化學實驗復習課中運用項目式學習的實踐與思考

李俊紅

摘要：從生活中喝維生素C泡騰片飲料開發出測定其中碳酸氫鈉含量的研究項目，運用系統思維挖掘出項目背后承載的學習目標和任務安排，設計了化學實驗復習課，確定了項目呈現的主題。以項目設計的第2課時為例，從確立與規劃、實施與思考兩個方面，結合課堂教學闡述項目式學習在初中化學實驗復習課中的運用。

關鍵詞：化學實驗復習;項目式學習;維生素C泡騰片;碳酸氫鈉含量測定;核心素養

文章編號：1008-0546（2020）04-0045-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.012

一、項目背景與主題

化學實驗在中考試題中占有相當權重。當前，在教育信息化的大背景下，中考復習資料鋪天蓋地、良莠不齊，化學實驗復習單純靠刷題講題的授課方式，教師替代學生解決問題，學生在中考中遇到“結合新情境考查學生的化學學科素養和化學學習能力（獲取信息、分析解決問題、實驗探究能力）[1]”的試題輸出困難。而素養立意的中考要求教師設計教學：注意創設真實而有意義的學習情境，合理選擇、利用不同的教學資源對教學主題進行加T處理，重新組織和構建教學內容，設置能有效驅動學生深度學習的問題情境和多樣化的學習活動內容，讓學生在問題解決的過程中習得內在的原理及學科思想方法[2]。基于以上背景，化學實驗復習嘗試真實情境下的問題解決、任務驅動下的項目式學習，培育學科核心素養、應對新中考是本項目呈現的主題。

項目式學習（Project-Based Learning，PBL）是一種以建構主義理論為指導，以小組合作方式進行項目規劃及解決項目任務的學習方式[3]。在項目式學習中，學習者通過參與到“做中學”的問題解決過程，在解決問題的過程中，運用學科思維、觀念和思想內化對已有知識、技能和方法的學習理解，實現知識之間的關聯和認識思路的結構化;通過思維碰撞、小組交流、分析討論、探索創新等多樣化的學習方式，形成認識世界的學科視角和解決問題的基本思路，最終實現陌生情境中的遷移應用，發展學科核心素養。本文以開發研究項目“測定維生素C泡騰片中碳酸氫鈉的含量”為例，闡述項目式學習在初中化學實驗復習課中的具體應用，旨在為改善化學實驗復習課的復習效率、提升復習課的教學質量提供借鑒與參考。

二、項目確立與規劃

1.項目的確立

項目確立的質量是有效開展項目式學習的前提。確立項目要基于課程標準、教學內容和學生經驗，要多維度考慮該項目是否涵蓋核心知識，是否承載學科思想方法和學生發展核心素養，是否貼近社會和生活，是否真實且有意義，學生是否感興趣，是否具有可操作性[4]。

筆者在教學實踐中發現：實驗探究復習中經常會遇到通過實驗裝置（如圖1）測定二氧化碳質量，求樣品中碳酸鹽含量的問題。本題是利用待測液和硫酸反應生成的CO²被足量Ba（OH）²溶液吸收，根據生成BaCO³沉淀的質量算出被吸二氧化碳的質量。學生在課堂中即使聽明白了裝置A、B、C、D的作用，仍然存在疑惑：有沒有比圖1更簡捷的測定二氧化碳質量的方法？比如直接稱量裝置B反應前后的質量差，或者稱量裝置C反應前后的質量差，除了沉淀法、稱氣法，還有沒有其他方法？問題暴露出學生運用分析評價的高階思維進行裝置優化判斷的素養有待提升。

生活中很多學生有喝過維生素C泡騰片飲料的體驗，對維生素C泡騰片放入水中產生氣泡充滿好奇，針對此現象展開的探索，涵蓋了初中化學核心知識：實驗室制取氣體的一般思路（原理→裝置→除雜→收集→檢驗）、科學探究能力八要素（問題→猜想→設計→實驗→證據→結論→反思→表達）、物質分類（非金屬氧化物、酸、堿、鹽）、二氧化碳的物理性質以及酸、堿、鹽的化學性質;使用到的技能有：制備、收集、檢驗CO²、檢驗溶液酸堿性、化學方程式書寫、化學計算;涉及到的學科觀念是元素觀、變化觀、微粒觀;運用的學科思想是定性到定量以及“宏觀一微觀一符號”三重表征的學科思維。可見，維生素C泡騰片項目的開發，根據查閱的維生素C和維生素C泡騰片的相關資料，需要分析物質組成、類屬與已有知識關聯整合的信息素養，宏微結合、變化觀念、證據推理、科學探究、科學態度的學科素養培育也融入其中。

