基于初中化學項目式教學的實踐與反思*
——以“碳中和”為例

王 勐 吳永才

（1.無錫市胡埭中學 江蘇 無錫 214161；2.無錫市教育科學研究院 江蘇 無錫 214001）

《義務教育化學課程標準（2022年版）》中指出：義務教育化學課程作為一門自然科學課程，具有基礎性和實踐性，對落實立德樹人根本任務、促進學生德智體美勞全面發展具有重要價值。義務教育化學課程有利于激發學生對物質世界的好奇心，形成物質及其變化等基本化學概念，發展科學思維、創新精神與實踐能力，養成科學態度和社會責任，為學生的終身發展奠定基礎［1］。

項目式學習是一種通過探究活動來解答師生在生活中遇到的具有現實意義問題的學習方式。因此，項目式學習能激發學生探索正在發生的事情的好奇心，并參與其中。“碳中和”這一項目式學習，是針對二氧化碳過量排放導致氣候變暖等環境問題所引發的社會性科學議題而設計，屬于化學與環境領域的行動改進類實踐活動，對于學生來講具有重要的現實意義。

“碳中和”項目式學習使學生置身于真實情境中，以三個任務形式引導學生在面對個人生活需要、國家發展、人類發展與低碳要求的兩難問題時，發展科學、技術、工程融合解決實際問題的能力，形成具有國際化視野和構建人類命運共同體的意識，強化社會責任、國家認同和國際理解，促進知、情、意、行的統一。

一、教學主題內容及教學現狀分析

二氧化碳是初中化學的核心物質之一，通過二氧化碳可以將化學知識與工業生產、環境問題等緊密地連結在一起。通過對碳排放、碳吸收、碳循環的分析和二氧化碳相關反應原理的應用，建立從科學原理到低碳行動的思路，再到具體社會生活實踐的認知模型，培養理性、綜合、創新的思維分析和解決環境問題的能力。將綠色化學和可持續發展理念轉化成具體行為和準則。因此，如何將二氧化碳的學習與環境保護、碳達峰、碳中和以及生產生活實際聯系起來，是本節課的教學總目標。

通過化學的學習，期望能使學生對復雜的物質世界及其變化現象形成結構化的理性認識，能夠用多種方法對物質及其變化進行表征，認識物質的變化規律。教學內容以氫能源的開發和利用為主題情境，以保護環境和節約資源以及資源整合為前提，以“灰氫—藍氫—綠氫”發展路徑為主線，以“感知碳排放”“感受碳吸收”“感悟碳中和”三個學習任務為抓手，幫助學生建立環境、資源、能源可持續發展的意識，知道化學應用必須考慮化學過程對自然帶來的各種影響，權衡利弊做出決定。

“碳中和”這一主題在相應教材中雖然沒有具體的章節，但綜合了教材中多個知識內容。對于初三學生而言，對化學學科的認知以及對物質的學習方法還處于初級階段，還未形成一定的學科思想，化學學習方法還有待形成。滬教版的化學教材中含碳元素的物質已經在課本上多個章節出現，學生對這一生活生產中常見的含碳元素的物質有一定的了解，為這節新授課學習奠定了一定的知識基礎。但是對于“碳中和”這節課而言，學生已有的知識體系中有關二氧化碳的知識呈現相對零散，還不成系統，沒有形成結構化，因此這節課的目標之一就是滲透一種學習物質及其轉化的方法，從物質類別和奪氧插氫兩個維度尋找物質間的轉化，最終讓學生了解碳排放、碳吸收，感受碳達峰、碳中和，感悟人與自然、社會的和諧與可持續發展。

二、教學思想與創新點

項目式學習要求以學生為中心，以真實情境為素材，教師設計任務驅動型問題，師生共同進行項目學習，自主合作分析解決問題，最終獲得項目成果。情境素材是教師、學生以及教學活動之間的載體，選擇具有科學性、適切性、真實性的情境素材，能讓學生在情境驅動下體驗化學知識的價值，感悟化學知識蘊含的學科思想和方法。本項目式教學主題是“碳中和”，選取氫能源的開發和利用為主題情境，通過了解灰氫階段的碳排放與藍氫階段的碳捕捉、碳利用和碳封存技術，幫助學生建構以二氧化碳為中心的物質相互轉化關系圖。在教學中通過模擬溫室效應實驗，引導學生從書本走向生活，學會科學探究方法。通過設計對比實驗以及數字化實驗儀器的使用，培養學生證據推理和模型認知能力。通過在情境中不斷設置認知沖突，引導學生演繹、反思、歸納。讓學生在項目式學習過程中自主建構結構化的知識體系，感受化學學科的有用和有趣，從而弘揚學科價值，達到深度學習的目的［2］。

