基于AI 學(xué)智能教學(xué)平臺的初中化學(xué)項目化學(xué)習(xí)實踐研究
——以“碳循環(huán)和低碳行動”的教學(xué)為例

黃躬芬 陳思滔

（1.閩侯縣實驗中學(xué)，福建 閩侯 350100；2.閩侯縣教師進修學(xué)校，福建 閩侯 350100）

一、項目主題的研究背景

項目化學(xué)習(xí)（Project-Based Learning）是指在一段時間內(nèi)對學(xué)科或跨學(xué)科相關(guān)的驅(qū)動性問題進行深入和持續(xù)的探索，調(diào)動學(xué)生知識、能力、品質(zhì)來創(chuàng)造性地解決問題，并且在形成真實成果的過程中，對核心知識和學(xué)習(xí)歷程有深刻的理解。［1］從核心素養(yǎng)的維度來看，項目化學(xué)習(xí)注重解決真實情境中的問題，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展所需要的關(guān)鍵能力和必備品格。

習(xí)近平主席在第75 屆聯(lián)合國大會指出：應(yīng)對氣候變化，中國將采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。如何讓學(xué)生理解“碳循環(huán)”“碳達峰”“碳中和”并踐行低碳行動？

初中化學(xué)課程標準中，要求“以自然界中的碳循環(huán)為例，知道物質(zhì)在自然界中可以相互轉(zhuǎn)化，及其對保持人類生活與自然環(huán)境生態(tài)平衡的意義”。［2］從課程視角分析，CO2是中學(xué)化學(xué)的核心知識之一。教材設(shè)置了“探究活動”（我們的呼吸作用）、“知識視窗”（溫室效應(yīng)、低碳經(jīng)濟和低碳生活）和知識欄目“空氣污染危害大”“保護大氣環(huán)境”“二氧化碳對人類生活和環(huán)境的影響”“自然界中碳循環(huán)是怎樣進行的”“化石燃料燃燒對環(huán)境有何影響”“能源”等。不難看出，教材有關(guān)“CO2及其對環(huán)境影響”的知識是分散的、零碎的、遞進式的。學(xué)生通過學(xué)科間的知識積累，雖然對自然界的生物圈碳循環(huán)已初步了解，但對水圈、巖石圈碳循環(huán)的了解不全面，對含碳元素物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化途徑也是碎片化的、模糊的，不易形成以物質(zhì)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化為核心的認識模型；學(xué)生雖然了解新能源的開發(fā)與應(yīng)用的價值與意義，但對新時代背景下的節(jié)能減排、碳補償?shù)葒H行為的概念不清晰，對如何減緩溫室效應(yīng)，了解碳中和，低碳行動等社會性科學(xué)議題是陌生的、難理解的。

鑒于此，開展以“碳循環(huán)和低碳行動”為主題的項目化學(xué)習(xí)，具有重要的現(xiàn)實意義。

二、項目的設(shè)計和實施

（一）項目化學(xué)習(xí)目標定位

本主題學(xué)習(xí)重點是：探尋自然界中的“碳循環(huán)”及含碳物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化的應(yīng)用；了解“碳中和”“碳補償”等時代名詞，學(xué)會應(yīng)用“碳循環(huán)”原理探討控制CO2含量、減緩溫室效應(yīng)的措施，制訂低碳行動方案。具體目標如表1。

表1 “碳循環(huán)和低碳行動”項目化學(xué)習(xí)的目標

（續(xù)表）

（二）項目化學(xué)習(xí)設(shè)計思路

項目化學(xué)習(xí)是一個基于問題解決的學(xué)習(xí)過程。［3］本主題的項目化學(xué)習(xí)，應(yīng)用智能教學(xué)平臺，通過自學(xué)低碳、共探低碳、共訂方案三個實踐環(huán)節(jié)，開展情境問題啟發(fā)式、數(shù)字化實驗探究式、物質(zhì)轉(zhuǎn)化模型建構(gòu)式及線上線下混合式的項目化學(xué)習(xí)。具體學(xué)習(xí)思路進階展示如圖1。

