资源简介

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“降酸”行动--
STEM跨学科废水处理方案设计
学科：化学（沪教版） 年级：9年级
环节1：情境导入（问题驱动）
酸性废水之痛
pH=1.5的废水年排放量为200万吨时，治理成本要300万/年
思考：如何设计经济、环保、高效、低耗的跨学科酸性废水的处理方案？
稀硫酸模拟酸性废水

环节2：知识构建（反应原理）
2.1 化学方法：酸碱中和的奥秘
2.2 物理方法：气浮法
2.3 生物方法：植物修复
2.1 化学方法：酸碱中和的奥秘
2.1.1 选择哪些中和剂较为合理？回忆酸的化学性质。
酸与碱：
酸与氧化物：
酸与盐：
H SO + Ca(OH) =
H SO + CaO =
H SO + CaCO =
不选NaOH的原因：成本高、处理效果不佳、安全性差、腐蚀设备
CaO + H O = Ca(OH)
CaSO + 2H O
CaSO + H O
放热反应
CaSO + CO ↑ + H O
2.1 化学方法：酸碱中和的奥秘
2.1.2 处理酸性废水时如何控制加入中和剂的节点，才能让pH达标？
教师演示数字传感器
万能指示剂
pH值比色卡
2.1 化学方法：酸碱中和的奥秘
pH变化趋势：
温度变化趋势：
如何控制加药节点？
自动化控制+分阶段投加+实时监测
先慢后快再慢。
偶有下降，
总体上升。
处理硫酸厂废水时，应选择
温馨提示：处理硫酸厂废水时，需兼顾效率、成本、可控性、温度、pH达标、
环境影响以及法规合法性等因素。
石灰水还是石灰乳？
生石灰还是石灰石？
设计定性、定量实验验证上述两个猜想。
环节3：实践探究（设计方案）
石灰乳 vs. 石灰水：
生石灰 vs. 石灰石：
悬浊液的高固体含量确保持续供碱，克服溶解度限制，
提升处理效率。
快速反应、强碱性、无气体副产物，使生石灰成为更优选择。
“降酸”能手：
定性实验方案：
向等体积的酸性废水中加入等体积的石灰水和石灰乳，比较处理效果。
定量实验方案：
向等体积的酸性废水中加入等质量的生石灰和石灰石，比较处理效果。
物理法：气浮法（利用粘附作用、气泡浮力）
教师用AI生成气浮动画，学生操作实验
气泡过大（>100 um）：上浮速度快，黏附效率低易导致水流扰动，破坏絮体。
气泡过小（<10um）：上浮速度慢，可能无法携带污染物升至水面。
通过减压阀释放气泡，可生成 20-50 um 的微气泡，效率高，应用最广。
生物法：植物修复
实际应用联系
超富集植物：如蜈蚣草（吸收砷）、向日葵（吸收铅、铀），用于矿山废水修复。
人工湿地：利用水生植物（如芦苇、香蒲）吸收重金属和有机物。
48小时后的效果
环节3：实践探究（执行方案）
任务一：利用NB实验室、腾讯元宝完成下列四个小实验。
①比较等质量的CaO和CaCO3处理等体积的酸性废水的效果。
②比较等体积的石灰水和石灰乳处理等体积的酸性废水的效果。
③模拟气浮法处理废水中的悬浮物。
④模拟超富集植物吸附废水中的重金属离子。
任务二：多维度评价上述方案。
学生操作投屏展示
石灰水处理的效果
石灰乳处理的效果
24小时后
30分钟后
6小时后
生石灰效率高
氧化钙处理的效果
碳酸钙处理的效果
多维评价 核心关注维度 石灰水 石灰乳 生石灰 石灰石 物理气浮法 植物修复
工艺工程师 反应效率及能耗
安全工程师 操作风险与合规性
环保工程师 是否绿色环保
成本分析师 高或低
研发科学家 技术创新性
废水治理应多方法运用，多技术协同，多学科交叉，可持续治理。
低
低
无污泥
低
无
中
中
污泥产量大
低
优化配方
高
高
污泥产量极大
较低
利用余热
极低
极低
产生CO2
低
研究微生物催化
高
高
