资源简介

新人教版九年级化学上册第四单元自制鱼缸净水器跨学科项目式实践活动教学设计
一 、项目背景
(一)选题依据
1. 响应国家战略需求，培养化学与可持续发展观
我国是一个水资源相对短缺的国家，让学生从小了解水、珍惜水、保护水，具备基本的 水环境科学素养，是培养新时代公民社会责任感和可持续发展观的重要途径。本项目以“鱼 缸水质调控”这一贴近生活的微观视角切入，引导学生关注宏大的“江河海洋治理与保护”议 题，将国家战略转化为学生可感知、可探究、可参与的实践活动，实现“小切口，大主题” 的教育目标。
2.契合教育改革方向，推动跨学科实践活动落地
《义务教育课程方案 (2022年版)》明确提出要“创设真实问题情境，倡导“做中学” “用中学”“创中学”,开展项目式学习，重视跨学科实践活动。“本项目深度融合了化学、 生物、工程、技术、环境等多学科知识与技能，打破学科壁垒，实现跨学科融合，强化课程 综合化实施，体现变革育人方式，彰显跨学科实践活动的育人价值。
3. 源于学生生活实际，激发学生学习化学内驱力
养殖观赏鱼是许多学生家庭的生活爱好，“如何养好鱼”背后蕴含着一系列有趣的科学问 题：“鱼缸水为什么变浑 ”“如何让它变清 “这些问题天然地激发学生的好奇心和探究欲。 本项目以“为鱼设计并制作一个净水器”为核心驱动任务，将学生的学习从被动接受转变为主 动探究，让他们在做中学的过程中，深刻理解化学知识的实际应用价值，体验从知识到产品 创造的完整过程，从而有效激发科学探究兴趣和提升创新实践能力。
(二)课标分析
本跨学科实践活动属于第五大学习主题，化学与社会跨学科实践。本学习主题的大概念、 基本思路与方法、核心知识、重要态度、跨学科实践活动如图所示。
基本思路与方法
化学、技术、工程融合 解决跨学科问题的思路
与方法
大概念 化学与可持续发展
(
重要态度
应对未来不确定性挑战
) (
跨学科
实践活动
)
核心知识
化学与资源、 能源、材料、环境、 健康相关的物质及其变化
同时，本跨学科实践活动的设计也涉及《义务教育化学课程标准(2022年版)》的主
题一、主题二和主题三的内容要求如下：
1.主题二“物质的性质与应用”中“水和溶液”部分内容。课标要求认识水的净化，了解 吸附、沉淀、过滤等净化方法。本项目直接应用并深化了这些知识，要求学生不仅知道方法， 更要设计、优化一个综合净化装置。
2.主题三“物质的组成与结构”中分子和原子部分内容。本项目帮助学生理解水体污染 物，如氨分子、离子在水中的存在形式。
3.主题一中“科学探究与化学实验”中的科学探究部分内容。本项目经历了提出问题、 猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价的完整过程，帮助 学生提升探究能力，增强实践能力。
从学科素养的角度，本项目可以帮助学生形成物质是由微观粒子构成的，物质结构决定 性质，物质性质决定用途等化学观念；学生基于实验事实进行证据推理、建构模型的思维能 力，在解决与化学相关的真实问题中形成质疑、批判能力和创新意识。
二、项目设计
(一)主题分析