圖1 基于AI 學(xué)教學(xué)平臺的“碳循環(huán)和低碳行動”項目化學(xué)習(xí)思路進階展示

（三）項目化學(xué)習(xí)實施過程

項目活動一：探尋“碳循環(huán)”的奧秘

【任務(wù)1】課前自學(xué)，初步了解碳循環(huán)及低碳行為

［學(xué)生］應(yīng)用平板閱讀資料、觀看紀錄片《紅線——碳排放》，完成如下問題探究。

（1）自然界中CO2的產(chǎn)生途徑和消耗途徑。并嘗試畫出自然界中的碳循環(huán)圖。

（2）什么是溫室效應(yīng)？它的“利”和“弊”分別有哪些？哪些是溫室氣體？

（3）“低碳”，主要指的是什么？目前，人類的哪些行為導(dǎo)致了CO2含量的增加？要減少大氣中CO2的含量，我們能做點什么？（從CO2循環(huán)角度分析）

【任務(wù)2】感知自然界中的生物圈、水圈、巖石圈碳循環(huán)

［情景問題］北京飯店的建造中發(fā)現(xiàn)距今29285 年的榆樹，思考：大氣CO2中的C-14 是如何進入榆樹？放射性元素碳-14 與榆樹年齡有關(guān)系？

［教師］播放“生物圈碳循環(huán)”視頻，展示生態(tài)球（如圖2），并拋出問題:大氣中CO2如何在生物圈中進行轉(zhuǎn)化的？有幾種循環(huán)途徑?球內(nèi)的小魚為何能生存很長一段時間？

圖2 生態(tài)球

［學(xué)生］通過閱讀資料、觀看視頻，以小組為單位，討論分析，共同推導(dǎo)生物圈碳循環(huán)的六種途徑（如圖3），并解釋制作生態(tài)球原理。

圖3 生物圈碳循環(huán)途徑

［學(xué)生］閱讀資料，思考問題：大氣中CO2與海水發(fā)生了哪些反應(yīng)?海洋是CO2很好的儲庫，當CO2含量升高時，對海洋的生態(tài)平衡會造成什么影響？完成水圈碳循環(huán)圖。

［學(xué)生］閱讀資料，討論分析：CO2在巖石圈是如何循環(huán)的？完成巖石圈碳循環(huán)圖的信息填寫。

［教師］展示溶洞（鐘乳石、石筍）景觀圖，提出問題：溶洞里奇妙的景觀是怎么形成的？與碳循環(huán)有關(guān)系嗎？你能寫出物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)方程式嗎？

（小結(jié)）觀察生物圈、水圈、巖石圈碳循環(huán)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖（如圖4），厘清從化學(xué)角度看，實現(xiàn)碳循環(huán)的途徑就是含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

圖4 自然界碳循環(huán)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖

【任務(wù)3】感受CO2引起溫室效應(yīng)加劇及其帶來的影響

［學(xué)生］通過查閱資料，了解《巴黎協(xié)定》《哥本哈根協(xié)議》等國際公約的提出背景，理解低碳行動是一種國際合作行為。

［學(xué)生］觀看視頻“溫室效應(yīng)的影響及原理”，感受氣候變化的嚴峻性和危害性。

［教師］提出問題：CO2真能讓地球變暖嗎？提供給學(xué)生相關(guān)儀器和設(shè)備，并給出相應(yīng)的實驗指導(dǎo)。

［學(xué)生］設(shè)計實驗方案，利用手持技術(shù)——溫度傳感器演示對比實驗，得出結(jié)論：CO2含量增大能升高環(huán)境溫度。

［學(xué)生］溫室效應(yīng)的利和弊有哪些呢？小組討論，相互合作，分享結(jié)果，從不同角度分析整理出溫室效應(yīng)的利和弊。

【設(shè)計意圖】通過課前導(dǎo)學(xué)發(fā)展學(xué)生自學(xué)能力，關(guān)注熱點問題，結(jié)合化學(xué)、生物、地理知識理解相關(guān)概念，初步形成低碳行動的價值認同；故事、資料、實物等真實情境引發(fā)的問題探究，引導(dǎo)學(xué)生通過對自然界碳循環(huán)的系統(tǒng)分析，建立CO2轉(zhuǎn)化的認識模型，同時拓寬多學(xué)科知識；通過觀看視頻深化對溫室效應(yīng)利弊的理解，手持技術(shù)實驗探究，直觀感受溫室效應(yīng)，培養(yǎng)科學(xué)精神與社會責任，發(fā)展模型認知素養(yǎng)。