绿色
最高
纳米气泡
极低
极低
最绿色、占地大
最低
转基因植物
作业：拓展任务
1.废水处理经济成本计算题：见导学案
2.某工厂因忽略“CO2排放”被罚款50万，你能设计方案避开这个坑吗？

习 语 回 响
习 语 回 响“降酸”行动-一-STEM跨学科废水处理方案设计
2025.5.22
学生导学案
班级：
姓名：
实验小组：
【学习目标】
1.通过复习不同物质（碱、氧化物、盐）与酸性废水的反应，掌握相关反应方程式的书写。
2.通过传感器技术分析数据解释反应速率和中和效果的关系形成基于证据的推理能力。
3.基于实验结论，设计经济高效的废水处理方案，综合评估反应效率、成本控制及环保性，
体现工程实践中多维度权衡的思维方法。
4.通过计算中和剂用量、处理成本及经济效益，构建数学模型优化方案，评估可行性并解决
实际问题。
【课前准备】
知识回顾：中和反应方程式(HS04+Ca(OH)2→？)
仪器及试剂：稀硫酸（模拟酸性废水）、B实验室中的石灰水、石灰乳、石蕊试剂、万能指
示剂、Ca0粉末、CaC03粉末、CuS04溶液、豆芽种子（生物法）、烧杯、胶头滴管等。
【课堂活动】
环节一：情景导入（问题驱动）
观看视频：酸性废水的危害及处理方法
思考：
问题①：如何设计经济高效且环保的处理方案？
环节二：知识建构（化学原理）
酸与哪几类物质反应？（完成下列方程式）
酸与碱：
H2S04+Ca(0H)2
酸与氧化物：H2S04+Ca0→
酸与盐：
H2 S04 +CaC03
问题②：为什么工厂不用Na0H做中和剂？
问题③：处理酸性废水时，如何控制加入中和剂的节点，才能让pH达标，避免过调？
教师演示：数字传感器实验
1
向酸性废水中加入碱溶液，温度
(升高/降低)，说明中和反应
(放热/吸热)。
观看视频：处理后的废水，pH达到
可以排放，废水处理时温度最好控制在
环节三：探究实践(NB实验室)
1.化学法对比实验：液态中和剂
问题④：处理酸性废水时，应用石灰水还是石灰乳合适？
学生实验1：石灰水vs石灰乳对决
实验方案：
①取两支试管，各倒入10m1稀硫酸溶液并滴加1滴石蕊指示剂。
②向其中一支试管中加入5m1石灰水，观察溶液颜色的变化。
②配置5m1石灰乳，加入另一支试管中，观察溶液颜色的变化。
记录实验现象：
实验步骤
滴加1滴石蕊
加入5m1石灰水后
中和效果（良好/不
佳)
稀硫酸（用石灰水中
无色溶液变
为
和)
色
溶液为
色
何
稀硫酸（用石灰乳中
无色溶液变
偏
和)
色
溶液变为
色
爱
石灰乳？反应速率
成本
结论：降酸战士“石灰水”
vs“石灰乳”的对决，
胜出。
化学法：固态中和剂
问题⑤：处理酸性废水时，应用生石灰还是石灰石更合适？
学生实验2：生石灰Vs石灰石对决
实验方案：
①取两支试管，各倒入10m1稀硫酸溶液并滴加1滴石蕊指示剂。
②将一药匙生石灰和石灰石分别加入两支试管中，并振荡。
③观察溶液颜色的变化。
记录实验现象：
2教学设计
学科 化学 年级 9 课型 新授课 设计者 李红
课题 “降酸”行动--STEM跨学科废水处理方案设计 课时 1
课标要求 一、知识目标： 1.掌握酸的性质及中和反应原理（课标要求：能解释酸碱中和在实际中的应用）。 2.了解金属回收的化学方法（如置换反应）（课标要求：认识金属资源保护的重要性）。 二、能力目标： 1.能设计简单实验探究废水处理效果（如pH调节、沉淀分离）（课标要求：初步学会科学探究的方法）。 2.能结合多学科知识分析问题（课标要求：发展综合运用知识的能力）。 三、情感态度与价值观： 认识酸性废水处理的紧迫性，形成绿色化学观念（课标要求：增强社会责任感）。
