STEM 視域下高中化學“微項目”式學習實踐研究
——以“論證重污染天氣‘汽車限行’的合理性”為例

張 昕 葉燕珠 劉建桂 蔣蘇延

（1.三明市第二中學，福建 三明 365000；2福建教育學院，福建 福州 350025；3.泉州第五中學，福建 泉州 362000；4三明市第二中學，福建 三明 365000）

魯科版化學系列教材，在每一章章末都給出了一個“微項目”，這些“微項目”往往是生產、生活中的化學相關議題。如何利用好這些“微項目”，既做好章末知識的小結、復習，又能夠更高階地落實化學核心素養，是高中化學教師亟待解決的問題。

項目式學習是學生圍繞特定的學習項目自主選擇學習資源，通過學習、探究、吸收、實踐、創新等環節，實現高中化學核心素養的落地。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010－2020）》明確了“堅持以人為本，推進素質教育”是教育改革發展的戰略主題，目的為提高學生創新精神和解決問題的實踐能力；加強對于能力的培養的同時，極力提高學生的學習、實踐、創新能力。化學學科核心素養中提出的“科學態度與社會責任”則對學生的化學學習提出了更高層次的價值要求。

STEM 教育是一種整合了科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）和數學（Mathematics）領域內容用以指引教學與學習的途徑和方法。我國的STEM 教育本土化研究起步較晚，實踐探索比較缺乏。隨著發展學生核心素養理念研究的深入，依托工程設計的方法，把學生需要掌握的科學知識、方法整合成具體的項目，使學生在科學探究和工程設計過程中開展解決核心問題的活動越來越多地出現在教學實踐當中。［1］加強STEM 教育理念在物理、化學教學中的應用研究尤為重要。

魯科版（2017 課標版）必修第一冊“微項目”——“論證重污染天氣‘汽車限行’的合理性”，探討與化學相關的社會熱點問題，契合了這一要求。如何用好這一“微項目”，落實核心素養培養，成為值得深入研究的問題。通過一段時間的理論學習與教學實踐，筆者所在的教學團隊初步構建出了“科技搭臺、實驗唱戲、立足教材、個性探究”，將科學技術與工程數學相融合的教學模式。學生可以更加自主地在已有知識體系的基礎上，結合高中生思維特點和海量的網絡資源，去獲取新知、實踐創新。并能把獲得的知識和經驗有效遷移應用到解決生活問題中去，最終達到促進學生學科核心素養的形成和發展的目的。［2］下面以該“微項目”為例，試加闡釋。

一、“微項目”教學主線

汽車尾氣污染是一個多年的環境保護議題。造成汽車尾氣污染的成分有哪些？它對環境的危害如何？汽車生產廠商是如何設計處理的？處理的效果如何？如何破解都市的“尾氣病”？這涉及了科學、技術、工程、數學的相關知識，同時這也是學生極有興趣的問題。通過前期部分元素化合物、氧化還原知識的儲備，學生已經初步具備了探究這些問題的能力，該項目式學習是以“調查了解—理論分析—科學探究—實踐比對—分析研討—提出方案”為主線，引領學生在真實情境中應用科學、技術、工程和數學等方面知識動手研究并最終解決這些問題，進而發展學生的STEM 素養。

二、“微項目”教學流程

本項目共分為三個環節：環節一，了解汽車尾氣的構成；環節二，探究汽車尾氣的處理；環節三，分析汽車尾氣涉及的經濟、社會問題。具體設計如下：

［環節一］由汽車上線年檢，了解汽車尾氣的構成。

任務1：通過網絡了解汽車尾氣的檢查項目。

設計意圖：創設情境，激發學生探究興趣。

任務2：觀看實地拍攝的車檢數據圖片分析汽車尾氣的主要污染物。

設計意圖：基于對真實數據的證據推理，證實汽車尾氣中確實存在某些污染物，如：CO、NO、PM（微粒）……以及溫室氣體HC（碳氫化合物）、CO2……

任務3：結合已有知識，指出尾氣的危害。

設計意圖：學生在已有知識結構的基礎上，更加真實地體會到人類活動對環境的影響。通過化學問題的社會實踐活動落實“綠色化學”觀念。

環節一中，“汽車尾氣”是一個既熟悉又陌生的話題，熟悉的是它的名字，陌生的是它的組分。通過網絡與實踐探究，將汽車年檢這一工程技術問題落實到科學層面，把這一話題導向剛剛完成的“氮及其化合物”的學習當中。在復習含氮物質性質的過程中，使學生對它們與環境的關系有了更深的認識。這一過程中，用證據說話，基于事實推理出汽車尾氣與相關環境問題的必然聯系。激發學生保護環境、構建“綠色化學”的觀念，落實社會責任核心素養。

［環節二］巧用“價一類二維圖”，探究汽車尾氣的處理。

任務4：構建氮元素的價一類二維圖，引導學生指出對環境友好和有一定危害的含氮物質，并對各物質的氧化、還原性進行分析。

設計意圖：“價一類二維圖”是一個典型的數學建模方式。它可以幫助學生系統化、條理化地認識和理解含氮物質及其性質，構建基于氧化還原理論的物質模型認知。并運用這一認知分析含氮物質轉化的本質和規律，即可通過氧化或還原手段將某一價態的含氮物質轉化為另一價態的含氮物質。