在項目式教學中，需要通過自主構建以項目為主的任務，引導學生尋求任務之間的邏輯關系，逐步形成有序解決問題的思路和方法，有利于培養學生嚴謹的基于實證的科學思維和科學態度。通過三個任務感知、感受、感悟碳中和，促使學生積極參與社會性議題學習與討論，培養學生可持續發展意識以及社會責任感。將真實復雜且具有挑戰性的問題進行拆解，轉化為具象的化學問題，在解決問題的過程中，形成功能化、系統化、結構化的知識架構和體系。

三、教學目標

（1）通過體驗氫能源的開發和利用，了解灰氫階段的碳排放與藍氫階段的碳捕捉、碳利用和碳封存技術，建構以二氧化碳為中心的物質相互轉化關系圖。

（2）通過實驗探究，交流討論，分析評價和反思提升等活動，體會研究化學物質的一般思路和方法，建立認知模型。

（3）通過感知碳排放，感受碳吸收，感悟碳中和，體悟二氧化碳是最主要的溫室氣體和巨大的碳資源，學會辯證地看待化學物質，樹立可持續發展的價值觀。

四、教學流程圖（見圖1）

圖1 教學流程圖

五、教學實錄

【播放視頻】《長征五號B型運載火箭發射》，將學生引入情境。

【交流】觀看感受。

【提問】看完短片，你們想研究什么問題？

【生1】火箭升空所用的燃料是什么？

【追問】你覺得用的是什么燃料呢？

【生1】可能是氫氣。

【介紹】目前我國的火箭推進劑用的燃料主要有：氫氣、肼以及偏二甲肼。肼和偏二甲肼都可以由氫氣和其他物質反應獲得。

【提問】生活中哪些物質可以制取氫氣？水通電分解中的“電”是如何獲得？我國主要發電形式是什么？在發電過程中會產生什么氣體？

【生2】水通電分解產生氫氣。火力發電是我國最主要的發電方式，火力發電會產生大量的二氧化碳等氣體。

【介紹】水除了通電分解產生氫氣外，還能與別的物質發生反應產生氫氣。

【投屏】工業上兩種制備氫氣的方法（水煤氣法和天然氣催化重整法）。

【提問】觀察方法1 和方法2，從化學方程式的角度思考它們有什么共同特點。

【生3】反應條件都是高溫。

【追問】一般工業上獲得高溫都是利用化石燃料的燃燒，那么化石燃料燃燒又會產生什么氣體？

【生3】二氧化碳、二氧化硫等氣體。方法1 和方法2還都是和水發生反應，而且生成物中都有氫氣和二氧化碳。

【介紹】無論是水通電分解制氫還是工業制氫，它們在產生氫氣的過程中都產生了大量的二氧化碳氣體。像這樣利用化石燃料制氫的方法，稱之為灰氫。灰氫的生產制取成本低，但會產生較多的污染。

【主板書】燃料、原料、氫氣、灰氫、二氧化碳。

1.任務一：感知碳排放

【提問】請同學們思考二氧化碳的產生途徑，并在活動單的任務一中寫出產生二氧化碳的化學方程式。

【活動】學生書寫相關化學方程式。

【展示】展示、點評學生書寫的化學方程式。

【副板書】繪制碳酸鈣、碳酸、一氧化碳、碳、甲烷、酒精、葡萄糖等物質與二氧化碳之間的轉化關系圖。

【提問】自然界和日常生活中產生的二氧化碳排放到大氣中會有什么影響？

【回答】產生溫室效應。

【主板書】碳排放。

【演示實驗】對比實驗探究二氧化碳對大氣的影響。利用溫度傳感器測量西林瓶A、B、C 中的溫度變化（見圖2）。用白熾燈做光源，照射一段時間后，記錄西林瓶A、B、C中的溫度，感受其溫度變化。

