基于真實(shí)問題情境的項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐

劉寶強(qiáng) 張賢金 張瑤敏

摘要：將化學(xué)反應(yīng)的利用融入項(xiàng)目式教學(xué)中，在真實(shí)問題情境下探究并解決問題，有利于學(xué)生感受化學(xué)的價(jià)值?；诖耍浴把芯寇囉萌剂稀睘橹黝}，通過燃料大比拼、選擇車用燃料、優(yōu)化車用燃料等活動(dòng)，建構(gòu)從物質(zhì)變化和能量變化角度研究化學(xué)反應(yīng)的一般思路和方法，嘗試用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。并反思從情境素材的挖掘、項(xiàng)目任務(wù)的規(guī)劃、實(shí)踐活動(dòng)的滲透等角度提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：真實(shí)問題情境；車用燃料；項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐

文章編號(hào)：1008-0546（2022）02-0053-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.011

*本文系2020年福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“基于學(xué)科關(guān)鍵能力培育的真實(shí)問題情境教學(xué)的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：FJJKXB20-1200）的階段性研究成果。

項(xiàng)目教學(xué)是學(xué)生在真實(shí)情境下復(fù)雜問題解決過程中，經(jīng)歷成果導(dǎo)向下形成的綜合任務(wù)完成過程。開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，相比于傳統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)梳理式的復(fù)習(xí)課，學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)時(shí)能更清晰地感受化學(xué)學(xué)科知識(shí)的價(jià)值以及魅力，體會(huì)化學(xué)是“有趣”的，亦是“有用”的[1]。

新一輪的課程改革，提倡創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的問題情境，基于真實(shí)問題情境的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)不僅要關(guān)注學(xué)科核心知識(shí)，更重要的是圍繞真實(shí)問題的解決形成學(xué)科思想方法，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)結(jié)構(gòu)化、問題解決思路化”的目的。筆者選取魯科版化學(xué)必修第二冊(cè)第二章的微項(xiàng)目“研究車用燃料及安全氣囊”，以“研究車用燃料”為主題開展項(xiàng)目活動(dòng)，嘗試探索基于真實(shí)問題情境的教學(xué)實(shí)踐。

一、項(xiàng)目主題分析

“研究車用燃料及安全氣囊”是普通高中教科書（魯科版）化學(xué)必修第二冊(cè)第二章的微項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容，是在第二章學(xué)習(xí)完化學(xué)鍵與物質(zhì)構(gòu)成、化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化、化學(xué)反應(yīng)的快慢和限度之后的一節(jié)內(nèi)容?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的“學(xué)業(yè)要求”中明確提出“能綜合考慮化學(xué)變化中的物質(zhì)變化和能量變化來分析、解決實(shí)際問題”[2]。

如何利用化學(xué)反應(yīng)解決實(shí)際問題，如何讓學(xué)生真正參與到問題解決活動(dòng)中呢？筆者設(shè)計(jì)了常見燃料的大比拼、了解汽車尾氣污染及其治理措施、優(yōu)化車用燃料等任務(wù)。學(xué)生圍繞項(xiàng)目任務(wù)，通過分析解決車用燃料的選擇和優(yōu)化中遇到的實(shí)際問題，綜合應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化、化學(xué)反應(yīng)速率等學(xué)科核心知識(shí)，最終形成對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)模型。通過從反應(yīng)速率和反應(yīng)限度兩個(gè)視角看化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)變化和能量變化，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解與應(yīng)用，提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

二、項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)

燃料是學(xué)生熟悉的、也是充滿樂趣的話題。燃料的相關(guān)知識(shí)在初、高中教材及課程標(biāo)準(zhǔn)中均有要求。九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)（人教版）第七單元《燃料及其利用》中課題2詳細(xì)介紹了燃料的合理利用與開發(fā)，高中階段在學(xué)習(xí)化學(xué)第二冊(cè)（魯科版）第二章第二節(jié)《化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化》時(shí)，從化學(xué)鍵的視角揭示了化學(xué)反應(yīng)能量變化的本質(zhì)。

選取學(xué)生熟悉的燃料為主題，通過車用燃料的選擇和優(yōu)化項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生了解研究化學(xué)反應(yīng)的一般思路與方法，感受化學(xué)學(xué)科的價(jià)值。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等學(xué)科核心素養(yǎng)。具體的項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)為：

（1）通過燃料大比拼認(rèn)識(shí)燃料的優(yōu)缺點(diǎn)，了解車用燃料的基本條件。

（2）熟悉從能量變化、物質(zhì)變化等角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，建構(gòu)認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的一般思路與方法。

