化學實驗項目式學習的設計與實施

崔鵬 王祖浩

摘要： 闡述化學實驗項目式學習中學習情境、學習規則、學習工具三要素和實驗探究的各環節以及科學方法的綜合作用，共同形成學習進程，以發展化學學科核心素養。以“探究深、淺呼吸呼出氣體中氧氣含量的差異”項目為例，詳細說明化學實驗項目式學習的設計與實踐，呈現學習進程，總結并反思其成效、意義及教師的責任。

關鍵詞： 化學實驗; 項目式學習; 學習設計; 氧氣的性質與制取

文章編號： 10056629（2022）06002806

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

實驗是化學教學的重要內容，也是最能體現化學學科特質的學習方式和教學方式。項目式學習強調通過現實世界的驅動性問題進行思考和實踐，重視通過團隊合作與持續不斷的努力來發展創造性地解決問題的能力，被認為是最具有融合核心素養發展效力的教學方式[1]。因此，我們整合化學實驗探究活動與項目式學習，設計化學實驗項目，開展基于真實情境的實驗學習和科學實踐活動，凸顯合作與互動，促進學生化學學科核心素養的融合進階與發展。

化學實驗項目式學習，是個體在與情境互動、與同伴交往中以實驗探究的方式解決真實化學問題和培養創新意識的實踐過程。項目所蘊含的知識是化學課程標準的內容要求，情境選材源自生活。化學實驗項目式學習較之傳統的學習增強了綜合性、復雜性和靈活性，并以學習者為中心，把化學學科核心素養培育轉化為深度的學習實踐，對學生的綜合應用和遷移創新能力提出更高的要求。在實際教學中，既可以開設為新課，也可以作為復習課或拓展性活動。

1 化學實驗項目式學習的設計

1.1 化學實驗項目式學習的設計要素

素養導向的學習設計的三個要素即學習情境、學習規則、學習工具，分別指向知識在情境中的意義化、學習中促進社會性參與的規則設計、運用工具促進所學內容和思維的外顯化[2]。化學學科核心素養是運用化學知識應對復雜的、不確定的科學問題和挑戰的關鍵能力與必備品格。素養導向的化學實驗項目式學習活動中，“學習情境”是指讓學生產生真實化學問題和化學思維的生活、生產情境和實踐任務，促進實現跨越情境的遷移;“學習規則”是指利于和激發學生積極參與合作探究和主動表達的規則，形成師生共同的學習期待和自主的學習形態;“學習工具”是指給學生提供化學實驗思維外顯化和反省評價實驗探究的學習工具，促進學習情境和學習規則的落實。

1.2 化學實驗項目式學習的進程設計

項目式學習的關鍵環節是，在真實的驅動性問題情境中對問題展開探究，以小組合作的方式進行學習，運用各種工具和資源促進問題解決并產生成果[3]。實驗探究是化學實驗項目式學習的核心活動，主要有以下基本環節： 提出問題、建立假設、設計與開展化學實驗、收集信息與數據、推理分析與論證、得出結論、反思與評價等。這些環節并不是固化的、一成不變的，實驗探究過程的路徑存在著復雜性和多元性，有些環節會在學生與實驗探究相互作用的過程中反復出現。在實驗探究的各環節中，會用到具體的科學方法，如觀察、測量、控制變量、比較、建構模型等。

化學實驗項目式學習是化學實驗探究活動與項目學習的融合，凸顯學習情境、學習規則、學習工具三個設計要素。“學習情境”體現在把靜態的情境素材加工成富有探究價值的、開放的問題情境，知識在情境中被活化，學生在情境的引領下深入學習;“學習規則”體現在注重師生、生生相互帶領與協作的社會性實踐活動，學生組成小組即項目共同體，教師通過語言與行動帶領學生形成對話和實踐： 如動腦（思考）、動手（操作）、動口（表達），同伴間相互支持、評判，與教師平等對話、相互帶領，得出結論分享成果;“學習工具”體現在注重思維外顯化和反省評價的學習工具的設計與提供，信息化環境和數字化設備的支持和運用，學生在持續不斷地運用各種科學方法進行討論、記錄、推理、反思、評價的過程中，運用系列工具單，在知識聯系、方法運用、交往互動和思維進階等多線并進發展的立體時空里，經歷知識或理解的群體建構過程。同時，師生、生生相互溝通、交流協作，不斷重塑自我，增強對社會現實的適應性。化學實驗項目式學習的進程如圖1所示。

