基于項目學習的高中化學教學設計與實踐

葉依叢 顧建辛 馬婉琴

摘要： 以“探究‘除菌卡是否安全有效”為任務，進行項目學習的設計和實踐。闡述了項目學習的主題選擇、目標制定和學習流程設計的依據和方法。項目學習實踐過程中，將項目任務拆解為關聯性的子任務，有針對性地開展學科理論分析、文獻解讀、實驗探究、創新設計等活動。構建認識生活中的化學品的思路，實現知識的功能化，踐行素養導向下的學習實踐。

關鍵詞： 核心素養; 項目學習; 除菌卡;化學教學設計

文章編號： 10056629（2022）09005106

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題由來

疫情期間，微商平臺頻繁推銷一種消毒產品——除菌卡，廣告稱：“帶上除菌卡，可以保證1平方米范圍內百毒不侵?！辈殚喅ǖ闹饕煞质荖aClO2和氣體緩釋劑，通過NaClO2與空氣中的CO2和H2O作用緩慢釋放ClO2，利用ClO2的強氧化性達到殺菌消毒的目的。除菌卡在流通的空氣中釋放的ClO2濃度低，是否足以殺菌？在狹小的空間里ClO2濃度高，對人體是否有害？原料NaClO2使用過程中是否存在安全隱患？多數學生尚缺乏以科學的視角有序、全面地認識生活中化學品的能力，其表現為：

（1） 認識視角缺乏，難以將真實的生活問題轉化成可研究的化學問題。

（2） 定量意識淡薄，忽略從物質的量（濃度）去討論物質性質。

（3） 探究精神欠缺，面對復雜情境的問題，習慣于等待答案代替主動探索。

2 項目學習規劃

2.1 項目學習主題選擇

項目學習要以學生興趣為導向，以貼近實際生活的有價值的項目為主題，讓學生通過自主學習、合作學習的形式完成項目并獲得知識和提升能力[1]。它強調以真實情境鏈接學生的生活世界與科學世界，以最終的項目成果為導向，完成一系列學習任務。在學習過程中實現核心知識重構化和結構化，提升關鍵能力，形成必備品格。值得注意的是，項目學習的成果包括兩方面含義： 一是外顯的產品（成果）;二是內隱的可以在不同情境中遷移的認識思路[2]。

結合項目學習的特點，按照“學科內容+疫情主題+育人價值”的思路，進行以“探索‘除菌卡是否安全有效”為主題的項目學習設計，體現以下兩方面教學價值：

一是項目學習內容如何包容學科核心知識;

二是項目學習過程如何發展學生關鍵能力和必備品格[3]。

除菌卡主要成分（NaClO2）及有效殺菌成分（ClO2），都是典型的含氯化合物，該項目學習融合高中化學必修階段中“氯及其化合物”“氧化還原反應”“化學反應速率”等知識。以項目任務驅動學生積極調用散落在教材各章節的學科知識，將其整合、優化，發揮核心知識在真實問題解決過程中的指導性作用。

“探索‘除菌卡是否安全有效”是一個真實情境下的復雜任務，為了完成該任務，學生需要經歷拆解任務、查找資料、整合信息、設計操作流程、實施優化、反思總結等一系列活動。在環環相扣的活動中，逐漸發展學生的思考力、表達力、創造力，并形成特有的經驗、見解和眼光[4]。面對生活中的化學問題時，能有序地認識問題，科學地解決問題，對化學品的使用進行風險評估，形成正確的生活觀念和良好的生活習慣。

2.2 項目學習目標制定

該項目主題下的學習內容涉及必修課程主題2——常見的無機物及其應用、必修課程主題5——化學與社會發展的相關內容。梳理課標相關主題下的內容要求、學業要求和學業質量要求，結合學生已有知識、能力水平，制定如下項目學習目標：

（1） 通過“自然落菌法”實驗探究真實環境中除菌卡的除菌效果，運用變量控制的方法確定合適的反應條件，安全、順利地完成實驗，并能對實驗方案、過程和結論進行評價。

（2） 結合除菌卡的使用方法，利用氧化還原反應的知識分析除菌卡有效成分（ClO2）的產生原理，并能設計實驗進行驗證，構建認識物質轉化和性質的方法。

（3） 認識除菌卡的設計工藝，贊賞化學對促進人類社會進步發揮的作用。

（4） 能根據已有經驗和資料對ClO2的殺菌原理作出假設，選擇合適的實驗試劑順利完成實驗，形成基于元素價態認識物質化學性質的認識模型，建立物質性質與用途之間的關聯。

