依據(jù)問題解決過程與思路規(guī)劃項目任務(wù)，設(shè)計項目式課程

張虹利 林媛媛 林媛媛 朱葉

關(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量、防治空氣污染與保護人體健康、增強環(huán)保意識、促進可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。生物選修課程中的“健康生活”模塊、化學(xué)選修課程中的“化學(xué)與生活”系列，都在強調(diào)學(xué)科與生活、生活與健康之間的關(guān)系。

本文選取與生活、健康密切相關(guān)的話題，運用課題組建構(gòu)的項目式課程開發(fā)的標準規(guī)則，挖掘科研工作者如何通過科學(xué)探究解決人造板中脲醛樹脂膠甲醛的釋放這一問題，依據(jù)真實問題的解決思路規(guī)劃項目任務(wù)，更好地發(fā)揮項目式課程促進學(xué)生學(xué)會思考、提高問題解決能力的突出育人功能，為項目式課程開發(fā)思路提供樣例。

挖掘真人真事，外顯問題解決思路

人造板中脲醛樹脂膠是由尿素和甲醛經(jīng)過一系列反應(yīng)后合成的，由于有甲醛參與反應(yīng)，所以在合成和使用過程中都會釋放甲醛。針對“如何減少脲醛樹脂膠中甲醛的釋放”問題，查閱文獻發(fā)現(xiàn)，東北林業(yè)大學(xué)退休教授、木材膠粘劑專家包學(xué)耕及其團隊在這方面研究工作早、成果突出，以此為代表挖掘問題解決過程。梳理包學(xué)耕及其團隊的研究工作，可以將其問題解決過程分為3 個階段。

第1 階段，尋找已有解決方案，總結(jié)經(jīng)驗。包學(xué)耕團隊研究之前，國內(nèi)已有一定研究基礎(chǔ)。1964 年，中國林業(yè)科學(xué)研究院專家呂時鐸在上海研制出了中林64 脲醛樹脂膠，之后上海木材一廠在此基礎(chǔ)上改進，研制出了中林67 脲醛樹脂膠[1]。已有的研究主要是通過降低反應(yīng)物的摩爾比降低甲醛的釋放，這給包學(xué)耕團隊研制低毒性脲醛樹脂膠提供了思路。

第2 階段，自主設(shè)計，開始對脲醛樹脂膠合成的改良探索。結(jié)合已有經(jīng)驗，包學(xué)耕利用正交實驗方法探究了溫度、體系的酸堿度、反應(yīng)時間、反應(yīng)物的投放次數(shù)、反應(yīng)物摩爾比等實驗條件對甲醛釋放的影響，分別研制出了低毒性DN-1 號刨花板專用膠[2]、DN-2 號膠合板脲醛樹脂膠[3]和更高標準的DN-6 號刨花板脲醛樹脂膠[4]。這一階段，包學(xué)耕團隊改變具體影響因素及其操作參數(shù)，實現(xiàn)了從較低毒性的脲醛樹脂膠到低毒性脲醛樹脂膠的技術(shù)突破。

第3 階段，精益求精，實現(xiàn)技術(shù)的重大突破。包學(xué)耕團隊研究發(fā)現(xiàn)，降低反應(yīng)物摩爾比是減少甲醛釋放的主要途徑，但隨著摩爾比的進一步降低，板材強度大幅度下降，如何平衡二者關(guān)系成為技術(shù)突破的關(guān)鍵。他們研究脲醛樹脂合成原理，分析板材強度形成機理，從微觀建立二者聯(lián)系，重新調(diào)整反應(yīng)條件，最終生產(chǎn)出了低成本、高性能的環(huán)保膠[5]。利用這種膠生產(chǎn)的板材被定位為無公害產(chǎn)品，屬于最高環(huán)保級別。包學(xué)耕團隊在這個階段將產(chǎn)生新舊問題的原因建立微觀聯(lián)系，綜合系統(tǒng)調(diào)控影響因素，最終平衡矛盾，解決問題。

從包學(xué)耕團隊的問題解決過程看，復(fù)雜問題的解決并非一蹴而就，而是經(jīng)歷了歸納概括已有解決方案，調(diào)控影響因素設(shè)計方案，再到綜合協(xié)調(diào)、優(yōu)化方案的過程。具體思路見圖2中A 列和B 列。

依據(jù)問題解決思路，規(guī)劃項目任務(wù)

