“情境線-問題線-活動線-發展線”四線融合的初中化學項目式教學設計與實施
——以“二氧化碳的性質”為例

山東省泰安市徂汶景區教研室(271000) 張書振

山東省泰安市徂徠二中(271000) 李 勇

1 項目主題分析

“二氧化碳的性質”是魯教版初中化學的教學內容，化學課程標準的要求是“結合實例說明二氧化碳的性質和用途”“自己設計二氧化碳氣體性質的探究方案”。二氧化碳是學生日常生活中接觸到的物質，在小學科學課程中即有所涉及，是培養學生核心素養的很好素材。二氧化碳也是學生在系統學習了水、氧氣等物質性質后，第三個需要系統學習的物質，非常適合培養學生的知識遷移能力。但教材設計以二氧化碳在大自然中的循環為主線，內容以文字敘述和圖片展示為主，未設計實驗。

項目式學習PBL(Project-based Learning)，要求教學以學生為中心，教師根據真實情景設計驅動問題，學生在解決問題的過程中不斷與同學和教師對話來診斷學習的障礙點，將知識融會貫通并應用于解決實際問題，在分析和解決問題的過程中發展能力。本項目以學生感興趣的《西游記》導入，激發學生對探究“屠狗妖”的好奇，將“探究二氧化碳的性質”埋藏在創設的情景線中，通過“探究集氣瓶中氣體性質”“探究二氧化碳的密度”“探究二氧化碳的溶解性及石蕊變色原因”“自然界中二氧化碳的循環”“二氧化碳性質的應用”系列子任務線和問題線驅動，學生獨立進行探究活動，逐步構筑學科核心素養的發展線。通過四線合一，外顯了學科核心素養，促進知識的學習與能力培養的結合。

2 項目前的學情分析

為更好地了解學情，課前采用問卷調查法，調查問題包括：①二氧化碳在生產生活中有哪些應用；②在水和氧氣的學習中，你是怎么認識這些物質的。

經調查發現，學生在知識、能力和思維三個層面具備了本節課所需要的基礎知識。知識層面，二氧化碳是學生非常熟悉的物質，已初步具備二氧化碳可參與光合作用、滅火和制備碳酸飲料等感性知識，知道二氧化碳不能供給呼吸、怎樣鑒別等基礎知識，具備儀器連接、物質取用等基礎實驗技能，但還不能系統了解二氧化碳的性質，知識呈現碎片化且缺乏聯系，感性的認識沒有上升到科學的知識。能力層面，學生的探究能力較差，實驗局限于教材，遇到問題時不善于探究。思維層面，面對生活中的問題，學生缺乏用化學知識分析解決實際問題的科學思維，常規講授課難以激發學生的學習興趣和建構知識的主動性。

3 項目教學目標

項目設計從學生已有知識出發，通過任務驅動，特制定如下教學目標。

(1)通過觀察實驗和探究實驗，掌握二氧化碳的性質，增強學習化學的興趣，促進認知發展和知識遷移能力。

(2)通過設計探究二氧化碳的溶解性以及是否與水反應的實驗，體驗完整的科學探究過程，初步學習在實驗室制取二氧化碳的方法，在活動中培養學生的科學探究能力和創新精神。

(3)通過拓展閱讀，激發學生的學習動力，拓寬學生視野，增強對社會、環境問題的關注，培養創新意識和跨學科聯系。

4 項目任務及教學流程

情景是教學活動設計的載體，任務是教學活動的手段。本節以“智辨屠狗妖”作為情景主線，任務由自主到合作，問題由簡單到復雜，學生在不斷進階中探索學科知識，在不同活動中逐步發展學科核心素養。

5 項目式實施過程及學生學習成果

5.1 任務1：探究集氣瓶中氣體的性質

情境創設：話說唐僧師徒四人走在取經的路上，路過一個山洞，想休息一下。但是當地居民卻說里面有一個“屠狗妖”，有人牽著狗進去，狗都死了。待的時間一長，人會暈倒，連火把都自動熄滅。村民請大圣幫忙捉拿“屠狗妖”。