綜上，基于對課標的學科理解和項目開發對發展學生的素養價值分析，結合學生對維生素C泡騰片放入水中提出問題[5]的整理，提煉出學科問題“測定維生素C泡騰片中碳酸氫鈉的含量”，該研究項目來源于生活，學生感興趣，具有可操作性。

2.項目的規劃

規劃完成項目的學習目標和任務安排[6]是有效開展項目式學習的保障。在規劃項目時，需要運用系統思維以終為始、從整體上考慮素養目標的達成效果，活動開展和任務安排要充分關注學生的學習基礎、認知發展和學習障礙，做到過程指導有的放矢。據此，完成該項目要實現的學習目標是：（1）通過課前查閱相關資料和實驗探究維生素C泡騰片溶于水，聚焦研究項目，小組匯報問題解決的方案，科學探究過程建模;（2）通過體驗維生素C泡騰片溶于水后產生氣體的檢驗過程，復習氧氣、二氧化碳的性質，設計固液不加熱型制取氣體的發生裝置，評價優缺點，形成批判性思維;（3）通過維生素C泡騰片溶于水后溶液酸堿性的檢驗，實現知識間的關聯，復習酸的五條通性，形成物質檢驗的思路;（4）通過鹽酸、硫酸和碳酸氫鈉反應的復習，運用“宏一微一符”三重表征的學科思維、分析維生素C泡騰片溶于水后產生二氧化碳的微觀本質;（5）通過優化收集方法，測量0.5片維生素C泡騰片溶于水后產生二氧化碳的體積，運用元素守恒觀和定量研究的學科思想確定維生素C泡騰片中NaH-CO³的含量;（6）課后設計用稱氣法測定維生素C泡騰片溶于水后產生二氧化碳質量的裝置，評價優缺點;（7）學習成果匯報展示和總結。總項目完成共需3課時，總項目可拆分成三個子項目，第1課時的子項目是：維生素C泡騰片溶于水后生成氣體發生裝置和檢驗的探究，回應目標（1）（2），第2課時的子項目是：利用維生素C泡騰片溶于水后生成二氧化碳的體積（量氣法）測定維生素C泡騰片中碳酸氫鈉的含量[7]，回應目標（3）（4）（5），第3課時的子項目是：利用維生素C泡騰片溶于水后生成二氧化碳的質量（稱氣法）測定維生素C泡騰片中碳酸氫鈉的含量，回應目標（6）（7）。項目拆解、任務安排和學習目標的關系如圖2所示。

三、項目實施與思考

1.項目的實施

項目學習主要包括介紹項目、自主研究、成果展示等步驟[8]，每一環節的開展都是學習目標的落實。下面以該項目的第2課時為例展開說明。

（1）介紹項目

通過上節課的探究我們已經得出：維生素C泡騰片溶于水后產生二氧化碳。那么，二氧化碳是怎么生成的？二氧化碳的產生和維生素C泡騰片中的碳酸氫鈉有怎樣的關聯？能不能利用生成二氧化碳的體積測定維生素C泡騰片中碳酸氫鈉的含量，這就是本課要研究的項目。

[布置任務]課前查閱維生素C和維生素C泡騰片的相關資料，了解配料物質組成、分類及性質。

（2）自主研究

【活動l】探究維生素C泡騰片溶于水后產生二氧化碳的原理和微觀反應本質。

[問題1]如何驗證維生素C泡騰片溶于水后顯酸性？

[分組實驗]檢驗維生素C泡騰片溶于水后的酸堿性。

[交流反思]測出pH=5。有沒有檢驗液體顯酸性的其他方法？依據是什么？

[進一步研究]多種方法檢驗維生素C泡騰片溶于水后液體顯酸性。

[問題2]維生素C泡騰片溶于水后的二氧化碳是怎么產生的？

[交流反思]鹽酸、硫酸和碳酸氫鈉反應都產生二氧化碳，推出：酸和碳酸氫鈉反應生成二氧化碳。維生素C泡騰片中含有維生素C、檸檬酸和碳酸氫鈉，維生素C、檸檬酸屬于酸，會和碳酸氫鈉反應產生二氧化碳。

