基于項目式學習的初中化學實驗復習

李俊紅

摘要： ?從生活問題“每袋含鈣500mg是真的嗎”出發，確立“測定碳酸鈣D3顆粒中的鈣含量”為項目式學習主題，通過“實驗探究： 測出碳酸鈣D3顆粒和足量鹽酸反應生成二氧化碳的質量或體積”“數據處理： 計算碳酸鈣D3顆粒中的鈣含量”“模型建構： 圖示實驗法進行科學探究的基本過程”等三個學習任務，融化學知識復習于真實問題解決的探究實踐，有效提升了復習效果。

關鍵詞： ?鈣含量測定; 項目式學習; 復習教學; 實驗探究

文章編號： ?1005 6629（2022）08 0060 07

中圖分類號： ?G633.8

文獻標識碼： ?B

傳統復習課教學往往以知識再現歸納、習題講練促學為基本方式，不利于激發學生學習興趣、培養學生解決真實問題的能力[1]。而項目式學習能夠使學生經歷成果導向下的綜合任務完成過程，形成真實情境下的復雜問題解決思路，對培養學生的實踐應用及遷移創新能力有獨特的功能和價值[2]。“測定碳酸鈣D3顆粒中的鈣含量”項目式學習，從真實問題“每袋碳酸鈣D3顆粒含鈣500mg是真的嗎”出發，讓學生親身經歷確立項目主題、規劃項目方案、實施項目方案和交流項目成果的全過程，“用中學”促進學生對實驗室制取二氧化碳的原理、裝置氣密性檢查、質量守恒定律以及根據化學式、化學方程式計算等化學核心知識技能的深刻理解，在探究實踐中形成設計方案、進行實驗、證據推理、反思評價等關鍵能力，感受化學從抽象的符號背誦到解決實際問題的“有用”和“有趣”。

1 項目主題和目標

項目主題確立思路如圖1所示。

項目學習目標如下：

（1） 根據補鈣劑包裝和使用說明書，計算補鈣劑中含鈣的質量和鈣含量。

（2） 根據解決項目核心問題的實驗原理，規劃出解決定量實驗問題的方案（質量法和體積法）。

（3） 基于實驗目的評價： 選擇實驗裝置，檢查裝置氣密性，通過實驗探究測出1袋碳酸鈣D3顆粒與足量鹽酸反應生成二氧化碳的質量或體積，在對比實驗中發展收集證據、解釋結論、反思評價、合作溝通、創新實踐等關鍵能力。

（4） 根據實驗數據算出碳酸鈣D3顆粒中的鈣含量，形成用反應中物質比例關系解決問題的定量思維。

（5） 評價結果的可靠性，培養審辯意識和科學態度，建構用實驗探究解決化學問題的基本方法和思路。

2 項目學習流程

項目學習過程主要包括四個核心環節： 確立項目主題（抽提驅動性問題）→規劃項目方案（梳理問題進階和解決方案）→實施項目方案（實驗探究和證據推理）→交流項目成果（成果展示和模型建構）。確立項目主題和規劃項目方案為第1課時[對應學習目標（1）（2）]，實施項目方案和交流項目成果為第2課時[對應學習目標（3）（4）（5）]。項目學習流程及課時分配如圖2所示。

3 項目實施過程

以第2課時為例，呈現項目活動過程中的部分師生關鍵行為，從學生課堂表現、成果展示和后測分析，可看出活動實施的效果。

3.1 任務引入

[布置任務]上節課同學們規劃了項目方案： 測出1袋碳酸鈣D3顆粒中含碳酸鈣的質量，算出1袋碳酸鈣D3顆粒中含鈣的質量以及鈣含量;梳理出要解決的核心問題： 測出1袋碳酸鈣D3顆粒中含碳酸鈣的質量;厘清了實驗原理： 測出碳酸鈣和足量鹽酸反應生成二氧化碳的質量或體積，根據化學方程式即可求出碳酸鈣的質量及鈣含量。本節課我們將通過實驗探究的方法解決該問題，首先根據實驗原理確定實驗裝置。下面展示幾位同學用稱質量（法）和量體積（法）設計的實驗裝置（見圖3和圖5），請談談設計意圖，設計者的想法是否合理？如何改進？說明理由。

3.2 裝置確定

3.2.1 質量法

[交流與討論]

