“素養為本”的化學項目式學習設計

李法瑞　俞洪澤

摘要：“環境問題與處理”是化學與社會主題教學中的重要內容。以“社區濕垃圾異味及其危害探究”為選題，圍繞“素養為本”的教學理念，通過真實情境的創設，重點關注項目式學習的實踐策略，引導學生在實際生活中發展核心素養。

關鍵詞：社區濕垃圾;?異味成分測定;?化學項目式學習;?實驗探究

文章編號：1005-6629（2020）07-0065-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

高中化學學科核心素養是高中學生發展核心素養的重要組成部分，是學生綜合素質的具體體現，反映了社會主義核心價值觀下化學學科育人的基本要求，全面展現了化學課程對學生未來的重要價值[1]。《普通高中化學課程標準（2017年版）》（簡稱“新課標”）注重開展“素養為本”的教學，倡導真實問題情境創設，開展以化學實驗為主的多種探究活動，重視教學內容的優化設計，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力[2]。

基于化學學科教學實踐的改革與探索，本文選取“社區垃圾”這一貼近生活的社會熱點與難點問題，通過引領學生走進社會真實情境，進一步探究“大氣中VOC（揮發性有機化合物）的成分與來源”“垃圾及廢棄物的分類、回收處理與循環利用”等問題;通過“呵護生存環境”等主題的學習實踐活動，了解相關污染物及其危害，并為消除危害提供研究支撐，在強化公眾共同參與環境治理、維護公共衛生的責任的同時，也為新課標“環境問題及其處理”模塊的相關內容提供有益補充。

1??基于“垃圾異味”探究的背景

新課標注重凸顯“化學在保護環境中的作用”，將這一主題教學內容納入到“化學與社會”主題模塊，在必修和選修課程中都涉及這一與人類命運息息相關的話題，以期讓師生共同參與到對大氣污染物的認知與防范過程中，擔負起守護“綠水青山”的時代責任和使命。在傳統化學教材中，常見的大氣污染物有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氫化合物、化學氧化劑及顆粒物等等，而對于生活中由于人類活動而產生的大量的、廣泛的垃圾異味尚未提及。

為此，筆者帶領學生團隊組建“社區濕垃圾異味及其危害”課題研究小組，希望能通過項目式學習（ProjectBased?Learning，?PBL）的方式開展以化學學科為切入口的跨學科教學創新實踐，科學分析濕垃圾異味代表成分，并選取重點有害成分，開展對小鼠生長影響的探究，揭示垃圾異味對生命健康的重要影響，為人們尤其是環衛工人提供科學的安全防護依據，也為城市垃圾處理提供基于異味研究的重要分類依據。

2??基于“垃圾異味”探究的設計

為了探究發現“濕垃圾”異味成分及其危害，構建基于環境問題特色的跨學科實踐，課題組將本實驗探究過程設計成兩個實驗環節，分別為：實驗1，社區生活“濕垃圾”異味成分分析;實驗2，社區生活“濕垃圾”異味有害成分的危害探究;解決方案為社區生活“濕垃圾”無害化存儲設想（見表1）。

通過上述項目式學習方案的設計，希望達成以下探究目標：（1）初步了解社區生活“濕垃圾”異味的主要成分及有害成分;（2）選取代表性異味有害成分，通過“獨木橋實驗”研究其對小鼠平衡能力的影響情況;（3）通過小鼠急性毒性實驗，探查“濕垃圾”異味中代表物質對小鼠的毒性損傷，并分析其對小鼠肝臟組織結構的危害程度;（4）進一步提出后續研究方案和無害化存儲設想。同時，在相應的學習環節中有所側重地培養與發展學生學科核心素養。

3??“素養為本”的實踐特色解析

新課標在“化學與社會”系列中設置了三個內容主題，分別為：化學與生活、化學與技術、STSE綜合實踐。這些主題均對人類所面對的環境問題提出了相應的教學建議，積極倡導師生應關注社會熱點問題，培養核心素養，發展學生綜合分析、解決實際問題的能力[3]。因此，筆者以“社區濕垃圾異味及其危害”項目為例，從化學學科核心素養的不同維度，通過深入剖析問題情境的創設以及相對應的核心素養培育的落實，闡述“素養為本”的教學實踐過程。

（1）?以共同參與環境治理為目標，肩負“科學態度與社會責任”。

新課標中“科學態度與社會責任”核心素養要求包括：具有安全意識和嚴謹求實的科學態度，具有探索未知、崇尚真理的意識;能對與化學有關的社會熱點問題作出正確的價值判斷，能參與有關化學問題的社會實踐活動等[4]。

