基于“科學探究與實踐”素養培育的項目式教學設計

【摘要】項目式學習作為改變學生學習方式、促進深度學習、實現育人方式轉變的有效方式備受關注。文章通過分析新課程標準對科學探究與實踐核心素養的內涵及教學策略，以項目式學習“探索燃燒的奧秘——物質的變化”為案例，提出從領會素養目標內涵突顯核心素養培育、合理選擇學習內容關注認知思維的邏輯結構、合理設計實驗探究活動發展科學探究的視角下開展項目式教學，落實科學探究與實踐核心素養的有效教學策略。

【關鍵詞】中學化學；項目式教學；科學探究與實踐；培育

【中圖分類號】G633.8【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2023）21—0076—05

《義務教育化學課程標準（2022版）》（以下簡稱新課標）明確指出：科學探究與實踐是化學核心素養的重要組成部分，科學探究活動是通過實驗探究，讓學生經歷科學發展的過程，增強學生的實踐能力，發展學生學科核心素養的重要途徑。然而反思傳統實驗教學沒有被重視，教師黑板講實驗、播放實驗視頻、播放虛擬仿真實驗等教學方式，學生缺乏真實的實驗體驗，缺乏參與實驗探究的機會，學生實驗操作技能、科學探究的能力、科學方法、科學態度、科學能力的培育不能得到有效落實。

一、核心素養視域下“科學探究與實踐”核心素養培育策略

2014年，在教育部印發的《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》中，“核心素養”首次被置于深化課程改革、落實立德樹人目標的基礎地位，“核心素養”指學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，突出強調個人修養、社會關愛、家國情懷，更加注重自主發展、合作參與、創新實踐。從價值取向上看，它“反映了學生終身學習所必需的素養與國家、社會公認的價值觀”。從指標選取上看，它既注重學科基礎，也關注個體適應未來社會生活和個人終身發展所必備的素養；不僅反映社會發展的最新動態，同時注重本國歷史文化特點和教育現狀。《普通高中化學課程標準（2017版）》提出化學學科的五大核心素養，分別為“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”，而在新課標下，化學學科核心素養在義務教育階段和高中階段有了明顯的區分，義務教育階段的化學學科核心素養改為“化學觀念”“科學思維”“科學探究與實踐”“科學態度與責任”，其中“科學探究與實踐”的核心是培養學生主動提出有探究價值的問題、設計探究方案、獨立或與同學合作完成實踐探究，獲取證據和結論，能從化學視角對常見生活現象、跨學科問題解決與化學有關的問題。因此，“科學探究與實踐”核心素養的培養策略就是在教學中充分挖掘學科知識背后隱性的學科思想、學科觀念、學科方法，從超越知識表面角度實現知識所承載的素養功能。在設計教學目標時要突出“科學探究與實踐”核心素養的發展水平進階，在教學內容選擇時應關注真實的生活、生產、實驗探究情境，在選擇學習方式時應體現學生學習的自主性、合作性、探究性，讓學生經歷科學探究的過程，體驗科學探究的思路，充分落實“做中學、用中學、創中學”的教學理念，引導并幫助學生進行科學探究，培養創新精神、提高解決問題的能力[1]。

二、基于“科學探究與實踐”素養培育的項目式教學設計——“探索燃燒的奧秘——物質的變化”案例設計

（一）設計思想

1.領會核心素養內涵，突顯教學目標的素養發展。“探索燃燒的奧秘”在教學目標設計中依據新課標提倡的學科育人價值，即通過引導學生探索燃燒的奧秘，分析生產生活中調控燃燒的技術方法，調查燃料的變遷并分析其中的原因，逐步形成適應個人終身發展和社會發展所需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，體現目標對發展化學核心素養的重要價值。

2.合理選擇學習內容，關注認知思維的邏輯結構。“探索燃燒的奧秘”在組織實驗教學內容時，選擇依據新課標提倡的構建大概念統領的化學課程內容體系，即圍繞“物質的化學變化”學習主題，構建“物質的變化與轉化”學科大概念，通過三個項目活動的設計，選取燃燒的條件、調控燃燒的技術方法等具體學習內容，既包括核心知識，又包括對科學思維、科學探究與實踐和科學態度與責任等核心素養的要求，充分發揮大概念對實現知識的結構化和素養化的功能價值，全面反映、落實課程內容體系的培養要求和目標。