學生1： 用向上排空氣法[見圖3（a）]把二氧化碳收集到瓶內，蓋好，用電子天平稱重，扣除原集氣瓶（含蓋）的質量，即為生成二氧化碳的質量。

學生2： ?這不是二氧化碳的質量，是二氧化碳和瓶內空氣的質量差。除非收集氣體前把瓶內抽成真空。

學生3： ?抽成真空也不行，在收集過程中能保證空氣不進入瓶內嗎？還有，萬一集氣瓶規格小，不夠收集氣體，換瓶收集也會造成誤差。這個方法不可行。

[評價與設問]考慮到集氣瓶的規格問題，這是定量實驗需要注意的。多數同學設計此方案，忽略了原集氣瓶并不“空”，抽成真空的做法可操作性不強。用其他裝置怎么測出二氧化碳的質量？

[交流與討論]

學生1： 我模仿課本設計裝置[見圖3（b）]，先稱出反應前反應物和裝置的總質量m1，把試管中的鹽酸倒入燒杯內，等天平示數穩定，反應后剩余物和裝置的總質量為m2，m1減m2即為生成二氧化碳的質量。

學生2和3： 我們設計的裝置[見圖3（c）（d）]和圖3（b）的實驗原理相同，優點是： 通過分液漏斗或注射器可以控制反應速率，同時避免試管底部粘上固體藥品，傾倒鹽酸時藥品掉在外面，造成誤差。

學生4： 我想用無水硫酸銅[見圖3（e）]吸水，干燥二氧化碳，水蒸氣不會跟著二氧化碳一起跑掉，數據更準確。

[評價與追問]利用質量守恒定律解決問題，設計巧妙。設計圖3（e）的同學考慮到二氧化碳潮濕引起的誤差，用干燥劑對裝置作了改進，思維縝密。本節課老師提供的實驗裝置是圖3（d）和（e），請推測改進后的實驗數據是變大還是變小？需要檢查裝置氣密性嗎？如何檢查？說明理由。

[交流與討論]

學生1： 干燥劑吸水，相比不吸水，跑出去的更少了，所以改進后的數據比改進前應更小。

學生2： 不用查氣密性，就是要讓二氧化碳跑出去的。

學生3： 圖3（d）不用查。圖3（e）要查，因為要讓生成的二氧化碳經過干燥劑，如果進干燥劑之前氣體已經漏了，干燥劑沒啥作用。

學生4： 可以把干燥管出口堵住，向下推壓注射器活塞，若注射器活塞能復位，則氣密性好。

學生5： 可以在干燥管出口接導管放入水中，加熱錐形瓶，導管口有氣泡，則氣密性好。

[評價與設問]同學們分析得很到位，可見是否檢查裝置氣密性，因實驗目的而定，不能一概而論。除了實驗室提供的裝置，第5小組用兩支注射器也能測出二氧化碳的質量，他們是怎么做到的？

小組5： 實驗用藥品是1袋碳酸鈣D3顆粒（3g）和稀鹽酸20mL，注射器可以從底部把殘留氣體頂出，減小誤差。開始用兩個30mL的注射器到實驗室試做，發現鹽酸容易噴出，然后把一個30mL的注射器換成100mL。實驗步驟如圖4所示。

[小結]根據質量守恒定律，利用氣體的發生裝置能測出生成二氧化碳的質量;實驗數據并非越大越準確，視具體情況而定;實驗裝置除了實驗室提供，也可以用生活替代品自制，裝置需要在實踐中不斷完善和改進。

3.2.2 體積法

[交流與討論]

學生1： 我設計的裝置是圖5（a）。在量筒的每一個大刻度處放一支燃著的小蠟燭，二氧化碳通入量筒內，二氧化碳密度大于空氣，蠟燭熄滅時對應的刻度示數即為生成二氧化碳的體積。

學生2： 量筒那么窄，蠟燭怎么放進去。且量筒不能受熱，可以用集氣瓶。

學生3： 集氣瓶也不行，因為蠟燭燃燒會生成二氧化碳，增加了變量。

[評價與設問]對，同學們分析得都有道理。再者，氧氣濃度低于一定值，可燃物燃燒會停止，即蠟燭熄滅時對應的刻度也不一定是收集二氧化碳到達的高度。其他裝置可以達成實驗目的嗎？

[交流與討論]

學生1： ?我想利用生成的二氧化碳往外推注射器活塞[見圖5（b）]，注射器前后刻度差即為二氧化碳的體積。

學生2： 不行，二氧化碳會從長頸漏斗跑走，應換成分液漏斗。還得預估一下生成二氧化碳的體積，準備足夠容量的針筒。

學生3： ?我利用二氧化碳產生的氣壓把水壓入量筒[見圖5（c）]，量筒內水的體積即為二氧化碳的體積。

學生4： 不行，水根本壓不過去，因為產生二氧化碳的導管口在液面下，一部分二氧化碳溶于水，溶不了的沿導管跑入量筒。須改進裝置如圖5（d）所示。

學生5： 水會吸收一部分二氧化碳，有誤差，可以加一層植物油阻隔二氧化碳碰到水[見圖5（e）]。

[評價與追問]很好。定量實驗一定要有“量”的意識。本節課老師提供的實驗裝置是圖5（d）和（e）， 請推測裝置改進后，測得二氧化碳的體積是增大還是減小？此實驗成功的關鍵是什么？怎么操作？說明理由。