（5） 通過分析除菌卡使用過程中對環境和人體可能產生的影響，對除菌卡廣告做出科學性評價，設計除菌卡使用指南并與同伴交流。

2.3 項目學習課時安排

該項目學習方案包含課內學習環節和課外實踐，課時安排如表1所示。

3 項目學習過程設計

聚焦項目學習的關鍵問題——“佩掛式除菌卡是否有效”，以“除菌卡使用指南”為產品，確定該項目學習類型為“探索原理、產品設計”，構思解決過程為“生活問題轉化為學科問題，形成學科理解并指導生活應用”。基于項目學習類型和解決過程，規劃項目學習過程分別為“認識除菌卡有效成分及產生原理”“認識ClO2的殺菌原理”“探究真實環境中除菌卡除菌效果”三個環節。具體學習活動和項目實施流程如表2所示。

4 項目學習實踐過程

4.1 引入課題，拆分項目

[引入情境，提出問題]隨著疫情爆發，各種消毒用品應運而生。在微商平臺上，佩掛式除菌卡廣告稱：“佩戴除菌卡，可以做到1平米范圍內百毒不侵”。廣告所言是否科學？除菌卡應該如何合理使用才能發揮功效？我們一起開展“佩掛式除菌卡”的有效性研究。

[拆分項目，細化流程]項目學習完成之后，將得到兩方面的研究成果：

（1） 對除菌卡廣告做出科學性評價。

（2） 設計除菌卡使用指南，向他人宣講除菌卡正確的使用方法。

為了得到以上項目成果，該從哪些角度進行研究？如何規劃研究過程？

[師生交流]學生經過討論后認為，從“真實環境中除菌卡是否有效”開展研究工作更符合認識生活中化學品的一般思路，于是調整子項目開展順序，如表3所示。

4.2 子項目1——真實環境中除菌卡除菌效果研究

[任務]選擇不同場景，利用生物學“自然落菌”的實驗方法，探究除菌卡除菌效果。

[方法導引]自然落菌法。

利用細菌培養基（如圖1所示），打開蓋子后蓋面朝下斜扣到底盤，在采樣點暴露40分鐘后放入恒溫箱，30℃條件下恒溫培養48小時，觀察菌落種類和數量。

真實環境下研究實際問題的思路和方法：

（1） 推測可能的變量是什么，并提出假設。

（2） 設計實驗驗證假設，必要時設置控制變量的對比實驗。

（3） 真實環境往往比較復雜，對現象的解釋盡可能考慮多因素影響。

[學生分組實驗，交流實驗報告]因篇幅限制，僅具體展示一組實驗過程與結果，如表4所示。

[實驗結論]

除菌卡在不同空間的有效性： 密閉空間>半密閉空間>開放空間。

在狹小的密閉空間中，除菌卡釋放的ClO2是良好的空氣消毒劑，滅菌效果好且不會對環境濕度造成影響。在開放空間中，除菌卡除菌效果不理想，可能與ClO2濃度有關。所以廣告中說除菌卡可以代替口罩隔絕細菌和病毒的侵害并不科學，在公共場所仍然需要佩戴口罩。

設計意圖： 引導學生在真實情境中提出探究的問題和假設，并以“方法導引”的方式提供問題解決的支架。學生通過自主探究活動對除菌卡廣告的科學性和真實性做出評判，并在探究過程中產生新的問題。培養學生崇尚真理的科學精神和嚴謹求實的科學態度。

4.3 子項目2——認識除菌卡有效成分及產生原理

[教師]查閱說明書，除菌卡的主要成分是什么？

[學生]說明書顯示主要成分是NaClO2和沸石。

[教師]沸石是多孔狀固體，具有較強的吸附性，可作為反應載體。結合資料卡片和除菌卡使用方式，思考NaClO2如何轉化為ClO2？

[學生1]從化合價角度判斷，NaClO2轉化為ClO2，Cl元素化合價升高，被氧化。使用除菌卡的時候需要撕開黏膠，將其暴露在空氣中，我認為空氣中的O2是氧化劑。

[學生2]閱讀資料卡片內容可知，NaClO2固體在加熱或者強烈敲擊的條件下易發生爆炸，發生歧化反應生成氯酸鹽（NaClO3）和氯化物（NaCl）。一部分NaClO2先發生歧化反應，生成的NaClO3與剩余的NaClO2發生歸中反應生成ClO2。

