“素養(yǎng)為本”的化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計

李法瑞　俞洪澤

摘要：“環(huán)境問題與處理”是化學(xué)與社會主題教學(xué)中的重要內(nèi)容。以“社區(qū)濕垃圾異味及其危害探究”為選題，圍繞“素養(yǎng)為本”的教學(xué)理念，通過真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)踐策略，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際生活中發(fā)展核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：社區(qū)濕垃圾;?異味成分測定;?化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí);?實(shí)驗(yàn)探究

文章編號：1005-6629（2020）07-0065-04

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是高中學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)，反映了社會主義核心價值觀下化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了化學(xué)課程對學(xué)生未來的重要價值[1]?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（簡稱“新課標(biāo)”）注重開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動，重視教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[2]。

基于化學(xué)學(xué)科教學(xué)實(shí)踐的改革與探索，本文選取“社區(qū)垃圾”這一貼近生活的社會熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題，通過引領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)社會真實(shí)情境，進(jìn)一步探究“大氣中VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）的成分與來源”“垃圾及廢棄物的分類、回收處理與循環(huán)利用”等問題;通過“呵護(hù)生存環(huán)境”等主題的學(xué)習(xí)實(shí)踐活動，了解相關(guān)污染物及其危害，并為消除危害提供研究支撐，在強(qiáng)化公眾共同參與環(huán)境治理、維護(hù)公共衛(wèi)生的責(zé)任的同時，也為新課標(biāo)“環(huán)境問題及其處理”模塊的相關(guān)內(nèi)容提供有益補(bǔ)充。

1??基于“垃圾異味”探究的背景

新課標(biāo)注重凸顯“化學(xué)在保護(hù)環(huán)境中的作用”，將這一主題教學(xué)內(nèi)容納入到“化學(xué)與社會”主題模塊，在必修和選修課程中都涉及這一與人類命運(yùn)息息相關(guān)的話題，以期讓師生共同參與到對大氣污染物的認(rèn)知與防范過程中，擔(dān)負(fù)起守護(hù)“綠水青山”的時代責(zé)任和使命。在傳統(tǒng)化學(xué)教材中，常見的大氣污染物有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳?xì)浠衔?、化學(xué)氧化劑及顆粒物等等，而對于生活中由于人類活動而產(chǎn)生的大量的、廣泛的垃圾異味尚未提及。

為此，筆者帶領(lǐng)學(xué)生團(tuán)隊組建“社區(qū)濕垃圾異味及其危害”課題研究小組，希望能通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（ProjectBased?Learning，?PBL）的方式開展以化學(xué)學(xué)科為切入口的跨學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐，科學(xué)分析濕垃圾異味代表成分，并選取重點(diǎn)有害成分，開展對小鼠生長影響的探究，揭示垃圾異味對生命健康的重要影響，為人們尤其是環(huán)衛(wèi)工人提供科學(xué)的安全防護(hù)依據(jù)，也為城市垃圾處理提供基于異味研究的重要分類依據(jù)。

2??基于“垃圾異味”探究的設(shè)計

為了探究發(fā)現(xiàn)“濕垃圾”異味成分及其危害，構(gòu)建基于環(huán)境問題特色的跨學(xué)科實(shí)踐，課題組將本實(shí)驗(yàn)探究過程設(shè)計成兩個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，分別為：實(shí)驗(yàn)1，社區(qū)生活“濕垃圾”異味成分分析;實(shí)驗(yàn)2，社區(qū)生活“濕垃圾”異味有害成分的危害探究;解決方案為社區(qū)生活“濕垃圾”無害化存儲設(shè)想（見表1）。

通過上述項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方案的設(shè)計，希望達(dá)成以下探究目標(biāo)：（1）初步了解社區(qū)生活“濕垃圾”異味的主要成分及有害成分;（2）選取代表性異味有害成分，通過“獨(dú)木橋?qū)嶒?yàn)”研究其對小鼠平衡能力的影響情況;（3）通過小鼠急性毒性實(shí)驗(yàn)，探查“濕垃圾”異味中代表物質(zhì)對小鼠的毒性損傷，并分析其對小鼠肝臟組織結(jié)構(gòu)的危害程度;（4）進(jìn)一步提出后續(xù)研究方案和無害化存儲設(shè)想。同時，在相應(yīng)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中有所側(cè)重地培養(yǎng)與發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。

