化學學科核心素養在項目式教學法中的落實
——以“鐵與水蒸氣反應裝置設計”為例

陳 渝

(云南師范大學，云南 昆明 650500)

1 相關背景

項目式學習(Project-Based Learning，簡稱PBL)，源于美國教育家杜威所提出的“從做中學”的教育理念，后來逐漸發展演變為“項目學習”教學法[1-2]。項目教學法就是在老師的指導下，將一個相對獨立的項目交由學生自己處理，信息的收集、方案的設計、項目實施及最終評價都由學生自己負責，學生通過該項目的進行，了解并把握整個過程及每一個環節中的基本要求。“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”。具體表現在：目標指向的多重性，培訓周期短、見效快、可控性好、注重理論與實踐相結合。項目教學法是師生共同完成項目，共同取得進步的教學方法。《普通高中化學課程標準(2017年版)》提出化學教學要立足于學生適應現代生活和未來發展的社會生活實際，倡導創設真實問題情境，開展以化學實驗為主的多種探究活動，培養學生的創新精神和解決真實問題能力[3]。因此，中學化學教材中的知識越來越貼近生產、生活實際，項目式教學是未來教學的必然趨勢。

高中化學課程標準中提出，化學學科核心素養包括宏觀辨析與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、實驗探究與創新意識、科學精神與社會責任等五個方面。因此，我們在培養學生的學科核心素養時，應基于學科特質與學科任務，以培養學生核心素養為目標展開教學活動[4]。教師在中學化學教學設計中應該為學生提供完整的化學學科背景并引導學生用學科的知識視角解決社會中的真實問題，以達到對學生的化學核心素養的培養目的。

2 化學學科核心素養下的項目式教學流程設計

2.1 教材分析和學情分析

在必修一第三章金屬及其化合物中，鐵與水蒸氣的反應出現在科學探究中，體現了新課標的精神。課本要求學生設計一套簡單的實驗裝置，使還原鐵粉與水蒸氣反應,以此為依據設計這節課。實驗是化學的基礎,反應實驗裝置的設計是學生應逐步培養的能力。本節課是培養學生實驗設計能力的一個很好的平臺，由于是高中第一節實驗探究課，需要結合學生在初中學習到的一些實驗裝置的知識，把已經學過的零散的知識進行整合，進一步提升學生的實驗能力。

學生在初中已經見過一些實驗裝置，如一氧化碳還原氧化鐵、氫氣還原氧化銅及O2、H2、CO2的實驗室制取法的簡單實驗，具備了完成化學實驗的基本思路和方法，具備設計簡單實驗的能力。這些知識都是本節課探究性學習的前提和基礎。在教學過程中，以學生為主體，使學生成為知識的積極構建者，主要采用讓學生設計實驗的方式，注重學生的能力發展。

2.2 教學目標

①通過鐵與水蒸氣反應的原理，初步形成基于物質類別、元素價態和原子結構對物質性質進行預測和檢驗的認識模型。培養宏觀辨析與微觀探析、變化觀念與平衡思想的核心素養。②通過查找、閱讀資料，設計出簡單可行的鐵與水蒸氣的實驗裝置，完成實驗操作，觀察物質及其變化現象，發現和提出需要進一步研究的問題。發展學生良好的解決問題的思維習慣。培養證據推理與模型認知、實驗探究與創新意識的核心素養。③通過讓學生體會到設計并完成實驗的成就感，增加學生學習化學的興趣，感受化學對生活的重要性。培養科學精神與社會責任的核心素養。

2.3 評價目標

①通過對鐵與水蒸氣反應的物質轉化關系的討論與點評，診斷并發展學生對物質及其轉化思路的認識水平(孤立水平、系統水平)。 ②通過學生對鐵與水蒸氣反應裝置設計方案的交流與點評，發展學生物質性質的實驗探究設計水平(孤立水平、系統水平)以及診斷并發展學生實際解決問題的能力水平(孤立水平、系統水平)。③通過學生對實驗設計方案存在的優缺點的討論與點評，診斷并發展學生對化學價值的認識水平(學科價值視角、社會價值視角、學科和社會價值視角)。