[交流與討論]

學生1： 有油封的裝置，二氧化碳碰不到水，水吸收不了二氧化碳，壓進量筒的水應更多，即改進后比改進前數據更大。

學生2： 水要導流，裝置必須不能漏氣。

學生3： 可利用熱脹冷縮原理，用熱毛巾捂住錐形瓶，若水導流入量筒，則氣密性良好。

學生4： 也可推壓注射器活塞，若水導流，則氣密性良好。

[評價與追問]推壓注射器活塞，沒有外加設備，操作更為簡便。若提拉注射器活塞，預測有什么現象能證明裝置氣密性好？若注射器活塞從20mL處開始推壓到底，即壓縮空氣20mL，則導流過來水的體積應是多少？本實驗所用鹽酸的體積是20mL，請問反應產生氣體排出水的體積就是生成二氧化碳的體積嗎？若不是，應作怎樣的處理？

[演示實驗]檢查裝置[圖5（d）]的氣密性。

[交流與討論]

學生1： 提拉注射器活塞，相當于增大裝置內氣體體積，裝置內氣壓減小， 大氣壓會把空氣沿著量筒內的導管壓入水中，水中導管口冒出氣泡，說明氣密性良好。

學生2： ?實驗觀察導流到量筒內水的體積是13mL。

學生3： 生成二氧化碳的體積應是排出水的體積減去13mL。

學生4： ?觀察導管內水有殘留，不能全部進入量筒。

[評價與設問] 對于比較復雜裝置的氣密性檢查，一是不能改變裝置，二是操作簡便，三是現象明顯，且和結論有邏輯關聯。導管內殘留水的體積加13mL約為20mL。這說明即使沒有開始反應，擠壓裝置內多少體積的空氣就會導流出多少體積的水，

所以生成二氧化碳的體積應是排出水的體積減去20mL。除了實驗室提供的裝置，第10小組還用兩個礦泉水瓶和吸管等設計了測量生成二氧化碳體積的裝置（見圖6），請他們分享做法。

小組10： 改進前，把碳酸鈣D3顆粒和鹽酸依次加入瓶子，用

排水法收集二氧化碳，礦泉水瓶原體積減去瓶內剩下水的體積，即

二氧化碳的體積;改進后，鹽酸改用注射器注入瓶內，我們想對比

改進前后二氧化碳體積的變化。

[小結]除了實驗室提供的裝置，利用注射器和礦泉水瓶等自主設計裝置，經濟環保也很有創意。裝置確定好了，下面開始分組實驗。

3.3 實驗探究（測出1袋碳酸鈣D3顆粒和足量鹽酸反應生成二氧化碳的質量或體積）

[分組實驗]全班53人，每5～6人一組共10個組，其中5個組做稱質量（法），5個組做量體積（法）。每個組在組長負責下分成2個小組（同時完成改進前和改進后），數據本組共享。教師巡視指導。

[展示]小組實驗數據見表1（由于數據較大，允許學生使用計算器）。

3.4 數據處理

[展示]小組處理數據過程（見圖7）和小組實驗結論（見表2）。圖7中的對勾和劃圈是學生展示和評價時教師所做的記號。

[評價與設問]同學們實驗認真，如實記錄并處理數據，嚴謹的科學態度值得肯定。第1、 6、 7、 8、 10組實驗數據（見表1）和第4組實驗結論（見表2）出現異常，請作說明。其他小組實驗過程中有何新發現？

[交流與匯報]

小組1： 我們組做含干燥劑的實驗，稱反應前的質量時，忘記把電子天平去皮調到0，造成反應前質量小于反應后質量，實驗沒多余藥品不能重做。

小組6： 我們組改進前數據比改進后大，可能是數據有偶然性，實驗只做了一次。

小組7和8： 我們組做改進后實驗時，水一滴不導流，可能塞子沒塞緊，裝置漏氣。

小組10： 油封改進后，實驗數據和預測相反。我們發現油封后，水倒流速度明顯減慢，是不是油的阻力較大，對實驗有影響。還有用自制裝置做實驗，發現改進前后的數據相差很大，說明裝置的氣密性確實很重要。

