水，到处都是水，可是没一滴能喝

9.水，到处都是水，可是没一滴能喝

3节课，每节课2小时（注意：本系列课堂进行过程中，每节课之间最好间隔几天，间隔一周最为理想）

STEM说明：物理科学、地球科学、工程学

写作活动：技术写作、创意写作、叙述写作

该教案根据克里斯·佩克和卡伦·萨玛的创作课堂编写。

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。

第一课时：污染

在本课时中，学生们将开始了解没有足够（干净、可供使用）的水会带来什么影响。然后他们将有机会随兴用各种物质将干净的水污染成各种颜色的液态混合物，从中学习关于酸和碱的关系。

课前准备

课前，老师需要事先准备一些卷心菜汁指示剂（在本教案的三个课时中都需要用到这种指示剂），植物的枝叶、软化鸡骨和一个无壳鸡蛋。这些物品的准备都非常容易。注意无壳的鸡蛋需要在上课前至少提前24小时开始准备。软化鸡骨最好提前三天开始准备，这里我们建议你使用鸡翅上的骨头。

你还需要选一两种水果或者蔬菜，对其进行脱水处理。这个过程跟无壳鸡蛋的准备一样都很简单，而且也需要提前一天开始准备。你需要准备两个小的透明容器，一个用来装自来水，另一个用来装盐水（越咸越好。所准备的浓盐水要是闻起来跟海水一样最好！如果你已经往盐水里面加入了足够多的盐，而且在盐水底部开始有盐析出的话，那说明盐水已经饱和，非常适合进行蔬果的脱水！）。将一块（或两块）水果（或蔬菜）分别放入这两个容器中——注意这两个容器中的水果或蔬菜应该是一样的。（也就是说，两个容器里面可以各有一块柑橘和一块墨西哥辣椒，但是，你不能在一个容器里只放柑橘，而另一个容器里只放墨西哥辣椒。）注意，每个人的实验结果可能会不一样，你可以尝试使用不同的水果和蔬菜来看看哪一种果蔬的结果最为明显。（我们经过实验发现，荷兰豆和草莓的实验效果都非常好。）

课堂介绍（15分钟）

在课堂的一开始，你将给学生提供一种咸味的零食，当然，这也是服务于课堂的。给学生们提供类似苏打饼干、椒盐卷饼这一类又咸又干的零食。（如果你想好好“捉弄”一下学生的话，你还可以将室内温度调至比平时高几度。）问问学生们口渴是一种什么样的感觉？在吃完又咸又干的零食，又没有什么可以喝的情况下，他们的嘴巴有什么感觉？他们有没有过极度口渴的时候？你可以让学生们自己将答案写下来，也可以直接将学生们给出的答案写在黑板上。

为了使大家的注意力更聚焦于活动，你可以让学生们写苏打饼干日记。让他们每次只吃一块苏打饼干，吃完后，将自己的感觉写下来。你可以要求学生以五块饼干为限，吃完示意你已完成任务，特别是当学生吃得特别快的情况下。 

（安全提示：不要将室内温度调得太高。提醒学生吃饼干的时候，要一块一块吃，而且吃的速度不要太快。同时还要准备一些饮用水，当学生确有需要的时候可以立刻给学生饮用。）

世界上最渴的人：我实在是太渴了（15分钟）

让学生们进行头脑风暴，想想人在哪些情境中，很可能会出现极度口渴的情况：被困在一个荒岛上、在参加穿越撒哈拉沙漠拉力赛的时候迷失了方向，或者是学生们想出来的其他合理情境都可以。然后，让学生们自由创作关于“世界上最渴的人”的故事，讲述故事的主人公是如何意外发现自己没有一丁点儿水了。你可以给学生提出以下这些问题，帮助他们进行故事创作：

在后面的环节中，学生们还会有时间让自己的故事更加丰满、有血有肉，不过现在，他们的主要精力，还是应该放在故事背景及其描写上。

水的重要性（10分钟）

问问学生，水到底有多重要？学生们应该会回答“非常重要！”这里，你可以跟学生们分享几个关于水的小知识（例如：水占到人体的50%到70%；地球表面的70%都被水覆盖，然而，在这其中，只有1%的水是可供饮用的；如果没有食物的话，人类大概能够存活3周，但如果没有水的话，可能人类就只能存活3天；等等）。