任務5：利用價一類二維圖（如圖1）預測出汽車尾氣中的NOX 轉化為環境友好物質（如N2等）的理論途徑。

圖1 氮及其化合物的“價一類”二維圖

設計意圖：數學建模論證工程、技術問題。運用價一類二維圖為理論指導，通過含氮物質轉化的預測分析，幫助學生理解物質變化的規律，構建變化觀念。從實際問題出發，引領學生自主設計探究方案，培養學生的科學探究和創新意識。結合“任務1”的氧化還原模型認知，提出可將NOX還原為環境友好物質——N2，從而確定本環節研究的原料物質及目標產物。

任務6：依據理論分析，結合汽油車三元催化器、柴油車尿素SCR（選擇性催化還原）（如圖2）工作原理，用化學方程式描述尾氣處理的原理，并描述出二者原理上的異同。

圖2 柴油車SCR 催化反應器原理圖

設計意圖：從理論到實踐，使學生體會到研究的獲得感和成就感。汽油車三元催化器中的CO 和柴油車中的車用尿素，同樣都是還原劑，都是將NOX還原為環境友好物質——N2，不同點在于一個是利用汽油機工作廢氣，一個是外加還原劑。對比汽油、柴油車尾氣處理方式的異同，引領學生發現自己設計方案有價值的閃光點，培養其創新意識。在原理分析中，通過NO 殘留讓學生認識到化學反應的限度和速率的可控性問題，在解決實際問題的同時，幫助學生建構變化觀念，形成平衡思想，實現化學核心素養在課堂教學中的落地。

環節二中，集中體現了STEM 對于解決實際問題的指導意義，在數學建模“價一類二維圖”的模型認知下，通過已有的科學知識，運用合理的技術手段解決實際工程問題。解決問題的主線就是價一類二維圖。價一類二維圖最大的意義，不在于傳統的總結、復習含某一元素的相關物質，而在于通過氧化還原以及化合價變化的模型認知，分析真實存在的問題，給出解決問題的思路與方法。通過對原料物質及目標產物的化合價分析，確定采取氧化或還原手段。此時，引導學生利用已有知識、技能，通過資料檢索、合作探究，提出充滿自身智慧閃光點的個性方案。教師再以工業實施方案為參考標準，及時評價設計方案，相符的給予肯定，差異化的找出亮點，激發學生對于科學研究的向往，從而真正落實科學探究與創新意識維度的核心素養。

［環節三］從“大眾尾氣造假門”，分析汽車尾氣涉及的經濟、社會問題。

任務7：通過資料了解“大眾尾氣造假門”事件——人為控制只在汽車尾氣檢測時開啟尾氣處理而正常行駛時關閉尾氣處理，對造假原理進行理論分析。

設計意圖：運用尾氣處理學習中建立的模型認知，分析“造假門”的原理與危害，指出通過人為技術手段控制尿素參與反應是“造假門”的技術核心，其危害在客觀層面會導致大氣中NOX含量的增加引發一系列環境問題，主觀上是企業唯利是圖導致社會責任感的缺失。

任務8：引導學生從主、客觀方面分析尾氣超標產生的原因。

設計意圖：從技術、工程的視角，對客觀存在和“有意為之”的不同角度，分析尾氣超標的產生原因，如城市汽車保有量偏大、催化劑失效、尿素添加不足…，培養學生嚴謹、求實的科學態度。以“證據說話”的證據推理過程，引導學生“從問題和假設出發，確定探究目的，設計探究方案，運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究”。［3］

任務9：結合身邊的事例，分析“汽車限行”的合理性，并給出自己的解決方案。

圖3 汽車限行合理性解決方案思維導圖

設計意圖：可以從數學的角度計算乘坐公共交通工具和私家車對環境的影響程度來分析；也可以從技術的角度探究新能源汽車和燃油車對環境的影響程度來分析。在正確價值判斷的基礎上，積極參與身邊涉及化學的社會問題的思考，培養社會責任。

環節三中，STEM 同樣可以用以探討影響力較大的社會熱點新聞，探究科學技術與社會責任的關系。通過對與化學相關的社會熱點問題做出自己正確的價值判斷，發展“綠色化學”觀念。通過對城市汽車尾氣超標的客觀分析，培養學生嚴謹求實的科學態度。有了正確的價值判斷，才能夠引導學生理性、科學地尋求解決問題的方案，對于設計方案的評價教師應持開放式的態度，讓核心素養中的知識、能力培養與科學態度、社會責任真正融為一體。

通過上述課例可以看出，在STEM 視域下，將科學知識與數學建模相結合，利用工程技術手段可以讓高中學生在真實的情境中探討與化學相關的社會熱點問題。在實際教學過程中，多數學生能夠積極參與探究活動，主動思考并與其他同學互助協作，共同尋求問題解決的方案，最終較高質量地完成探究任務。由此可見，該“微項目”能有效地調動大多數學生學習的積極性。通過對尾氣的成分和處理方法的探究，既可以幫助學生綜合理解氧化還原反應機理，深化變化觀念并形成平衡思想，還可以培養學生基于“證據推理與模型認知”維度的核心素養。通過尾氣處理原理的分析可以幫助學生形成嚴謹求實的科學態度；通過對限行方案合理性和合理建議的探討，可以落實化學學習更高層次的價值追求——社會責任。對于不同能力程度的學生，核心素養的落實情況也存在著逐級提升的效果。［4］教學中我們應該更多地引導學生運用所學知識參與探討與生產、生活緊密聯系的化學問題，從而真正高階地落實化學學科核心素養。