項目活動二：開展低碳行動

【任務(wù)1】感悟低碳行動及碳“捕捉”技術(shù)的價值和意義

［教師］介紹國內(nèi)首個規(guī)模最大的燃煤電廠——國華電力每年15 萬噸碳捕集和封存示范項目

［學(xué)生］思考問題：可采用什么方法來吸收CO2？采用海底封存CO2的原理是什么？

利用碳循環(huán)圖（如圖5），從減少排放和增大吸收兩方面分析，應(yīng)該采取哪些途徑來控制空氣中CO2含量？

圖5 自然界碳循環(huán)圖

［學(xué)生］隨堂檢測（利用平板完成）:下列行為屬于“低碳”行為的是（ ）

①開發(fā)“零碳”能源代替化石燃料 ②裝修時，減少木材的使用③減少使用一次性紙盒、塑料袋 ④短時間內(nèi)不用電腦，關(guān)閉顯示器 ⑤出行騎自行車

［學(xué)生］理解節(jié)約能源與低碳的關(guān)聯(lián)，進一步了解低碳行動的范疇。

【任務(wù)2】理解碳中和，制訂低碳行動方案

［教師］中國低碳行動的目標：CO2排放量在2030年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。什么是“達峰”和“碳中和”呢？如何實現(xiàn)這個目標？各小組從個人、國家、國際三個層面分析，制訂出“低碳行動”方案。

［學(xué)生］（課后研學(xué)）閱讀并查找資料，理解“達峰、碳中和”等相關(guān)名詞。小組合作，共同分析、討論，制訂“低碳行動”方案，并將方案上傳平臺，互相學(xué)習(xí)。

【設(shè)計意圖】通過對碳捕集、封存技術(shù)的了解，體會科學(xué)原理和科技進步在解決問題中的重要作用，發(fā)展科學(xué)價值觀，建構(gòu)科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境之間的關(guān)系，提升可持續(xù)發(fā)展觀念；通過平臺檢測，直觀反饋學(xué)生對“低碳”行為的理解；通過對碳循環(huán)圖的分析，充分理解碳元素守恒及CO2為核心的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，發(fā)展元素觀和變化觀；從碳循環(huán)到CO2的轉(zhuǎn)化，再到認識模型，結(jié)構(gòu)化地展現(xiàn)了碳中和思想及與具體行動間的關(guān)系；通過制訂低碳行動方案，持續(xù)關(guān)注社會熱點問題，提高合作交流能力，認識到應(yīng)用科學(xué)知識解決問題時，應(yīng)遵守正確的價值觀、社會責任，兼顧個人與國家、國家與國際的利益關(guān)系，促進發(fā)展國家認同和國際理解的素養(yǎng)。

三、實踐反思

（一）依托AI 學(xué)智能教學(xué)平臺，推進項目化學(xué)習(xí)

1.課前導(dǎo)學(xué)，任務(wù)驅(qū)動，精準設(shè)計

通過AI 學(xué)平臺課前導(dǎo)學(xué)功能，將導(dǎo)學(xué)資料、作業(yè)等在課前推送給學(xué)生，可有效培養(yǎng)學(xué)生閱讀、理解、信息提取、加工處理能力，充分展現(xiàn)學(xué)生的自學(xué)水平。依托AI 學(xué)平臺，通過導(dǎo)學(xué)報告，教師充分了解學(xué)生預(yù)習(xí)和學(xué)科間知識儲備情況，更精準地設(shè)計項目化學(xué)習(xí)任務(wù)。

2.課中探究與檢測，實現(xiàn)教學(xué)評一體化

通過AI 學(xué)平臺，作者應(yīng)用隨機點名功能，隨機抽樣檢查碳循環(huán)中物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化以及溫室效應(yīng)利和弊的分析等等，了解學(xué)生學(xué)情。通過平臺發(fā)送隨堂檢測，依據(jù)系統(tǒng)批改的檢測結(jié)果，快速捕捉學(xué)生對“低碳”行為與節(jié)約能源關(guān)聯(lián)性的理解薄弱點，當堂進行補充教學(xué)。利用教學(xué)平臺，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的作用，將過程性評價與項目化學(xué)習(xí)深度融合，真正實現(xiàn)教學(xué)評一體化，提高學(xué)習(xí)效率。