本项目式实践活动基于人教版九年级化学上册第四单元《自然界的水》中“水的净化” 核心知识，结合生物学科中“生态系统稳定性”相关内容，将教材中过滤、吸附、消毒等净 水原理转化为实际应用场景—一鱼缸净水器设计与水质维护。该跨学科实践活动不仅涉及 “科学探究与化学实验”学习主题中基本化学实验技能以及实验探究内容，而且涉及“化学 与社会-跨学科实践”学习主题中“化学、 技术、工程融合解决跨学科问题的思路和方法” 部分的内容。通过鱼缸水质管理的真实情境创设，解决实际问题，让学生经历完整的探究过 程 ，实现做中学、用中学、创中学的新课标理念， 促进学生变化观的形成，帮助学生初步形 成“化学与可持续发展”跨学科大概念。
(二)学情分析
为了能准确探查学生对于水的净化知识掌握情况，课前发布了相关测试题目，诊断结果 显示学生已基本掌握天然水中杂质以及净水方法，对于自来水厂的净水流程也了解得不错， 但未能形成探究物质分离的一般思路和方法，对产品的研发制作缺少理论知识，设计能力和 实践能力都比较薄弱。
1.已有基础
学生具有过滤、吸附等实验基本操作技能，初步学会运用比较、分类、分析等科学方法， 初步具有一定的动手能力。
2.学习障碍点
缺乏对已学知识分类、归纳、综合、证据推理的能力和思维意识，缺少科学探究与实践 的体验，对产品的研发制作缺少理论知识和设计能力。
3.学习发展点
能自主学习，具备模型认知、证据推理等高阶科学思维，提高化学实验操作技能，具备 较强的产品设计能力，能与他人合作，增强关爱生命、保护水资源的意识。
(三)项目目标
1. 认识物质的性质和用途的关系，形成物质决定用途的化学观念。
2.能初步运用比较、分类、分析、综合、归纳的科学方法总结出水质调节的方法，初步 培养证据推理的科学思维。
3.能将水的净化知识与生产生活实际相结合，从跨学科角度初步分析和解决生活中的实 际问题，发展创新思维能力。
4.通过滤材叠放顺序的探究，初步形成自主、合作、探究的能力。
5. 通过对养鱼水质的了解，理解水质对生物生存的影响，树立关爱生命、保护水资源的 意识。
6. 使用废旧塑料瓶、纱布、活性炭等生活材料制作净水器，体现绿色化学与资源循环利 用的理念。
(四)教学重难点
1. 重点：能通过滤材叠加顺序的探究，初步形成实验探究的一般过程和方法。
2.难点：能初步运用比较、分类、分析、综合、归纳的科学方法总结出水质调节的方法， 初步培养证据推理的科学思维。
(五)策略分析
1.AI 赋能课堂教学，激发学生好奇心和探索欲。
2.创设真实情境，发展学生多角度分析问题和解决实际问题的能力。
3.小组合作探究，培养学生善于合作、勤于思考、严谨求实的科学精神。
4.课后实践活动，培养创新思维能力和动手实践能力。
5. 跨学科融合，打破学科壁垒，强化多学科知识综合应用能力。
三、项目任务与教学流程
项目任务共包含三个任务，包括课前调研和3个新授课课时。项目成果展示评选出最优 鱼缸净水器，实际投入使用。
项目任务及教学流程表
项目任务 课时规划 学生活动 教师支持
任务1: 明确项目 背景 课前调研：养好 鱼对水质的要 求及调控方法 (1)讨论制定 (2)实地参观、采访 (3)总结形成汇报PPT (1)发布调研主题 (2)提示访谈提纲设计思路 (3)带领学生实地调研
课时1:汇报调 研成果，明确项 目背景 (1)汇报调研成果 (2)了解海洋治理与保护政策 (3)思考如何保护水资源 (1)提供政府海洋治理与保 护的政策信息 (2)介绍水体污染的危害
任务2: 好水的养 成 课时2:探究鱼 缸水调节的方 案 (1)总结混合物物分离的一般 思路 (2)分析鱼缸水中杂质 (3)了解水质检测调节方法 (1)制作Al智能体供学生 了解养鱼所需水质 (2)提供资料：滤材简介 (3)提供TDS检测笔和试剂