3.充分發揮化學實驗的價值，積極開展科學探究與實踐活動。“探索燃燒的奧秘”在開展科學探究與實踐活動時注重啟發式、互動式、探究式教學，充分發揮化學實驗的價值，開展以化學實驗為主的多樣化探究與實踐活動，即以日常生活中最常見的燃燒現象入手，以蠟燭的燃燒為起點，以展望和設計未來的燃料為終點，創設真實問題情境，開展項目式學習。

（二）項目分析

第七單元“燃料及其利用”屬于“物質的化學變化”學習主題，新課標要求“學生通過實驗探究認識燃燒的條件，理解燃燒和滅火的原理及其在生活中的應用，初步體會調控化學反應的重要意義”。本項目以生活中常見的燃燒現象為切入點，分別介紹了“燃燒是如何發生的”“如何調控燃燒”以及“未來的燃料是怎樣的”三個子項目，從學生熟悉的實驗現象出發，以燃燒為載體，引導學生從實際生活中體會化學學科思想，以此建立認識化學的正確視角，幫助學生進一步發展“物質的變化與轉化”大概念，認識燃燒與滅火的本質是可燃物的化學反應，并學會從能量的視角看待化學反應，體會人類利用和調控燃燒的思路和方法。

（三）教學目標

1.認識物質燃燒所發生的化學變化，認識氧氣在燃燒中發揮的作用，發展科學探究的設計思路。

2.認識燃燒、緩慢氧化和爆炸發生的條件，認識外界條件物質轉化的影響，初步建立通過內外因辯證視角看待化學問題的視角。

3.了解防火滅火、防范爆炸的措施，認識燃燒的條件和調控方式，體會控制變量在科學探究中的應用。

4.評估燃料對環境的影響，了解如何選擇對環境影響較小的燃料，樹立學生科學自然觀和綠色發展觀。

（四）項目實施流程（如圖1）

（五）項目活動實施過程

【情境】我們周圍有很多熟悉的燃燒現象，例如做飯時用柴草、煤或天然氣作為燃料，餐館里或實驗室里點燃酒精用于加熱，定向爆破過程中利用了炸藥爆炸的作用。這些都是燃料在燃燒，除了這些常見的燃料之外，那么燃燒是如何發生的，還有哪些物質可以燃燒呢？

任務1：燃燒是如何發生的？

活動1：哪些物質可以燃燒？

【實驗探究】請同學們以小組為單位，在酒精燈的火焰上加熱以下物質：木炭、木條、蠟燭、鎂條、淀粉、塑料、大理石、玻璃等。觀察它們能否燃燒以及燃燒的現象。

【問題】你知道的生活中的燃燒現象還有哪些？請環顧教室四周，周圍的物品都是由什么材料制成的？它們可以燃燒嗎？

【結論】從物質的角度，我們會發現有的物質可以燃燒，如酒精、蠟燭、火柴；有的物質不能燃燒，如水、玻璃、大理石。于是，可以把物質按照是否可燃分為兩類：可燃物和不可燃物。可燃物是燃燒的條件之一。

【學習方式】請以小組為單位查找資料，指出建筑工地有哪些可燃物，并討論該如何改進選用的材料來減少火災的發生。

活動2：氧氣在燃燒中的作用。

【情境】用燈帽罩在酒精燈上或者燒杯罩在蠟燭上使火焰熄滅，都是因為隔絕了空氣，燃燒無法進行。在學習化學之前，同學們已經知道燃燒是可燃物與空氣中的氧氣發生的化學變化。空氣中含有氧氣、氮氣等多種成分，那么大家有沒有想過，如何才能說明是氧氣發揮的作用呢？

【問題】因為空氣的主要成分是氧氣和氮氣，可忽略其他含量很低的組分對燃燒的影響。那么氧氣和氮氣就是我們要探究的兩個影響因素。要說明某一組分是否支持燃燒，可用這種組分的純物質來進行實驗，以消除其他因素的影響。

