基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí) 培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力
——以“汽車尾氣污染治理”項(xiàng)目為例

大慶實(shí)驗(yàn)中學(xué) 張?jiān)平?/p>

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出：重視開展素養(yǎng)為本的教育，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。汽車尾氣污染治理既是社會(huì)性科學(xué)議題，又是可以整合單元知識(shí)，提升學(xué)生解決真實(shí)問題能力的重要情境素材。基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)開展汽車尾氣污染治理實(shí)踐研究，在解決綜合問題的過程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化發(fā)展，發(fā)展其適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展所需要的必備品格和關(guān)鍵能力。

人教版高中化學(xué)必修第一冊(cè)“氧化還原反應(yīng)”一節(jié)的“思考與討論”欄目引入了汽車尾氣系統(tǒng)中安裝催化轉(zhuǎn)化器處理汽車尾氣中的CO和NO。化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中也建議氧化還原反應(yīng)教學(xué)提供有關(guān)“汽車尾氣及危害”的素材，因此，本項(xiàng)目課題的選擇既是選自教材，又不拘泥于教材，既是對(duì)教材知識(shí)的整合，又拓展教材的知識(shí)，同時(shí)關(guān)注環(huán)境問題，引導(dǎo)學(xué)生從STSE視角感受氧化還原反應(yīng)的社會(huì)價(jià)值，形成“綠色化學(xué)”的理念，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

1.核心知識(shí)及素養(yǎng)發(fā)展

知識(shí)層面，本單元圍繞物質(zhì)分類觀、轉(zhuǎn)化觀、離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)等大概念展開教學(xué)。通過開展汽車尾氣的污染治理項(xiàng)目，希望學(xué)生加強(qiáng)對(duì)學(xué)科本質(zhì)的理解，從氧化還原角度分析尾氣中污染物的成因、危害與治理方案；能利用膠體的性質(zhì)解釋P M2.5、P M10.0的危害；能從離子反應(yīng)角度解釋酸雨的成因，及對(duì)建筑物的腐蝕與危害。

能力層面，能通過汽車尾氣污染治理問題的探究，培養(yǎng)搜集證據(jù)、處理信息的能力，能從化學(xué)等學(xué)科視角分析和解決實(shí)際問題，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與可持續(xù)發(fā)展意識(shí)，實(shí)現(xiàn)從學(xué)科價(jià)值視角到社會(huì)價(jià)值視角，再到學(xué)科和社會(huì)價(jià)值視角的進(jìn)階發(fā)展。

2.驅(qū)動(dòng)性問題與項(xiàng)目解構(gòu)

以酸雨、霧霾等環(huán)境污染問題為背景，引出本節(jié)課的驅(qū)動(dòng)性問題“如何治理汽車尾氣？”學(xué)生在討論中對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行解構(gòu)。根據(jù)組間同質(zhì)、組內(nèi)異質(zhì)，全班分成8組，6人一組。每個(gè)小組明確自己的任務(wù)方向，列出操作細(xì)節(jié)。通過查閱資料、討論等方式推進(jìn)課題研究問題，在問題解決的過程中發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)。后期小組成員匯總所有素材，進(jìn)行篩選、分析和綜合，以科技小報(bào)的形式在班級(jí)展示，方便學(xué)習(xí)溝通。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施流程

3.具體實(shí)施

任務(wù)一：基于學(xué)科觀念，分析汽車尾氣成分

小組討論，細(xì)化研究方案。物質(zhì)的轉(zhuǎn)化遵循守恒觀，為了分析汽車尾氣的成分，我們需要知道汽車的燃料有哪些？為什么會(huì)產(chǎn)生污染物質(zhì)？污染物質(zhì)具體有什么？學(xué)生利用氧化還原反應(yīng)原理解釋污染產(chǎn)生的原因，由于汽油的不完全燃燒產(chǎn)生了CO、碳?xì)浠衔铩 M2.5、P M10.0等碳煙顆粒；汽油機(jī)在工作工程中，燃料在氣缸內(nèi)部燃燒，形成高溫，空氣中的氮?dú)庠诟邷貤l件下被氧氣氧化得到氮氧化合物；汽車尾氣中的鉛則是因?yàn)槠椭屑尤氲目贡瑒┧囊一U；汽車尾氣中的SO2是來源于石油中含硫化合物的燃燒。

學(xué)生基于元素觀，通過價(jià)類二維角度分析尾氣中各種成分的成因，在復(fù)雜問題的解決中建立高階的物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀，發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析素養(yǎng)。感興趣的小組還用數(shù)字化傳感器實(shí)地測(cè)量汽車尾氣中的SO2、CO2等含量，發(fā)展科學(xué)精神與探究意識(shí)。

任務(wù)二：跨學(xué)科融合，分析汽車尾氣的危害

學(xué)生通過價(jià)類二維角度，結(jié)合氧化還原和離子反應(yīng)原理分析硫酸型酸雨和硝酸型酸雨的成因，進(jìn)一步發(fā)展了高階的物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀。從生態(tài)環(huán)境建設(shè)角度，了解酸雨對(duì)人體造成的影響和對(duì)環(huán)境造成的影響。

