基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的中學(xué)化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”實(shí)驗(yàn)為例

曹 旭 翟宏菊 李珊珊 蘇 建 張金玲 王 鵬 孫德武

吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 吉林四平 136000

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》中指出真實(shí)情境是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要平臺(tái)。在新課程改革的背景下，為了使學(xué)生更適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，教師在考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況時(shí)，不僅要注重學(xué)生的文化水平，更要注重學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展情況。化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為高中化學(xué)教學(xué)中與真實(shí)情境銜接最為緊密的部分，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑，但是在傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生往往只是在教師的安排下機(jī)械地操作實(shí)驗(yàn)，沒有將實(shí)驗(yàn)活動(dòng)與真實(shí)情境相關(guān)聯(lián)，不能達(dá)到發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)效果。項(xiàng)目式教學(xué)即基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)(ProjectBased-Learning)，簡(jiǎn)稱PBL，是一種學(xué)生自主探究解決實(shí)際問題的教學(xué)方式，與傳統(tǒng)教學(xué)相比，項(xiàng)目式教學(xué)是學(xué)生面對(duì)真實(shí)問題展開的探究過程。在項(xiàng)目式教學(xué)過程中，學(xué)生在項(xiàng)目任務(wù)的引領(lǐng)下主動(dòng)參與項(xiàng)目活動(dòng)，自主開展合作探究活動(dòng)，從而達(dá)成對(duì)真實(shí)情境中的問題解決。

以“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，通過項(xiàng)目式教學(xué)方式，學(xué)生學(xué)會(huì)制作簡(jiǎn)單的燃料電池，并探討如何在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中開展項(xiàng)目式教學(xué)。

一、項(xiàng)目式教學(xué)的設(shè)計(jì)原則

(一)時(shí)代性原則

項(xiàng)目式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)需要體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，緊跟新時(shí)代與教學(xué)內(nèi)容的步伐。化學(xué)學(xué)科從發(fā)展有一定的時(shí)間規(guī)律，以“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”項(xiàng)目為例，世界正面臨能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)，氫燃料電池因其能量高、污染少而受到追捧，項(xiàng)目式教學(xué)的設(shè)計(jì)需要賦予化學(xué)發(fā)展時(shí)代烙印選擇新聞熱點(diǎn)，使學(xué)生從新時(shí)代的角度審視化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

(二)真實(shí)性原則

項(xiàng)目式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)必須與生產(chǎn)生活有緊密的聯(lián)系。例如，在“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”項(xiàng)目中，燃料電池的應(yīng)用背景是學(xué)生可以感知的真實(shí)情境，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的情境，講述真實(shí)故事，拋出真實(shí)問題。

(三)可接受性原則

項(xiàng)目式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)必須考慮學(xué)生的可接受性，適合學(xué)生的發(fā)展水平，滿足學(xué)生的認(rèn)知需要。例如，在“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”項(xiàng)目中，可以以簡(jiǎn)單的音樂卡機(jī)芯作為燃料電池供電的工具，而不是為了一味地追求專業(yè)性而選擇較為復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)備。

二、項(xiàng)目?jī)?nèi)容主題分析

(一)教學(xué)分析

本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基于高中化學(xué)人教版選擇性必修1實(shí)驗(yàn)活動(dòng)5“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”。該實(shí)驗(yàn)涉及氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、電化學(xué)等內(nèi)容，概念較為繁多，學(xué)生對(duì)繁多的概念容易產(chǎn)生混淆。但是其中的電化學(xué)及其產(chǎn)品與生產(chǎn)和生活實(shí)踐聯(lián)系緊密，如能源、材料等領(lǐng)域都離不開電化學(xué)，這為項(xiàng)目式教學(xué)的開展提供了真實(shí)的生活生產(chǎn)情境素材。通過“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”的媒介，將“復(fù)習(xí)”“設(shè)計(jì)”和“制作”連接起來，用分任務(wù)的形式，環(huán)環(huán)相扣地引導(dǎo)學(xué)生以小組模式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)驗(yàn)、反思實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生將實(shí)踐與應(yīng)用相結(jié)合，系統(tǒng)化學(xué)生的所學(xué)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