教学重点 1. 酸性废水的危害及处理必要性 结合工业案例（如矿山废水），分析其对环境和健康的危害。 2. 传统与新兴处理技术的化学原理* 中和反应（如石灰处理法）、重金属回收、吸附原理（活性炭/纳米材料）。 3. 跨学科思维的应用 整合化学、生物、物理等学科知识，设计综合性解决方案。
教学难点 1.跨学科知识的迁移与整合 学生缺乏系统思维，难以自主关联不同学科技术（如微生物修复与化学沉淀的结合）。 2.实践方案的设计与优化 从理论到实际应用的转化（如成本、效率、环保性的权衡）。
教学方法 项目式教学、情境教学、数字仿真、实验探究、案例辩论、分层任务单等
实验资源 NB实验室的试剂：万能指示剂、稀硫酸（0.2%）、氢氧化钙溶液（0.17%）、石灰乳、硫酸铜溶液（1%）、蒸馏水等。仪器：pH传感器、25ml烧杯、50ml烧杯、250ml烧杯、胶头滴管、玻璃棒等。
实验设计与创新点 选择颜色变化明显的pH指示剂（即万能指示剂）代替教材中的常规指示剂：
由于广泛pH试纸的精确度不高，只能测出整数值。而且石蕊试液和酚酞试液的变色不够丰富。选择用万能指示剂测量溶液pH值的变化，颜色变化明显，易于观察，而且精确度高于pH试纸。跨学科问题链设计，从化学问题（pH调节）→ 环境问题（生态影响）→ 工程问题（方案优化）→ 社会问题（成本与环保平衡），形成递进式探究链条。 利用数字化实验设备采集数据和专用软件的分析功能，提供丰富的实验数据和直观的图形展示，使反应过程可视化。4.利用NB实验室，在跨学科酸性废水处理教学中的核心价值在于：通过安全、低成本、高灵活性的虚拟环境，打破学科壁垒，培养学生系统性思维与创新能力。借助AI技术实现让学生操作气浮法，生物法处理废水的实验：由于无法在化学实验室实现产生微米级、纳米级的气泡，无法实际操作气浮法处理废水的实验。教师利用AI技术，使用腾讯元宝生成脚本并运行，让学生当场操作模拟气浮法、生物法处理废水的实验，增强学生的参与意识，快速学习新工具并适应技术迭代，突破传统路径，探索技术的新应用，培养学生的跨学科整合思维。5.理论与实践相结合。学会运用课本上的知识解决生活中的真实问题。以“处理酸性废水时实际上应加入石灰水还是石灰乳，加入生石灰粉还是大理石较为合适？”为问题情境，让学生设计实验进行求证。通过定量的对比实验，引导学生从溶解度、反应速率的角度分析，得出处理酸性废水应加入石灰乳和生石灰粉的结论。让学生意识到理论与实际相结合的重要性，培养了学生解决实际问题的能力。
核心素养目标 1.通过复习不同物质（碱、氧化物、盐）与酸性废水的反应，掌握相关反应方程式的书写 。2. 通过传感器技术分析数据解释反应速率和中和效果的关系形成基于证据的推理能力 。3. 能设计对比实验，分析不同中和剂的效率、污泥量及环境影响，培养科学探究能力。4.基于实验结论，设计经济高效的废水处理方案，综合评估反应效率、成本控制及环保性，体现工程实践中多维度权衡的思维方法，跨学科整合能力。4. 通过计算中和剂用量、处理成本及经济效益，构建数学模型优化方案，评估可行性并解决实际问题。5.理解废水治理的可持续性发展意义，提出绿色解决方案，培养社会责任感。
教学过程
教学环节 本节课题以“工业废水的危害以及处理方法”为问题主线，以“探究稀硫酸和氢氧化钙溶液反应时pH的突变”为情境基础，展开处理酸性废水的多学科项目式学习，实现跨学科的整合。使用NB实验室和腾讯元宝实现虚拟实验教学，课堂上教会学生灵活运用AI技术，培养多种关键思维能力和综合素养，提高解决复杂问题能力。环节一：如何设计经济高效且环保的处理酸性废水的方案？【创设情境】同学们，习主席提出了绿水青山就是金山银山的核心理念。在发展工业的同时，必须注重环境保护，坚持可持续性发展，坚持生态文明。工业生产过程中产生的废水对环境有什么危害？应该如何处理？观看短视频“工业废水对环境的危害与多种处理方法”。【学生思考】观看视频，寻找答案
