求，從而引出家用凈水機。學(xué)生通過一系列自主探究，探究凈水機的整體系統(tǒng)構(gòu)成，了解核心部件的工作原理及部件的內(nèi)部組成，設(shè)計并研發(fā)家用凈水機的核心凈水系統(tǒng)，以及個性化的外圍系統(tǒng)。不僅能夠調(diào)動學(xué)生積極探索項目的興趣，更能夠在規(guī)劃過程中提高學(xué)生解決實際問題的能力。

培養(yǎng)“論證”的思路 在學(xué)生探究的同時，需要針對其設(shè)計出的方案進行展示，展示內(nèi)容可以包括飲水的多元化需求、核心系統(tǒng)設(shè)計的原因和想法等方面，要鼓勵學(xué)生以不同的形式進行展示，例如海報、手抄報、3D 模型等，在小組討論并精心思考后，制訂出一套學(xué)生認為可行的家用凈水機設(shè)計方案。

項目規(guī)劃

在開展“設(shè)計家用凈水機”項目時，針對問題解決邏輯，可以通過核心驅(qū)動問題分解出3 個子問題：自來水是否需要凈化，家用凈水機怎樣凈化水，以及家用凈水機怎樣設(shè)計。學(xué)生需要對3 個子問題進行調(diào)研，在調(diào)研過程中，從自來水是否需要凈化的條件出發(fā)，引出家用凈水機，并思考其凈水原理與設(shè)計思路，對家用凈水機的認識形成初步概念。為了實現(xiàn)進一步探究，這3 個子問題還對應(yīng)相應(yīng)的任務(wù)，讓學(xué)生在探究中明確“設(shè)計家用凈水機”的核心任務(wù)。而為了完成核心任務(wù)，需要對家用凈水機的必要性進行論證，并探究家用凈水機的工作原理，學(xué)生在子任務(wù)的指引中明確最終目標。為了引導(dǎo)學(xué)生，可以對子任務(wù)再次進行分解，使學(xué)生明確探究方向，通過逐步完成任務(wù)，得到對應(yīng)的子產(chǎn)品，最后將子產(chǎn)品有機結(jié)合形成最終產(chǎn)品，即凈水機的設(shè)計方案。根據(jù)項目規(guī)劃設(shè)計，本項目由5 部分組成，分別是“項目導(dǎo)引”、3 個子任務(wù)與“交流展示”。

活動設(shè)計

項目導(dǎo)引：開啟項目活動

在項目導(dǎo)引部分中，共設(shè)計了3 個活動。

活動1. 調(diào)查居民對飲用水的需求 學(xué)生調(diào)查現(xiàn)實生活中的飲用水，了解真實的飲用水種類情況；通過在線探究，了解不同種類飲用水的制作工藝和優(yōu)點。在活動中，學(xué)生可以使用問卷等調(diào)查形式，對當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬘盟F(xiàn)狀開展調(diào)研，了解居民主要喝哪種類型的飲用水，以及居民選擇喝該種飲用水的原因，從而引導(dǎo)學(xué)生思考“自來水是否能夠滿足用戶的飲用需求？家里是否有必要安裝凈水機？家用凈水機是如何凈化水的？你期望的家用凈水機是怎樣的？”學(xué)生帶著思考的問題開啟項目。

活動2. 明確任務(wù)與主要環(huán)節(jié) 通過自主思考與小組討論，讓學(xué)生思考項目開展的必要步驟，并在組間進行討論，通過學(xué)生自主討論、教師引導(dǎo)的形式逐步展開項目主要任務(wù)和環(huán)節(jié)，確保項目活動規(guī)范且有序開展。

活動3. 制訂進度計劃 在學(xué)生明確目標與方向后，由教師提供支架，小組成員間進行交流研討，針對小組項目制訂實施計劃，最終各小組敲定實施方案并實施。

任務(wù)１. 論證安裝家用凈水機的必要性

通過項目導(dǎo)引中提出的“自來水是否要凈化”問題，展開項目活動。在本任務(wù)中，設(shè)計了3 個活動。

活動1. 尋找安裝家用凈水機必要性的證據(jù) 利用頭腦風(fēng)暴，教師引導(dǎo)學(xué)生尋找是否有必要安裝家用凈水機的證據(jù)，學(xué)生在探究過程中進行自主調(diào)查分析，并探究水質(zhì)對健康的影響。學(xué)生通過調(diào)查飲用水的衛(wèi)生標準、比較當(dāng)?shù)氐淖詠硭c純凈水等多維度調(diào)研，從多角度進行知識探究。在學(xué)生調(diào)研后，教師引導(dǎo)學(xué)生親自實踐，使用TDS 筆檢測自來水與純凈水的數(shù)值，探究不同狀態(tài)下，兩種水的TDS 數(shù)值差異，讓學(xué)生在實驗中更直觀地感受自來水與純凈水之間的區(qū)別。在此項實驗中，學(xué)生可以得到水質(zhì)差異的直接經(jīng)驗。