（3）通過閱讀“洛杉磯煙霧事件”，了解汽車尾氣污染及其危害。

（4）觀看“三元催化器的工作原理”視頻，理解汽車尾氣凈化的原理。

（5）通過科技閱讀——“國(guó)內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及其戰(zhàn)略意義”，感受化學(xué)反應(yīng)在改善人類生活質(zhì)量方面的貢獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和綠色化學(xué)觀念，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任與創(chuàng)新意識(shí)。

三、項(xiàng)目教學(xué)流程

基于上述項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)，筆者設(shè)計(jì)了“常見燃料大比拼”“汽車尾氣污染的治理”“優(yōu)化車用燃料”“拓展視野”等4個(gè)子任務(wù)，通過問題驅(qū)動(dòng)方式逐步展開，具體項(xiàng)目活動(dòng)以及設(shè)計(jì)意圖見圖1。

四、項(xiàng)目實(shí)施過程

1.基于數(shù)據(jù)分析選擇車用燃料

汽車是當(dāng)今社會(huì)極為重要的交通工具之一。汽車的普及給人們的出行帶來極大的便捷與舒適。駕車出行離不開燃料，如何選擇合適的車用燃料呢？

圍繞給汽車選擇“車用燃料”，教師給出不同燃料的數(shù)據(jù)（見表1），學(xué)生開始進(jìn)行常見燃料的“大比拼”討論活動(dòng)。

（數(shù)據(jù)來源：東方財(cái)富網(wǎng)，中國(guó)LNG綜合進(jìn)口到岸價(jià)格不含稅費(fèi)、加工費(fèi)數(shù)據(jù)時(shí)間：2021年2月～4月）

【思考】回答下列問題：（1）乙醇和汽油相比，哪種燃料更易充分燃燒？（2）燃燒產(chǎn)物對(duì)大氣有沒有污染？（3）選擇車用燃料時(shí)，更關(guān)注單位物質(zhì)的量燃料完全燃燒放熱多少還是單位質(zhì)量燃料放熱的多少呢？（4）天然氣、氫氣等氣態(tài)燃料，遇到最棘手的難題是什么？

【小組討論】車用燃料應(yīng)具備：（1）環(huán)保清潔、環(huán)境污染小，（2）來源充足、易于獲得，（3）能量密度高、易完全燃燒，（4）運(yùn)輸方便、容易保存。

【教師追問】對(duì)上述四種燃料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

【學(xué)生回答】汽油、柴油是目前使用最廣泛的車用燃料，天然氣、乙醇是較清潔、可推廣的車用燃料，而氫氣是最理想的清潔能源。

【教師補(bǔ)充】H2、天然氣等氣態(tài)燃料推廣中“卡脖子”難題是儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)意圖：通過問題的驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究、數(shù)據(jù)分析，歸納總結(jié)、交流評(píng)價(jià)。學(xué)生基于燃料數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)歸納出“車用燃料”的基本條件，并對(duì)相應(yīng)的燃料進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和證據(jù)推理意識(shí)。

2.借助視頻與動(dòng)畫理解汽車尾氣凈化

汽油、柴油等輕質(zhì)液體燃料是目前汽車最普遍使用的燃料，隨著汽車保有量的逐年增長(zhǎng)，其排放的尾氣對(duì)環(huán)境和對(duì)人類身體健康會(huì)造成什么影響呢？人們是什么時(shí)候開始意識(shí)到汽車排放的尾氣會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題呢？

結(jié)合上述問題，學(xué)生相互交流分享對(duì)汽車尾氣的已有認(rèn)識(shí)后，學(xué)生閱讀材料一“洛杉磯煙霧事件”[3]：

洛杉磯西面臨海，三面環(huán)山，是個(gè)陽光明媚、風(fēng)景宜人的地方。但是從20世紀(jì)40年代開始，人們發(fā)現(xiàn)這座城市一改往日的溫柔，變得“瘋狂”起來。每年從夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就會(huì)出現(xiàn)一種彌漫天空的淺藍(lán)色煙霧，使整座城市上空變得渾濁不清。這種煙霧使人眼睛發(fā)紅、喉嚨疼痛、呼吸憋悶、頭昏頭痛。1943年以后，煙霧更加肆虐，以致在城市100千米以外的海拔2000米高山上的大片松林枯死，柑橘減產(chǎn)。這就是最早出現(xiàn)的新型大氣污染事件——光化學(xué)煙霧事件。

石油化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展促進(jìn)當(dāng)?shù)氐钠嚇I(yè)的發(fā)展。洛杉磯在上世紀(jì)40年代就擁有250萬輛汽車，每天大約消耗1100噸汽油，排出1000多噸碳?xì)浠衔铮?00多噸氮氧化物，700多噸一氧化碳。另外還有煉油廠、供油站等其他石油燃燒排放，這些化合物在太陽光紫外線的照射下，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生劇毒的光化學(xué)煙霧。由于洛杉磯三面環(huán)山的地勢(shì)，煙霧久久不散，洛杉磯逐漸變成了“美國(guó)的煙霧城”。