紧接着可以问学生们一个更重要的问题：水的安全与否是由什么决定的呢？收集学生们的答案，并将这些答案写在黑板上分享给所有学生。在回答这个问题的时候，学生们一开始可能会说一些诸如泥土、动物排泄物这类的事物，这二者对我们来说都是非常危险的，但是为什么呢？其实，这与我们看到（或闻到）的令人作呕的东西关系并不大，主要还是因为微生物。关于这一点，我们稍后再跟学生说明。

将对话慢慢引导至一些看不见的添加物上。盐水就是一个很好的讨论对象。盐有什么不好？我们经常会在食物中加入盐，没错吧？但是，盐水会吸收你体内的水分。这也是为什么遭遇船难的海员们在四周都是（盐）水的情况下，还会由于缺水而死在救生船上。这时候，你可以将事先准备好的脱水果蔬拿出来展示给同学们看，看看学生们会不会感到惊奇。

测试水样（35分钟）

在对水样进行净化之前，我们首先需要“污染”水样，我们将用酸和碱来实现这一目的。问问学生，看看他们知不知道酸和碱是什么？相信大部分学生都曾听说过酸，而且他们可能知道酸具腐蚀性。而至于碱，学生们可能较少听到，如果他们对此有一点了解的话，可能是在了解酸的过程中，了解到碱是“与酸相对立的概念”。如果学生们提到了这点，让学生们具体说说碱跟酸到底有什么不同。问问学生，看看他们是否曾吃过任何酸性的东西。回答一般是肯定的，比如柑橘类水果和番茄。不过，学生们可能没有意识到这些食物是酸性的，所以，如果学生们回答不上来的话，也可以换个问题，问问学生们，有没有吃过什么酸味的东西。人类舌头上有可以感觉到酸的味蕾；酸的东西一般都是酸性的。

本课并不会涉及到酸和碱的相关原理，不过你可以告诉学生，在很多的化学反应中，都会有酸和碱的存在。（注意：这里，千万不要跟学生说明酸与碱会相互中和，也不要跟学生说pH酸碱度的两端分别代表酸和碱。学生们应该在本课的调查研究过程中自己去发现这些内容。）

接下来，利用一些家庭常见的饮料来向学生们演示如何使用pH试纸。如果时间比较紧或者你手头上没有pH试纸的话，你也可以跳过这一环节。（从市面上购买的任何一款pH试纸应该都附有使用说明，不过，如果没有也没有关系， pH试纸的使用方法其实很简单。你只需要将pH试纸浸入要测试的溶液中，几秒种后，试纸的颜色就会发生改变。然后，将此时试纸的颜色与标准比色卡上的颜色进行比对，读出相应的pH值。 pH值为7的溶液为中性溶液， pH值小于7的溶液为酸性溶液，而pH值大于7的溶液为碱性溶液。 pH值越大或者越小，这个溶液的碱性或酸性就越强。）举个例子，大部分人可能都没有意识到，很多汽水的pH值跟标准盐酸溶液和标准硫酸溶液的pH值其实很接近。正如某些同学可能听说过的那样，盐酸和硫酸溶液是具有腐蚀性的。所以，在这里，你应该跟学生说明很多溶液都是酸性的，而溶液的酸性也有强弱之分。

酸性物质在厨房里面非常普遍（举个例子：柠檬汁、食醋）。同样，厨房里面也有一些碱性物质，不过（安全的）居家用碱相对来说没那么普遍。

跟学生们说明有时候水会呈酸性或碱性，甚至会因此而不适合饮用，而且，单单靠肉眼观察、嗅闻（或品尝）是没办法百分之百准确判断水的酸碱性的。从现在开始到第二课时这段时间里面，学生们将会测试酸和碱对不同生命形态的影响——不过首先，他们必须搞懂如何在不使用pH试纸的情况下测试酸碱性。

现在，是时候将卷心菜汁指示剂和《卷心菜汁pH彩虹》材料拿出来了。卷心菜汁指示剂的作用其实跟pH试纸很相像，卷心菜汁会根据溶液的酸碱度，呈现不一样的颜色。

在接下来的10到15分钟，学生们将会尽可能多地混合出各种颜色的溶液。让学生们在透明的塑料杯里随兴混合各种液体（往自来水或碳酸水中加入盐、醋或烘焙用苏打）。在调配混合溶液的过程中，他们应该用量勺测量每一种溶液的量，然后在《卷心菜汁pH彩虹》上记录下每一种溶液的成分。（提醒学生们在使用量勺的时候，每一次测量完都要将量勺冲洗干净，防止交叉污染。）然后，取一个新的杯子，往杯子里加入1汤勺的混合溶液和1茶匙的卷心菜汁指示剂，观察溶液颜色变化，并将实验结果记录下来（在这里可以选用彩色铅笔，这样的记录效果会好一些）。