在日常生活中，隨著城市規模不斷擴大，人口高度集中，城市生活垃圾也日益增多，人均年產垃圾為450kg左右，并且以每年不低于8%的速度遞增[5]，我國城市生活垃圾年清運量約為1.6億噸[6]，“垃圾問題”已成為阻礙現代人類文明進步的普世難題。許多學生都深有體會，當他們途徑社區垃圾箱時，常常能聞到“濕垃圾”所散發的臭味。因此，真實的問題情境就產生了：這些刺鼻異味是什么成分？對人們的健康會產生什么危害？怎樣消減這些異味對環境帶來的影響？

課題組帶領學生開展了文獻調研，然而令人困惑的是，關于“濕垃圾”異味的相關報道及研究甚少，組員們隨即產生強烈的社會責任感和使命感。當時恰逢暑假來臨，他們冒著酷暑高溫，走街串巷，逐一篩選具有代表性的氣味樣本采集地點。在夏季的高溫、高濕和烈日的三重作用下，垃圾發酵變質產生強烈的刺激性氣味。然而，課題組成員沒有一個打退堂鼓，憑借著浸潤在骨子里的使命擔當順利地完成了實驗方案的預設與開題。不難看出，雖然沒有口號式的鼓舞與信誓旦旦，社會責任感素養培養目標卻自然達成，真可謂“此處無聲勝有聲”。

（2）?以跨學科學習與實踐為突破，增強“科學探究與創新意識”。

新課標中“科學探究與創新意識”核心素養要求包括：認識科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動;運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究;勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新等[7]。

該項目具有鮮明的STSE綜合實踐特色，是新課標所倡導的要注重開放性與發展性的重要核心素養培育載體。教學過程中，要注重為學生提供足夠的時間和空間，積極鼓勵學生自主探究。因此，該項目從一開始提出設想，到實驗研究、結果分析，再到后來的論文撰寫，歷時將近一年。對于高中生而言，經歷了艱難挫折，克服了重重困難，才最終完成。這個過程中他們勇于實踐，敢于創新，體會到了科學研究的艱辛與魅力，初步學會了跨學科學習與實踐的基本方法。

例如，該項目涉及“濕垃圾”氣味樣本采集及保存方法、氣質聯用分析儀器的科學使用、實驗結果的統計與分析、有毒氣味代表性成分的篩選、小動物實驗的科學方法以及基于物聯網的濕垃圾儲運原理等跨學科領域，大都是高中生在傳統教材中無法學習到的，為了能夠創造性地解決社會生活中的問題，學生必須進行課外拓展學習，逐一增進和完善自身知識和能力結構。又如，考慮到氣味樣本固相微萃取設備費用昂貴，課題組成員嘗試就地取材，采用脫脂棉、醫用紗布、活性炭等廉價的采樣方式，通過自主創新的方法順利完成了氣味采集任務。

（3）?以情境化的設問與探究為核心，尋求“宏觀辨識與微觀探析”。

新課標中“宏觀辨識與微觀探析”核心素養要求包括：能從不同層次認識物質的多樣性，并對物質進行分類;能從元素和原子、分子水平認識物質的組成、結構、性質和變化，形成結構決定性質的觀念;能從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題[8]。

課題組成員分別選擇上海市S社區的三處不同地點：A.?S社區垃圾中轉站;B.?S社區室內菜場垃圾桶;C.?S社區餐飲垃圾收集點的濕垃圾樣本[9]。其中，（1）濕垃圾氣味樣本：分別采用活性炭、脫脂棉、醫用紗布懸放在高于垃圾10cm處富集氣體樣本（40分鐘），密封于密實袋中;（2）濕垃圾液體樣本：用塑料滴管采集少量，滴注于“樣本瓶”中，并用密實袋密封;（3）濕垃圾固體樣本用藥匙刮取采集少量，放置于“樣本瓶”中，并用密實袋密封。同時，在同一個采樣點，同一種樣本（氣體、液體、固體）分別采集3個樣本送檢。

隨后，課題組成員在實驗室手動將固相微萃取儀（美國Supelco公司）石英纖維絲（100μmPDMS）先后插入每一個裝有樣本的密實袋中，在40℃條件下萃取30min后取出，送氣質聯用儀（日本島津公司）檢測[10]，得出社區濕垃圾異味的主要成分（見表2）。