[問題3]維生素C泡騰片中的酸和碳酸氫鈉反應的微觀本質是什么？

[交流反思]根據書寫鹽酸、硫酸和碳酸氫鈉反應的化學方程式，觀看微觀反應過程動畫，得出：反應前后變化的粒子是H+、HC0³和H²O、CO²，得出酸和碳酸氫鈉反應的微觀本質是：H++HC0³=H²O+CO²↑。

【活動2】收集并測量0.5片維生素C泡騰片溶于水后生成二氧化碳的體積。

[問題1]如何收集并測出生成CO²的體積？

[交流反思]用向上排空氣法測二氧化碳體積可操作性不強，同時，二氧化碳溶于水且和水反應，用排水法測體積會比實際生成的偏少，造成結果偏小。經課前查閱資料得知：CO²在飽和碳酸氫鈉溶液中溶解性很小，可用排飽和碳酸氫鈉溶液收集;也可以在收集前先往水槽里的水通二氧化碳（如，水中放維生素C泡騰片）配成二氧化碳的飽和溶液;還有的小組提出用排油法收集，同時覺得很浪費油。考慮到實驗時間和操作簡便，統一采用排飽和二氧化碳的溶液收集。

[分組實驗]取0.5片維生素C泡騰片放入水，收集并測量生成二氧化碳的體積（收集儀器提供了50、lOOmL量筒和330mL空礦泉水瓶）。

【活動3】計算1片維生素C泡騰片中含NaHCO³的質量。

[問題1]如何利用生成CO²的體積，計算維生素C泡騰片中碳酸氫鈉的含量？

[交流反思]測出生成CO²的體積求算CO²的質量，還需要什么數據？根據m=pV，若該實驗條件下，二氧化碳的密度是2g/L，則可求出二氧化碳的質量。根據反應前后碳元素質量守恒，得出生成二氧化碳中碳元素的質量即取樣維生素C泡騰片中碳酸氫鈉所含碳元素的質量，碳元素的質量除以碳酸氫鈉中碳的質量分數即可求出碳酸氫鈉質量（或者根據二氧化碳和碳酸氫鈉的質量關系：NaHCO³～CO²），碳酸氫鈉質量除以實驗時取樣維生素C泡騰片的質量乘以100%即維生素C泡騰片中碳酸氫鈉的含量。

[問題2]實驗中哪些因素，可能引起實驗誤差？

[交流反思]從發生裝置選取、收集裝置量程選取、排“水”法收集用的“水”溶解二氧化碳是否飽和及操作方面等分析。

（3）成果展示

學生梳理自主設計的制備、收集和測量二氧化碳體積的裝置，如圖3所示。學生測出1片維生素C泡騰片中含碳酸氫鈉的質量，計算過程和結果如圖4所示。

2.項目的思考

（1）學習者的收獲

本課時項目的完成，學生通過依次體驗“怎么產生氣體”“怎么收集測量氣體體積”“怎么計算維生素C泡騰片中碳酸氫鈉的含量”三個問題解決的過程，從知識方面復習了物質分類、酸、鹽、二氧化碳的化學性質、二氧化碳的物理性質和科學探究八要素;從技能方面體驗了用pH試紙測液體酸堿性、選用固液不加熱型裝置制取、收集并測量氣體體積的方法，練習化學方程式、實驗報告和化學計算等規范的學科表達。課后學生普遍反映喜歡這樣的學習方式，問題情境真實有趣，親身經歷問題解決的過程，自己探索得出結論，有獲得感和成就感，同時感悟到裝置、操作、實驗方法等都是引起實驗誤差的因素，嚴謹求實的科學態度應貫穿于實驗的每一個環節，實驗誤差分析及評價能力得到訓練;認為化學計算不一定要寫出化學方程式，弄懂反應微觀本質，根據反應前后元素守恒，定量計算思維得到拓展。學生最大的收獲是有了通過設計實驗計算樣品中物質含量的基本思路：物質成分一物質性質一實驗方法（稱氣法、量氣法或沉淀法）一實驗裝置一反思改進一進行實驗一得出結論。學生有了認識物質的學科視角和解決問題的基本思路，具備了應對陌生情境中問題解決的關鍵能力和必備品格，發展了學科核心素養。