因为你想要让学生配制出各种各样颜色的溶液，所以，当学生们完成第一种混合溶液的测试之后，鼓励学生继续进行实验。（学生们可以将上一次用来装混合溶液的杯子洗干净，再用这个杯子来混合新的溶液，这样可以节省一些杯子。）提醒学生们一定要记得对每一种混合溶液中的成分进行测量和记录。

任何一个曾经陪十岁以下的儿童光顾自助饮料吧台的人都知道，他们会忍不住想要往杯子中加入每一样饮料。如果学生们想要将醋、烘焙用苏打、盐和水等所有东西混合制成超级溶液的话，也没有关系，不过，在对超级溶液进行pH值检测之后，建议学生在混合溶液的时候，尽量只选取1到2种材料。如果学生们不对单一的材料进行实验的话，他们很难理解这些材料各自的酸碱性。而且，他们也不太可能调制出酸碱性各不相同且差异比较明显的溶液。学生们可能会发现，如果往醋里面加入烘焙用苏打，他们可能会得到一种接近中性的溶液（因为这两种成分相互中和了），从而错误地认为这两种材料各自只是一种弱碱性或弱酸性的材料。

当你的学生调配出各种颜色的混合溶液之后，让他们接着进行下一个任务（这个任务同样需要10到15分钟的时间），要求学生们根据混合液的颜色变化，将班上所有同学所调配出来的混合溶液进行排序（如果学生们在之前的试验中成功调配出各种各样的溶液，溶液的颜色范围比较广的话，对这些混合溶液进行排序应该不是一件难事——而且可以明显看到溶液从一种颜色慢慢过渡到另外一种颜色）。学生们完成排序之后，鼓励学生挑选序列任何一端的溶液（比如选择蓝色那一端的第一杯溶液），想办法将这种溶液的颜色变成另外一端的溶液的颜色。在这个过程中，这个溶液的颜色会慢慢产生变化，直至跟另一端溶液颜色一致。

在上面这个调查研究开始几分钟后，如果你觉得你的学生需要一点提示，你可以问问他们，纯净水的测试结果是什么颜色的？（答案应该是紫色的，或者是接近紫色的。）然后，请他们选择某一种材料，往里面加入一点点，观察发生了什么样的变化。（溶液应该会慢慢变成粉红色或者粉蓝色。）通过这么做，你为学生们提供了一个pH值，也告诉了他们一个新的信息，让他们自己去好好消化。水是酸碱性最弱的，同时也是最为安全的一种材料，不过很明显，我们可以通过两种完全不同的方式来改变其酸碱性。嗯，是得好好思考一下。

在这一环节结束之前，如果学生们已经弄明白了的话，他们会将手头上的溶液按照以下颜色变化进行排序：（黄色→绿色→）蓝色→紫色→粉色（→红色→橙色），也就是从碱性到中性再到酸性。问问看，有没有学生试着用粉红色一端的溶液去混合粉蓝色一端的溶液，答案很可能是肯定的，而这种混合液中指示剂的颜色应该是接近紫色的，也就是跟水的测试结果相似。其实，他们所混合的材料（酸和碱——在这里可以重新解释一下这两个定义）会相互中和，这跟正负数相加会相互抵消的道理差不多。

测试水的作用（15分钟）

接下来，是时候将事先准备好的软化鸡骨和无壳鸡蛋拿出来了。让学生们知道，酸能够破坏骨头和鸡蛋壳。为了使课堂有更好的效果，将一个新鲜的鸡蛋放入食醋中，几乎立马就可以观察到鸡蛋表面开始出现气泡。