體驗情境階段，在“學習情境”的牽引與連接下，師生對話，體驗情境，發現、辨識與提出問題。問題導航，聚焦情境中的化學知識和概念，建立研究假設、明確項目任務。學生組成小組即項目共同體，在教師提供的第一張工具單“實驗設計單”的指引下，啟動學習進程。

分析情境階段，學生根據任務目標在教師的指引下，小組合作進行實驗方案的設計、討論、分享與修正，完成“實驗設計單”。教師作為支持者，適時地參與各小組內的學習、交流并給予鼓勵和肯定，挖掘和利用學習情境的資源，點撥知識的運用、原理的確定和方法策略的選擇。

探索情境階段，根據實驗方案小組合作實施實驗，動手操作探索情境中的科學問題。在“實驗實施單”的指引下，記錄實驗過程中的現象、數據，討論、推理，形成實驗結論和成果。

反思情境階段，結合實驗實施的情況，小組內、小組間在“實驗評價單”的指引下進行評價。生生、師生一起交流分享、對話表達、展示成果，深化提升實驗項目式學習過程，形成運用科學知識與規律的意識和實驗思維，達成化學實驗學習的價值。

學生在這樣的化學實驗項目式學習進程中，把已有的認識、經驗、知識與技能應用于學習情境中，把它們和實驗設計與操作、生命與生活的現象、人類面臨的有關問題和場景等建立關聯，理解知識、建構意義、遷移創新，不斷提高知識結構化的水平和問題解決能力，不斷內化推理、反思與評價的方法和習慣，發展批判性思維等高階思維能力，并和同伴一起塑造主動探索和協作共進的團隊文化，打通知識到能力再到素養的發展通道。

下面以針對初中“氧氣”這一核心內容設計的化學實驗項目“探究深、淺呼吸呼出氣體中氧氣含量的差異”為例，呈現化學實驗項目式學習的設計與實踐。33C3E851-1953-4749-A790-BDEA3339B2CD

2 “探究深、淺呼吸呼出氣體中氧氣含量的差異”的設計與實踐

2.1 化學實驗項目式學習內容分析

九年級《化學》第一學期“2.2神奇的氧氣”（上海教育出版社）的核心知識和技能見表1。

氧氣的知識在生活中司空見慣或是某些常見現象的原因，可以引入化學實驗項目中，以項目的方式聚集整合起來，聯通科學世界與生活世界，進行情境引領、規則帶領、工具支持下的項目學習。氧氣的知識與“呼吸”密切相關，能夠引發對身體的呼吸作用過程與健康的關注。根據學生的認知特點和所利用的資源與技術，確定學習目標如下：

（1） 理解氧氣不易溶于水的物理性質、支持燃燒的化學性質。

（2） 通過圍繞一個驅動性問題設計、實施實驗并得出結論的過程，增強聯系、運用多方面知識和技能解決具體問題的能力。

（3） 通過實驗探究用以致學，體會化學實驗的樂趣，感受化學知識與實驗技能、研究方法的價值。

（4） 通過體驗技術支持的學習過程和數字化實驗活動，感受實驗技術的作用與優勢。

該項目實施主要的學習工具是融合了知識聯系、技能技術、交往互動和思維思想多維度指引的系列工具單，如圖2所示。

2.2 化學實驗項目式學習進程

2.2.1 體驗情境

[情境導入]呼吸科專家統計表明，城市中一半以上的人的呼吸方式不正確。你了解呼吸嗎？什么是健康的呼吸呢？

[明確項目任務]人體呼吸時，吸進人體的氧氣參與了人體的呼吸作用過程。深而慢的“深呼吸”和淺而快的“淺呼吸”呼出的氣體中，仍然含有氧氣，但氧氣的含量存在差異。繼而提出本項目的驅動性問題“如何通過化學實驗證明深、淺呼吸呼出的氣體中氧氣含量的差異”。任務隨之明晰： 設計和實施化學實驗，探究深、淺呼吸呼出的氣體中氧氣含量的差異。教師提供第一張工具單“實驗設計單”（見圖2），啟發各小組的思路，提醒實驗設計的要素，指引、帶領學習的方向。