【學(xué)生討論】汽車尾氣的主要污染成分為CO、NOx和碳?xì)浠衔铮–xHy）及其危害。

【教師追問】汽車尾氣中的主要污染物的來源。

【學(xué)生回答】汽車尾氣中的CO是由于燃油不完全燃燒產(chǎn)生的，NOx主要是NO和NO2，是進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣中N2和O2在高溫下生成的，對(duì)于CxHy的來源存在疑惑。

【教師補(bǔ)充】CxHy是發(fā)動(dòng)機(jī)未燃盡的燃油分解生成的[4]。

【過渡】汽車尾氣對(duì)環(huán)境和人類健康有危害，如何才能消除汽車尾氣污染呢？

【分析】引領(lǐng)學(xué)生探討汽車尾氣凈化的方向——能否從氧化還原反應(yīng)角度分析汽車尾氣中成分之間發(fā)生反應(yīng)的可行性。

【學(xué)生】CO是常見的還原劑，NO中N元素+2價(jià)，可以被CO還原成N2。

【教師】從氧化還原角度分析，汽車尾氣中的NO和CO發(fā)生反應(yīng)是可行的，但研究發(fā)現(xiàn)兩者反應(yīng)速率極慢，有什么措施可以加快反應(yīng)速率呢？

【學(xué)生】可以采取的措施有：增大反應(yīng)物濃度，或者升高溫度、使用催化劑等

【追問】催化劑可以大大加快反應(yīng)速率，從元素周期表中找到適合作催化劑的物質(zhì)。

【學(xué)生】從過渡金屬元素區(qū)域?qū)ふ摇?/p>

【播放視頻】播放汽車三元催化器的工作視頻，并投影三元催化器的工作原理示意圖（圖2）。

【學(xué)生活動(dòng)】寫出三元催化器中CO和NO轉(zhuǎn)化為無害氣體的反應(yīng)方程式。

設(shè)計(jì)意圖：通過洛杉磯煙霧事件，引出汽車尾氣污染及其危害，再以汽車三元催化器中尾氣的凈化真實(shí)情境為載體，引領(lǐng)學(xué)生從氧化還原原理、反應(yīng)速率、限度等認(rèn)識(shí)角度去分析化學(xué)反應(yīng)，初步感受化學(xué)的價(jià)值以及運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)解決實(shí)際問題。

3.基于問題驅(qū)動(dòng)與方案解決優(yōu)化車用燃料

自從汽車安裝了三元催化轉(zhuǎn)化器后，汽車尾氣污染明顯降低，空氣質(zhì)量得到明顯改善。還有沒有必要研究開發(fā)新的車用燃料呢？現(xiàn)階段世界各地采取了哪些舉措降低汽車尾氣排放呢？有沒有更好的措施來解決汽車尾氣污染呢？

圍繞車用燃料要不要優(yōu)化、如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化、更優(yōu)方案三個(gè)情境問題，將學(xué)生置于真實(shí)的待解決的情境中，通過文字、圖片、視頻等多種形式串聯(lián)，基于問題驅(qū)動(dòng)的方式去調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的欲望以及合作的熱情，在解決問題過程中深化知識(shí)的理解，提高遷移創(chuàng)新、解決問題的核心能力。具體的教學(xué)實(shí)施流程見圖3。

4.基于汽車發(fā)展史看能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型

隨著工業(yè)的發(fā)展，汽車行業(yè)也是日新月異，汽車的變革也反映出科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，反映出石油、化工、鋼鐵、機(jī)械等諸多行業(yè)的偉大創(chuàng)造。結(jié)合課本65頁——“汽車發(fā)展歷史”，學(xué)生動(dòng)手完成表2。

科技閱讀——“國(guó)內(nèi)外氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及其戰(zhàn)略意義”[6]：

氫能是一種具有多種優(yōu)勢(shì)的二次能源：氫的來源多樣，使用過程不產(chǎn)生污染，氫的能量密度大，熱值是汽油的3倍。在推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。我國(guó)是制氫大國(guó)，2015年以來，制氫總量都在2400萬噸以上，但制氫成本差異較大，傳統(tǒng)的煤制氫成本低，但其純度較低，無法應(yīng)用于純度要求高的領(lǐng)域。隨著氫燃料電池的快速發(fā)展與推廣，氫能廣泛應(yīng)用于氫燃料電池汽車。日本、美國(guó)、歐洲各國(guó)正在出臺(tái)各類政策以促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國(guó)多地政府大力推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加快加氫站建設(shè)，中國(guó)石化在全國(guó)開展氫氣的制、儲(chǔ)、運(yùn)、加整體布局，為加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，努力于2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2050年實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。