2.4 教學與評價思路

教學與評價思路詳見圖1。

圖1 教學與評價思路示意圖

2.5 項目任務及設計流程

本節課用項目式教學的方式，在化學學科核心素養的教學目標指導下結合項目主題“鐵與水蒸氣反應實驗裝置設計”提出驅動性的問題：鐵與水蒸氣反應原理是什么？走訪附近工廠以及網上查閱資料，并結合問題將項目拆分成三個子項目：①水蒸氣的發生裝置；②水蒸氣與鐵粉的反應裝置；③氣體的檢驗或收集裝置。同時，查閱資料和工廠咨詢四氧化三鐵的工業制法，了解實驗室制取四氧化三鐵與工業制取的不同，從而了解實驗室中的實驗裝置選擇特點。在項目一(水蒸氣的發生裝置探究)中學生進行小組合作，根據反應原理選擇適合的儀器組裝出水蒸氣的發生裝置，并思考是否符合實驗裝置的選擇特點，進行裝置的改進。同時進行小組互評、互相學習、共同進步。在項目二(水蒸氣與鐵粉的反應裝置探究)中學生查閱相關資料，討論、交流、分析得出與本實驗反應原理相似的初中化學實驗。例如，一氧化碳高溫還原氧化鐵的實驗，氫氣還原氧化銅的實驗等。參考以上實驗裝置，通過不斷修改得出本實驗的反應裝置。在項目三(氣體的檢驗或收集裝置)中通過對初中化學中氣體的收集與檢驗的相關實驗資料的查閱結合本實驗原理，設計出本實驗氣體部分的檢驗或收集裝置。最后進行項目總結及成果展示，各小組展示設計成果，其他小組通過思考與討論，點評實驗裝置的優缺點，總結出最佳的實驗裝置設計方案。教師在過程中對創設情境、資料支持、實驗支持、方法指導、進度監控，以及組織交流、評價、總結活動。項目學習流程見圖2。

圖2 項目學習流程

2.6 項目實施過程

【問題情境】鐵和水蒸氣反應的實驗難度非常大，長期以來很多人做不出這個實驗。原因是這個實驗用時長，成功率低，不安全。希望學生能解決這個難題，設計出安全性強、易于操作、成功率高的實驗裝置。

【設計意圖】通過了解鐵與水反應實驗難度大的現狀，激發學生的學習動機，調度學生的積極性，提高本堂課的參與度。

【生活聯系實際】以小組為單位網上查閱或走訪工廠進行咨詢，建立實驗裝置分步設計的認識模型。同時根據本實驗反應原理將項目拆分為三個子項目：1)水蒸氣的發生裝置；2)水蒸氣與鐵粉的反應裝置；3)氣體的檢驗或收集裝置。教師與學生共同總結出實驗反應裝置的選擇特點：節省原料；安全性強；裝置簡單；操作方便。

【設計意圖】通過鐵與水蒸氣反應的原理，初步形成基于物質類別、元素價態和原子結構對物質性質進行預測的認識模型。將實驗裝置設計拆分為三個子項目，有利于降低實驗設計的難度，以便于實驗探究活動的順利進行。同時學生通過查閱資料等方式自學、探索、發現來獲得知識。學生是學習的主導者，使學生以極大的熱情投入到整個學習過程中，提高學習效率，養成良好的學習習慣和解決問題的思維習慣。

【科學探究】結合本實驗的反應原理，以小組為單位分別進行三個子項目的實驗裝置設計，并采取小組互評的方式，進行優缺點評價以及提出改進建議。(如表1實驗裝置設計匯總)