[學生3]從資料卡片中得到信息： NaClO2在酸性環境中極易發生歧化反應。應該是空氣中H2O和CO2提供了酸性環境，NaClO2固體與空氣接觸發生歧化反應，生成ClO2和NaCl。

[教師]以上三位同學均關注到氯元素化合價的改變，從而判斷該反應為氧化還原反應，結合除菌卡的使用方式和資料卡片的相關內容提出了自己的想法。你們更支持哪位同學的觀點，為什么？

[學生討論后回答]我支持第3種想法。第1種猜測說明O2的氧化性強于ClO2，那直接用空氣消毒即可，不需要制備ClO2。第2種猜測，資料卡顯示需要加熱或者強烈敲擊的條件才能使NaClO2分解，但在拆開除菌卡的過程中，除菌卡一直沒有劇烈發熱或強烈敲擊，所以猜測2不成立。

[教師]如何設計實驗進一步驗證猜想3呢？

[學生]往NaClO2固體中滴加稀硫酸，觀察是否生成ClO2。

[教師]為什么選擇稀硫酸？

[學生]強酸能電離出大量H+，加快反應速率，短時間內有明顯現象。

[教師演示實驗]取除菌卡包中的成分于試管中，滴加幾滴稀硫酸。

[學生]試管內有氣泡生成，溶液變為黃綠色，有一股類似消毒水的氣味……

[教師演示實驗]用玻璃棒蘸取少量試管中的溶液，滴加到ClO2檢測試紙上，并用比色卡進行比色。

[教師]結合上述探究過程，請總結除菌卡設計思想。

[學生]查閱資料可知ClO2是氣體，濃度過高易爆炸，所以不能壓縮。利用方便儲存的固體NaClO2為原料，使用時讓其與空氣接觸，發生化學反應，緩慢釋放ClO2。

[文獻支持]《中國消毒雜質》上有文獻介紹[5]，利用NaClO2固體在空氣中緩釋ClO2氣體的原理與應用，與同學們的想法不謀而合。

[師生交流，外顯思路]通過認識除菌卡緩慢釋放ClO2的原理，總結出如圖2所示的認識物質轉化的思路與方法。

設計意圖： 給予學生充分的機會討論NaClO2轉化為ClO2的原理。引導學生調用已有知識，基于物質及其變化的事實從資料信息中提取證據，推理假設。根據合理假設，利用實驗證據和文獻證據加以佐證。通過親歷完整認識陌生物質轉化的過程，外顯認識物質轉化的思路和方法，并認同物質及其轉化的價值。

4.4 子項目3——認識ClO2的殺菌原理

[教師]ClO2為何能殺菌消毒？

[學生1]含氯消毒劑的殺菌消毒原理一般源于其強氧化性，ClO2中含有+4價氯元素，有降價的趨勢，故ClO2有氧化性。

[學生2]細菌主要成分是蛋白質，ClO2的強氧化性能使蛋白質變性。

[教師]請同學們選擇合適藥品設計實驗，驗證上述假設。

[提供藥品]ClO2溶液、FeSO4溶液、FeCl3溶液、KSCN溶液、鮮牛奶、維生素C片。

[學生設計實驗方案并實施]（略）

[匯報實驗過程、現象和結論]

[學生1]我們選擇維生素C，它是生活中常見的還原劑。取一支試管加入2mL ClO2溶液，再加入維生素C，振蕩后發現ClO2溶液的黃綠色褪去，說明ClO2被維生素C還原，ClO2有氧化性。

[學生2]我們選擇FeSO4溶液和KSCN溶液。取一支試管，加入FeSO4溶液再加入KSCN溶液，無明顯現象，說明原溶液中不存在Fe3+，再往試管中加入幾滴ClO2溶液，溶液轉變為血紅色，說明Fe2+被ClO2氧化為Fe3+。

[學生3]我們也做了這個實驗，并在上述實驗中增加了空白對照組： 加入FeSO4溶液，再加入KSCN溶液后，對照組不加ClO2溶液露置于空氣中，無明顯現象。證明實驗過程時長內，空氣不能將Fe2+氧化為Fe3+，說明ClO2的氧化性比O2強。

[學生4]我們選擇富含蛋白質的牛奶，預測往牛奶中加入ClO2溶液后蛋白質因變性出現沉淀，但白色牛奶沒有沉淀卻呈現出橙紅色。

[教師]牛奶顏色變化說明什么？

[學生]橙紅色不是白色和黃綠色（ClO2水溶液）的疊加，顏色改變說明發生了化學變化，即ClO2能使蛋白質變性，它具有殺菌消毒的功能。

[教師]同學們分別用實驗室和生活中的還原劑驗證ClO2具有強氧化性，又用牛奶驗證ClO2能夠使蛋白質變性。ClO2是目前世界上公認的安全等級為A1級的消毒劑，具有強氧化性、高效廣譜、安全環保的特點。