问问学生，被酸或者碱污染的水对植物会有什么影响，看看他们有什么想法。根据你安排的课程，在接下来的几天或者接下来的几周里，学生们将会对此进行实验。

确保每个学生或者每组学生都拿到一些植物的枝叶（基本上，只要一小段带有几片叶子的枝干就足够了），最好选取一些生命力比较顽强的植物，比如秋海棠、绿萝、彩叶草等。学生们首先要在一个透明塑料杯里面配制一种溶液（跟之前在《卷心菜汁pH彩虹》中进行的活动一样），注意要尽可能明确溶液中的各种成分，记录下指示剂的颜色，并且就其对植物的可能影响进行预测。

然后，学生们应该将手头上的植物枝条放进溶液中，让枝干的底部浸没在溶液中，如果溶液同时浸泡到了比较靠近底部的部分枝叶也没关系。妥善保管这些塑料杯，在本课系列课堂进行期间，学生们将有机会观察到这些枝干慢慢长出根须的过程。（大部分的植物枝条十有八九会很快死去，这个实验的目的就是为了让学生们看到酸性或碱性的水对生命所产生的危害。也就是说大部分学生不需要去观测枝叶的根生长的情况。）

确保学生们作为一个集体，尽可能多地用不同溶液进行对比试验。让学生们想想，自己想要在什么样的溶液中培养自己的植物，然后将这些答案写在黑板上。如果必要的话，除了那些只加入了一种可溶于水溶剂的水溶液外，还可以建议学生们将一段植物放在装有纯水的杯子中以作对比。（如果你想知道将不同的溶剂分组进行实验的重要性的话，可以参考《科学百科》部分关于变量的叙述。）一旦黑板上出现了足够多的实验建议，让学生们各自认领自己想要做的实验，确保将学生们提出来的实验建议一一实践。

世界上最渴的人：这水你会不会喝呢？（15分钟）

活动进行到这里，理想情况下，学生们应该对什么会对水产生污染多少有了更进一步的了解。让学生们就之前的叙述进行扩充，将他们故事中极度口渴的主人公带入到一个有水的情境，不过，他（或她）并不确定这水是否适合饮用。注意，作为作者的学生们可能到目前为止，还不太知晓什么决定了水是否适合饮用，不过这没关系。作者对某些事情的不确定，可以直接带入故事，成为主人公的困惑和不解。

讨论环节（15分钟）

在此环节，学生们可以稍微分享一下自己的故事，与其他同学一同讨论故事主人公所发现的水源是否适合饮用。让学生们说说看，干净的水源和不适合饮用的水源有没有什么直观的特征？（除了那些在前面的环节中可能已经被提到过的较为明显的因素外，学生们应该能够说出一些其他的特征。我们不应该喝污水坑里面的水，那如果地面有一个坑，里面有一些水的话，这些水能不能喝呢？）组织学生进行讨论！

同样，因为学生们对于什么才是干净的水源也只是一知半解，所以可能目前学生们也不能得出任何十分肯定的答案。将注意力集中在如何连续不断地提出新的问题，这样一来，学生们就能够保持好奇心。在进行活动的过程中，注意了解学生们是如何认识事物的，以及学生们为什么会认可这种方式。如果学生们认为发黑的水不能喝，那就要问问他们为什么。如果一条小溪里面的水适合饮用的话，这条小溪有没有什么特别之处？跟学生们说明，现在他们已经学到了不少关于清洁的水的内容，接下来，他们还会了解在哪里可以找到干净的水。

在总结这一课时的时候，告诉学生们，下一次上课的时候他们将会了解被脏水污染的生物体会出现什么样的状况 ，而且，在下节课中，他们将会开始挑战水的净化。

第二课时：过滤

在本课时中，学生们将会继续研究如何检测出水中的其他物质，同时，他们将开始学习如何对水进行净化。

课前准备

在上课前，你需要提前做好准备。在上节课过后，你应该还有一些卷心菜汁指示剂。另外，你还需要准备好盐分测试器。然后，在一些干净的容器中加入水，再往容器里加入一些花盆土或泥土，充分搅拌制成污水。你将会用这些污水向学生们展示如何使用明矾净水。如果你之前没有做过相关实验的话，建议你在课前提前进行明矾净水实验，这样你才知道大概要加入多少明矾。明矾的量如果太多或太少，都不能起到絮凝的作用（也就是说，不能与水中杂质凝结成块）！你可以在可汗学院的网站上观看麻省理工大学制作的关于絮凝作用的视频。