活動2. 引導(dǎo)學(xué)生開展調(diào)查，收集不必要安裝家用凈水機的證據(jù) 學(xué)生通過市場或網(wǎng)絡(luò)等不同途徑調(diào)查凈水機的價格、性能與口碑等數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行整理分析。同時開展科學(xué)求真探索的活動：一些推銷凈水機的銷售人員使用兩根鐵釘電解自來水，發(fā)現(xiàn)自來水變黃、出現(xiàn)墨綠色或紅褐色不溶物，以此證明自來水不干凈，這個實驗是否科學(xué)？通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生會認識到這是偽科學(xué)，從中獲得更真實的知識與體驗。

活動3. 研討安裝家用凈水機的必要性 通過之前搜集到的證據(jù)與居民對飲用水的需求調(diào)研，學(xué)生之間開展充分的交流研討，從口感、衛(wèi)生程度、安全健康、方便快捷性、性價比等維度進行思考，最終得出客觀結(jié)論。

任務(wù)2. 探究家用凈水機的工作原理

任務(wù)2 包含2 個活動。

活動1. 家用凈水機的市場調(diào)研 通過實際產(chǎn)品提供項目式學(xué)習(xí)支架，教師提供凈水機拆解視頻，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、了解凈水機的內(nèi)部構(gòu)造及各核心部件，學(xué)生學(xué)習(xí)后進行組內(nèi)交流研討，初步形成家用凈水機設(shè)計方案。然后學(xué)生進行市場調(diào)研，了解市面凈水機的核心系統(tǒng)和其他系統(tǒng)組成。在調(diào)研后，學(xué)生對市面上凈水機的凈水核心系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、裝備系統(tǒng)、外圍設(shè)計等具備直接經(jīng)驗，形成調(diào)研報告，并交流匯報。

活動2. 探究凈水核心系統(tǒng)的工作原理 在本活動中，通過豐富的實驗?zāi)M為學(xué)生提供學(xué)習(xí)途徑，學(xué)習(xí)共分4 個部分進行。①教師引導(dǎo)學(xué)生進行模擬過濾凈水實驗。在開始實驗?zāi)M之前，教師展開交流研討，讓學(xué)生交流討論生活中常見的過濾實例，學(xué)生結(jié)合教師提供的資料卡片，思考過濾的原理。在實驗過程中，學(xué)生量取相同體積的2 份污水，分別用不同規(guī)格的濾紙進行過濾，觀察不同孔徑濾紙的過濾效果，獲得過濾的直接經(jīng)驗。②學(xué)生探究膜技術(shù)凈水原理。在過濾實驗基礎(chǔ)上，通過教師提供的豐富的資料卡片，學(xué)生了解膜技術(shù)的作用，以及各類膜的實際過濾效果。③探究反滲透凈水原理。學(xué)生通過制作半透膜，探究滲透作用，理解滲透技術(shù)的實質(zhì)，然后引出反滲透的原理。為讓學(xué)生更好地理解滲透與反滲透之間的關(guān)系，本活動設(shè)計了角色扮演的趣味活動環(huán)節(jié)，請學(xué)生戴上不同的帽子，分別飾演水分子、病毒、顆粒雜質(zhì)、半透膜、RO 膜與壓力等角色，從而體驗滲透與反滲透的關(guān)系，趣味活動環(huán)節(jié)后，學(xué)生交流討論收獲與體會。④探究活性炭吸附凈水原理實驗。在實驗中分別向2 個燒杯中加入等量的水，分別滴等量的紅墨水，再分別加入等量的不同種類的活性炭，學(xué)生通過觀察，發(fā)現(xiàn)不同種類的活性炭凈水效果的差異，由此獲得關(guān)于活性炭的直接經(jīng)驗。在開展4 項不同的實驗探究后，學(xué)生將對凈水機核心系統(tǒng)的構(gòu)造，以及凈水機的分級凈化工作原理有較深層次的了解。

任務(wù)3. 設(shè)計你的家用凈水機

學(xué)生通過前2 個任務(wù)的學(xué)習(xí)，了解了安裝家用凈水機的必要性，掌握了凈水機的凈水原理，在本任務(wù)中，學(xué)生將通過3 個活動親自設(shè)計一臺家用凈水機。