（2）教后反思

小組合作的精致問題。項目學習需要小組合作學習、交流表達和過程體驗。該項目實施時學生6人1小組共9組，從課堂表現上看，小組里的學霸們基本壟斷了實驗操作和話語權，組內學習相對較弱的學生只是作為旁觀者，沒有參與到小組活動中。可見，小組人數、人員組成及小組管理需要進一步斟酌和加強合作訓練指導，并且需要跟進學生表現的評價管理，使小組合作真正做到組內人人有事做，處處有分工，個個有收獲。

活動開放的適度問題。項目式學習需要讓學生親歷問題解決過程，充分體現學生解決問題的白主性。該項目在檢驗維生素C泡騰片溶于水后測液體酸堿性的環節，學生提了很多方法，比如紫色石蕊溶液，而維生素C泡騰片飲料本身是有顏色的，是讓學生一一去試，給學生試錯機會還是有所取舍;在收集、測量二氧化碳體積的環節，課堂上規定了取樣0.5片維生素C泡騰片，收集裝置提供了50、lOOmL量筒和330mL空礦泉水瓶，選用50mL量筒的小組由于量程偏小，對這個意外不知所措，趕快換lOOmL量筒繼續收集，實驗誤差在所難免，而學生探索欲望卻持續高漲，還提出了如何根據藥品的量來預估收集氣體的體積，定量意識自然生成;有的小組提出實驗提供的水過少裝不滿量筒，等到突然悟到應該裝水槽里溶有二氧化碳的飽和溶液時，興奮不已;有的小組量筒里雖然裝了溶有二氧化碳的飽和溶液，不是裝到量筒量程刻度線，而是裝滿到量筒口，等到實驗結束，才認識到量程刻度線至量筒口裝水的體積只好估算，想重做一遍時間又不充裕。“自由表達、誠意傾聽、彼此欣賞”的學習氛圍，給學生提供試錯的機會，都促進了豐富的課堂生成，比如，有小組提出水槽里的水放幾片維生素C泡騰片可以溶解二氧化碳到飽和？有小組提出想分別用排水法和排飽和二氧化碳的溶液收集二氧化碳做對照，看看測出的誤差有多少，等等。課堂開放度大，學生發揮空間自由，同時伴隨著學生解決問題頻發狀況，教師過程指導顧此失彼，難以同步跟進，項目完成的時間管理也難以把控。

素養水平的進階問題。從學生項目最終成果的呈現（圖4）看，宏觀現象、微觀本質和符號表征三者之間的轉換仍然是學生學習的難點，教學中應循序漸進，遵循學生的認知規律，用學生可以理解接受的方式引導。在探究產生二氧化碳微觀反應本質的環節，首先讓學生回憶已有的知識，書寫碳酸氫鈉和鹽酸、硫酸反應的化學方程式，接著微觀動畫或板演展示反應的微觀過程，引導學生從微粒的角度觀察反應前后粒子的變與不變，得出該變化的微觀本質（H₊+HC0_-³=H²O+CO²↑），從類屬的角度，由碳酸氫鈉和鹽酸、硫酸反應遷移到維生素C泡騰片中碳酸氫鈉和檸檬酸、維生素C（有機酸）的反應。在元素觀建構環節，引導學生根據反應前后碳元素守恒，得出NaHC0³和CO²的關系（NaHC0³-CO²）。此外，一些學生在計算碳酸氫鈉含量時，誤把二氧化碳體積當成質量去計算，一些學生取樣0.5片，求1片樣品中碳酸氫鈉的質量，計算結果沒有擴大2倍，物理、數學、語義與化學跨學科融合解決問題的素養水平有待提升。

總之，項目式學習以真實情境中的問題解決為目的，以知識、技能、方法、觀念、思維、經驗為工具，學生通過小組合作、實驗探究、討論交流等多樣化方式解決問題，在解決問題的實踐活動中運用思維、觀念轉知識、技能、方法為學習理解的素養，轉經驗為創新遷移的素養。項目式學習是實現義務教育課程標準提出“提高學生科學素養”的重要路徑。

參考文獻

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