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[项目] #科学实验探究#水的净化

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本帖最后由 小含糊online 于 2020-8-6 14:04 编辑

水的净化是小学三年级的学习内容之一,本次科学探究实验正是以此为切入点,对STEM教学的一次大胆设想与尝试。科学是一门基于实验的学科,尤其对于小学的孩子们来说,一个有意思的实验,往往会令孩子们印象深刻,形象生动直观的实验更有助于孩子们对知识点的理解。传统的净水实验耗费时间长、效果不明显,孩子们对实验结果的评价标准也不容易统一(净化的程度问题),本次探究我将使用DFRobot提供的主控板、传感器以及Mind+编程平台,对水的净化这节课进行一次创新的尝试。
以下是与本次实验有关的课标截图
课标3.png 课标1.png 课标2.png

课程设计探究思路
水的净化思维导图.png
材料清单
Arduino UNO、Arduino UNO I/O扩展板、掌控板、水质浊度传感器、花岗岩石子、瓷砂、活性炭、石英砂、小苏打、钾明矾、小玻璃罐、透明粗塑料管、透明塑料罐子
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这里介绍一下水质浊度传感器
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浊度传感器利用光学原理,通过测量溶液中的透光率和散射率来综合判断溶液浊度情况,从而达到检测水质的目的。传感器内部是一个红外线对管,当光线穿过一定量的水时,光线的透过量取决于该水的污浊程度,水越污浊,透过的光就越少。
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这里我预设孩子们已经在教室里了解了水的净化的基本内容与知识点,本次课程则主要是实验探究的过程。
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实验一:探究不同材料的净水效果

我们知道,钾明矾+小苏打可以产生化学反应,从而达到净水的目的,活性炭因为其对水中杂质具有较强的吸附能力从而可以达到净水的效果,那么请同学们猜想一下,究竟他们谁的净水能力更强呢?要如何设计实验?
  • 设计实验
我们可以通过控制变量的方法来设计整个实验——使用同源污水,分别在两个容积相同的玻璃罐的污水中,加入等剂量的钾明矾+小苏打和活性炭,经过相同的时间后,检测水质。
  • 硬件与编程
使用Arduino UNO主控板,利用水质浊度传感器对水质进行检测,水质的好坏与模拟串口返回的数值成反比。这里将水质浊度传感器的信号线接在A0端口。

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使用Mind+【实时模式】编写程序
利用【网络服务】中的【文字朗读】扩展模块,可以实现水质的实时语音播报。(每隔1秒,播报一次)

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  • 其他材料准备
淘米水、两个洗干净的玻璃罐、钾明矾、小苏打、活性炭
      
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  • 制作等量污水,进行试验
先测试了一下起始水质浊度,钾明矾+小苏打(A)为150,活性炭(B)为141
这里我给了2小时,然后使用水质浊度传感器进行检测,得到如下结果

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钾明矾+小苏打

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活性炭

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  • 总结与反思
通过实验我们得出结论——钾明矾+小苏打的净水能力比活性炭要好,并且钾明矾+活性炭在水中发生化学反应后会在水底有白色沉淀物生成。
反思:
1.为什么生活中不用钾明矾+小苏打代替活性炭呢?
2.钾明矾+活性炭净水后产生的白色沉淀物是什么?为什么会有白色沉淀物出现?

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实验二:柱式净水器净水效率高吗?通过以前的学习我们知道,水的净化主要有四种方法——沉淀、过滤、蒸馏还有吸附,大自然的淡水是不能直接饮用的,里面会有很多的杂质,那么我们需要先将淡水进行净化,如何净化自然界中的淡水呢?我们有一个非常经典的实验就是柱式净水器实验,那么这种方法究竟效率高吗?
  • 实验步骤
搭建柱式净水器

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使用水质浊度传感器检测水质,并记录数值(这里检测到为227)
将需要净化的淘米水缓慢倒入柱式净水器
      
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等待储水箱储满水,拿出水质浊度传感器进行测试,记录结果(这里我测得382)

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  • 总结反思
从实验结果来看似乎效率并不高,因为在实验过程中,我为了让污水尽快流到储水罐,滤纸少用了一层,加上刚才实验用掉了一半活性炭,所以实验结果还有待进一步验证。
但是我们还是可以通过实验发现,这种柱式净水器净水法耗时比较长,没有前面的钾明矾+小苏打的方法速度快,那么为什么这种方法在自来水厂还是会用到呢?
如果你来改进这个方法,你会怎么改进呢?

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实验三:探究钾明矾+小苏打的净水效率有同学可能会好奇:既然钾明矾+小苏打净水能力这么厉害,那么它的效率高不高呢?那么我们可以使用手头剩余的材料设计一个什么样的实验来验证呢?
首先测量一下正常的自来水的水质浊度,然后我们可以设计一个容器,将水质浊度传感器放置在加了钾明矾和小苏打的淘米水中,实时测量水质浊度,编写程序,看看多久可以将水净化到自来水的程度。
  • 编写程序
这里我们需要实时测量水质并且记录所的数值,经过和DF群小伙伴的讨论研究,我决定使用Mind+实时模式的TinyWedDB模块进行辅助
TinyWebDB是一个很好用的数据处理服务器,我们可以把传感器测得的书数值以【标签】和【值】的形式上传,并且只要连接到这个服务器,任意设备都可以下载查看这些数据!
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我们来看看编写好的程序,在这里我测得自来水的浊度为570,所以我以570和400作为水质分界点,并且设置变量来表示水质的好坏,所以传感器在测量完浊度之后会直接告诉我们当前水质的好坏。

  • 安装传感器,开始实验
实验的同时,我们可以在数据后台查看我们收集的水质浊度数值
            
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  • 处理数据
不得不说,可能我的剂量放少了,或者是淘米水放多了,总之一夜之后数值还是没有达到570+
接下来要对手机的数据进行处理,这里的思路是——用串口输出水质浊度数值,复制得到的数据,然后倒入Excel制作折线图。两个问题:
1.Arduino UNO不支持上传模式中的【网络拓展模块】
2.TinyWebDB一次最多输出100个数值
所以这里不得不给掌控板点个大大的赞!!!掌控板可以在上传模式下使用网络拓展模块,解决了第一个问题,第二个问题无解,只能多次复制粘贴了……
这里还要用到Wi-Fi拓展模块,来获取TinyWebDB上的数据
            
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对数据稍微进行一些处理,然后使用Excel制作折线图

折线统计图.png
  • 总结与反思
通过实验结果结合折线图我们可以看到,钾明矾+小苏打具有很好的净水能力,但是速度还是比较慢。
我们可以发现一个规律:一开始净水速度非常快(从261到400),但是到了400左右的时候,整体净水速率趋于平缓。
(最后一下跳到600是因为我第二天起来拿出传感器擦拭了一下……对实验结果产生了影响……)

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最后请聪明的你思考:
1.净水速率和两种试剂的量是否有关系?要如何设计实验验证?
2.如果我不那么心急,给它们足够的时间,水质最终是否会回到自来水水平?
3.本次三个实验,还有哪些不足与改进的地方?
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