為什么濕垃圾氣味常常是又酸又臭且有毒害？通過實驗探究，課題組將無色、刺激性的宏觀氣味代表物成分，以規范的、科學的化學術語呈現出來，同時通過計算機建模軟件呈現出相應物質的結構模型。這一過程，讓課題組的每一位成員都驚嘆不已。他們借助平時在傳統課堂中學習到的有機酸、醇、醛、酯、醚、酚、肼等物質的化學性質，出色地解答了一直困擾在他們心中的疑問。

（4）?以文獻研究與事實論證為要領，深化“證據推理與模型認知”。

新課標中“證據推理與模型認知”核心素養要求包括：具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系等[11]。

在該項目中，課題組發現在采集的樣品中均檢測到有害物質是硬脂酰肼。問題隨之產生：為什么三個采樣點，都含有“硬脂酰肼”？這種毒物是怎樣產生的？來源于哪里？據文獻查閱，關于社區生活垃圾異味方面鮮見報道，也沒有關于社區生活垃圾異味中“硬脂酰肼”的相關研究報道，對于“硬脂酰肼”的產生機理尚不明確。然而，吳婭利等[12]研究發現頂壇花椒活性成分中含有槲皮素-3-O-β-（4-O-硬脂酰基）葡萄糖苷（5）等成分，發現硬脂酰基存在于植物體內。由此，課題組推測，社區生活垃圾中存在的“硬脂酰肼”有可能來自植物或動物體內相關化合物的進一步分解，比如花椒烹飪時相關成分的分解。

顯然，基于當前的研究局限，課題組成員無法直接給出有關“硬脂酰肼”來源的準確答案。但是，可以引領學生從科學文獻及相關學術資料中尋找“蛛絲馬跡”，進一步探求問題的佐證材料。由于餐廚垃圾是“濕垃圾”的重要組成部分，因此人們在烹飪過程中常常使用的花椒成分就是破解該問題的線索之一。本課題出自于證據推理、建立科學事實與假說之間的邏輯關聯，顯然對培養學生“證據推理與模型認知”素養大有裨益。

（5）?以科學實驗與問題解決為方向，建構“變化觀念與平衡思想”。

新課標中“變化觀念與平衡思想”核心素養要求包括：能認識物質是運動和變化的，知道化學變化需要一定的條件，并遵循一定的規律;認識化學變化有一定的限度、速率，是可以調控的。能多角度、動態地分析化學變化，運用化學反應原理解決簡單的實際問題[13]。

為了有效落實“變化觀念與平衡思想”核心素養目標，該項目分別從以下兩個主題展開教學：（1）“濕垃圾”中的代表性有毒物質對小鼠生長的危害研究;（2）“濕垃圾”無害化存儲設想。其中，以“硬脂酰肼”為代表物開展小鼠實驗[14，15]，對小鼠經口灌胃。實驗分為5個劑量組，每組10只昆明小鼠。分別測定硬脂酰肼對小鼠急性毒性作用、半數致死量、對小鼠平衡能力的影響以及對肝臟組織結構的影響。研究發現，不同硬脂酰肼濃度組影響小鼠通過獨木橋的時間顯著高于正常組;硬脂酰肼組對小鼠肝組織結構有殘破、肝細胞排列紊亂、局部出現空泡變性、片狀壞死的現象，并伴有不同程度的炎性浸潤，胞漿疏松化。可見，濕垃圾異味的產生及其影響是一個動態變化過程，由于垃圾中殘余動植物組分會進一步衍化為相應的有害物質，進而會對生物機體健康的細胞和組織造成損傷，危害生命。

為了有效干預這一系列動態變化過程，控制或減緩有害物質的產生及其危害，課題組提出了富有科學性、可行性的問題解決方案：借助物聯網、傳感器和信息化等方面的知識與原理，構建和設計基于“異味消減”考量的社區“濕垃圾回收桶”智能物聯預警與殺菌除臭系統。讓社區垃圾站更加衛生安全的同時，課題組成員的“變化觀念與平衡思想”

以及“科學態度與社會責任”的

核心素養也隨之得以發展。

4??結語

實踐表明，“項目式學習”是一種有利于學科核心素養培育的行動模式[16]。在學習過程中，選擇貼近生活、生動有趣、難度適宜的項目主題，是對常規課堂教學的有益補充，不僅有利于改善學習方式、增強學習實效，更有益于學生學科實踐能力的提升，這種嘗試值得在今后的教育實踐中進一步探索與加強。

參考文獻：

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