光源 西林瓶 時間T初/℃ T終/℃ ΔT/℃白熾燈A B C

圖2 模擬溫室效應實驗裝置

【副板書】記錄初始溫度。白熾燈照射一段時間后，分別記錄西林瓶A、B、C中的溫度。

【提問】西林瓶A、B、C 中是否含有二氧化碳？如果有，如何檢驗。

【生1】可以用澄清石灰水來檢驗。

【學生實驗】用裝有澄清石灰水的注射器，檢驗西林瓶中是否含有二氧化碳。并請同學描述實驗現象。

【生2】A中的澄清石灰水變渾濁，B中的澄清石灰水也變渾濁，C中無明顯現象。

【追問】得到什么結論？

【生2】西林瓶A和B中含有二氧化碳，C中不含二氧化碳。

【投屏】關注西林瓶A、B、C 中的溫度變化。思考得到什么結論？

【生3】三只西林瓶中的溫度都升高。其中A升溫最明顯，其次是B，最后是C，溫差△TA＞△TB＞△TC。

【提問】由剛才的實驗可知A 和B 中都含有二氧化碳，為什么溫差是A大于B？可能的原因是什么？

【生4】與西林瓶中二氧化碳的含量有關。

【學生實驗】利用二氧化碳檢測管測定西林瓶中二氧化碳的含量（見圖3）。

圖3 利用CO2檢測管測定西林瓶中二氧化碳的含量

【提問】大家測出西林瓶中二氧化碳的濃度分別是多少？

【生5】A管中的濃度大約是64%，B管中濃度大約是16%。

【追問】為什么西林瓶A和B中的溫差不一樣呢？

【生5】因為二氧化碳的濃度不一樣。二氧化碳含量越多，溫度上升幅度就越大，其溫差就越大。

【肯定】分析得很好。鏈接教材，二氧化碳是最主要的溫室氣體。

2.任務二：感受碳吸收

【提問】二氧化碳的產生途徑有很多，二氧化碳的吸收又有哪些途徑呢？

【主板書】碳吸收。

【生1】植物的光合作用吸收二氧化碳。

【生2】二氧化碳還可以和水反應生成碳酸。

【生3】還可以用澄清石灰水吸收二氧化碳。

【副板書】完善二氧化碳和相關物質的轉化關系圖。

【提問】吸收二氧化碳的方法有很多，可以吸收二氧化碳的物質也不少。實驗桌上有三瓶吸收劑X、Y和Z，同時還有三瓶二氧化碳氣體。請同學們設計實驗探究兩個問題：①三種吸收劑能否吸收二氧化碳？②它們的吸收效果如何？大家先思考，再實驗。

【生4】將三瓶吸收劑分別注入塑料瓶中，觀察塑料瓶變癟的情況。

【學生實驗】將三瓶吸收劑全部注入裝有二氧化碳的塑料瓶中，旋緊瓶蓋后振蕩。實驗結束后，描述實驗現象。

【生5】加入三種吸收劑的塑料瓶都有不同程度的變癟，而且加入吸收劑Y和Z的塑料瓶癟得比較厲害。

【追問】這三種吸收劑能否吸收二氧化碳？

【生5】可以，且吸收劑Y和Z的吸收效果較好，吸收劑X的吸收效果最差。

【師生實驗】剛剛通過定性實驗，探究了三種吸收劑對二氧化碳的吸收效果。我們還可以通過定量實驗或者用數字化儀器來探究Y和Z這兩種吸收劑的吸收效果。這是一套氣體壓強傳感器，它可以測定密閉容器中氣體壓強的變化。兩個錐形瓶收集滿二氧化碳氣體，兩支注射器中注入了等體積的吸收劑Y 和Z（見圖4）。