3??“素養(yǎng)為本”的實(shí)踐特色解析

新課標(biāo)在“化學(xué)與社會”系列中設(shè)置了三個內(nèi)容主題，分別為：化學(xué)與生活、化學(xué)與技術(shù)、STSE綜合實(shí)踐。這些主題均對人類所面對的環(huán)境問題提出了相應(yīng)的教學(xué)建議，積極倡導(dǎo)師生應(yīng)關(guān)注社會熱點(diǎn)問題，培養(yǎng)核心素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生綜合分析、解決實(shí)際問題的能力[3]。因此，筆者以“社區(qū)濕垃圾異味及其危害”項(xiàng)目為例，從化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的不同維度，通過深入剖析問題情境的創(chuàng)設(shè)以及相對應(yīng)的核心素養(yǎng)培育的落實(shí)，闡述“素養(yǎng)為本”的教學(xué)實(shí)踐過程。

（1）?以共同參與環(huán)境治理為目標(biāo)，肩負(fù)“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”。

新課標(biāo)中“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”核心素養(yǎng)要求包括：具有安全意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，具有探索未知、崇尚真理的意識;能對與化學(xué)有關(guān)的社會熱點(diǎn)問題作出正確的價值判斷，能參與有關(guān)化學(xué)問題的社會實(shí)踐活動等[4]。

在日常生活中，隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口高度集中，城市生活垃圾也日益增多，人均年產(chǎn)垃圾為450kg左右，并且以每年不低于8%的速度遞增[5]，我國城市生活垃圾年清運(yùn)量約為1.6億噸[6]，“垃圾問題”已成為阻礙現(xiàn)代人類文明進(jìn)步的普世難題。許多學(xué)生都深有體會，當(dāng)他們途徑社區(qū)垃圾箱時，常常能聞到“濕垃圾”所散發(fā)的臭味。因此，真實(shí)的問題情境就產(chǎn)生了：這些刺鼻異味是什么成分？對人們的健康會產(chǎn)生什么危害？怎樣消減這些異味對環(huán)境帶來的影響？

課題組帶領(lǐng)學(xué)生開展了文獻(xiàn)調(diào)研，然而令人困惑的是，關(guān)于“濕垃圾”異味的相關(guān)報道及研究甚少，組員們隨即產(chǎn)生強(qiáng)烈的社會責(zé)任感和使命感。當(dāng)時恰逢暑假來臨，他們冒著酷暑高溫，走街串巷，逐一篩選具有代表性的氣味樣本采集地點(diǎn)。在夏季的高溫、高濕和烈日的三重作用下，垃圾發(fā)酵變質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激性氣味。然而，課題組成員沒有一個打退堂鼓，憑借著浸潤在骨子里的使命擔(dān)當(dāng)順利地完成了實(shí)驗(yàn)方案的預(yù)設(shè)與開題。不難看出，雖然沒有口號式的鼓舞與信誓旦旦，社會責(zé)任感素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)卻自然達(dá)成，真可謂“此處無聲勝有聲”。

（2）?以跨學(xué)科學(xué)習(xí)與實(shí)踐為突破，增強(qiáng)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”。

新課標(biāo)中“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)要求包括：認(rèn)識科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動;運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究;勤于實(shí)踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新等[7]。

該項(xiàng)目具有鮮明的STSE綜合實(shí)踐特色，是新課標(biāo)所倡導(dǎo)的要注重開放性與發(fā)展性的重要核心素養(yǎng)培育載體。教學(xué)過程中，要注重為學(xué)生提供足夠的時間和空間，積極鼓勵學(xué)生自主探究。因此，該項(xiàng)目從一開始提出設(shè)想，到實(shí)驗(yàn)研究、結(jié)果分析，再到后來的論文撰寫，歷時將近一年。對于高中生而言，經(jīng)歷了艱難挫折，克服了重重困難，才最終完成。這個過程中他們勇于實(shí)踐，敢于創(chuàng)新，體會到了科學(xué)研究的艱辛與魅力，初步學(xué)會了跨學(xué)科學(xué)習(xí)與實(shí)踐的基本方法。

