基于真實問題情境的項目教學實踐

劉寶強 張賢金 張瑤敏

摘要：將化學反應的利用融入項目式教學中，在真實問題情境下探究并解決問題，有利于學生感受化學的價值。基于此，以“研究車用燃料”為主題，通過燃料大比拼、選擇車用燃料、優化車用燃料等活動，建構從物質變化和能量變化角度研究化學反應的一般思路和方法，嘗試用化學知識解決實際問題。并反思從情境素材的挖掘、項目任務的規劃、實踐活動的滲透等角度提升教學效果，培養學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：真實問題情境；車用燃料；項目教學實踐

文章編號：1008-0546（2022）02-0053-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.011

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

項目教學是學生在真實情境下復雜問題解決過程中，經歷成果導向下形成的綜合任務完成過程。開展項目式學習活動，相比于傳統的知識點梳理式的復習課，學生在完成項目任務時能更清晰地感受化學學科知識的價值以及魅力，體會化學是“有趣”的，亦是“有用”的[1]。

新一輪的課程改革，提倡創設真實且富有價值的問題情境，基于真實問題情境的項目式學習是培育學生學科核心素養的有效途徑。項目式學習活動不僅要關注學科核心知識，更重要的是圍繞真實問題的解決形成學科思想方法，實現“知識結構化、問題解決思路化”的目的。筆者選取魯科版化學必修第二冊第二章的微項目“研究車用燃料及安全氣囊”，以“研究車用燃料”為主題開展項目活動，嘗試探索基于真實問題情境的教學實踐。

一、項目主題分析

“研究車用燃料及安全氣囊”是普通高中教科書（魯科版）化學必修第二冊第二章的微項目教學內容，是在第二章學習完化學鍵與物質構成、化學反應與能量轉化、化學反應的快慢和限度之后的一節內容。《普通高中化學課程標準（2017年版）》的“學業要求”中明確提出“能綜合考慮化學變化中的物質變化和能量變化來分析、解決實際問題”[2]。

如何利用化學反應解決實際問題，如何讓學生真正參與到問題解決活動中呢？筆者設計了常見燃料的大比拼、了解汽車尾氣污染及其治理措施、優化車用燃料等任務。學生圍繞項目任務，通過分析解決車用燃料的選擇和優化中遇到的實際問題，綜合應用化學反應物質變化和能量轉化、化學反應速率等學科核心知識，最終形成對化學反應的認識模型。通過從反應速率和反應限度兩個視角看化學反應的物質變化和能量變化，從而促進學生對學科知識的理解與應用，提升學生的學科素養。

二、項目學習目標

燃料是學生熟悉的、也是充滿樂趣的話題。燃料的相關知識在初、高中教材及課程標準中均有要求。九年級化學上冊（人教版）第七單元《燃料及其利用》中課題2詳細介紹了燃料的合理利用與開發，高中階段在學習化學第二冊（魯科版）第二章第二節《化學反應與能量轉化》時，從化學鍵的視角揭示了化學反應能量變化的本質。

選取學生熟悉的燃料為主題，通過車用燃料的選擇和優化項目任務驅動，引導學生了解研究化學反應的一般思路與方法，感受化學學科的價值。同時培養學生“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”等學科核心素養。具體的項目學習目標為：

（1）通過燃料大比拼認識燃料的優缺點，了解車用燃料的基本條件。

（2）熟悉從能量變化、物質變化等角度認識化學反應，建構認識化學反應的一般思路與方法。

（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——“國內外氫能產業發展現狀及其戰略意義”，感受化學反應在改善人類生活質量方面的貢獻，培養學生可持續發展意識和綠色化學觀念，強化社會責任與創新意識。

三、項目教學流程

基于上述項目教學目標，筆者設計了“常見燃料大比拼”“汽車尾氣污染的治理”“優化車用燃料”“拓展視野”等4個子任務，通過問題驅動方式逐步展開，具體項目活動以及設計意圖見圖1。

四、項目實施過程

1.基于數據分析選擇車用燃料

汽車是當今社會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據（見表1），學生開始進行常見燃料的“大比拼”討論活動。