設(shè)計(jì)意圖：通過汽車發(fā)展歷史了解不同時(shí)期車用燃料的變遷，感受化學(xué)對(duì)人類社會(huì)的巨大貢獻(xiàn)。再通過科技閱讀，學(xué)生了解能源的重要性，能夠從能量轉(zhuǎn)化形式分析利用化學(xué)反應(yīng)，理解開發(fā)新能源的戰(zhàn)略意義，滲透“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的培育。

五、項(xiàng)目教學(xué)反思

1.挖掘真實(shí)教學(xué)情境，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)

構(gòu)建從真實(shí)的情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)的認(rèn)知途徑，是知識(shí)通向素養(yǎng)的必然要求[7]。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在各主題的“教學(xué)提示”部分都給出了相應(yīng)的“情境素材建議”，建議“創(chuàng)設(shè)真實(shí)而富有價(jià)值的問題情境”[2]。在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)真實(shí)教學(xué)情境，學(xué)生在真實(shí)的情境中獲取知識(shí)，解決問題，豐富學(xué)科知識(shí)的理解，提升學(xué)生的認(rèn)知層次，并感受化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用與價(jià)值。這就要求教師要注重發(fā)掘真實(shí)情境素材，思考并嘗試將情境素材轉(zhuǎn)化為真實(shí)教學(xué)情境。教師應(yīng)關(guān)注日常生活、了解工業(yè)生產(chǎn)、動(dòng)手科學(xué)實(shí)驗(yàn)，從生活、生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中搜集并積累相關(guān)的素材，開發(fā)適合學(xué)生層次的項(xiàng)目活動(dòng)，并努力創(chuàng)設(shè)真實(shí)而富有價(jià)值的情境，搭建學(xué)生核心素養(yǎng)落地的平臺(tái)。

2.規(guī)劃項(xiàng)目任務(wù)活動(dòng)，促進(jìn)有意義的學(xué)習(xí)

從靜態(tài)的情境素材轉(zhuǎn)化為富有價(jià)值的教學(xué)情境，其最為關(guān)鍵的一環(huán)是問題。問題能激發(fā)學(xué)習(xí)者尋求問題解決的欲望，是情境選擇和組織的緣由與核心[8]。真實(shí)有價(jià)值的問題能夠啟示學(xué)生明確的活動(dòng)方向，學(xué)生主動(dòng)參與探究問題解決活動(dòng)時(shí)，逐步達(dá)成知識(shí)的建構(gòu)與生成，促進(jìn)有意義的學(xué)習(xí)。優(yōu)化車用燃料時(shí)創(chuàng)設(shè)的一系列問題：“加裝三元催化器可以實(shí)現(xiàn)尾氣凈化，還有沒有必要再優(yōu)化車用燃料？生活中見到或聽說的代用車用燃料有哪些？它們有什么共同點(diǎn)？它們的推廣受到哪些因素的影響或制約？從能量轉(zhuǎn)化效率的角度思考有沒有更好的舉措？“有價(jià)值的問題”以問題鏈的形式呈現(xiàn)，遵循由易到難、由淺到深、由表及里的梯度。教師要合理規(guī)劃項(xiàng)目活動(dòng)，從情境素材中凝煉化學(xué)學(xué)科問題，激起學(xué)生的探究欲，引導(dǎo)學(xué)生在問題解決過程中進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。

3.充分滲透實(shí)踐活動(dòng)，發(fā)展科學(xué)探究能力

項(xiàng)目活動(dòng)中設(shè)計(jì)的任務(wù)和問題都應(yīng)以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力為中心。通過實(shí)踐活動(dòng)，可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、溝通合作能力、獲取信息能力，最終達(dá)到發(fā)展遷移創(chuàng)新能力。項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施時(shí)可將教學(xué)情境分解成若干個(gè)小情境。小情境中合理安排實(shí)踐活動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與，完成相應(yīng)的研究任務(wù)。如在“常見燃料的大比拼”活動(dòng)中探討燃料燃燒是否充分問題時(shí)，小組同學(xué)進(jìn)行了酒精燈和煤油燈燃燒的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。煤油燃燒火焰明亮，伴有濃烈的黑煙，而乙醇沒有。通過對(duì)比燃燒實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生深刻理解含碳量高的煤油、柴油、汽油等燃料易出現(xiàn)燃燒不完全的情況。通過問題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，引導(dǎo)學(xué)生參與項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，能夠有效地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力。

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