教師：大圣不負眾望，已用寶葫蘆收了“屠狗妖”，就裝在你們面前的集氣瓶中，請同學們好好觀察，總結性質，利用化學知識賦予的“火眼金睛”解開“屠狗妖”的神秘面紗。

在觀察的基礎上，讓學生回答兩個問題：你的發現是什么？你有什么問題要提出嗎？

以上兩個問題促進學生基于觀察分析和對已有知識進行遷移應用，進而提出科學探究問題。

學生根據已有生活和學習經驗，通過觀察集氣瓶中氣體，可以答出“屠狗妖”是無色、無味的氣體；能使澄清石灰水變渾濁，推測“屠狗妖”是二氧化碳。學生根據故事中狗死亡和火把熄滅推測出，二氧化碳不支持燃燒，也不能供給呼吸。有的學生根據集氣瓶正放和故事中狗先死亡等信息，推測出其密度比空氣大。

教師肯定學生的觀察成果，并讓學生自由發言，發現生活中的“屠狗妖”。

學生回答：干冰、呼出的氣體、碳酸飲料、滅火器、溫室大棚、溫室效應等。

5.2 任務2：比較二氧化碳與空氣的密度大小

問題任務：“屠狗妖”為什么先屠狗？如何驗證二氧化碳的密度比空氣大？

學生通過討論提出三種不同方法(見表1)，再分組利用不同實驗方案進行驗證，得出結論：二氧化碳的密度比空氣大。

表1 學生匯報的實驗方案

圖1 學生利用上下開口塑料瓶進行實驗及實驗現象

5.3 任務3：設計實驗探究二氧化碳的溶解性及石蕊變色的原因

創設情境：“屠狗妖”很厲害，不僅可以潛伏在山洞中，還可以隱藏在水中。

教師利用學生設計的上下開口塑料瓶充滿二氧化碳，倒入蒸餾水，震蕩，學生觀察實驗現象。學生可以很直觀的看到塑料瓶變癟，得出結論：二氧化碳易溶于水。

教師將另一個裝水后捏扁的瓶子，與因溶解有二氧化碳變癟的塑料瓶混放一起，讓學生猜測哪個瓶子中盛有二氧化碳。學生根據經驗很難辨別。教師將紫色石蕊滴加至兩塑料瓶中，并點明變紅色的為藏匿有“屠狗妖”的水溶液，不變色的為蒸餾水。

教師及時出示提示資料：紫色石蕊是一種具有天然色素的指示劑，遇酸性溶液變紅，遇堿性溶液變藍，遇中性溶液不變色。實驗室可用大理石或石灰石(主要成分為CaCO3)和稀鹽酸(HCl)反應制取二氧化碳，化學方程式為：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑。

問題任務：為什么溶解了CO2的水溶液變紅色，顯酸性？

學生小組討論，得出如下猜想：①二氧化碳使紫色石蕊變紅；②水使紫色石蕊變紅；③二氧化碳溶于水后產生的新物質使石蕊溶液變紅。

各小組根據所支持猜想，自選儀器，制取二氧化碳，根據教材實驗驗證猜想。得出結論：二氧化碳遇水產生新的物質，使紫色石蕊變紅，二氧化碳和水本身不能使紫色石蕊變紅。

教師精講：二氧化碳溶于水，與水反應產生新的物質碳酸，使紫色石蕊變紅色(化合反應)。碳酸不穩定，受熱易分解成二氧化碳與水，二氧化碳從水中逸出，石蕊重新變成紫色(分解反應)。

5.4 任務4：自然界中二氧化碳的循環

創設情境——無處不在的“屠狗妖”，向學生展示自然界中二氧化碳的循環、溫室效應等課本圖片素材。

學生小組討論二氧化碳對人類生產生活和自然的影響，思考為什么山洞中聚集大量二氧化碳，總結二氧化碳的循環對環境、生產生活的影響。

學生閱讀《京都議定書》資料，交流獲得的關鍵信息和感想。《京都議定書》中規定的溫室氣體包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、六氟化硫(SF6)、氧化亞氮(N2O)、高氟碳化合物(PFCs)、氫氟碳化合(HFCs)等物質。二氧化碳對全球氣候變暖的影響比例達到了60%。通過閱讀課外資料，拓展學生的視野，讓學生全面認識到溫室效應的產生及影響。同時也向學生介紹二氧化碳自古就存在于自然界循環中，只是近百年來由于人類活動的影響而劇增，進而培養學生的科學態度和社會責任感。

5.5 任務5：二氧化碳性質的應用

創設情境——“屠狗妖”的自白：被大圣降服，又被大家用科學知識讓我顯露原形，我想改過自新，造福人類。(二氧化碳的性質決定了它有哪些應用？)