3.課后研學(xué)，實現(xiàn)自我超越

本項目化學(xué)習(xí)以制訂低碳行動方案為學(xué)習(xí)任務(wù)，將學(xué)習(xí)延伸至課外，包括資料查閱、視頻觀看、分析整理、小組合作、共同討論制訂方案。作者通過整合資源，如學(xué)習(xí)資料、視頻等，利用AI 學(xué)平臺發(fā)送給學(xué)生，并利用平臺的分組功能以小組討論的方式，課后通過分析科技進步和人類活動對碳循環(huán)的影響，制訂低碳行動方案，實現(xiàn)項目化學(xué)習(xí)的自我超越。

（二）提升科學(xué)素養(yǎng)，實現(xiàn)育人功能

項目化學(xué)習(xí)的定位就從小的驅(qū)動性問題開始，逐步將“知道什么”和“能做什么”聯(lián)系起來，用“能做什么”驅(qū)動學(xué)生不斷去主動學(xué)習(xí)和積極探索，學(xué)會學(xué)習(xí)和思考。［4］文章以碳循環(huán)為主線，通過觀看紀錄片《紅線——碳排放》及“碳循環(huán)”的資訊，完成溫室效應(yīng)、碳循環(huán)、“低碳行為”的相關(guān)問題，培養(yǎng)學(xué)生的閱讀、分析、解決問題能力；通過視頻、資料卡信息提取解決生物圈、水圈、巖石圈碳循環(huán)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題，完成建構(gòu)碳循環(huán)的模型認知能力；手持技術(shù)實驗探究培養(yǎng)了學(xué)生動手、觀察和分析問題能力；層層遞進式的真實情景和問題驅(qū)動，不斷深化項目化學(xué)習(xí)內(nèi)容的進階思維（如圖6）。二氧化碳等溫室氣體過量排放導(dǎo)致氣候變暖等環(huán)境問題引發(fā)的社會性議題和人類共同面對的不確定性挑戰(zhàn)，促進學(xué)生科學(xué)認知并樹立可持續(xù)發(fā)展思想。學(xué)會分析和思考：要節(jié)能減排，從微觀視角，個人能做什么，不能做什么？從宏觀視野，相關(guān)部門可以采取哪些措施，可以在哪些方面改進？爭取哪些方面的國際支持？

圖6 “碳循環(huán)和低碳行動”項目化學(xué)習(xí)內(nèi)容的進階思維流程

當然，在義務(wù)教育階段開展項目化學(xué)習(xí)的實踐中，還存在許多問題，有時甚至陷入困境。其一，項目化學(xué)習(xí)的內(nèi)容選擇有待優(yōu)化，教師需要選擇性地創(chuàng)設(shè)主題，重組課內(nèi)外資源，選擇與生活、時代相關(guān)素材知識讓學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)并付諸實踐；其二，需要保障學(xué)生進行項目化學(xué)習(xí)的時間，把具體問題置于一定的情境中，以學(xué)生活動為中心，給學(xué)生發(fā)言權(quán)和選擇權(quán)，才能使學(xué)生學(xué)有所得；其三，應(yīng)加強項目化學(xué)習(xí)的過程性評價，學(xué)生個體差異大，在自主探究中遇到問題各不相同，教師要分配不同的學(xué)習(xí)任務(wù)讓各層次學(xué)生發(fā)揮所長，及時疏導(dǎo)和幫助學(xué)生尋找解決辦法，獲得小成果要及時給出肯定，這樣才能充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性。

課程標準是藍圖，是規(guī)劃，而教材設(shè)計、課堂教學(xué)和項目化學(xué)習(xí)活動基于現(xiàn)實，這中間的鴻溝需要教師去填補，“打鐵還需自身硬”，教師需要不斷進取，為教而學(xué)，不斷提升專業(yè)能力。一是圍繞基礎(chǔ)教育教學(xué)改革的重點任務(wù)、熱點難點以及影響化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的瓶頸問題，深入調(diào)研，提出有意義的項目化學(xué)習(xí)內(nèi)容；二是堅持效果導(dǎo)向，面向全體學(xué)生，全面宣傳科學(xué)教育理念，傳授行之有效的學(xué)習(xí)方法，幫助解決學(xué)生學(xué)習(xí)實踐中的困惑和問題。