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[NSTA专栏]铅的社区环境风险评估——课堂参与式社区健康模拟实践活动

文_Isabelle Nguyen Athulya Johnson Andrew Kapral Abel Chacko 翻译_朱 方

2022-11/总第320期

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角色扮演活动可以提升学生参与度,鼓励循证讨论,并帮助学生理解学习材料(Freire、Baptisa和Freire,2016)。利用较新且具争议性的话题,鼓励学生建立与科学的联系,同时分析并提出合理的见解(Burgin和Butler,2016)。在本课中,我们将提供一个让学生参与现实世界的课程示例。本活动基于2015年美国密歇根州弗林特市的水危机事件——重金属元素铅从被腐蚀的管道进入该市的饮用水中。在我们的故事性课程中,学生开展模拟水质测试,探寻酸碱化学和缓冲溶液的基本概念,并对影响和决定本组实验结果的因素进行讨论。学生应具备基本化学概念,比如元素、原子、分子和化合物之间的差异。


筹备

学生被领入一个虚构的城市中,那里的人们正在患病,但病因未知。为了解开谜团并保护他们的社区,学生必须进行仔细测试,汇集数据并作出明智的决定。我们将学生随机分为3~6人的小组,每组代表1个虚构社区,这些社区有不同的人口统计数据和不同的供水管道类型(见图1和在线补充材料中的教案)。社区供水管道有3种类型:全铅管、半铅半PVC管和PVC管。每一类管道都由一个具有代表性的管道模型代替,包括较长的城市管道和较短的入户管道(见图2,灰色表示铅管,白色表示PVC管),表1末尾有详细说明。学生会收到1个财政风险模块,跟踪城市的支出,以及1个铅污染风险模块,指示每个社区发生铅暴露的可能性(见图3)。模拟水质量测试使用了2种类型的水:含洗涤苏打的水构成“阳性”测试样本,蒸馏水作为“阴性”测试样本。“阳性”水制备法:在1加仑水中加入3匙洗涤苏打并溶解,把柠檬汁和硫酸镁(泻盐)分别作为细菌测试和铅测试的“指示剂”。学生在处理洗涤苏打、泻盐和柠檬汁时应佩戴护目镜,避免接触眼睛、嘴和面部,并应在活动结束后立即洗手。


步骤1:氯化

为了介绍本课的基本框架,我们询问学生关于细菌的知识,以及这些污染物导致疾病的作用机理。讨论结束后,每个小组会收到5个样本,这些样本代表从社区抽取的水。为了检测细菌的存在,要求学生在5个样本中分别加入几滴柠檬汁(指示剂)。如果溶液颜色变为黄色,则样本标记为细菌“阳性”(见图4)。每组收到的5个样本中有1个、2个或3个阳性样本。

学生在观看一段简短的视频后,对其进行讨论。该视频介绍了如何使用氯通过破坏细胞膜分解(杀死)细菌。最终学生投票决定是否对城市的水进行氯化(见参考资源中的“漂白剂的神奇性质”)。学生必须权衡水处理的健康效益与城市的财政成本。投票后,学生在简短的讨论中对自己的意见进行论证。每个阶段的投票节点起到形成性评价的作用,而学生可以在其中整合新信息并作出决定。以下是一些学生的观点依据。

●  大多数学生投票赞成氯化,因为他们想避免人们因为致病细菌而生病,而且有足够的经费支撑。

●  一些学生投票反对氯化,因为他们不想只为了单一的积极结果而投入资金。

在少数情况下,学生投票不对水进行氯化,我们会拿出1份环境保护局的命令,要求城市进行水的氯化,以推进场景进程,并演示风险模块的使用方法。财政风险模块列出了全市的财政成本。现在,每个小组都会得到1杯代表他们城市里的现有的水,测试pH值。测出的pH值应为中性,即7.0。学生向杯中加入“氯”(醋)并将其财政风险模块的风险上调1级,表示增加了城市的总运营成本。然后,学生可以测试水的pH值水平,查看pH值的变化,pH值应低于7,因为水的酸性增强了。

如样本实验所示,向水中加入“氯”会导致水中解离出的氢氧根形成次氯酸(HClO),使水酸性加强。我们会使用pH值表示测量出的酸度,该值表示游离氢离子(H+)的浓度。pH=1时氢离子最多,pH=14时氢离子最少。因为酸性物质有更多的氢离子,pH值上升意味着从最酸性变为最碱性,pH=7为中性。学生应该理解,水的酸度改变是一个意外的结果,而不是细菌被清除的缘故。随着氯化进程的推进,学生学习酸碱化学的概念,并理解自己的决定如何对社区产生影响。


步骤2:铅污染问题和补救措施

接下来,我们将铅作为一种污染物进行介绍,并与学生就其性质进行简要讨论。讨论的性质包括铅作为软金属和可塑性金属的广泛使用领域,以及作为神经毒素的风险,包括发育迟缓和行为问题。我们鼓励学生提出诸如“铅笔中是否含有铅”这样的问题,并思考可能造成的影响。

之后,学生观看了关于密歇根州弗林特市的介绍视频,以及他们的管道是如何被氯腐蚀的(见参考资源中的《腐蚀性化学:铅如何进入弗林特市的饮用水中》)。铅管道的腐蚀是由氧分子与管道中的铅分子发生反应引起的。反应会暴露更多的铅,铅会溶解在水中。一种解决方案是向水中加入正磷酸盐或磷酸盐缓冲液。正磷酸盐与铅分子结合,增加pH值,从而降低酸度。缓冲液到位后,pH值波动较小并维持在一定范围内,降低水引起腐蚀的可能性。然而如果添加过多的酸或碱,缓冲液可能会失效。

中国科教工作者协会会员专属文章,

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