[學生]我們組在完成子任務1時探究了除菌卡在下水道周圍的殺菌能力。實驗證明其他條件相同時，有除菌卡的培養皿中空氣落菌數量和種類明顯減少，如圖3所示，說明除菌卡的廣譜性。在除菌卡放置4小? 時后，我們用ClO2氣體傳感器檢測環境中ClO2濃度，在量程范圍內檢測不到;48小時后才檢測出該空間內ClO2氣體濃度為0.03ppm。說明即使濃度很低時，ClO2也發揮了很好的除菌功效。

[文獻支持]“低濃度二氧化氯消毒研究現狀”指出低濃度（0.01～0.05ppm）的ClO2表現出較強的殺菌功能[6]。

[外顯思路]以認識ClO2殺菌原理為例，總結出如圖4所示的探究物質性質的思路和方法。

設計意圖： 學生選擇不同的藥品開展實驗探究，從不同角度論證ClO2的強氧化性和殺菌消毒的功能，充分關聯物質的性質與用途，彰顯化學實驗的獨特價值。利用學生完成子項目1時的現象證明ClO2殺菌消毒的高效性，對物質性質的認識由定性上升至定量，使得探究過程完整自洽。

4.5 項目成果展示

[教師]經過上述學習，請同學們以小組為單位設計除菌卡使用指南，向同學、家人宣講除菌卡的正確使用方法。

[展示交流]（略）

設計意圖： 外顯學習成果，評價學生是否具有理論聯系實際的觀念，能否運用所學知識對除菌卡的有效性進行分析。權衡利弊，提出合理使用除菌卡的具體方案，展現學生的設計創意，讓學生切實體會到探究問題與生活世界的密切關聯，發展學生的社會責任素養。

5 項目學習實踐反思

“佩掛式除菌卡有效性研究”項目學習的開展為“新課程、新教材”背景下教與學方式的變革帶來全新體驗。通過該項目的實施，使學生經歷了項目學習的完整過程并了解了每一環節的基本要求[7]。

在課后反饋中，90%以上的學生表示喜歡項目學習，理由較集中地體現在“自己動手實踐”“解決真實問題”“小組合作產生項目成果”三個方面。正如有的學生在感想中寫的那樣“項目學習的過程就像打怪升級，我的‘經驗值在不斷積累”。

于學生而言，完成任務的過程中時常會遭遇新的問題，需要通過多學科支持、文獻支持、實驗支持、社會支持，并在與他人對話、合作中實現認識的更新迭代，學習過程是有趣的;形成和介紹項目學習產品時，又充滿了獲得感和儀式感，它讓學生深刻體會到自己所學、所研、所做對自己和他人形成科學的生活方式所做的貢獻，學習成果是有用的。

于教師而言，探索和實踐新的教學模式既充滿驚喜也面臨挑戰。對項目學習內容的深度思考、重組設計過程中我們感受到創造的樂趣;在項目學習實施過程中來自學生的奇思妙想、創造性的產品令我們感嘆于學生的潛力和思考的魅力;在項目問題解決過程中遭遇到“專業瓶頸”，又提醒我們不斷開拓知識的深度與廣度，不斷與其他學科教師交流協作。只有在探索和實踐的過程中不斷修正、持續探究，我們的課堂才能變得更加富有張力、思考力和生命力！

參考文獻：

[1]浙江省教育廳教研室. 浙江省普通高中學科教學指導意見[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2021： 149.

[2]夏雪梅. 項目化學習設計： 學習素養視角下的國際與本土實踐[M]. 北京： 教育科學出版社， 2021： 10.

[3]侯肖， 胡久華. 在常規課堂教學中實施項目式學習——以化學教學為例[J]. 教育學報， 2016， （12）： 39～44.

[4]陳進前. 關于“教什么”的思考——基于“新課標”和“新教材”[J]. 中學化學教學參考， 2019，（11）： 8.

[5][6]王妍彥， 張流波. 低濃度二氧化氯消毒研究現狀[J]. 中國消毒學雜志， 2019， 36（2）： 147～150.

[7]吳俊明， 芻議新階段我國基礎教育化學課程的發展走向[J]. 化學教學， 2021， （7）： 3～7.