(4)设计实验探究净水滤材的 最佳叠放顺序 (5)完成实验 (6)数据分析 分析盒 (4)提供模拟鱼缸水样 (5)发布课后任务
任务3: 自制鱼缸 净水器 课时3:制作并 评价鱼缸净水 器 (1)制作鱼缸净水器 (2)测试评价净水器 (3)优化完善净水器 (4)总结产品制作的思维范式 (1)提供鱼缸净水器评价量 表 (2)提供部分制作工具以及 净水材料 (3)提供家用净水器内部结 构图
四、项目实施
任务一：明确项目背景
【视频】Al 制作的数字人小艺的烦恼
【教师】小艺同学喜欢养鱼，但鱼缸里的鱼儿经常死亡。琼海潭门长坡一带水产养殖的 养殖户很多，他们是如何养好鱼，获得良好的经济效益
设计意图：通过生活中真实的问题，引出项目背景，吸引学生注意力，激发学生的好奇 心和探究欲。
1.课前调研： 调研养好鱼对水质的要求及调控方法
东星斑作为石斑鱼的名贵品种，有“国宴鱼“之说。琼海长坡是海南省最重要的东星斑养 殖基地之一，琼海得天独厚的海洋资源，为东星斑养殖提供了优良环境。养好东星斑所需的 水质情况如何 如何调控维护好这些水
设计意图：从生活中真实问题引入项目调研任务，为还小鱼一方好水埋下伏笔。
【学生】讨论制定东星斑养殖场调研采访提纲。
【教师提示】重点从养鱼的水源、所需水质及调节方法几个方面进行。
东星斑养殖场负责人访谈提纲 一、基本信息 1.您觉得要养好东星斑最重要的是什么 2.养鱼池的水源来自哪里 3.养殖周期一般多长 不同季节的养殖策略是否有差异 为什么 二、养鱼水质要求及水质调节 4.您认为哪些水质参数对养鱼最关键 5.您如何监测水质 6.如果发现水质不达标，如何处理 7.换水时水的去处 需要处理后再排放吗
2.汇报调研成果，明确项目背景
(1)汇报课前调研成果
东星斑养殖场调研成果总结表
养殖场的水源 活水养殖，从养殖场附近南海海岸线的沙层以下1米处凿井取水，利用 天然沙层过滤输送到养殖场。
东星斑对于水质 适合东星斑生存的水质情况为：氨氮含量<0.2mg/L,亚硝酸盐含量尽可
的要求 能接近0,溶解氧大于5mg/L,pH在7.8-8.2之间，温度在24°-28°之 间 。
养殖水的净化 海边取的水经过过滤池再迸入养殖池，每天换水五分之一
水质监测与处理 借施 定期便用专业的水产养殖水质检测仪检测水质的关键指标，当溶氧量不 足时，可通过开启增氧机进行加氧操作：若水质变差，可根据具体情况 调节酸碱度，使用适量的酸碱调节剂将pH值调整到适宜范围：若是检测 到水体中有害病菌增多、出现疾病迹象时，可以使用抗病药物进行杀菌 消毒。
尾水的处理 养殖尾水经过户外过滤池，直接排放入海
设计意图：东星斑养殖场是一个真实的、严肃的生产环境，水质好坏直接关系到鱼儿的 生存以及企业的经济效益，学生能够亲身体会到好水对养好鱼的重要性，避免学生对于水的 调节净化停留在“让水变清”的浅层理解，为后续解决“调节鱼缸水水质”真实问题提供参 考。学生通过实地调研、访谈、资料收集，培养主动发现和提出科学问题的能力，且通过制 作和汇报 PPT, 提升信息筛选、整合与表达的能力。
(2)了解琼海市政府在海洋治理与保护方面的政策
琼海位于南海之滨，海水清澈、盐度稳定，污染少，非常适合养殖海水鱼类，但养殖尾 水直接排放可能会导致水体富营养化，让助教老师( AI 生成)给我们介绍琼海市政府治理 和保护海洋的政策和举借吧!
