• STEM案例:工程设计与效果——一个水过滤实例

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    • 工程设计与效果——一个水过滤实例

    作者:Nicole Berge    Dee Dee Thompson    Carole Ingram     Charles  Pierce       翻译:张洋   

          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人体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?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EFFECT活动的导入问题:“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?”随后,学生了解到过滤是一种常见的去除水中有害杂质的方法。而过滤的过程不会以全班为单位进行解释与讨论,因为我们想要准确地了解并记录每个学生对于水过滤的知识水平。

        从这之后,我们就会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)。虽然像泥浆和垃圾(例如碎纸)等无害而普遍的杂质没有在本实验中应用,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1个问题需要学生阐述水处理在水循环过程中的位置。第2个问题关注过滤的过程,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。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。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)。选择活性炭、沙和砾石,因为它们是水处理过滤器中常见的材料,并且这些东西都可在当地的商店购买到。挑选棉球是因为需要做一个渗透屏障,防止过滤材料被冲走。此外,棉球容易被放置在过滤器中。

        要求每组必须达成组内一致,绘出1张过滤器的草图,并制定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)。为最初对于什么是好的滤水器的想法(决策工作表中所体现的)添加新的约束条件,有助于巩固这样一个概念,即工程设计是一个经常反复的过程,这一点必须要向学生加以强调。

       此外,关于预算过程的一个意想不到的后果是,学生通常不会花完所有的钱,因为他们认为,为了以后的活动节约资金很重要。其实学生并不必为了以后的活动省钱,但是除非有学生特别明确地问到这个问题,否则教师不必特意强调可以花完所有的预算经费。事实上,各组学生花费的经费不同反而引发了一场关于如何在工程设计的成本和质量间取得平衡的重要讨论。

       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。学生被明确告知,他们不可以将任何的过滤器材料放入口中,并且需要佩戴间接排放型的化学护目镜。由于部分学生对使用天平并不熟悉,让他们自己称量材料也是一种锻炼他们使用天平技巧的机会。它还能让学生在视觉上体会到某种材料的质量〔以克为单位)和数量(体积)之间的关系。这个步骤尤其重要,因为学生经常在目测物体的质量方面存在困难,尤其是在质量非常小的情况下,例如只有几克时。

       学生需要使用独立的容器,如塑料杯,将买来的各类材料分别存放。为了确保学生不会因为小组获取材料的环节而影响进度,建议在教室的两旁或后方建立多个材料站,每个站里都有所有的材料和1个天平。理想情况下,每组都能有1个材料站。在称量材料的时候,所有的学生必须佩带化学护目镜。在称量环节结束后,学生必须要洗净双手才能继续一个环节的活动。

       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。在整个活动过程中,所有的材料应放在不同的可密封的容器中,并在整个活动期间都置于各个材料站中。当学生完成构建和测试他们的过滤器之后,建议所有的材料都应被丢进垃圾桶。为了防止下水道堵塞,应避免任何材料落入下水道中。

       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。然而,重要的是,在学生画出过滤器的草图,以及做出花费预算之前,学生应该了解他们将使用什么作为过滤器的容器。称量材料和建造过滤器的时间取决于天平站的数量,并且不同小组的完成时间会有不同,但总体上,这个环节的时间在15一30分钟之间。

      每个过滤器都会接受将200亳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眼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1一15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)。无论选择哪种方式,重要的是促使学生探讨肉眼观察和实际测量之间的差别。最简单的方法是肉眼观察从过滤器流出的液体,并且将此与其他组的流入流出液体作比较。另一种较为高级的方法为,制作一些不同颜料浓度的标准,可通过将流入流出液体与此标准进行视觉对比得到相应的颜料浓度。制作这些颜色标准,涉及到要用红色颜料制作出不同浓度的溶液。用线性稀释法制作这种颜色标准的过程可以从网上或其他出版资源中找到。

        样本和色标之间的视觉对比可通过对比小瓶中的溶液来进行,也可通过用溶液照片构成的颜色表来进行。这是学生可以参与的一个环节,这个环节能让学生明白颜料浓度、稀释和颜色之间的关系,或者教师也可以事先准备好对色表或色标。最高级的测评过滤器效果的方式,是应用环境工程师经常使用的专业的污染物浓度仪来对流出的液体进行分析。其中一种普遍的仪器为分光光度计,它的原理是测量液体对于某种特定波长光的吸收能力(单位为吸收度)。手持色度计是一种有着相类似的功能,但更为便宜的选择。

      在我们的项目中使用了分光光度计,因为我们能从南卡罗莱纳大学的环境实验室借用这种仪器。在本活动中,更大的光波吸收值代表着更多的红色,流入液体的吸收值将被提前测得。然后让班级开展讨论,讨论如何将流出的液体与流入的液体进行对比,以及什么是前测,什么是后测。测试和数据报告是至关重要的环节,因为它将会告诉学生他们的过滤器的视觉和指标性的效果。测试结束后,每组都要向全班介绍自己的过滤器设计,包括每种材料用了多少,以及过滤后的液体的吸收值。学生不仅仅能对比颜色,还能对比各组的吸收值。一般情况下,学生能用他们第1次设计的过滤器去除小部分的染色剂,吸收值在0.2-0.9之间,虽然大部分的吸收值依旧偏大。最终,学生们能得出结论:当吸收值为0时才是完全去除了红色。

      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。例如,大部分的学生在开始设计的时候会选择使用很多的棉球,这是因为他们混淆了吸水和去除水中红色二者的概念。相反,由于学生认为活性炭价格高昂,所以选择活性炭的学生非常少。大部分小组选择将材料布置成明显的分层,但也有小组选择在放入注射器前将所有材料混合起来。有一些小组并没有在过滤器的底部放置棉花球,这导致了他们的过滤器中的材料流了出来。用更多活性炭的小组普遍去除了更多的红色。

       学生一般会对观察结果做笔记,但他们有时候错误地将优秀的去污力归功于他们过滤器中使用的某些材料。允许学生犯错,并且让学生从经验中学习,这点非常重要。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)。

        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。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),虽然“吸附”这个单词还没有被用到。我们给每个小组提供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,我们将会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,这对学生们来说是个感到困惑的地方。虽然棉球吸收了液体,但红色却没有从液体中被去除。为了验证此现象,将饱和的棉球挤压出水,之后让学生们观察水的颜色(还是跟控制组广口瓶中溶液的红色一样)。

       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,我们引入、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。为了阐明这个概念,我们向学生展示了小量(大约5克)的活性炭,并告知他们碳分子表面的所有区域的大小等同于一个足球场的面积。一般来说,沙和砾石的表面积比活性炭分别小了100倍和1000倍。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中所呈现的某项技术)。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。实际上,一些小组在再设计的过滤器中只使用了活性炭。在这些过滤器中颜料移除的效果非常好,在最后的溶液中颜色基本上被完全清除了(吸光度值通常少于0.05)。

       学生要独立完成一个与活动前决策工作表类似的活动后决策工作表。第1个问题便是让学生基于已学习的知识,画出最佳的水过滤器。其次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。第3个问题,是让学生写出他们觉得在学习过滤器的过程中最有意思的东西。

        对比活动后决策工作表和活动前决策工作表可以看到,学生们增加了他们的工程词汇量,以及有关过滤的知识。图表9反映了部分学生对于这些问题的回答。从这些回答可以看出学生对于自身学习的认知。然而,我们建议进一步完善决策表,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?另外,我们建议询问学生他们在工程设计的过程中学到了什么,以及人类的用水是如何适应水循环的。

    案例来源:《国外优秀STEM教育案例集》           出版单位:《中国科技教育》杂志社

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