(二)學(xué)情分析

首先，學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)之前，在高中化學(xué)選擇性必修1第四章“化學(xué)反應(yīng)與電能”中學(xué)習(xí)了原電池的反應(yīng)原理及一些簡(jiǎn)單的化學(xué)電池的工作原理；其次，學(xué)生在“科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)”資料卡片中展示的“發(fā)展中的燃料電池”了解燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，在自己動(dòng)手制作燃料電池之前有充分的關(guān)于燃料電池知識(shí)儲(chǔ)備，但是學(xué)生尚不能將認(rèn)識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。因此，學(xué)生需要在項(xiàng)目式教學(xué)下設(shè)計(jì)和制作一個(gè)氫氧燃料電池，進(jìn)而更好地形成“氧化還原與電化學(xué)”的知識(shí)體系，發(fā)展自身的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

(三)項(xiàng)目目標(biāo)

在高中化學(xué)課堂中開展項(xiàng)目式教學(xué)應(yīng)以化學(xué)核心素養(yǎng)為起點(diǎn)來確定項(xiàng)目目標(biāo)。本次采用項(xiàng)目式教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生完成制作簡(jiǎn)單的燃料電池實(shí)驗(yàn)，主要培養(yǎng)學(xué)生以下核心素養(yǎng)：

(1)宏觀辨識(shí)與微觀辨析：能從宏觀和微觀相結(jié)合的角度分析和解決氫氧燃料電池的制作問題。

(2)證據(jù)推理和模型認(rèn)知：了解原電池及常見的化學(xué)電源的工作與原理，建立氫氧燃料電池的模型。學(xué)會(huì)從資料中篩選內(nèi)容，推理并選擇制作氫氧燃料電池的實(shí)驗(yàn)用品。

(3)科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)：從現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)出發(fā)，探究制作氫氧燃料電池過程中化學(xué)反應(yīng)原理和實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)和制作一個(gè)氫氧燃料電池。

(4)科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任：通過認(rèn)識(shí)到氫氧燃料電池對(duì)于生產(chǎn)生活的重要性，認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能互相轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用。

三、項(xiàng)目流程設(shè)計(jì)

燃料電池在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)項(xiàng)目流程時(shí)，要將本課的教學(xué)內(nèi)容與生活實(shí)際相聯(lián)系，并且在設(shè)計(jì)項(xiàng)目流程時(shí)，還應(yīng)該根據(jù)課堂條件、學(xué)生的實(shí)際水平等進(jìn)行調(diào)整，確保每個(gè)項(xiàng)目任務(wù)都能有效完成。“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”項(xiàng)目式教學(xué)流程見表1。

表1 “制作簡(jiǎn)單的燃料電池”項(xiàng)目式教學(xué)流程

四、項(xiàng)目式教學(xué)的實(shí)施

(一)課前預(yù)習(xí)

學(xué)生在課前通過教科書和網(wǎng)絡(luò)資源，了解燃料電池的工作原理及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

本階段學(xué)生可以使用的材料：

(1)人教版高中化學(xué)必修2、選擇性必修1。

(2)網(wǎng)絡(luò)視頻《科創(chuàng)中國(guó)——?dú)淙剂想姵亍贰稓淙剂想姶旁砑扒熬啊返取?/p>

(3)中國(guó)知網(wǎng)、百度搜索引擎查詢?nèi)剂想姵氐馁Y料。

(二)情境引入

相比傳統(tǒng)的化石能源，氫能源具有可再生、低污染的特點(diǎn)，解決了國(guó)家能源安全問題和環(huán)境問題。利用氫能源可以制作燃料電池，在2022年北京東奧會(huì)中交通工具使用的就是由氫能源提供能量的氫氧燃料電池。這節(jié)課就由大家動(dòng)手制作簡(jiǎn)單的氫氧燃料電池，為音樂卡機(jī)芯提供電力。

(三)分組學(xué)習(xí)，拆解實(shí)驗(yàn)任務(wù)

[教師]將學(xué)生分為兩人一組的小組，布置總?cè)蝿?wù)：制作簡(jiǎn)單的燃料電池，引導(dǎo)學(xué)生拆解實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

[學(xué)生]依據(jù)課堂引入理解本次實(shí)驗(yàn)的總?cè)蝿?wù)，并在教師的引導(dǎo)下拆解學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)型問題：燃料電池的工作原理是什么？如何制作燃料電池？

(四)合作學(xué)習(xí)，完成項(xiàng)目任務(wù)

[任務(wù)一]溫習(xí)“氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)”學(xué)習(xí)內(nèi)容。