活動1. 凈水核心系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生根據(jù)設(shè)計需求和設(shè)計對象進行頭腦風(fēng)暴，反復(fù)交流研討，通過流程圖的形式表達自己設(shè)計的凈水機經(jīng)過哪些除雜技術(shù)，并能夠進行闡述。在動手實踐的過程中根據(jù)教師提供的材料，制作模擬反滲透裝置，攻克核心系統(tǒng)的技術(shù)難關(guān)，并思考該核心系統(tǒng)的創(chuàng)新與解決的問題。

活動2. 完善電力系統(tǒng)和裝備系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的設(shè)計 在小組間交流研討中確定實現(xiàn)目標。

活動3. 外圍設(shè)計 在基本實現(xiàn)了家用凈水機的功能后，完成美化色彩、外觀裝飾、自由設(shè)計等要素，最終完成家用凈水機的設(shè)計方案。

交流展示：呈現(xiàn)你的設(shè)計方案

本項目中，教師通過提供資料，讓學(xué)生能夠獲得對凈水機設(shè)計方案呈現(xiàn)方式的感性認識，并與小組成員交流目標受眾，組內(nèi)交流并呈現(xiàn)設(shè)計方案的目標。明確目標后，教師引導(dǎo)學(xué)生選取呈現(xiàn)內(nèi)容，學(xué)生以表格形式完成交流研討，通過交流研討的形式確定索要展現(xiàn)的內(nèi)容主題與視聽表達方式。在全部準備完畢后，通過交流展示的形式與大家進行交流，通過多元評價的方式收獲反饋。

項目特色與使用建議

本項目適用于小學(xué)高年級學(xué)生，具備探究與團隊協(xié)作能力、熱愛科學(xué)實驗、能夠積極參與調(diào)研活動的學(xué)生都可以參與。本項目的特色與使用建議如下。

項目實踐與科學(xué)素養(yǎng)相融合 本項目可以鍛煉學(xué)生的實踐操作能力，項目包含豐富的探究與實驗活動，包括檢驗自來水和純凈水的水質(zhì)、過濾凈水、自制半透膜、探究半透膜滲透作用、活性炭吸附等實驗；更有滲透與反滲透的角色扮演活動，旨在讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)知識的自主建構(gòu)過程，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。本項目中科學(xué)素養(yǎng)導(dǎo)向的小學(xué)科學(xué)項目式設(shè)計適合應(yīng)用到相關(guān)小學(xué)科學(xué)課程的設(shè)計與教學(xué)中，便于小學(xué)教師了解有關(guān)科學(xué)素養(yǎng)導(dǎo)向的小學(xué)科學(xué)項目式教學(xué)設(shè)計，對小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)提供可供參照的實施路徑。

項目領(lǐng)域與多個學(xué)科相融合 不同于傳統(tǒng)的科學(xué)課程，本項目涵蓋化學(xué)、工程設(shè)計、信息技術(shù)等多個學(xué)科，充分發(fā)揮了項目式學(xué)習(xí)在多學(xué)科融合方面的特色，同時也突出了真實體驗方面的特點。

項目內(nèi)容與現(xiàn)實生活相融合 通過從人們?nèi)粘Ｒ鹊娘嬘盟慕嵌瘸霭l(fā)，調(diào)研居民對飲用水的多元化需求，從而引出并探究凈水機的工作原理，最終設(shè)計屬于自己的家用凈水機。學(xué)生在項目的參與中能夠綜合運用多個不同領(lǐng)域的方法解決現(xiàn)實生活中的問題，并從生活實踐中積累科學(xué)知識。當(dāng)下傳統(tǒng)的講授式教學(xué)方式更注重知識的傳授，不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。而本項目從日常生活中的飲用水入手，覆蓋了調(diào)研、實驗、討論、實踐等多維度目標，更有利于科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度，以及科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境等教學(xué)目標的實現(xiàn)。

凸顯教師的輔助作用 首先，教師應(yīng)提供及時的科學(xué)知識支撐。在項目推進過程中，學(xué)生會遇到未接觸過的內(nèi)容，而教師則提供方法導(dǎo)引及資料卡片，讓學(xué)生能夠理解知識，有助于后續(xù)的實驗操作。其次，教師應(yīng)強調(diào)科學(xué)的實驗流程。在項目實驗前，教師應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范操作，糾正實驗動作，不僅可以避免因操作不當(dāng)引起的意外事故，更能培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度與科學(xué)探究精神。在實驗結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成及時整理實驗報告、對實驗現(xiàn)象進行解釋的好習(xí)慣。最后，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生的探究精神。在交流研討或分享活動中，教師對于學(xué)生的想法應(yīng)給予肯定，在小學(xué)高年級階段，學(xué)生的獨立意識開始增強，每個學(xué)生的想法可能都不盡相同，而教師正向的反饋有助于激發(fā)學(xué)生的探究欲望，提高學(xué)生的參與熱情，最終提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。