圖4 壓強傳感器測量容器內氣體壓強變化

同時注入吸收劑Y和Z，振蕩錐形瓶，觀察圖像變化。橫坐標是反應時間，縱坐標是錐形瓶內氣體壓強（見圖5）。

圖5 吸收劑Y、Z對二氧化碳的吸收效果

【提問】曲線Ⅰ代表吸收劑Y，曲線Ⅱ代表吸收劑Z。比較吸收劑Y和Z，哪一個吸收效果好？

【生6】Y的吸收效果較好。因為相同時間內吸收劑Y 的壓強變化要比Z 大，說明等體積吸收劑Y 吸收二氧化碳的質量要比吸收劑Z吸收的多。

【肯定】分析得很好。三瓶吸收劑X、Y、Z中，吸收劑X是水，那么水能不能吸收二氧化碳呢？

【展示】海洋的圖片。

【提問】水當然可以吸收二氧化碳，海洋在默默地吸收著大氣中的二氧化碳。那么對于Y和Z這兩種吸收劑，比較兩者價格，你會選擇哪一種吸收劑來吸收二氧化碳？

【展示】吸收劑Y和Z的價格。

【生7】我會選擇Z，雖然Z 的吸收效果沒有Y 好，但是Z 的單價便宜，作為工業吸收劑而言，節約成本是考慮因素之一。

【生8】我會選擇Y，雖然價格高一些，但是它的吸收效果更好。

【肯定】大家說得都很好。吸收劑Y 是飽和的氫氧化鈉溶液，吸收劑Z 是飽和的碳酸鉀溶液。工業上，這兩者都可以作為吸收劑來吸收二氧化碳。

【激疑】在實際生產中選擇哪一種吸收劑，是要進行綜合考量的。如果你來選擇工業吸收劑，你會考慮哪些因素？

【生9】首先要考慮價格，然后就是吸收二氧化碳的能力。

【生10】還要考慮它的效益、安全、環保等。

【講述】大家說得非常全面。目前，碳吸收是藍氫階段人們關注比較多的地方，碳吸收還包括碳捕捉、碳封存，還有碳利用［3］。如何進行碳利用呢？

【主板書】藍氫。

【鏈接科技】碳利用的途徑一是以二氧化碳為原料制取炭黑（見圖6）。請同學們在學習活動單任務二中寫出反應2的化學方程式并注意反應條件。

圖6 以CO2為原料制取炭黑的工藝流程示意圖

【學生活動】書寫相關化學方程式。

【講述】根據化學方程式可知，二氧化碳最終失去了氧變成了碳。二氧化碳中的氧實際是被氧化亞鐵奪走生成了四氧化三鐵，這個過程稱之為奪氧。再看途徑二，二氧化碳和氫氣反應會生成什么？請大家在任務單中寫出化學方程式。

【學生活動】書寫相關化學方程式。

【講述】生成物是一氧化碳和水，很好。那么對于氫氣而言是奪氧還是失氧？

【生1】氫氣是奪氧，生成了水。同時二氧化碳失氧變成了一氧化碳。

【提問】二氧化碳和氫氣反應還可以生成甲烷和水。大家觀察，哪種物質奪氧，哪種物質得氫或者叫插氫。

【生2】對于氫氣而言，它是奪氧。

【生3】二氧化碳失去了氧，奪到了氫，二氧化碳是插氫。

【歸納】上述這個過程稱之為奪氧插氫。人們可以利用奪氧或插氫的方式將二氧化碳和氫氣合成人類所需要的各種物質比如淀粉等。

【播放視頻】人工合成淀粉視頻。

【提問】大家注意二氧化碳和氫氣的三個反應，反應物一樣但生成物不同，這是為什么？

【生4】反應條件不同。

【總結】我們知道，化學反應都是在一定的條件下進行的，因此反應條件是化學反應的靈魂。二氧化碳是巨大的碳資源，二氧化碳和氫氣一樣都是重要的原料。目前二氧化碳和氫氣的資源化整合與利用，已廣泛受到全世界各個國家的高度關注。

3.任務三：感悟碳中和

【展示】世界和中國的二氧化碳排放曲線圖（見圖7）。思考為什么2020年世界二氧化碳排放量較2019年有所降低。

圖7 世界和中國CO2的排放曲線圖

【生1】2019年底到2020年初，全球經歷了新冠疫情，人類生產經濟活動在減少，所以全球二氧化碳排放量降低。

【提問】關注中國1980 年到2020 年碳排放量（見圖8），思考國家的碳排放量與GDP 增長的關系，預測2021 年以后中國二氧化碳的排放趨勢會是怎樣？

圖8 1984—2020年中國碳排放量與GDP值增長關系曲線

【生2】可能會趨于平緩。那說明人們越來越關注二氧化碳的排放和吸收。

【生3】還有可能會上升，但是上升到一定的高度會下降。

【追問】你覺得到哪一年我國的二氧化碳量排放量會達到最高點？

【生3】可能到2060年。

【生4】還有可能是2035年。

【講述】習主席在2020 年9 月全世界聯合國大會上提出，我們國家要在2030 年達到碳達峰。碳達峰之后，二氧化碳的排放量要逐漸下降，當二氧化碳的排放量和二氧化碳的吸收量相當的時候，就稱之為碳中和。