學(xué)生又結(jié)合物理學(xué)、生物學(xué)等知識(shí)，分析污染物顆粒大多是粒子0.1～40微米的多孔性炭粒組成，能吸附苯芘或者SO2等有毒物質(zhì)。從粒子直徑大小出發(fā)，分析2.5～10微米的顆粒可進(jìn)入支氣管，小于2.5微米的可進(jìn)入肺泡，影響生物健康，使農(nóng)作物減產(chǎn)，并導(dǎo)致大氣污染。通過本階段的研究，學(xué)生加強(qiáng)對(duì)微粒觀和轉(zhuǎn)化觀的理解，能從STSE角度出發(fā)，科學(xué)分析污染的危害，同時(shí)發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。

任務(wù)三：多舉并進(jìn)治理汽車尾氣，發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)

經(jīng)過小組討論，從改善燃油、物理凈化、化學(xué)凈化、新能源汽車四個(gè)角度分析汽車尾氣的治理。采用乙醇汽油、CNG、液化石油氣、生物柴油等作為機(jī)動(dòng)車燃料，減少污染的產(chǎn)生；選擇孔徑合適的新型過濾裝置對(duì)碳煙顆粒進(jìn)行過濾，并進(jìn)行水洗或蒸汽淋浴去除碳顆粒及有毒物質(zhì)，同時(shí)采用戶外高壓噴灑水和安放霧霾凈化塔的方式，凈化細(xì)小粉塵和顆粒物；在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣管安裝三元催化轉(zhuǎn)化裝置，從氧化還原反應(yīng)角度實(shí)現(xiàn)CO、氮氧化物、碳?xì)浠衔锏木G色化轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步發(fā)展高階的物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀。

興趣小組還從電化學(xué)角度為學(xué)生們介紹了新能源汽車中的燃料電池工作原理，以氧化還原反應(yīng)為本質(zhì)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，提高能源利用率，減少污染產(chǎn)生；從能源的角度介紹了混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、太陽能汽車等。在真實(shí)問題的解決過程中，體驗(yàn)科學(xué)精神，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，解決真實(shí)問題，在做中學(xué)，學(xué)以致用，增強(qiáng)科學(xué)精神與創(chuàng)新意識(shí)，感受科學(xué)技術(shù)的魅力。

任務(wù)四：拓展遷移，氧化還原反應(yīng)在生產(chǎn)生活中的其他應(yīng)用

匯報(bào)組從提供能量、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、冶煉金屬、污水處理、檢驗(yàn)酒駕、供氧、醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等角度介紹了氧化還原的有利用途，并結(jié)合食物腐敗、金屬生銹、消毒劑不當(dāng)使用、自然、爆炸等闡述了氧化還原在生活中的危害。

由此，學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到物質(zhì)變化時(shí)伴隨能量的變化，可以從不同視角對(duì)化學(xué)變化進(jìn)行研究，用對(duì)立統(tǒng)一、聯(lián)系發(fā)展和動(dòng)態(tài)平衡的觀點(diǎn)考查和分析化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而發(fā)展變化觀念與平衡思想。

4.交流與評(píng)價(jià)

在成果匯報(bào)階段，不同小組進(jìn)行不同專題的介紹，學(xué)生之間相互評(píng)價(jià)，在交流過程中發(fā)展化學(xué)核心觀念——元素觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀，整合氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、膠體性質(zhì)等核心知識(shí)用于解決真實(shí)情境下的汽車尾氣污染治理問題。

教師在小組匯報(bào)過程中提出以下衍生性問題：為什么選擇汽油等燃料作為汽車能源？如何將有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)，轉(zhuǎn)化需要哪些條件？什么是綠色化處理？醫(yī)用口罩能用于防霧霾嗎？防霧霾口罩能用于阻隔病毒嗎？以新能源汽車為例，分析能量轉(zhuǎn)化的形式？如果你要買一輛車，你會(huì)從哪些角度評(píng)估？通過這些問題引發(fā)學(xué)生的深度思考，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的探究欲望，用高階思維包裹低階思維。學(xué)生們組間合作、整合信息，制作PP T等進(jìn)行展示交流，培養(yǎng)了學(xué)生的信息加工能力、語言表達(dá)能力、增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感、開展有意義的學(xué)習(xí)，又形成了科學(xué)研究的思路和方法，培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)。

汽車尾氣的污染治理是一個(gè)社會(huì)熱點(diǎn)問題，是學(xué)生可以綜合所學(xué)知識(shí)，交流合作共同研究探索的有價(jià)值的問題。項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是學(xué)生基于真實(shí)問題而自主開展的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，是學(xué)生發(fā)展自我認(rèn)知、知識(shí)結(jié)構(gòu)化、能力提升的有效載體。在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)到完成，以學(xué)生為主體，在信息的獲取、加工、交流、反思、評(píng)價(jià)過程中，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)，提升綜合能力，實(shí)現(xiàn)事實(shí)性知識(shí)的組織和意義化。