课堂介绍及展示（20分钟）

重新拿出上节课学生们插入到不同溶液中的植物枝叶。如果两节课之间时间间隔有一周的话，在一些比较适合植物生长的溶液中，有些植物枝叶可能已经开始长出根须。而就算两节课之间仅仅隔了一两天，插在某些溶液中的植物也可能已经奄奄一息了。很可能只剩下那些插在水和碳酸水里面的植物还生机勃勃。但这是为什么呢？（这里可以给学生一个提示：如果你之前有向学生们展示《酸、气体和水》环节中的实验的话，让学生们回顾一下那个实验的细节。）

那些看上去不太健康的植物枝叶可能是插在了盐水里面。现在，学生们的任务就是检测水里面盐的存在。之前使用的pH试纸在这里没什么作用，此时你会用到课前事先准备好的盐分测试器。首先，向学生们展示一下你手中的盐分测试器，然后通过演示，让学生们知道在纯水[1]中，盐分测试器并不会有反应。（这里，一定要使用蒸馏水，去离子水也可以，但是自来水、纯净水或者天然泉水都不可以。）

如果你愿意并且时间上允许的话，你可以给学生几分钟的时间，让学生们用水和其他成分（比如醋、烘焙用苏打等）调制出混合溶液，然后用盐分测试器对这些溶液进行测试，让学生们记录下他们观察到的现象。接下来，他们将利用盐分测试器和卷心菜汁指示剂进行实验。

在进入下一个环节之前，跟学生们说明你将做一个非常有意思的演示。将事先准备好的两杯污水拿出来，往其中一杯加入明矾，然后同时对这两杯水进行搅拌。告诉学生过一段时间后，你会让他们仔细观察到底发生了什么，但在那之前，学生们将会了解人类饮用受污染的水之后会出现什么状况。

为什么你不应该喝那水（20分钟）

将疾病控制与预防中心的材料分发给所有同学，这是一些关于水污染和相关疾病的材料。跟学生们一起阅读这些材料，学生们有任何疑问或者对什么方面感到好奇都可以在讨论中提出来。如果可以使用互联网的话，他们也可以自己上网查找问题的答案，或者了解更多关于污染源的内容。

世界上最渴的人：一个比较痛苦的结局（15分钟）

接下来又到了写作环节，让学生们写下《世界上最渴的人》的悲惨结局。学生们应该根据刚刚学到的水污染的相关内容进行写作。注意，如果让主人公就这么死掉，情节可能太过于简单，主人公可能会经历一些比较痛苦的阶段，最终走向死亡。可能在这个故事中，最重要的就是这个主人公的经历——因为没有摄入水分而脱水？因为喝了不干净的水而生病？又或者他（或她）为了生存，被逼无奈饮用了一些含有重金属的水，导致一些神经系统的损伤？

如果学生们喜欢上了自己所创造出来的人物，可以告诉他们，接下来他们的主人公很有可能被拯救。

关于明矾净水的视频和展示（20分钟）

现在，可以重新将之前给学生看的那两杯污水拿出来。加了明矾的那杯污水中的泥土应该大部分都沉淀在杯子底部！对此，学生们可能会非常惊讶，给学生一点时间进行观察，然后，为学生们播放关于絮凝的视频。

问问学生，视频内容如何影响了他们对于明矾现场演示结果的理解？然后利用这个契机，跟学生们好好讨论一下什么样的沟通才是好的科学沟通。

净水试验：过滤（30分钟）

问问学生有没有自己动手做过意大利面或者榨过鲜橙汁，看看他们如何将意大利面从水中捞出来，或者如何将果汁里面的果肉去除？学生们很可能是借助了某种滤网来达到这一目的的。告诉学生，接下来他们将进行的实验原理其实跟这差不多——他们将要制作一个可以过滤水的过滤器。

给学生们看看制作过滤器的材料：土壤、沙子、棉球、卵石或岩石，以及炭块（活性炭的话效果会更好）。让学生们知道，他们将会逐个测试这些材料，看看这些材料去除水中杂质的效果怎么样（这里所用的污水跟之前用的污水一样，都是加了花盆土的水）。给学生们做个示范，让他们看看怎么用对半切开的1升或2升装的塑料饮料瓶来制作一个简易的过滤器。在瓶颈处放一块粗棉布，然后在棉布上放一到两种过滤器材料（详见图示）。