包學(xué)耕團隊的問題解決思路合乎邏輯、環(huán)環(huán)相扣，以此規(guī)劃項目任務(wù)。包學(xué)耕團隊問題解決的第1 步是尋找影響脲醛樹脂膠釋放甲醛的因素，根據(jù)對真人真事的分析，影響因素很可能是通過文獻調(diào)研獲得。在轉(zhuǎn)化學(xué)生活動時，活動的形式可以采用文獻調(diào)研的方式，但文獻的來源還需要結(jié)合學(xué)生情況和文獻特點考慮，如文獻來源是通過網(wǎng)絡(luò)自主調(diào)研，還是教師提供若干文獻或若干文獻的核心片段等。另外，在問題解決過程中，真人對研究對象非常熟悉，但對學(xué)生而言比較陌生，所以教師還需要補充設(shè)計認識研究對象的活動。包學(xué)耕團隊問題解決思路的第2 步和第3 步都包含了探究方案的設(shè)計和實施2 個環(huán)節(jié)，在規(guī)劃項目任務(wù)時，可以用問題解決思路的步驟規(guī)劃為2 個任務(wù)，也可以用設(shè)計方案和實施方案2 個環(huán)節(jié)規(guī)劃任務(wù)。考慮到設(shè)計探究方案是本項目的課程目標和評價內(nèi)容，脲醛樹脂合成實驗在中學(xué)課堂難以實施，所以本課程以設(shè)計實驗方案和優(yōu)化實驗方案2 個環(huán)節(jié)規(guī)劃項目任務(wù)。在優(yōu)化實驗方案的任務(wù)中，選取包學(xué)耕團隊典型的實驗方案及結(jié)果，代替學(xué)生方案的實施過程，對比并優(yōu)化方案。具體任務(wù)見圖2 中C 列，任務(wù)活動規(guī)劃見表1。

包學(xué)耕團隊的技術(shù)突破是通過科學(xué)探究實現(xiàn)的，特別是調(diào)控實驗反應(yīng)條件。在學(xué)習(xí)本項目之前，學(xué)生能夠認識到改變溫度、濃度、壓強、pH 等反應(yīng)條件可以改變實驗結(jié)果，較少認識到反應(yīng)物添加方式對探究結(jié)果的影響，如一次性添加和分批次添加。通過呈現(xiàn)包學(xué)耕團隊的探究方案發(fā)展學(xué)生對實驗條件的認識，進一步體會科學(xué)探究的核心要素和基本過程。另外，項目任務(wù)中設(shè)置了學(xué)生設(shè)計并優(yōu)化探究方案的活動，以此發(fā)展學(xué)生探究方案設(shè)計水平和學(xué)科探究能力。

項目展開的具體設(shè)計

項目導(dǎo)引

學(xué)生先查閱資料，了解人造板膠粘劑尤其是脲醛樹脂膠的相關(guān)內(nèi)容，并初步了解脲醛樹脂膠是室內(nèi)甲醛污染物的來源之一。然后進行項目策劃，明確本項目的任務(wù)是探究“如何減少脲醛樹脂膠中甲醛的釋放”，并可以通過分析影響甲醛的釋放因素，調(diào)控多因素進行實驗探究，綜合多因素選擇最適宜的條件的思路形成最終方案。

設(shè)計意圖：通過項目導(dǎo)引創(chuàng)設(shè)項目情境，引導(dǎo)學(xué)生進入項目話題，規(guī)劃項目任務(wù)。選擇室內(nèi)污染話題能夠讓學(xué)生主動關(guān)心環(huán)境，運用所學(xué)知識分析與探討化學(xué)與環(huán)境、健康之間的關(guān)系，發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。

任務(wù) 1：預(yù)測脲醛樹脂膠合成過程中甲醛釋放的影響因素

本任務(wù)中，教師呈現(xiàn)脲醛樹脂合成反應(yīng)，組織學(xué)生分析反應(yīng)機理，從反應(yīng)中涉及的物質(zhì)和條件預(yù)測影響甲醛釋放的因素。預(yù)測之后，學(xué)生以小組為單位，閱讀分析文獻材料，總結(jié)歸納影響因素，并進行小組展示匯報。

設(shè)計意圖：在這個環(huán)節(jié)中，包學(xué)耕團隊主要通過文獻調(diào)研，考察已有研究中涉及的影響因素。從化學(xué)學(xué)科出發(fā)，還可以通過分析反應(yīng)機理、反應(yīng)中的中間產(chǎn)物和條件控制也能夠預(yù)測潛在的影響因素。依據(jù)這兩種途徑設(shè)計學(xué)生活動。考慮到脲醛樹脂合成反應(yīng)是一個陌生復(fù)雜反應(yīng)，教師可以將反應(yīng)過程呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生分析不同反應(yīng)階段反應(yīng)物及中間產(chǎn)物的變化，預(yù)測影響甲醛釋放的因素。針對文獻調(diào)研活動，結(jié)合文獻材料中實驗方案設(shè)計的復(fù)雜程度、閱讀理解的難易程度，可以有針對性地選取若干文獻，截取其中的實驗方案和結(jié)論，讓學(xué)生以小組合作的形式閱讀分析，總結(jié)歸納出具體的影響因素及影響原因。