1.工业废水危害非常严重，处理成本也较高。
2. 请你化身环保专家，设计一个经济、环保、高效、低耗的多学科酸性废水的处理方案。
学生由视频得出结论：可以分别用化学、物理、生物的方法多学科协同治理。环节二：知识构建(化学原理)【酸的性质】酸与哪几类物质发生反应？酸性废水的处理原理：H2SO4+Ca(OH)2=CaS04+H2OH2SO4 +CaO =CaS04+H2O H2SO4 + CaCO3> =CaS04++CO2+H2O1.为什么选这几种中和剂，而不用其他的试剂？2.处理酸性废水时，如何控制加入中和剂的节点，才能让pH达标，避免过调？【观看视频】学生感知酸碱中和过程中pH的突变点。【教师演示实验】数字传感器测pH及温度的变化。【深度思考】学生根据教师用pH传感器绘制出的曲线，分析pH曲线变化的情况。【学生猜想】根据刚才的探究，向稀硫酸中加入氢氧化钙溶液的实验时，一共加入了 51 滴，前50滴溶液一直是橙色，之后再加入一滴，溶液迅速变为蓝色，由此得出结论，溶液的 pH 曲线变化应该是先慢后快再慢。【设计意图】培养学生的数形结合和数据分析能力。【深度思考】学生根据教师在大屏幕上展示的温度变化的曲线，分析实验过程中数据有微小异常（温度降低）的原因是什么？【数形结合】根据温度传感器测出的数值，绘出的温度变化图像，呈上升趋势。在中和反应的过程中，每滴入的一滴新的稀盐酸溶液都起到冷却降温的作用，所以温度上升的曲线呈锯齿状，而不是一条平滑的曲线。【设计意图】培养学生的宏微结合、数形结合和数据分析能力以及科学严谨的实验态度，对实验过程中的异常现象不能忽视。【观看视频】工业废水在处理的过程中对温度和pH是有要求的，不能过高，也不能过低。【结论】加药节点的控制：实时监测+分阶段投加+自动化控制【创新之处】因为石蕊试液和酚酞试液的变色不够丰富，按照教材配制的溶液浓度偏低，石蕊和酚酞颜色变化不明显，因此，为学生提供灵敏度更高、颜色变化更明显的万能指示剂代替常规指示剂。学生根据指示剂的变色范围设计实验步骤。
【特色亮点】使用pH、温度传感器，双线融合，揭示本质：同步追踪 pH 曲线（突跃特征）与温度曲线（放热变化），直观展现“量变到质变”，破解传统实验“只观现象、难析本质” 的痛点。 技术赋能，突破认知：传感器实时采集数据，将不可见的离子浓度变化与反应热转化为可量化、可对比的动态图像，强化科学实证思维。 问题驱动，层层递进：设计问题，引导学生分析曲线差异，自主构建关联模型。 精设计：数据曲线将抽象概念具象化，适配新课标教学要求。环节三：探究实践（分组实验）【创设情境】化工厂在处理废水时，温度和pH均有所变化。请你从物质的溶解度、实际操作的可行性，反应速率、经济成本等各方面因素综合考虑。猜想处理酸性废水时，实际上应加入石灰水还是石灰乳？加入生石灰粉还是大理石较为合适？【实践操作】通过定性的对比实验，熟石灰的溶解度非常小。用石灰水处理酸性废水，浪费水资源且pH无法达到要求。应选择石灰乳处理酸性废水。通过定量的对比试验，各取等质量的生石灰和石灰石，同时加入等量的废水中，搅拌并观察实验现象。【实验成果】学生展示生石灰粉与大理石处理酸性废水的效果。【交流讨论】生石灰溶于水产生大量的热,会加快反应速率。大理石与稀硫酸反应生成微溶的硫酸钙覆盖在其表面，减缓反应进行的速率，所以应选用生石灰处理酸性废水比较合适。【数学计算】计算处理工业废水时，不同中和剂的成本。你认为选哪种试剂比较合适？【学生分析】从反应效率及处理成本的角度考虑，应该选用生石灰合适。【设计意图】通过定量的对比实验，引导学生从溶解度、反应速率的角度分析，得出处理酸性废水应加入石灰乳和生石灰粉的结论。