（數據來源：東方財富網，中國LNG綜合進口到岸價格不含稅費、加工費數據時間：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）燃燒產物對大氣有沒有污染？（3）選擇車用燃料時，更關注單位物質的量燃料完全燃燒放熱多少還是單位質量燃料放熱的多少呢？（4）天然氣、氫氣等氣態燃料，遇到最棘手的難題是什么？

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

【教師追問】對上述四種燃料進行綜合評價

【學生回答】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。

【教師補充】H2、天然氣等氣態燃料推廣中“卡脖子”難題是儲運環節。

設計意圖：通過問題的驅動引導學生進行科學探究、數據分析，歸納總結、交流評價。學生基于燃料數據的分析，總結歸納出“車用燃料”的基本條件，并對相應的燃料進行評價，從而培養學生科學探究能力和證據推理意識。

2.借助視頻與動畫理解汽車尾氣凈化

汽油、柴油等輕質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，其排放的尾氣對環境和對人類身體健康會造成什么影響呢？人們是什么時候開始意識到汽車排放的尾氣會造成嚴重的環境問題呢？

結合上述問題，學生相互交流分享對汽車尾氣的已有認識后，學生閱讀材料一“洛杉磯煙霧事件”[3]：

洛杉磯西面臨海，三面環山，是個陽光明媚、風景宜人的地方。但是從20世紀40年代開始，人們發現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，城市上空就會出現一種彌漫天空的淺藍色煙霧，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。這就是最早出現的新型大氣污染事件——光化學煙霧事件。

石油化工產業的發展促進當地的汽車業的發展。洛杉磯在上世紀40年代就擁有250萬輛汽車，每天大約消耗1100噸汽油，排出1000多噸碳氫化合物，300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，發生光化學反應，產生劇毒的光化學煙霧。由于洛杉磯三面環山的地勢，煙霧久久不散，洛杉磯逐漸變成了“美國的煙霧城”。

【學生討論】汽車尾氣的主要污染成分為CO、NOx和碳氫化合物（CxHy）及其危害。

【教師追問】汽車尾氣中的主要污染物的來源。

【學生回答】汽車尾氣中的CO是由于燃油不完全燃燒產生的，NOx主要是NO和NO2，是進入發動機內的空氣中N2和O2在高溫下生成的，對于CxHy的來源存在疑惑。

【教師補充】CxHy是發動機未燃盡的燃油分解生成的[4]。

【過渡】汽車尾氣對環境和人類健康有危害，如何才能消除汽車尾氣污染呢？

【分析】引領學生探討汽車尾氣凈化的方向——能否從氧化還原反應角度分析汽車尾氣中成分之間發生反應的可行性。

【學生】CO是常見的還原劑，NO中N元素+2價，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發生反應是可行的，但研究發現兩者反應速率極慢，有什么措施可以加快反應速率呢？

【學生】可以采取的措施有：增大反應物濃度，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速率，從元素周期表中找到適合作催化劑的物質。

【學生】從過渡金屬元素區域尋找。

【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）。

【學生活動】寫出三元催化器中CO和NO轉化為無害氣體的反應方程式。

設計意圖：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情境為載體，引領學生從氧化還原原理、反應速率、限度等認識角度去分析化學反應，初步感受化學的價值以及運用化學反應解決實際問題。

3.基于問題驅動與方案解決優化車用燃料

自從汽車安裝了三元催化轉化器后，汽車尾氣污染明顯降低，空氣質量得到明顯改善。還有沒有必要研究開發新的車用燃料呢？現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化、如何實現優化、更優方案三個情境問題，將學生置于真實的待解決的情境中，通過文字、圖片、視頻等多種形式串聯，基于問題驅動的方式去調動學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的理解，提高遷移創新、解決問題的核心能力。具體的教學實施流程見圖3。

4.基于汽車發展史看能源結構轉型

隨著工業的發展，汽車行業也是日新月異，汽車的變革也反映出科學技術的飛速發展，反映出石油、化工、鋼鐵、機械等諸多行業的偉大創造。結合課本65頁——“汽車發展歷史”，學生動手完成表2。