①推进水产养殖污染治理；②支持养殖产业绿色升级；②实施海岸带生态修复
(3)初中生如何爱护水资源
【教师】政府对治水做出了这么多努力，我们应该如何爱护水资源
【学生】不乱扔垃圾，节约用水，不乱排放污水，参加净滩行动 ……
设计意图：让学生珍惜水、保护水，形成节约水资源的习惯，培养学生的社会责任感和 可持续发展观。
任务二：好水的养成
【教师】通过上节课的学习，你认为小艺养的鱼儿死亡的原因是什么
【学生】鱼缸的水质不好，需要经常更换。
【教师】养鱼需要好水，经常换水太麻烦了，如何解决常换水的问题
【学生】可以制作一个鱼缸净水器，还小鱼一方好水，减少换水的次数。
【教师】净水的一般思路是什么
【学生】回顾净水原理，总结混合物分离的一般思路。
设计意图：引出项目任务，构建思路模型，为接下束来净化鱼缸中的水的探究做好知识 铺垫。
任务1:分析鱼虹水的杂质及其分类
【教师】制作鱼缸净水器也可以按照这个思路，首先要了解鱼缸的水最需要净化的是什 么杂质 我们先来者者养鱼达人王茜同学给我们分享的养鱼经验。
【视频】《养鱼经验分享》
设计意图：通过观看同学养鱼经验的分享，让学生意识到在鱼缸特殊环境中，要考虑鱼
的需求来设计净水器，从生物角度了解鱼缸水中 毒性物质的由来以及水中需要除去的杂质， 打开学科的壁垒，实现跨学科学习。
任务2:初步检粱鱼红水样，了解养鱼所需水质
【教师】这些杂质需要全部除去吗
【活动1】运用智能体“水族生态工程师一—海伦博士”查阅养观赏鱼所需水质
指标 对鱼影响 限值
酸碱值 影响鱼的呼吸、消化功能，免疫力下降 6.5~8.5
氨氮 破坏鱼类的神经系统和肝肾系统，破坏水体生态平 衡 ≤0.2mg/L
亚硝酸盐 使鱼急性中毒 ≤0.1mg/L
余氯 腐蚀鱼体表黏膜，损害鱼体内器官 ≤0.02mg/L
总硬度 适度的水体硬度能促进鱼的生长和发育 100~300mg/L
【学生】基于查阅资料中的数据进行分析推理，获得“只需要调节到适宜养鱼的水质就 好 ”的结论。
设计意图：与AI 交互，能激发学生的好奇心和探索欲，让资料查阅环节变得更有趣。 让学生掌握一种强大的、可随时随地使用的自学工具。当他们遇到任何问题时，知道如何利 用 AI 进行自主探究。学生通过对养鱼水质的了解，理解水质对生物生存的影响，水质调节 的重要性，树立关爱生命、保护水资源的意识。
【教师支持】展示资料：水质检测方法—一用TDS检测笔和试剂分析盒检测
作为参考，我们可以便用水质检测笔测量 TDS值 ，TDS 是指水体中溶解性固体的总量， 包括无机物和有机物两大类溶解物，它反映了水中钙、镁、钠等离子的浓度。在养鱼过程中， 维持适当的TDS 水平对于保持鱼类健康至关重要。 TDS 值通常应保持在200到500毫克/升 (即200-500ppm) 之间。如果TDS 值过低，虽然者似水更纯净，但也缺乏某些必要的矿物 质和元素，如果TDS值过高，可能会导致水质变差，影响鱼类的健康成长。
值得注意的是，TDS 值并不能完全代表水质的好坏。还需要考虑其他因素，如以上 pH, 氦氮含量、亚硝酸盐含量等。
【教师】演示用水质检测笔检测鱼缸水样，并展示其他水质关键指标初测结果。
指标 限值 净化前
酸碱值 6.5~8.5 6.4
氨氮 ≤0.2mg/L 1.7
亚硝酸盐 <0.1mg/L >0.2mg/L
余氯 ≤0.02mg/L 0.04mg/L
总硬度 100~300mg/L 315mg/L
设计意图：用 TDS 检测笔对鱼缸的水质进行检测，体现了信息技术与化学学科的融合。 学生通过对 TDS 值的了解，辩证性看待鱼缸水中 TDS 值所代表的含义，培养学生的辩证思维。
【学生】基于净化前水质检测数据进行分析推理， 获得“水质不符合鱼儿的生长需求” 结论。
【教师】如何养成适宜鱼儿生存的好水
任务3:净水材料分析井探究滤材叠放顺序
【活动2】通过阅读《滤材简介》了解净水材料，总结汇报滤材的重要作用
滤材 作用 滤材 作用