任務(wù) 2：依據(jù)影響因素，設(shè)計脲醛樹脂膠合成的實驗方案

本任務(wù)中，學(xué)生以小組為單位，根據(jù)任務(wù)1中預(yù)測的影響因素，完成實驗方案的設(shè)計并填寫下面的表格（表2）。

設(shè)計意圖：包學(xué)耕團隊在獲得影響因素后，就要設(shè)計實驗方案驗證并探索影響因素具體是如何影響的。同樣，學(xué)生也需要判斷任務(wù)1 中總結(jié)得到的影響因素是否合理正確。基于這樣的分析設(shè)置了學(xué)生設(shè)計實驗方案的活動。另外想要探查學(xué)生在設(shè)計方案時思路是否完整，及每步思路是否設(shè)計恰當(dāng)，教師用方案設(shè)計思路引導(dǎo)學(xué)生逐步展開，這樣就可以直觀準確地獲得學(xué)生的思考過程。

任務(wù) 3：比較并優(yōu)化脲醛樹脂膠合成的實驗方案

本任務(wù)中，教師以資料卡片的形式呈現(xiàn)包學(xué)耕團隊的實驗方案，并與小組方案作對比。引導(dǎo)學(xué)生思考“甲醛和尿素的摩爾比可以一直降低嗎？”以小組為單位，分析包學(xué)耕團隊在第3 階段提出的脲醛樹脂合成方案，補充并完善小組方案。最后，回顧包學(xué)耕團隊問題解決過程和3 個任務(wù)完成過程，總結(jié)并體會復(fù)雜問題解決的思路和方法。

設(shè)計意圖：實驗方案形成后，通常會通過實施驗證假設(shè)是否合理。考慮到脲醛樹脂合成實驗在中學(xué)課堂較難實施，所以選取與學(xué)生設(shè)計接近的科研工作者的方案為例，展示實驗實施結(jié)果，根據(jù)科研工作者的實驗結(jié)果，學(xué)生判斷并評價自己的實驗方案。降低甲醛和尿素的摩爾比是減少甲醛釋放的主要途徑，在方案改進優(yōu)化時必然會引出“甲醛和尿素的摩爾比可以一直降低嗎”這個問題，在學(xué)生分析基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)包學(xué)耕團隊的實驗方案和結(jié)果，讓學(xué)生體會并領(lǐng)悟復(fù)雜問題解決的思路。

成果交流

完成3 個任務(wù)后，學(xué)生需要以小組的形式匯報交流學(xué)習(xí)成果。主要包括以下2 個方面：①不同階段實驗方案的對比。學(xué)生需要對比任務(wù)2 和任務(wù)3 的實驗方案，可以從影響因素是否考慮全面、因素操作參數(shù)設(shè)置是否合適、文字表達是否完整、2 次方案主要變化等方面匯報實驗方案的特點和不足，總結(jié)影響因素和設(shè)計實驗方案注意事項。②總結(jié)歸納復(fù)雜問題解決思路。回顧3 個任務(wù)的完成過程，明確每個任務(wù)目的，總結(jié)解決問題的思路和方法。

設(shè)計意圖：項目成果是圍繞項目課程目標設(shè)計的。發(fā)展學(xué)生對實驗條件的認識、提高探究方案設(shè)計能力和體會復(fù)雜問題解決的思路和方法是本項目課程的目標，所以在設(shè)計成果交流時，需要涵蓋這些目標。為了評價學(xué)生是否達成這些目標及達成程度，可以讓學(xué)生進行文字表述和語言表達，將內(nèi)隱的學(xué)習(xí)成果外顯出來。

反思與討論

依據(jù)真實問題解決的思路和環(huán)節(jié)規(guī)劃項目任務(wù)

真實問題的解決過程往往符合邏輯，環(huán)環(huán)相扣，體現(xiàn)科學(xué)家的思維過程。教師根據(jù)真人解決問題的策略、取得成就的大小等給解決過程劃分階段，找到關(guān)鍵環(huán)節(jié)和核心思路，依此規(guī)劃任務(wù)、環(huán)節(jié)和活動。

依據(jù)學(xué)生已有認知、課程目標和材料特點綜合處理真人真事素材

挖掘到的真人真事很多情況下并不能直接用作學(xué)生活動，需要根據(jù)實際情況進行篩選和處理。例如，在預(yù)測影響因素活動中，考慮到任務(wù)目標是預(yù)測影響因素，所以將真人真事實驗方案中繁瑣的工藝流程刪去，素材內(nèi)容作刪減處理。

依據(jù)課程目標設(shè)計評價內(nèi)容

本項目課程目標之一是培養(yǎng)并發(fā)展學(xué)生的探究方案設(shè)計水平，所以需要以此作為評價內(nèi)容。例如，在任務(wù)2 中設(shè)置了設(shè)計實驗方案活動，并讓學(xué)生按要求填寫表格，以此反映學(xué)生對因素認識是單一還是綜合、因素確定的依據(jù)是否科學(xué)、參數(shù)設(shè)計是否合理等評價內(nèi)容。