接下来，跟学生好好解释一下过滤的过程。学生们将会制作自己的塑料瓶过滤器（只选用一种材料）。然后，他们将会自己调配受污染的溶液，这一步骤与上节课一样，他们可以自由选用污染物（烘焙苏打、食醋或盐）。在过滤前，他们会用到盐分测试器和卷心菜汁指示剂对混合溶液进行测试，然后过滤混合溶液（这个过程可能需要一定的时间），在过滤后再重新进行一次测试。这么做的目的是为了测试每一种过滤器对溶液中不同污染物的作用，看看每一种过滤器能够达到的效果有何差异。理想情况下，学生们能够借此回想起在第一课时中，我们曾说过，在可能的情况下，一定要单独测试每一个变量，而且学生们还将按照这种思路去进行实验。当然了，你也可以给学生们分配任务，争取针对每一种过滤器材料和污染源的组合都至少进行一次实验。学生们应该有时间开展几个实验；在混合溶液方面，可以给学生一点自由发挥的空间，但是每一个过滤器中的过滤材料只能有一种。注意：在每一次过滤操作结束后，在进行下一次过滤之前，必须用自来水对过滤器进行冲洗（如果可以用蒸馏水或者过滤过的水那就更好了）。

讨论环节（15分钟）

跟学生一起回顾一下实验的结果，同时，让他们说说看什么样的过滤器才算完美。如果讨论环节很快就结束了的话，学生们可以将自己设想的完美过滤器写（或画）出来。告诉学生，他们在接下来的环节将会进行“终极测试”！如果有时间的话，学生们还可以分享一下自己所写的《世界上最渴的人》到目前为止境况如何。

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。

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？（湿地就是一个非常好的例子，详见本教案的《教师阅读材料》部分。）

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。

教师阅读材料

（这部分是学生要通过调查研究发现的内容）[2]

地球百分之七十的表面都被水覆盖。同时，水也是地球上唯一一种固态、液态和气态同时自然存在的物质。尽管水分子仅仅由三个原子构成，但是这三个原子的组合形式让水这种物质具备了一些非常有意思的化学特性。比如，水能够在保持温度不变的情况下，吸收大量的热量，正因为如此，我们地球的温度才比较恒定，有利于人类的生存（更不用说除了人类之外的其他所有生命形态了）。而且，水是少数几种固态的密度比液态小的物质之一。（这对我们人类和其他生物来说好处非常大——正因为冰的密度比水小，温度低的时候，我们的河流、湖泊甚至海洋才不会完全冻结成冰，从而导致江河湖海中各种生物不幸丧命。）

据我们目前所知，水不仅仅是有益的，而且是非常重要的：人体体重的50%到70%都是水，没有水的话，为生命提供动力的化学反应就不可能发生。水在这个过程中发挥作用有很多的方式，其中最重要的一种就是水可以作为溶剂，也就是说，其他物质（溶质）能够溶解于水中。相较于其他的化学物质，水能够溶解的物质是最多的，这也是我们说水是最普遍的溶剂的原因。

一方面，水作为溶剂，能够溶解各种各样的东西，这一点对我们来说非常有益，因为人体中及所有细胞中关键的化学反应都是溶解在水中的各种分子之间的相互反应。另一方面，水能够溶解各种各样的物质也有不好的一面——水里面可能含有一些对人体有害的物质，这些有害物质可能通过水进入到我们体内。

水作为溶剂，还能够溶解一些物质，这些物质溶解后会将溶液变成酸性的。与对酸的一般认识不同，极少数酸能够蚀穿金属，或者对受害对象的面容和心灵造成损害，导致悲剧发生。尽管大部分人可能不会这么认为，但是酸对于生命活动来说是必需的。（毕竟， DNA也是一种酸，而且细胞其他关键部分，比如膜，也是由酸组成。同时酸还有非常重要的微生物功能。有些生物会分泌酸来作为防御体系，此外，许多生物会利用酸来帮助消化。）包括人类在内的一些生物体拥有一套控制酸碱平衡的机制，不过这种机制也有一定的限制。跟摄入大量的盐一样，如果通过水摄入过量的酸的话，对生物体有害无益。（在化学中，与酸相对的概念是碱，碱同样也有自己的功能，调节生物体内的酸碱度就是其中的一种。跟酸一样，摄入过量的碱对生物体也是有害的。）