設計意圖： 從生活情境中感知呼吸的相關問題，在發散性對話中聚焦情境中的化學現象和化學知識，使生活話題轉化為討論主題，進而明確項目任務。

2.2.2 分析情境

[學生]小組討論分析情境，確定呼出氣體的收集裝置和比較其中氧氣含量的操作方法。各小組初步完成實驗方案的設計和書寫后，利用信息技術環境同步在大屏幕上和各小組iPad上呈現各組方案，各小組分享、借鑒與討論。不同小組實驗方案比對后，討論聚焦到兩個方面： 比較氧氣含量的操作方法和實驗步驟表述的可操作性。各小組根據氧氣的物理性質，在利用排水法收集呼出氣體的裝置選擇上一致，而在比較氧氣含量上有兩種方法： 有的小組認為集氣瓶中氧氣的含量與蠟燭燃燒的時間有關，蠟燭燃燒時間越長，說明氧氣含量越多，所以應該以蠟燭在集氣瓶中燃燒的時間來判斷深、淺呼吸呼出氣體中氧氣含量的差異;有的小組認為集氣瓶中氧氣的含量與蠟燭燃燒熄滅后，瓶中液面上升的高度有關，高度越高，說明氧氣含量越多，于是應該用液面到瓶口的距離來比較氧氣含量的差異。在實驗步驟的表述上，有的小組完整詳實、體現細節，如“將集氣瓶倒扣在燃燒著的蠟燭上”，而有的小組無此操作性表述。

[教師]適時地進行全體提醒和參與各小組分析，用提問的方式提醒，如“該實驗中有哪些變量需要控制”、“為確保實驗順利，有哪些關鍵細節”、“其他人閱讀你們書寫的步驟后，能明白如何操作嗎”等引導學生預判實驗項目實踐的全流程和各環節，考量設計細節，形成關于實驗的操作性思維。經過小組學習和教師指引，學生很快明晰了方案優化的方向。

以下是第3組和第4組修正后的方案（見圖3、圖4）。

設計意圖： 學生根據“實驗設計單”和教師的指引，憑借信息技術較快地進行實驗方案的設計、討論和修正、優化。討論觸發認知深入，通過教師提問、追問引導學生深度思考。

2.2.3 探索情境

[學生]各小組分工協作實施實驗，進行現象觀察和數據記錄，小組中一位同學負責錄制實驗過程視頻并上傳到信息化平臺。實驗操作過程與現象如圖5所示，第1組和第2組記錄的數據如圖6、圖7所示。通過推理得出結論： 深呼吸與淺呼吸相比，呼出的氣體中含的氧氣較少，更多的氧氣在深呼吸作用過程中被人體利用。有的小組增加了以空氣作為空白實驗進行對照，發現淺呼吸呼出氣體中氧氣的含量與空氣非常接近，進一步證明淺呼吸對氧氣利用的低效。

學生在探索與推理中常遇到挑戰性問題并想方設法去解決，如雖然已經選用扁平狀蠟燭，但一開始蠟燭放在水面上還是有些搖搖晃晃，后來發現讓其飄一會兒就會“站”穩。再如，為了使數據更有說服力，有的小組連續進行更多次的實驗，如怎樣可以使記錄的時間或高度的數據更精準以減少誤差。學生通過生生、師生討論，認識到數據精準的關鍵前提是集氣瓶的瓶口須與水面接觸，使蠟燭在密閉的集氣瓶這一封閉體系中燃燒。

[教師]教師不間斷地巡視各組，適時地、熱心地駐足停留，就操作的規范性和準確性給予提醒，如排水集氣和點燃蠟燭的操作;就操作的目的性、合理性和有效性等進行交流，如控制變量需要的關鍵細節;就實驗實施的拓展延伸進行全體分享和表揚，如對淺呼吸呼出氣體中的氧氣含量和空氣中的氧氣含量進行比較，充分體現了真實的問題解決。

[數字化設備使用]師生還一起使用氧氣傳感器完成了該實驗任務，發現操作便捷省時、數據迅捷呈現，體現了技術的優勢。當然，傳統實驗也有不可取代的價值，能帶給學生更多的觀察、操作和思考的體驗，是十分有趣和有意義的學習過程。

設計意圖： 按照學習規則進行實驗操作、觀察記錄和證據推理。實驗實施中自然而然生發的問題，正是學生實驗探究中最大的樂趣所在，各小組在“實驗實施單”的引導下思考與討論，進一步理解操作、相關概念與建構思維。