软水树脂 降低钙、镁离子含量 托玛琳 调节水呈弱碱性
椰壳活性炭 吸附色素和异味 麦饭石 吸附杂质、调节pH
亚硫酸钙 除去水中余氯 PP棉 过滤直径大于5微米的杂质
设计意图：让学生通过净水材料的分析初步认识物质的性质和用途的关系，形成性质决 定用途的化学观念。
【教师】这么多材料，应该如何叠放才能达到最好的净水效果
【活动3】小组讨论设计方案探究净水材料叠放的最佳顺序
学生设计实验方案并进行分享，其他学生进行评价补充。
【教师】滤材的叠放应根据这些滤材的直径(或孔隙)由大到小排列，树脂颗粒直径最 小，椰壳活性炭次之，托玛琳、麦饭石和亚硫酸钙的滤材直径相当，怎么设计方案来判断到 底哪种叠放顺序净水效果更好
【学生】取等质量不同净水材料，按不同顺序叠放，再检测净水效果。
①麦饭石 →托玛琳 →亚硫酸钙 →活性炭 →树脂
②麦饭石 →亚硫酸钙 →托玛琳 →活性炭 →树脂
③托玛琳 →亚硫酸钙 →麦饭石 →活性炭 →树脂
④托玛琳 →麦饭石 →亚硫酸钙 →活性炭 →树脂
⑤亚硫酸钙→托玛琳→麦饭石→活性炭→树脂
⑥亚硫酸钙 →麦饭石 →托玛琳 →活性炭 →树脂
设计意图：培养学生运用控制变量法设计实验方案的能力，进一步认识与体验科学探究 的一般过程，培养学生善于合作、勤于思考、严谨求实的科学精神。
【教师】净水效果的评价标准有哪些
【学生】观察水澄清程度、颜色、流速等，检测(TDS指标降低程度，使用试剂检测盒检 测相关水质指标有没有改善。
【活动4】实施方案： 测试不同叠放顺序水的净化效果
设计意图：通过半定量检测试剂盒的使用，倡导“做中学、用中学”的新课标理念，增 强学生实验实践能力。
【活动5】收集数据、分析数据
【教师】基于收集测得的数据进行分析，你能得出什么结论 这对调节鱼缸水的水质有 什么启示
【学生】应当根据鱼缸水样的各项指标有针对性地使用滤材对水质进行调节。
设计意图：学生基于异常数据运用比较、分析等科学方法进行解释，提高学生多角度分 析数据的能力，初步形成证据推理的科学思维。
【教师】一般制作家用鱼缸净水器可以考虑水流依次通过“物理滤材”(海绵、棉花等) → “生物滤材”(火山石、陶瓷环等)→“化学滤材”(活性炭)就能比较好地净化鱼缸水。
课后任务：知道如何养出好水以后，我们离制作鱼缸净水器又近了一步，请同学们根据 探究结果画出鱼缸净水器的草图，并于课后制作出作品模型。
任务三、自制鱼缸净水器
【活动1】交流分享自制的鱼缸净水器
先分享设计较为常规的净水器，学生从材料、构造、原理等方面介绍本小组的净水器。
设计意图：通过净水器设计与制作，将化学、生物与工程等多学科知识进行融合，解决 生活中实际问题，实现“做中学、创中学”新课标，增强学生实践能力。
【活动2】测试评价净水器
测 试以上净水器， 结果显示， 水质并没有得到较为明显的改善，水流速度也较快。
设计意图：通过测试净水效果，学生批判性分析设计缺陷(如水流堵塞、吸附饱和、水 流过快等),初步培养学生形成批判性思维。
任务1:观察家用净水器的内部结构，优化净水器
【教师】净水效果并不是特别理想，回顾实验，分析可能是什么原因。
【学生】材料从上往下放置，在水的重力影响下，水与材料的接触时间短，没能很好的 除杂效果。
【教师】请观察家用净水器的内部结构，对鱼缸净水器设计优化有什么启发呢
(
后置活性炭滤芯
冲洗电磁神
离压开关
废水排放
增压系
压施沼性炭滤芯
精有活性
发建
构
搞颈
龙
头
低压开美
)
【学生】我们可以将净水材料横向排列，这样水能与材料充分接触，浸泡时间长一些! 设计意图：通过拆解真实净水器，学生分析其设计逻辑(将净水材料横向排列，水能与
材料充分接触),理解工程设计中“分步处理、逐级优化”的策略，初步形成工程思维意识。 【活动3】展示结构更好的净水器
【教师】这个小组作品与其他同学的相比有什么优点
【学生】水与过滤材料接触时间更长，可以调节进水出水速率