[教師]提出思考問題1：為什么要在制作氫氧燃料電池之前電解水呢？電解水時(shí)有什么安全事項(xiàng)需要注意？

[學(xué)生]電解水生成氫氧燃料電池需要的氫氣。為了實(shí)驗(yàn)安全，收集氫氣時(shí)需要先驗(yàn)純，要求氫氣純凈。

[教師]提出思考問題2：氫氧燃料電池的工作原理和電解水的原理的異同之處在哪里？

[學(xué)生]歸納總結(jié)電解水和氫氧燃料電池過程中的工作原理，列表比較，并選擇小組內(nèi)一人匯報(bào)。

[任務(wù)二]設(shè)計(jì)出與音樂卡機(jī)芯相連的氫氧燃料電池。

[教師]提出思考問題3：如何實(shí)現(xiàn)只用一個(gè)裝置就完成電解水以及氫能源的供電實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

[學(xué)生]用單刀雙擲開關(guān)切換回路或者設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)的電路，利用開關(guān)控制。

[教師]在開始實(shí)驗(yàn)之前播放制作氫氧燃料電池的微課視頻，并演示實(shí)驗(yàn)。

[學(xué)生]通過教材、演示視頻和教師的演示過程探究氫氧燃料電池制作方法，列出制作氫氧燃料電池需要的實(shí)驗(yàn)器材以及實(shí)驗(yàn)步驟，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果。設(shè)計(jì)結(jié)束后，由小組內(nèi)的另一人匯報(bào)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)步驟，同時(shí)選取實(shí)驗(yàn)用品和儀器。

[教師]檢驗(yàn)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過程及選取的實(shí)驗(yàn)儀器，合格后為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)儀器和藥品。

[任務(wù)三]制作一個(gè)與音樂卡機(jī)芯相接的氫氧燃料電池。

[學(xué)生]通過小組活動(dòng)完成氫氧燃料電池的制作，電解水兩分鐘后連接音樂卡機(jī)芯進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。

[教師]檢視每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)操作情況，并給予有效的反饋。

[任務(wù)四]了解燃料電池技術(shù)的發(fā)明過程，展望燃料電池的發(fā)展方向。

[學(xué)生]搜尋與燃料電池技術(shù)發(fā)明過程有關(guān)資料，并根據(jù)自己的理解展望燃料電池的發(fā)展方向，整理成文檔或PPT。

(五)多元化評(píng)價(jià)

[學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)]學(xué)生之間、小組內(nèi)根據(jù)對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)的貢獻(xiàn)度、參與度等多個(gè)方面互評(píng)，并通過及時(shí)完成作業(yè)的形式對(duì)自己的掌握程度進(jìn)行自評(píng)，同時(shí)教師綜合課堂表現(xiàn)和作業(yè)完成情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”項(xiàng)目式教學(xué)評(píng)價(jià)表見表2。

表2 “制作簡(jiǎn)單的燃料電池”項(xiàng)目式教學(xué)評(píng)價(jià)表

五、教學(xué)反思

利用所學(xué)知識(shí)制作簡(jiǎn)單的燃料電池，是學(xué)生在學(xué)完氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)的基本概念和規(guī)律后，運(yùn)用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)進(jìn)行復(fù)習(xí)教學(xué)的嘗試。學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”,圍繞燃料電池的基本原理、基本制作方式等對(duì)任務(wù)進(jìn)行拆解，通過小組討論、代表發(fā)言，互相補(bǔ)充制訂方案，完成了簡(jiǎn)單的燃料電池的制作。從教學(xué)過程中看，項(xiàng)目式教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力，發(fā)展了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，與此同時(shí)，通過拓展延伸，學(xué)生在解決問題時(shí)懂得化學(xué)在生產(chǎn)生活中的價(jià)值。從整體上看，項(xiàng)目式教學(xué)對(duì)教師的自身綜合能力要求較高，因此需要教師在了解項(xiàng)目式教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加自身的知識(shí)儲(chǔ)備，從多個(gè)角度進(jìn)行項(xiàng)目目標(biāo)的分析、項(xiàng)目任務(wù)的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目流程的安排，以及項(xiàng)目評(píng)價(jià)的實(shí)施，這樣才可以設(shè)計(jì)出符合學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的項(xiàng)目教學(xué)案例，完成項(xiàng)目式教學(xué)的實(shí)施。學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)并非一朝一夕可以培養(yǎng)的，需要教師在教學(xué)中逐漸滲透，為此教師可以采用項(xiàng)目式教學(xué)的方式在真實(shí)情境中開展高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。