表1 實驗裝置設計匯總

【設計意圖】充分發揮學生的主動性，以體現自主探究、合作交流的學習過程，讓學生體會到設計并完成實驗的成就感，增加學生學習化學的興趣，感受化學對生活的重要性，培養科學精神與社會責任的核心素養。同時，采用成果展示和小組點評結合的方式，鼓勵學生積極思考、積極發言，表達自己的想法，并在互相交流、互相學習的基礎上構建自身對實驗裝置設計的認識模型。培養能夠適應終生發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。

【最終成果】綜合學生的設計與評價以及教師的評價與建議最終設計出如下實驗裝置，并借助多媒體播放演示實驗視頻。

【實驗過程】點燃酒精燈，使大試管均勻受熱，然后定點在靠近濕棉花附近的鐵粉加熱，觀察到鐵粉逐漸紅熱，蒸發皿內的肥皂液液面產生氣泡并不斷擴大，伸入一根點燃的木條置于肥皂泡上方，觀察到氣泡破裂、氣體燃燒、發出輕微爆鳴聲。鐵與水蒸氣在加熱的條件下發生反應，生成氫氣和四氧化三鐵。(如圖3鐵粉與水蒸氣反應實驗裝置設計)

圖3 鐵粉與水蒸氣反應實驗裝置設計

[教師]實驗裝置(圖3)是否還存在缺點？還可以怎么改進？

[學生]濕棉花含水量有限，若較長時間加熱，水被蒸干后棉花易燒焦影響實驗，還可以替換為其他吸水性強且不易燒焦的材料。

[教師]布置作業：請同學課后查閱相關文獻資料，了解本實驗裝置的缺點及改進意見，互相交流討論。

【設計意圖】培養學生崇尚科學真理，不迷信書本和權威的科學探究與創新精神。同時培養問題意識，運用所學知識分析和探討實驗設計的不足之處并提出改進意見，解決實際問題

3 總結與展望

本研究基于化學學科核心素養在項目式教學法中的落實，特別關注學生在項目式教學中培養化學學科核心素養，以學科化學核心素養的角度去培養學生信息的收集、合作交流、方案的設計、項目實施及最終評價的分析解決問題的能力。

本課例以鐵與水蒸氣反應的實驗裝置探究為素材，建立了實驗反應裝置的選擇特點為節省原料，安全性強，裝置簡單，操作方便的思維模型。教學流程設計既注重發揮學生的主體性地位，同時又注重教師的引導作用，達到教學相長，教師更好地教、學生更好地學的互相促進作用。在設計實驗裝置的過程，注重學生運用知識遷移的方式將以往所學實驗裝置設計思路遷移到本實驗裝置的設計中，有利于培養學生知識互相融合解決實際問題的能力和化學視角解決實際問題的素養。在設計實驗過程中注重小組交流，培養學生團結協作，共同解決實際問題的能力，以達到培養能夠適應社會發展需要的必備品格和關鍵能力的素養為本的教學目標。

高中化學新課程的基本理念中提到：“通過以化學實驗為主的多種探究活動使學生體驗科學探究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究意識，促進學習方式的轉變，培養學生的創新精神和實踐能力”。科學探究的目的是讓學生在獲得結論的同時，體驗科學探究的過程，了解科學探究的方法，所以本實驗用科學探究的方式進行有一定的必要性。但本實驗難度非常大，對于剛進入高中的學生來設計這個實驗難度更大，所以本文將這個科學探究利用項目教學法拆分成三個較為簡單的子項目，從而防止學生對化學實驗產生畏難情緒，降低學習化學熱情的可能性的產生。項目式教學法強調在解決問題中發展出技能和能力，同時注重將項目拆分成多個子項目的方式教學，化學學科的核心素養是學生必備的科學素養，高中化學的學習應倡導創設真實問題情境，開展項目式教學的探究活動，培養學生的創新精神和解決真實問題能力。因此在教學過程中，教師應注重開發化學學科核心素養為本的項目式教學設計，積極探索在中學化學知識中落實核心素養的有效途徑。