例如，該項(xiàng)目涉及“濕垃圾”氣味樣本采集及保存方法、氣質(zhì)聯(lián)用分析儀器的科學(xué)使用、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計與分析、有毒氣味代表性成分的篩選、小動物實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法以及基于物聯(lián)網(wǎng)的濕垃圾儲運(yùn)原理等跨學(xué)科領(lǐng)域，大都是高中生在傳統(tǒng)教材中無法學(xué)習(xí)到的，為了能夠創(chuàng)造性地解決社會生活中的問題，學(xué)生必須進(jìn)行課外拓展學(xué)習(xí)，逐一增進(jìn)和完善自身知識和能力結(jié)構(gòu)。又如，考慮到氣味樣本固相微萃取設(shè)備費(fèi)用昂貴，課題組成員嘗試就地取材，采用脫脂棉、醫(yī)用紗布、活性炭等廉價的采樣方式，通過自主創(chuàng)新的方法順利完成了氣味采集任務(wù)。

（3）?以情境化的設(shè)問與探究為核心，尋求“宏觀辨識與微觀探析”。

新課標(biāo)中“宏觀辨識與微觀探析”核心素養(yǎng)要求包括：能從不同層次認(rèn)識物質(zhì)的多樣性，并對物質(zhì)進(jìn)行分類;能從元素和原子、分子水平認(rèn)識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的觀念;能從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實(shí)際問題[8]。

課題組成員分別選擇上海市S社區(qū)的三處不同地點(diǎn)：A.?S社區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站;B.?S社區(qū)室內(nèi)菜場垃圾桶;C.?S社區(qū)餐飲垃圾收集點(diǎn)的濕垃圾樣本[9]。其中，（1）濕垃圾氣味樣本：分別采用活性炭、脫脂棉、醫(yī)用紗布懸放在高于垃圾10cm處富集氣體樣本（40分鐘），密封于密實(shí)袋中;（2）濕垃圾液體樣本：用塑料滴管采集少量，滴注于“樣本瓶”中，并用密實(shí)袋密封;（3）濕垃圾固體樣本用藥匙刮取采集少量，放置于“樣本瓶”中，并用密實(shí)袋密封。同時，在同一個采樣點(diǎn)，同一種樣本（氣體、液體、固體）分別采集3個樣本送檢。

隨后，課題組成員在實(shí)驗(yàn)室手動將固相微萃取儀（美國Supelco公司）石英纖維絲（100μmPDMS）先后插入每一個裝有樣本的密實(shí)袋中，在40℃條件下萃取30min后取出，送氣質(zhì)聯(lián)用儀（日本島津公司）檢測[10]，得出社區(qū)濕垃圾異味的主要成分（見表2）。

為什么濕垃圾氣味常常是又酸又臭且有毒害？通過實(shí)驗(yàn)探究，課題組將無色、刺激性的宏觀氣味代表物成分，以規(guī)范的、科學(xué)的化學(xué)術(shù)語呈現(xiàn)出來，同時通過計算機(jī)建模軟件呈現(xiàn)出相應(yīng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型。這一過程，讓課題組的每一位成員都驚嘆不已。他們借助平時在傳統(tǒng)課堂中學(xué)習(xí)到的有機(jī)酸、醇、醛、酯、醚、酚、肼等物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，出色地解答了一直困擾在他們心中的疑問。

（4）?以文獻(xiàn)研究與事實(shí)論證為要領(lǐng)，深化“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”。

新課標(biāo)中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)要求包括：具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或證偽;建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系等[11]。

在該項(xiàng)目中，課題組發(fā)現(xiàn)在采集的樣品中均檢測到有害物質(zhì)是硬脂酰肼。問題隨之產(chǎn)生：為什么三個采樣點(diǎn)，都含有“硬脂酰肼”？這種毒物是怎樣產(chǎn)生的？來源于哪里？據(jù)文獻(xiàn)查閱，關(guān)于社區(qū)生活垃圾異味方面鮮見報道，也沒有關(guān)于社區(qū)生活垃圾異味中“硬脂酰肼”的相關(guān)研究報道，對于“硬脂酰肼”的產(chǎn)生機(jī)理尚不明確。然而，吳婭利等[12]研究發(fā)現(xiàn)頂壇花椒活性成分中含有槲皮素-3-O-β-（4-O-硬脂?；┢咸烟擒眨?）等成分，發(fā)現(xiàn)硬脂?；嬖谟谥参矬w內(nèi)。由此，課題組推測，社區(qū)生活垃圾中存在的“硬脂酰肼”有可能來自植物或動物體內(nèi)相關(guān)化合物的進(jìn)一步分解，比如花椒烹飪時相關(guān)成分的分解。