当然了，除了盐、酸和基础物质，水中可能还含有其他一些对人类有害的物质——重金属，家用或工业化学药剂，细菌和病毒等等。

在工业化程度比较高的国家，我们想当然地认为只要是从水龙头中出来的水都是安全的。如果我们的用水来自于市政水源的话，我们在日常生活中根本就不会去考虑水源安全的问题，因为市政部门对自来水有着严格的标准，会严格限制水中各种化学成分的含量。在美国，很多市政水利部门会使用含氟化合物来进行消毒，目的是为了杀死水中大部分的微生物。不过也有很多家庭（特别是在偏远地区的家庭）会将井水作为他们的水源。美国疾病预防控制中心建议这些使用井水的家庭最好每年对自家的水源进行一次水质检测，主要检测里面致病微生物和化学污染物的含量[3]。地下水源所在的地方被称为地下蓄水层，地下蓄水层中的水可能会因为地上的一些活动而受到污染（如常规的农业活动或工业事故等），也可能会因为地下发生的一些事件而受到污染（如：地下储存罐破裂导致天然气、石油或其他化学物质泄露，化粪池、采矿作业等等）。

在美国，遭遇像2005年卡特里娜或2012年桑迪那样的飓风或一场大地震之后，灾后的用水安全可能会成为一个大问题。这种情况下，电力不足（无法对水进行净化）或是主要给水管道破裂，都有可能导致供水中断。对于野外登山或背包旅行的人来说，用水安全也是一个非常重要的问题。当然，对于生活在世界各地那些水利设施不完善地区的约十亿人口来说，他们每天都需要面对用水安全的问题。

事实上，湿地系统是地球自己演化出的一套非常好的自然水过滤系统。首先，湿地会收集因为降雨或暴雨而落到地面的水，暴雨径流在流经湿地的时候，速度会变得十分缓慢，这样一来，在径流到达河流之前，径流中所夹带的沉淀物（泥土或砂石）就有一定的时间进行沉淀。此外，湿地中的植物根须会吸收暴雨径流中所含有的养分和化学成分，通过这一过程，流入江河中的径流的毒性就会大大降低。而且，湿地中的土壤也能够吸收一些其他的污染物，这也是对最终流入江河和海洋的水的一种净化。

人类花了很长的时间才意识到湿地的重要性——在此之前，在城镇发展的过程中，我们填平了很多湿地。不过在我们了解了湿地的重要性之后，我们也还原了很多湿地，甚至在有些需要提高水质的地区建造了人工湿地。

STEM课外探究：神奇的厨房科学

pH在厨房中起到的作用非常重要。面包师和厨师经常会使用各种酸和碱——如果没有厨房化学，可能我们现在所喜欢的食物都会大为不同。

回想一下我们在课堂上所做的实验，你在课堂上所使用的“化学物质”中，有哪些是厨房里面常用的材料？烘焙苏打（化学名称为碳酸氢钠）就是烘焙中经常使用到的一种材料。烘焙苏打是一种碱。如果你将烘焙苏打与酸（比如醋或柠檬汁）混合的话，会发生什么现象呢？

双食谱记

通过两个几乎（而非完全）一模一样的煎饼食谱，你可以试着探索一下酸碱反应在食物料理过程中所起到的作用。

在这个过程中，你留意到了什么？食谱2中少了哪一种原材料？按照这两个食谱做出来的煎饼有什么不同？

你觉得为什么会出现这种不同呢？（提示：想想看，在课堂上，当你将醋和烘焙苏打混合在一起的时候，出现了什么现象？）

到底发生了什么?

当你将酸和碱混合在一起的时候，就会发生化学反应。在烘焙中，很多食谱都会利用酸碱的这一特点。特别是那些既有烘焙苏打（或泡打粉）又有酸的烘焙食谱。有时候，你可以很明显看出食谱中包含了酸，比如上面的食谱1和食谱2，里面就有醋或柠檬汁，不过也有不太明显的时候，比如酪浆。

在上面的试验中，当你将液体材料和粉状材料混合在一起的时候，里面的酸和碱便有机会充分接触，从而发生化学反应。你会看到混合物中开始出现气泡。如果你将按照食谱1摊好的煎饼切开，你可以看到一些小孔，这些小孔，其实是因为在制作煎饼过程中，有些气体被“困”在煎饼里面而形成的。可能按照食谱2煎制的煎饼中也会有少量的小孔，这是因为在搅拌材料的时候，有一些空气混进了材料中，但是相较而言，食谱2煎饼中的小孔要比食谱1煎饼少许多。