2.2.4 反思情境33C3E851-1953-4749-A790-BDEA3339B2CD

[學生]師生首先在解釋性對話中，就“實驗評價單”的評價指標達成理解、形成共識。然后各小組通過iPad觀看其他小組的實驗視頻，根據“實驗評價單”的指引給出評價（見圖8）。最后在觀看和評價其他小組實驗過程的同時，與本組的項目學習過程、實驗操作進行對照并做回顧反思。如有的小組回顧方案設計過程，反思認為設計方案要流程完整并體現細節;有的小組聚焦控制變量的研究方法，增強了控制實驗條件的意識;有的小組認識到設計與實施實驗，不僅要理論可行還要操作簡便、現象明顯;有的小組還就與項目主題相關的呼吸健康問題、健康呼吸對心理狀態的有益作用等進行了分析和表述。

[教師]小組互評中，師生之間進行平等、富有啟發性的交流，教師提出各種建議，鼓勵學生在評價中學習，使學生感受到科學探究的嚴謹性，體驗到運用化學實驗解決真實問題的成就感。還引導學生將評價的視角拓展到所處的學習環境，感受信息技術的作用與優勢。使用信息技術能簡易迅捷地實現過程記錄和結果分享，使每位學生經歷多次實驗過程，認識到即使實驗失敗了也是有效和充滿意義的，成為共同反思的資源和進步的起點。

設計意圖： 學生從實驗視頻中看到實驗項目式學習的某些關鍵信息并進行分析，促進思考和思維碰撞。評價并不局限于“實驗評價單”上規定的內容，最終應取決于觀看實驗視頻時的發現以及興趣和疑問所在。在評價反思的過程中，學生富有批判性和創造性的思考與解決問題的能力得到了發展。

3 反思與結語

3.1 化學實驗項目式學習的成效與意義

“探究深、淺呼吸呼出氣體中氧氣含量的差異”化學實驗項目立足于日常生活，從人體的呼吸作用切入，主題具有很強的代入感。以設計情境、整合內容，提供工具單、信息化工具等作為支架，學生在真實的問題解決中，通過觀察、操作、討論、記錄、評價等多種方式發現和確定問題，并對疑問進一步追問，運用知識和技能，進行整合和創造。在情境化的實驗探索中，感受科學知識與技能的價值，找到現象背后的邏輯原理和科學方法，增進對化學的理解。在這樣的化學實驗項目式學習中，學生進行實驗的設計與實施、原理的思考與運用，由感知情境中的問題為起點，以化學實驗為載體，整個學習進程融趣味性、知識性、操作性、創造性為一體。特別是開放的、評鑒式的課堂激發了學生的求知欲，學生進行評價的過程，從表及里，從實驗現象到操作方法，學生的思考與討論由淺入深，逐步從實驗探究到聯系生活再到遷移運用。學生多樣化的實驗經歷，突破了生活化認識，并做出科學決策。

不同于一般的化學實驗過程，化學實驗項目式學習的規則營造了這樣的學習文化： 鼓勵學生積極的發問、保持好奇心和進行同伴學習，注重培育學生對知識的主動渴求、選擇和獨立思考的能力。在遇到困難時能與同伴和老師協商，尋求適合自己的支持，增強了自主學習能力和自我管理能力。令人欣喜地看到，參與化學實驗項目式學習后，學生更樂于開口表達和動手操作了，他們的潛質被挖掘了出來。

3.2 化學實驗項目式學習中教師的責任

在“探究深、淺呼吸呼出氣體中氧氣含量的差異”化學實驗項目的設計與實施中，教師重新審視了化學學科與實驗教學，增進了對化學實驗價值、化學核心知識與真實世界間的聯系、信息化融合改變教與學等問題的深刻理解。項目式學習中，教師的責任就是引領學生自主學習，學會思考和自我建構、自我發現。因此，教師不僅僅是比學生提早掌握一切再傳授給他們，也不再是課堂上的知識權威，更不再是單一表述或勤于給出例題、習題的那個人，而是隨時可以伸出援手，給予學生恰到好處、適逢其時的指點或示范，成為見多識廣的教練和探索情境的向導。

化學實驗項目式學習以學生為中心，以來自真實世界的問題和回歸真實世界的實踐激活學生的頭腦、心智和全身，使學生積極地建構意義、展現成果，讓思維不斷攀升，讓素養落地生根。

參考文獻：

[1]黃恭福， 鄒海龍. 學科核心素養視域下的中學化學實驗教學研究綜述[J]. 化學教學， 2020， （2）： 3～9.

[2]學習基礎素養項目組. 素養何以在課堂中生長[M]. 上海： 華東師范大學出版社， 2019： 51～58.

[3]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， 2018： 9.33C3E851-1953-4749-A790-BDEA3339B2CD