學生將知識與生活連接，自由討論。教師向學生進一步展示現代科技對二氧化碳的應用，包括用作植物氣肥、二氧化碳溶于原油提高石油開采量、用作超臨界萃取和食品保鮮劑等多方面。這些材料讓學生認識到創新源于對物質性質的基礎認識，介紹了二氧化碳的現代應用，認識化學在滿足人類日益增長的物質需要的作用，同時也把化學與科技、生物、工業等多學科聯系在一起，增加學生跨學科應用的能力。有學生希望能多掌握些化學知識，以后能將空氣中的二氧化碳收集并加以利用，進而減緩溫室效應。

6 項目教學反思

6.1 通過多任務推進，培養化學學科核心素養

教學的目的不僅是為了幫助學生掌握知識，提高學生解決實際問題的能力、發展學生的核心素養才是關鍵。本節課以學生感興趣的《西游記》導入，激發學生對探究“屠狗妖”的好奇，將“探究二氧化碳的性質”埋藏在創設的情景線中。通過“探究集氣瓶中氣體性質”“探究二氧化碳的密度”“探究二氧化碳的溶解性及石蕊變色原因”三個分任務驅動，側重讓學生親身參與探究。最后，通過任務“自然界中二氧化碳的循環”進行跨學科的知識拓展，通過任務“二氧化碳性質的應用”引導學生對知識進行梳理，再進行反思交流。以上教學過程培養學生從化學視角探究物質性質，建立性質決定應用的學科觀念，發展學生的實驗探究與理論分析的化學學科核心素養。

6.2 在項目學習中掌握知識與發展能力相結合

在本項目實施過程中，隱藏在情境線中的驅動性問題很好地引發了學生的思考，促使不同思維發生碰撞，學生能主動調動已有知識進行遷移、構建知識體系。學生實驗和教師的追問、精講等行為有效促進了學生用化學知識解決問題，學生在分組合作中不斷反思其認識思路，通過交流合作外顯其思維過程，在師生互動中提升了探究問題的能力。

學生在任務1觀察二氧化碳性質實驗中，充分利用了分析和觀察能力，可以根據集氣瓶正放推測氣體密度。在驗證二氧化碳密度實驗中，有學生提出可以將裝有空氣和二氧化碳的氣球放在充滿氫氣的空間內，通過下降速度進行比較，雖然由于條件限制沒有實施，但這說明學生在自主活動中掌握了二氧化碳的物理性質。

本項目除探究二氧化碳的性質這一教學重點外，還將《京都議定書》、二氧化碳的科技應用在“智辨屠狗妖”的情景下進行了跨學科、跨知識的綜合性教學，促進學生有意義學習和構建知識的廣泛聯結。

學生的創新思維和創新能力在問題任務的驅動下得到了充分發展。例如在任務2中，學生設計了上下雙開口塑料瓶，利用火焰在上下開口熄滅的位置不同，驗證二氧化碳的密度。又如在任務3中，對于“二氧化碳的溶解性及石蕊變色原因”，有的小組為了防止飲料液體進入石蕊溶液影響檢測，有意延長橡皮管的長度，或增設空錐形瓶以完善實驗(見圖2)。這都培養了學生利用所學知識分析和處理問題的能力，也激發了學生的創新思維。

圖2 學生改進的實驗裝置

6.3 教師在任務驅動中要及時引導

本節教學過程中，學生的觀察能力、分析能力和創新能力超出教師的預期，任務驅動下的小組活動給予了學生展示的環節，讓課堂變成學生的“舞臺”，教師起到了“導演”的作用。在“石蕊變色”這一部分，教師要及時精講，引導學生完成新知的學習。需要注意的是，學生由于受傳統講授思維的影響，部分小組在問題任務探究階段存在思維過分發散和思維難以發散兩個極端，教師要在問題任務驅動中給予學生正確的方向指導，鼓勵學生大膽且合理的假設。此外，在任務驅動的各個環節，都存在不同小組間的任務進度難以同步的問題，后續教學中會啟發學生運用已學過的化學知識優化設計實驗方案，避免過多的討論。

項目式教學，強調在真實情景中的問題解決，以任務為驅動，注重學生的實踐探究。但項目式教學沒有可以遵循的固定模板，教學既要從學情出發，以學生引領課堂，又要做必要的支持和引領，通過任務驅動指引正確的方向。