小組4： 我們組算成1包碳酸鈣D3顆粒中碳酸鈣的含量，忘記乘以碳酸鈣中鈣的質量分數（40%）。

小組9： 我們組在用改進前裝置實驗時，由于過快推壓注射器活塞，較快的反應速率造成廣口瓶的橡皮塞沖開，馬上塞好繼續實驗，造成了較大實驗誤差。

小組2： 我們組加碳酸鈣D3顆粒時，發現藥品一加進去就有氣泡，可能錐形瓶內原先有殘留鹽酸，造成實驗誤差。

[評價與追問]按照商家提供的標簽，碳酸鈣D3顆粒中鈣含量應為16.7%。體積組做的數據較為接近這個數據，看來廠家有良心和社會責任感。老師的疑問是： 為什么稱質量（法）和量體積（法）相比有較大誤差？小組5用兩個注射器自制的裝置，相比實驗室提供的裝置明顯減小了實驗誤差？

[交流與討論]

學生1： 質量法誤差較大，可能是因為二氧化碳密度大于空氣，反應后二氧化碳把密度較小的氣體排出，錐形瓶內殘留了密度較大的二氧化碳。

學生2： 小組5自制裝置所用注射器的體積比錐形瓶體積小很多，反應前后注射器內氣體質量差值沒那么大，誤差就小。

[小結]同學們分析得很到位，實驗誤差來自實驗的每一個環節，比如，實驗方案是否合理、 實驗操作是否規范、證據收集是否全面、數據處理是否正確等等。如果用同一套裝置，平行實驗做三次，實驗結果可能更科學。小組10提到的關于油的阻力對導流水體積的影響，需要更多的材料佐證，課后同學們可以繼續探究。

3.5 成果展示

學生展示歸納解決問題的思路（見圖8）。

[小結]由具體學科問題解決方案的思維體系，抽象概括出實驗探究法解決現實問題的一般思路，有助于遷移和創新。

4 教學反思

從學生課堂參與表現以及結合課后訪談，學生首先認為這種復習方式更能吸引他們的注意力，他們不再感到化學和生活的隔離，把實驗搬進課堂，讓每個學生都融入其中，從設計裝置到親手做實驗，親身經歷解 決問題的全過程，通過實驗結論 對比和問題解決思 路展示，學生覺得很有獲得感和成就感。其次，通過實驗來推進復習過程，促進了學生學科思想和實驗思維的發展。課后有學生提出除了質量法、體積法，能不能用石灰水吸收二氧化碳增重的方法得出二氧化碳的質量;也有學生提出不用化學方程式，利用二氧化碳和碳酸鈣中碳元素質量相等也可以算出碳酸鈣的質量;還有學生提出，體積法中如果把油封水的裝置里全部換成油，和排水法做對照結果會怎樣以及提出碳酸鈣D3顆粒中其他成分能否和鹽酸反應生成二氧化碳……在以往傳統的復習課后學生很難提出如此頗具思維含量的問題。再次，通過小組合作完成項目式學習，學生普遍認為提升了組長的領導協調能力，促進了組員之間的人際關系和溝通交流，這些收獲將超越知識，獲益終生。

當然，教師在課堂實施本案例時也遇到了一些困難。比如，學生座位由傳統列隊改成圓圈式分組合作，學生對這種學習方式的轉變一開始不太適應，有些學生因為座位的改變沒有融入到學習團隊中。因此如何分組、合作什么、怎么合作，需要教師事先對各組組長進行一定的培訓，因為學生的合作效率直接影響項目進程的有序推進，這樣勢必增加了教師的工作負擔。此外，根據實驗原理自主設計、裝置選擇，學生的作業表現等提供了豐富的教學資源，而課堂展示時間有限和教學環節優化的矛盾突顯出來。對于課堂上如何選擇展示的作品，激發學生的認知沖突，鼓勵學生積極發言，迫于時間，教師課堂上有時來不及轉化學生全部的前概念，總有一些教學滑過的現象發生。針對學生提出的用吸收法測二氧化碳質量的建議為教師打開了教學思路，準備在酸堿鹽學完之后，將對此項目再作進一步的改進與完善。

參考文獻：

[ 1 ] 楊玉琴， 趙華. 核心素養視域下的初中化學專題復習課教學策略——以“我們周圍的空氣”復習課為例[J]. 化學教學， 2018， （6）： 41～47.

[ 2 ] 陳穎， 王磊， 徐敏等. 高中化學項目教學案例——探秘神奇的醫用膠[J]. 化學教育， 2018， 39（19）： 8～14.

[ 3 ] 中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2011年版）[S]. 北京： 北京師范大學出版社， 2012.