让学生意识到理论与实际相结合的重要性，培养了学生解决实际问题的能力。【创设情境】除了使用中和反应的化学方法来处理废水，还有什么更环保的方法来处理废水呢？【物理方法】视频播放物理方法气浮法处理工业废水，工业上使用气浮机。【深入分析】气泡粒径对去除率的影响，表面活性剂对粘性的影响。【创新设计】利用AI技术，模拟气浮法实验处理废水，学生实操。【设计意图】数字化赋能。培养学生的工程思维与生态意识。【生物方法】应用生物法处理废水。采用透明的烧杯观察对比放入豆芽的硫酸铜溶液（24小时后）和未放入豆芽的硫酸铜溶液的颜色变化情况。尤其观察根系吸附铜离子的颜色变化。【学生分析】植物的生物降解作用。【设计意图】引导学生增强环保意识，研制出更低耗、绿色、先进的处理废水的方法。让学生了解实际处理废水时是多种方法的协同作用。使用日常材料设计实验，用常见植物进行净化实验，提高学生的动手能力和兴趣。培养系统思维与环保意识。并学会使用AI技术解决遇到的复杂问题。环节四：方案评价（工程设计师）引导学生对这节课设计的几种处理方法进行多维评价。多维评价核心关注维度石灰水石灰乳生石灰石灰石物理气浮法植物修复法工艺工程师效率及能耗安全工程师操作风险与合规性环保工程师是否环保绿色成本分析师经济性研发科学家技术创新性结论：工业处理废水时多种方法，多学科协同运作，综合处理。记住：好方案不是满分，关键维度（如成本/环保）做到极致。
教学评价设计 【过程性评价】 实验报告（含数据记录、曲线绘制、异常分析）、小组讨论贡献度。【表现性评价】AI模拟操作熟练度、跨学科方案设计合理性。【终结性评价】废水处理方案设计（含成本核算、环保性评估）。
安全注意事项 1.腐蚀性药品规范操作。2.生石灰使用防护。3.数字化设备防水管理。
差异化教学策略 基础层：提供预设参数的AI模拟模板。进阶层：自主调节气泡粒径/表面活性剂浓度。拓展层：设计复合型废水处理方案。
实践作业 作业：1.废水处理经济成本计算。2.某工厂因忽略“CO2排放”被罚款50万，你能设计方案避开这个坑吗？
板书设计 “降酸”行动--STEM跨学科废水处理方案设计 一 、化学方法：中和反应可视化 pH曲线（万能指示剂），温度锯齿图 材料选择： 石灰乳 vs 生石灰粉 二、 物理方法 ：AI模拟气浮法 ，微气泡生成 三、 生物方法 ：植物吸附实验
教学反思 创设情境可使知识内容与生活实际相结合，弱化中学化学知识的抽象性与枯燥感，使学生更好地理解复杂的知识内容。在探究氢氧化钙溶液和稀硫酸发生中和反应时的温度和 pH 的变化的教学过程中，教师创设生动贴切的教学情境，吸引学生兴趣，引导学生自主探究获取知识，让学生感受到直接获取知识的乐趣，以培养化学学习热情。
以“以如何设计经济、环保、高效、低耗的废水处理方案？”为问题情境展开教学，用稀硫酸和氢氧化钙溶液模拟废水，通过探究处理废水时温度的要求，探究了酸碱反应时的温度变化。再通过处理废水时pH须达到6至9的范围内才可排放。探究了酸碱反应过程中的 pH 变化，多个教学环节环环相扣，紧密联系知识内容，并利用多样化的教学手段配合教学，使学生在问题式情境的驱动下自觉思考，提升解决实际问题的能力。仅用希沃白板+常见传感器+免费AI工具（如腾讯元宝），完成数据可视化、虚拟实验和方案设计，证明技术门槛可控。 不足之处：学科深度平衡问题，部分学生过度关注AI工具操作（如提问技巧），反而弱化了化学原理的深度思考。 改进方向：明确每个环节的学科重点（如AI环节聚焦"数据验证"而非工具使用）。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）

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