科技閱讀——“國內外氫能源產業發展現狀及其戰略意義”[6]：

氫能是一種具有多種優勢的二次能源：氫的來源多樣，使用過程不產生污染，氫的能量密度大，熱值是汽油的3倍。在推動能源轉型過程中發揮至關重要的作用。我國是制氫大國，2015年以來，制氫總量都在2400萬噸以上，但制氫成本差異較大，傳統的煤制氫成本低，但其純度較低，無法應用于純度要求高的領域。隨著氫燃料電池的快速發展與推廣，氫能廣泛應用于氫燃料電池汽車。日本、美國、歐洲各國正在出臺各類政策以促進氫能產業的發展。中國多地政府大力推進氫能產業發展，加快加氫站建設，中國石化在全國開展氫氣的制、儲、運、加整體布局，為加快能源結構轉型，努力于2030年實現“碳達峰”，2050年實現“碳中和”目標。

設計意圖：通過汽車發展歷史了解不同時期車用燃料的變遷，感受化學對人類社會的巨大貢獻。再通過科技閱讀，學生了解能源的重要性，能夠從能量轉化形式分析利用化學反應，理解開發新能源的戰略意義，滲透“科學態度與社會責任”的培育。

五、項目教學反思

1.挖掘真實教學情境，培養學科核心素養

構建從真實的情境中進行學習的認知途徑，是知識通向素養的必然要求[7]。《普通高中化學課程標準（2017年版）》在各主題的“教學提示”部分都給出了相應的“情境素材建議”，建議“創設真實而富有價值的問題情境”[2]。在課堂教學中創設真實教學情境，學生在真實的情境中獲取知識，解決問題，豐富學科知識的理解，提升學生的認知層次，并感受化學知識的應用與價值。這就要求教師要注重發掘真實情境素材，思考并嘗試將情境素材轉化為真實教學情境。教師應關注日常生活、了解工業生產、動手科學實驗，從生活、生產和實驗中搜集并積累相關的素材，開發適合學生層次的項目活動，并努力創設真實而富有價值的情境，搭建學生核心素養落地的平臺。

2.規劃項目任務活動，促進有意義的學習

從靜態的情境素材轉化為富有價值的教學情境，其最為關鍵的一環是問題。問題能激發學習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]。真實有價值的問題能夠啟示學生明確的活動方向，學生主動參與探究問題解決活動時，逐步達成知識的建構與生成，促進有意義的學習。優化車用燃料時創設的一系列問題：“加裝三元催化器可以實現尾氣凈化，還有沒有必要再優化車用燃料？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？它們的推廣受到哪些因素的影響或制約？從能量轉化效率的角度思考有沒有更好的舉措？“有價值的問題”以問題鏈的形式呈現，遵循由易到難、由淺到深、由表及里的梯度。教師要合理規劃項目活動，從情境素材中凝煉化學學科問題，激起學生的探究欲，引導學生在問題解決過程中進行有意義的學習。

3.充分滲透實踐活動，發展科學探究能力

項目活動中設計的任務和問題都應以發展學生的科學探究能力為中心。通過實踐活動，可以培養學生的動手能力、溝通合作能力、獲取信息能力，最終達到發展遷移創新能力。項目教學實施時可將教學情境分解成若干個小情境。小情境中合理安排實踐活動，調動學生主動參與，完成相應的研究任務。如在“常見燃料的大比拼”活動中探討燃料燃燒是否充分問題時，小組同學進行了酒精燈和煤油燈燃燒的對比實驗。煤油燃燒火焰明亮，伴有濃烈的黑煙，而乙醇沒有。通過對比燃燒實驗現象，學生深刻理解含碳量高的煤油、柴油、汽油等燃料易出現燃燒不完全的情況。通過問題導向、任務驅動的方式，引導學生參與項目實踐活動，能夠有效地發展學生的科學探究能力。

參考文獻

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[3]謝林霞.世界重大空氣污染事件盤點[J].新湘評論，2013（10）：19.

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[5]王磊，陳光巨.普通高中教科書·化學必修（第二冊）[M].濟南：山東科技出版社，2020：67.

[6]高慧，楊艷，趙旭，饒利波等.國內外氫能產業發展現狀與思考[J].國際石油經濟，2019，27（4）：9-17.

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[8]楊玉琴，倪娟.從情境素材到教學情境：如何創設富有價值的問題情境[J].化學教學，2020（7）：10-15，22.

[9]鐘國華.基于三元整合策略提高學生問題解決能力的高三專題復習研究——以“FeCl3和SO2反應”為例[J].化學教學，2021（2）：33-38.