设计意图：通过学生设计与制作净水器，体验科学家与工程师的真实工作逻辑，倡导“做 中学、创中学”,体现了跨学科实践活动的功能与育人价值，培养学生打破思维定势、勇于 创新的科学精神。
【活动4】自评互评净水器
【教师支持】简易版家用鱼缸净水器评价量表，见附录
【活动5】扮演工程师，总结产品制作的思维范式
【教师】通过今天的学习，如果我们作为工程师，想要制作出一个产品，一般要经历哪 些环节
【学生】明确任务 → 了解产品需求 → 设计产品 → 测试产品 → 优化产品 → 制作成品
设计意图：通过回忆自制净水器的流程，让学生“像工程师一样思考”,认识到科学、 技术、社会 ( STS) 的紧密联系，初步建构化学与可持续发展的大概念，实现从“知识学习 者”到“问题解决者”的角色转变，为未来解决复杂社会问题莫定基础。
【教师】家养鱼是否只需要净水器就可以了呢
【学生】我家的鱼缸还会在底部加一些水草和秒，形成一个生态系统。
【教师】是的，水草也可以吸收硝酸盐、矿物质和有机物， 还可以美化鱼缸环境 【学生】净水器循环效果可能不好，需要加一个抽水排水循环泵。
【教师】这样将水缸的水循环利用，可以避免经常换水。我们还可以定期像养东星斑一 样投放硝化细菌来分解氨氮化合物，减轻净水器的工作负担。养好鱼不是那么简单的，关键 是好水，而好水的养成除了净水器之外，还需要在缸里建立硝化系统和生态系统。
最后，期待大家的净水器成品，我们一起动手还小鱼一方好水。
课后实践作业：继续优化净水器，并投入使用。
五、反思评价
此次以初三化学学生为对象的跨学科项目式实践活动，将抽象的化学原理置于真实复杂 的工程问题中，取得了显著成效，也暴露出一些值得深思和改进的问题。现将反思总结如下：
一、 项目的成功之处
1.打破学科壁垒，实现跨学科融合
本项目以化学过滤与吸附为原理，以实验探究为手段，以任务链为驱动，融合物理、生 物、工程等多学科知识，引导学生系统理解水质净化的复杂过程。学生通过自主选择滤材、 设计并制作适用于家用鱼缸的净水装置，实际体验从理论分析到实物实现的完整过程，形成 综合运用化学、物理、工程等思维解决真实问题的思路与方法，倡导“做中学”“用中学” “创中学”的新课标理念，培养学生科学探究能力、创新意识和工程思维，充分体现跨学科 学习在提升学生综合素养方面的实践价值。
2.强化证据推理，提升科学思维
学生通过养殖场调研获取数据，确立以氨氮、亚硝酸盐为核心量化指标。在测试环节， 引导他们依据水质检测数据， 而非肉眼观察，分析净水器效能，完成“证据-推理-决策”的 逻辑链条。在数据分析环节，总硬度在净化后都明显减小，甚至减小到限值以下，学生分析 得出应该减少使用软水树脂这项滤材的量的结论，从而将主观臆断转化为科学论证，有效培 养了基于数据进行分析推理获得结论的能力。
3. 工程思维初显，培养创新意识
本项目中，学生以“自制鱼缸净水器”为载体，初步展现出工程思维的雏形。他们从生 活中真实问题出发，经历设计、制作、测试、优化的完整迭代过程，在解决真实水质问题的 驱动下，学生大胆选用材料、设计方案、验证方案，制作出产品，并从中总结出产品制作的 思维范式。这一实践不仅锻炼了他们的动手能力，更显著培养了面对复杂任务时所需的创新 意识与问题解决能力，实现了科学素养与工程实践的有效融合。
二、 有待改进之处
1.差异化教学的深度不足：
虽然进行了小组分工，但能力强的学生包揽了核心任务，部分学生则局限于裁剪、粘贴 等辅助性工作。
2.“生物过滤”概念的具象化挑战
硝化细菌者不见摸不着，部分学生难以理解其工作方式。以后可以使用高质量的3D动 画视频，直观展示氨分子如何被细菌“吃掉”并转化。
总体而言，本项目成功地将化学核心知识转化为学生解决真实问题的能力，情感、态度、 价值观目标达成度极高。这次教学实践再次证明，当学习充满了真实的意义和创造的乐趣时， 学生的潜能是无限的。作为教师，我的角色就是为他们搭建好这个绽放精彩的舞台。

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