【實驗探究】小組合作完成實驗1～5，探究物質在純氧或氮氣中能否燃燒。

實驗1：把帶火星的木條伸入盛有氧氣的集氣瓶中，觀察實驗現象。

實驗2：取一小塊木炭，在空氣中加熱至燃燒，觀察現象。然后將其伸入盛有氧氣的集氣瓶中，再觀察實驗現象。木炭熄滅后取出，向集氣瓶中加入少量澄清石灰水，振蕩，觀察現象。

實驗3：在燃燒匙里放少量硫粉，加熱，直到燃燒，觀察硫在空氣中燃燒時的現象。然后把燃燒匙伸入盛有氧氣的集氣瓶中，再觀察實驗現象。

實驗4：把光亮的細鐵絲繞成螺旋狀，在空氣中加熱，觀察實驗現象。另取同樣的鐵絲，下端系一根火柴，點燃火柴，待火柴快要燃盡時，伸入盛有氧氣的集氣瓶中，觀察實驗現象。

實驗5：點燃一根火柴，伸入到盛有氮氣的集氣瓶中，觀察實驗現象。

【問題】比較上述物質在空氣、氧氣和氮氣里的燃燒現象有什么不同，你可以得出什么結論？

【結論】物質在空氣中燃燒，實際上是與其中的氧氣發生反應，由于空氣中氧氣含量相對較少，因此在空氣中燃燒不如在氧氣中劇烈。

【釋疑】支持燃燒、助燃是一種通俗說法，氧氣支持燃燒的本質是氧氣與可燃物發生劇烈的化學反應，這些反應屬于氧化反應，我們可以說碳、硫、鐵等物質被氧氣氧化。說明氧氣的化學性質比較活潑，能夠跟很多物質發生反應。

【思考與討論】（1）鐵絲在氧氣中燃燒得到的黑色固體與鐵在形態上很相似，如何說明這是生成的新物質，而不是熔成的鐵珠呢？

（2）查閱資料可得，稀鹽酸與鐵反應有氣體產生，可以把黑色固體放入稀鹽酸中，若無氣泡產生，則黑色固體是生成的新物質。

活動3：燃燒還需要其他條件嗎？

【問題】通過前面的活動，同學們已經知道燃燒的發生需要可燃物，同時需要與空氣（氧氣）接觸，那么除此之外，燃燒還需要其他條件嗎？

【思考與討論】請同學們分小組進行討論：請回想秸稈、木柴、煤、汽油、天然氣等常用燃料是如何被點燃的，分析燃燒還需要什么條件。

【實驗探究】小組合作完成實驗1～3，探究燃燒還需要什么條件。

實驗1：向蒸發皿中加入酒精，點燃，觀察酒精是否容易被點燃。

實驗2：向燃燒匙中放一小塊蠟，置于酒精燈上加熱，觀察何時蠟會燃燒。

實驗3：點燃一根蠟燭，將鐵絲網對折后（讓鐵絲網更細密）插入蠟燭火焰，觀察現象。

（提示：鐵絲網具有很好的導熱功能）。

【歸納與總結】（1）燃燒還需要溫度達到某個值。

（2）可燃物與氧氣構成的反應體系升溫，燃燒才會被引發。

（3）溫度達到著火點也是燃燒的必要條件。

【問題與思考】實驗3里鐵絲網上方的火焰為什么會熄滅？

【討論與交流】（1）鐵絲網導熱降溫，使蠟燭火焰溫度低于其著火點。

（2）不同物質的著火點不同，例如酒精是很容易被點燃的，而要點燃蠟燭就困難一些。

【拓展閱讀】酒精燈和蠟燭結構的區別。

【思考與討論】結合生活經驗，請同學們思考：可燃物與氧氣發生的反應一定都是燃燒嗎？

【知識拓展】在某些條件下，物質與氧氣的反應比較劇烈；而在另一些條件下，物質與氧氣只發生緩慢的氧化反應。如果緩慢氧化放出的熱積蓄的話，達到著火點就會發生自燃；但多數緩慢氧化只是放出熱量，而不發生劇烈的燃燒現象。