有没有兴趣继续进行实验呢？

除了煎饼食谱，你还能不能找到其他利用烘焙苏打和酸之间的化学反应的食谱呢？在按照这些食谱进行烹饪的时候，如果加入过量的烘焙苏打，你觉得会发生什么事呢？如果加入过量的酸，又会有什么情况？如果同时增加酸和碱的量，情况又会是怎样？

专业贴士：在实验结束后，记得要将实验现场和实验用具清洗干净，否则在接下来的一段时间内，家长可能不会让你再在厨房里进行试验了。

关于pH的小知识

STEM课外探究：蒸馏脏水

随着世界人口的不断增长——同时地球的气候也在不断变化——有无足够的淡水可以满足人类的生活和农业生产需求成为了一个非常令人关注的焦点。在应对这一问题的时候，有一种方法经常被我们提起，那就是海水淡化，也就是说，通过除去海水中的盐分，使海水变成淡水。这一过程被称为脱盐。脱盐主要利用的原理就是溶液水分在蒸发的时候，往往不会带走原本溶解在溶液中的物质（如盐）。你可以自己制作一个家庭脱盐设施来检验这一点。

所需材料

注意：尽管你可能需要在炉灶上加热盐水直至盐水沸腾，但是收集水蒸气的程序不应该在炉灶上进行。同时，因为溶液的温度比较高，一定要注意安全。不要在没有成年人一旁监护的情况下进行这个实验。

在这个活动中，你的任务是要想出一种能够利用蒸馏器（见后文方框）将盐水中的盐从水里面分离出来的办法，也就是要完成脱盐的任务。（提示：你以前在烹饪的时候有没有注意到什么现象？当你将锅盖盖在装有沸腾汤水的锅上的时候，你有没有留意过锅盖的内侧有些什么？想想看，这些信息能不能帮你想出一个收集蒸汽的办法。）

你怎么才能够知道自己所进行的蒸馏操作是否成功呢？你能不能想出一些测试的方法？（提示：你所制备的盐水味道如何？你通过蒸馏收集到的水味道又是怎样的？）

关于水的小知识

超级英雄们的超能力其实都是源于科学，这已经是人尽皆知的事情了。

超人之所以能飞，是因为他的母星“氪星球”对他有着巨大的重力吸引力以及他吸收并代谢太阳能量的能力。蜘蛛侠彼得·帕特因为被一只放射性蜘蛛意外咬伤而获得各种蜘蛛人能力。绿灯侠格林·兰登能够发出绿色的光束并完成各种各样的任务，是因为……好吧，我其实也不太确定。我一直都不喜欢绿灯侠，所以也没有看过关于他的漫画。不过，通过上面几个例子， 你应该理解我的意思了吧。

如果你打算成为一名超级英雄，你最好充分了解与你能力相关的科学。在这里，我不能够告诉你在《关于超能力的科学》这一课中将会为你揭晓什么超级机密，要不然，就不能够称之为超级机密了，对吧？不过，请你相信我，通过这一课的活动，尽情地用草莓、棉花糖、纸飞机和鸡蛋去进行探索实验，你一定能够成为一名科学超级英雄。

噢，在你努力变成超级英雄的过程中——不要忘记试着去创作一篇关于你自己这个大英雄的作品，你可以写一首诗、一个故事或者画一部漫画。大家都想知道你到底多么厉害。

——乔恩·谢斯科

乔恩·谢斯科是《三只小猪故事的真相！》、《做奶酪的那个臭烘烘的人和其他愚蠢的故事》、《大傻瓜》以及其他许多书作的作者，他的最新著作是儿童科学天才法兰克·爱因斯坦系列。

[1] 纯水指的是除去了呈离子形式杂质或者经过蒸馏得到的水——这里最为关键的一点就是水中的离子（也就是盐）必须除去。

[2] 本部分内容来源如下：

《湿地的功能和价值》 http://water.epa.gov/type/wetlands/outreach/upload/fun_val_pr.pdf

《湿地的功能和价值》 http://www.ecy.wa.gov/programs/sea/wetlands/functions.html

[3] 井水水质测试：http://www.cdc.gov/healthywater/drinking/private/wells/testing.html