顯然，基于當(dāng)前的研究局限，課題組成員無法直接給出有關(guān)“硬脂酰肼”來源的準(zhǔn)確答案。但是，可以引領(lǐng)學(xué)生從科學(xué)文獻(xiàn)及相關(guān)學(xué)術(shù)資料中尋找“蛛絲馬跡”，進(jìn)一步探求問題的佐證材料。由于餐廚垃圾是“濕垃圾”的重要組成部分，因此人們在烹飪過程中常常使用的花椒成分就是破解該問題的線索之一。本課題出自于證據(jù)推理、建立科學(xué)事實(shí)與假說之間的邏輯關(guān)聯(lián)，顯然對培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)大有裨益。

（5）?以科學(xué)實(shí)驗(yàn)與問題解決為方向，建構(gòu)“變化觀念與平衡思想”。

新課標(biāo)中“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)要求包括：能認(rèn)識物質(zhì)是運(yùn)動和變化的，知道化學(xué)變化需要一定的條件，并遵循一定的規(guī)律;認(rèn)識化學(xué)變化有一定的限度、速率，是可以調(diào)控的。能多角度、動態(tài)地分析化學(xué)變化，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理解決簡單的實(shí)際問題[13]。

為了有效落實(shí)“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)目標(biāo)，該項(xiàng)目分別從以下兩個主題展開教學(xué)：（1）“濕垃圾”中的代表性有毒物質(zhì)對小鼠生長的危害研究;（2）“濕垃圾”無害化存儲設(shè)想。其中，以“硬脂酰肼”為代表物開展小鼠實(shí)驗(yàn)[14，15]，對小鼠經(jīng)口灌胃。實(shí)驗(yàn)分為5個劑量組，每組10只昆明小鼠。分別測定硬脂酰肼對小鼠急性毒性作用、半數(shù)致死量、對小鼠平衡能力的影響以及對肝臟組織結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同硬脂酰肼濃度組影響小鼠通過獨(dú)木橋的時間顯著高于正常組;硬脂酰肼組對小鼠肝組織結(jié)構(gòu)有殘破、肝細(xì)胞排列紊亂、局部出現(xiàn)空泡變性、片狀壞死的現(xiàn)象，并伴有不同程度的炎性浸潤，胞漿疏松化。可見，濕垃圾異味的產(chǎn)生及其影響是一個動態(tài)變化過程，由于垃圾中殘余動植物組分會進(jìn)一步衍化為相應(yīng)的有害物質(zhì)，進(jìn)而會對生物機(jī)體健康的細(xì)胞和組織造成損傷，危害生命。

為了有效干預(yù)這一系列動態(tài)變化過程，控制或減緩有害物質(zhì)的產(chǎn)生及其危害，課題組提出了富有科學(xué)性、可行性的問題解決方案：借助物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和信息化等方面的知識與原理，構(gòu)建和設(shè)計基于“異味消減”考量的社區(qū)“濕垃圾回收桶”智能物聯(lián)預(yù)警與殺菌除臭系統(tǒng)。讓社區(qū)垃圾站更加衛(wèi)生安全的同時，課題組成員的“變化觀念與平衡思想”

以及“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的

核心素養(yǎng)也隨之得以發(fā)展。

4??結(jié)語

實(shí)踐表明，“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”是一種有利于學(xué)科核心素養(yǎng)培育的行動模式[16]。在學(xué)習(xí)過程中，選擇貼近生活、生動有趣、難度適宜的項(xiàng)目主題，是對常規(guī)課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充，不僅有利于改善學(xué)習(xí)方式、增強(qiáng)學(xué)習(xí)實(shí)效，更有益于學(xué)生學(xué)科實(shí)踐能力的提升，這種嘗試值得在今后的教育實(shí)踐中進(jìn)一步探索與加強(qiáng)。

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