【交流研討】請同學們小組合作，解決下面三個問題：

問題1：根據前面的活動，歸納總結燃燒的條件。

問題2：思考這些條件之間是什么關系。

問題3：反思你從這個活動中學到的科學方法。

【思考與討論】

問題1：燃燒需要三個條件——可燃物、氧氣（空氣）、著火點（達到燃燒所需的最低溫度）。

問題2：燃燒發生時三個條件缺一不可。

問題3：在對一個反應的發生條件進行分析和驗證時可以采用“因素分析——控制變量”的思路。

設計意圖：學生通過觀察燃燒過程，用控制變量的方法得到燃燒需要的三個條件，幫助學生建立對一個反應的發生條件進行分析和驗證的思路，從科學能力、思路方法、認識方式三個方面著重培養學生的“科學思維”核心素養。即通過對燃燒條件的探究，建立證據和邏輯之間的關系，從而建立燃燒模型，運用模型解釋相關問題。學生先通過觀察哪些物質可以燃燒，再通過比較、分類、分析等科學方法分析燃燒現象，歸納出燃燒的條件以及各條件之間的關系，建立了從化學視角認識化學實驗、物質性質、物質變化的一般思路。最后，能從變化和聯系的視角分析其條件，從而在解決“酒精燈與蠟燭結構的區別”這一拓展問題時體會系統思維的意義[2]。

任務2：如何調控燃燒？

活動1：如何讓燃燒更劇烈？

學生通過觀察柴油、潤滑油等燃燒現象，發現氧氣不足的時候發生不完全燃燒，可能產生一氧化碳這種有毒物質，從而得出調整燃料與空氣的比例和擴大接觸面積可以使燃燒更加劇烈。接著學生進行交流研討，對比煤和天然氣的使用和調控方式，說明選擇該方式的原因。

活動2：怎樣阻止燃燒？

學生通過查閱資料，自主學習化學實驗室的滅火方法，并進行組內討論和組間展示。接著學生通過實驗探究二氧化碳的滅火原理，歸納出破壞燃燒條件的其中一個就能達到滅火的目的，進而對酒精燈的使用方法有更加全面的認識。

活動3：什么情況下會發生爆炸？

學生通過面粉模擬爆炸實驗，探究爆炸發生的原因，并且小組內進行交流研討，分析為避免爆炸在生產過程中應注意哪些安全事項，教師提供學生關于液體炸藥的相關資料，擴展學生視野。

設計意圖：學生首先通過對燃燒條件和影響因素的探究，進一步了解調控燃燒的方法和技術手段，體會從科學原理到實踐應用之間蘊含的技術思想，從探究能力、技術與工程、問題解決三個方面著重培養學生的“科學探究與實踐”核心素養。即通過觀察柴油、潤滑油的燃燒現象，探究調控燃燒反應的方式，體會不同的調控方式背后的原因，培養學生的科學探究能力。其次通過查閱資料了解實驗室的滅火方法，探究二氧化碳的滅火原理，分析破壞燃燒的條件，從技術與工程設計入手全面認識酒精燈的使用方法。最后通過面粉模擬爆炸實驗，探究爆炸發生的原因，培養解決問題的能力。

（六）教學反思

開展“探索燃燒的奧秘”項目式學習，建議緊密結合學生必做實驗“燃燒條件的探究”。在教師的引導和組織下，學生進行實驗探究、交流研討、觀察思考、總結反思等活動，教師要給學生提供對項目成果不斷改進完善、展示交流的機會，關注學生從個人經驗到理性分析的發展進階，有針對性地給予引導和評價反饋。

參考文獻

[1]畢華林.促進核心素養發展的化學課程改革——《義務教育化學課程標準（2022年版）》的研制及其變化[J].中學化學教學參考，2022（11）：05.

[2]施觀雪，畢華林.“科學思維”核心素養的內涵及其教學建議——基于《義務教育化學課程標準（2022年版）》的分析[J].中學化學教學參考，2022（13）：04.

編輯：張昀