【主板書】碳中和。

【提問】如何實現碳中和？由水制得氫氣的過程中如何減少碳排放？

【生5】可以改變水分解的反應條件，改變發電方式，用太陽能發電、光伏發電、水力發電、生物質能等，以此減少二氧化碳的排放。

【評價】綠氫是實現碳中和的一種做法，選擇綠色發電方式，減少碳排放，就是人們期待碳達峰后進入的綠氫時代，氫氣是實現碳中和的最佳能源載體［4］。

【主板書】綠氫。

【總結提升】今天，我們學習了二氧化碳和含碳物質之間的相互轉化。知道物質之間的轉化是需要一定的條件，只要我們找到合適的反應條件，很多物質之間可以發生相互轉化。為什么要學習化學？學習化學就是要讓我們人類與自然、與社會和諧可持續的發展，讓生活更美滿，讓生命更美好。

［板書設計］見圖9和圖10。

圖9 主板書

圖10 副板書

六、教學反思

1.建模：由點到面 內容結構化

化學學習內容的選擇、組織以及呈現，應該是有利于學生將一個個孤立且零散的知識點連結成知識網、形成知識面，充分發掘知識點的內在聯系。本節課引導學生用研究物質的一般方法（研究物質的組成、結構、性質、轉化及應用）和一般步驟去研究氫氣和二氧化碳，讓兩者建立起內在聯系。從項目化的角度來看，從氫能源的開發和利用，到碳達峰、碳中和，建立氫氣和二氧化碳之間的聯系，實現氫氣和二氧化碳的資源重整。通過結構化的板書設計，建立起知識之間的內在聯系。

2.循證：由淺到深 思維深度化

問題是思維深入的動力之源。通過創設富含化學味的生活情境，引發學生高質量地發問、讓教學基于問題展開，聯系課堂教學實際問題，解決真實情境中的問題。以碳中和為目標，把氫氣和二氧化碳有關問題進行有機整合。本節課把碳排放、碳吸收、碳中和設計為核心問題，由核心問題設計引導性問題、過渡性問題、反思性問題，促使學生追問、反思、深學、拓學。通過開展多樣化的學生活動，以實驗類、交流類、調查類三類學生活動為主，由淺入深，引導學生思維逐步走向深度化。

3.明理：由小到大 觀念顯性化

學科價值是知識的基礎。學生學習了氫氣、二氧化碳相關知識后，能感受到化學是一門真實有效的科學。學好化學有利于實現碳中和的目標和理想，從而實現學好化學促進人與自然、人與社會的可持續發展。引導學生以小見大，將內隱的觀念外顯，幫助學生理解化學是什么、為什么學化學、如何學化學，引導學生對化學的美好向往，形成對化學學科的深度理解。

七、教學展望

在核心素養導向的新課標、新教材、新教學的課程改革背景下，項目式學習具有廣闊的應用前景和實踐需求［5］。項目式學習著重以科學探究和實驗活動展開教學和學習，能夠有效促進學生化學觀念的建構和發展。通過引導學生記錄宏觀現象，分析微觀本質，啟迪學生從宏觀和微觀相結合的視角分析化學事實，培養學生的變化觀和微粒觀。在項目式學習中重視化學核心素養的培養，引導學生形成化學探究思維。學生和教師使用學習技術來進行研究，創作實物作品或者其他作品，并在必要時通過合作獲取信息。學生通過創作的作品體現他們對驅動性問題的新的理解和回應。學生還需要對數據和資料進行分析解釋，并利用證據和推理來支撐他們的觀點和結論。因此，項目式學習與其他形式的科學教學不同，項目式學習是把科學學習定位為：學生“做”科學，以做中學的方式去尋找他們認為有意義的問題的解決方案［6］。在項目式學習中，師生們參與度高，他們在探究與日常生活相關的問題時也呈現出較強的自主性和創造性，教師教學方式的改變、學生學習方式的變化均有利于學生的繼續學習，使得化學素養持續發展。