STEM 視域下高中化學(xué)“微項目”式學(xué)習(xí)實踐研究
——以“論證重污染天氣‘汽車限行’的合理性”為例

張 昕 葉燕珠 劉建桂 蔣蘇延

（1.三明市第二中學(xué)，福建 三明 365000；2福建教育學(xué)院，福建 福州 350025；3.泉州第五中學(xué)，福建 泉州 362000；4三明市第二中學(xué)，福建 三明 365000）

魯科版化學(xué)系列教材，在每一章章末都給出了一個“微項目”，這些“微項目”往往是生產(chǎn)、生活中的化學(xué)相關(guān)議題。如何利用好這些“微項目”，既做好章末知識的小結(jié)、復(fù)習(xí)，又能夠更高階地落實化學(xué)核心素養(yǎng)，是高中化學(xué)教師亟待解決的問題。

項目式學(xué)習(xí)是學(xué)生圍繞特定的學(xué)習(xí)項目自主選擇學(xué)習(xí)資源，通過學(xué)習(xí)、探究、吸收、實踐、創(chuàng)新等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)高中化學(xué)核心素養(yǎng)的落地。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010－2020）》明確了“堅持以人為本，推進素質(zhì)教育”是教育改革發(fā)展的戰(zhàn)略主題，目的為提高學(xué)生創(chuàng)新精神和解決問題的實踐能力；加強對于能力的培養(yǎng)的同時，極力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)、實踐、創(chuàng)新能力。化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中提出的“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”則對學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)提出了更高層次的價值要求。

STEM 教育是一種整合了科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）和數(shù)學(xué)（Mathematics）領(lǐng)域內(nèi)容用以指引教學(xué)與學(xué)習(xí)的途徑和方法。我國的STEM 教育本土化研究起步較晚，實踐探索比較缺乏。隨著發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)理念研究的深入，依托工程設(shè)計的方法，把學(xué)生需要掌握的科學(xué)知識、方法整合成具體的項目，使學(xué)生在科學(xué)探究和工程設(shè)計過程中開展解決核心問題的活動越來越多地出現(xiàn)在教學(xué)實踐當(dāng)中。［1］加強STEM 教育理念在物理、化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究尤為重要。

魯科版（2017 課標(biāo)版）必修第一冊“微項目”——“論證重污染天氣‘汽車限行’的合理性”，探討與化學(xué)相關(guān)的社會熱點問題，契合了這一要求。如何用好這一“微項目”，落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)，成為值得深入研究的問題。通過一段時間的理論學(xué)習(xí)與教學(xué)實踐，筆者所在的教學(xué)團隊初步構(gòu)建出了“科技搭臺、實驗唱戲、立足教材、個性探究”，將科學(xué)技術(shù)與工程數(shù)學(xué)相融合的教學(xué)模式。學(xué)生可以更加自主地在已有知識體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合高中生思維特點和海量的網(wǎng)絡(luò)資源，去獲取新知、實踐創(chuàng)新。并能把獲得的知識和經(jīng)驗有效遷移應(yīng)用到解決生活問題中去，最終達(dá)到促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展的目的。［2］下面以該“微項目”為例，試加闡釋。

一、“微項目”教學(xué)主線

汽車尾氣污染是一個多年的環(huán)境保護議題。造成汽車尾氣污染的成分有哪些？它對環(huán)境的危害如何？汽車生產(chǎn)廠商是如何設(shè)計處理的？處理的效果如何？如何破解都市的“尾氣病”？這涉及了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的相關(guān)知識，同時這也是學(xué)生極有興趣的問題。通過前期部分元素化合物、氧化還原知識的儲備，學(xué)生已經(jīng)初步具備了探究這些問題的能力，該項目式學(xué)習(xí)是以“調(diào)查了解—理論分析—科學(xué)探究—實踐比對—分析研討—提出方案”為主線，引領(lǐng)學(xué)生在真實情境中應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等方面知識動手研究并最終解決這些問題，進而發(fā)展學(xué)生的STEM 素養(yǎng)。

二、“微項目”教學(xué)流程

本項目共分為三個環(huán)節(jié)：環(huán)節(jié)一，了解汽車尾氣的構(gòu)成；環(huán)節(jié)二，探究汽車尾氣的處理；環(huán)節(jié)三，分析汽車尾氣涉及的經(jīng)濟、社會問題。具體設(shè)計如下：

［環(huán)節(jié)一］由汽車上線年檢，了解汽車尾氣的構(gòu)成。

任務(wù)1：通過網(wǎng)絡(luò)了解汽車尾氣的檢查項目。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生探究興趣。

任務(wù)2：觀看實地拍攝的車檢數(shù)據(jù)圖片分析汽車尾氣的主要污染物。

設(shè)計意圖：基于對真實數(shù)據(jù)的證據(jù)推理，證實汽車尾氣中確實存在某些污染物，如：CO、NO、PM（微粒）……以及溫室氣體HC（碳?xì)浠衔铮O2……

任務(wù)3：結(jié)合已有知識，指出尾氣的危害。

設(shè)計意圖：學(xué)生在已有知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，更加真實地體會到人類活動對環(huán)境的影響。通過化學(xué)問題的社會實踐活動落實“綠色化學(xué)”觀念。

環(huán)節(jié)一中，“汽車尾氣”是一個既熟悉又陌生的話題，熟悉的是它的名字，陌生的是它的組分。通過網(wǎng)絡(luò)與實踐探究，將汽車年檢這一工程技術(shù)問題落實到科學(xué)層面，把這一話題導(dǎo)向剛剛完成的“氮及其化合物”的學(xué)習(xí)當(dāng)中。在復(fù)習(xí)含氮物質(zhì)性質(zhì)的過程中，使學(xué)生對它們與環(huán)境的關(guān)系有了更深的認(rèn)識。這一過程中，用證據(jù)說話，基于事實推理出汽車尾氣與相關(guān)環(huán)境問題的必然聯(lián)系。激發(fā)學(xué)生保護環(huán)境、構(gòu)建“綠色化學(xué)”的觀念，落實社會責(zé)任核心素養(yǎng)。

［環(huán)節(jié)二］巧用“價一類二維圖”，探究汽車尾氣的處理。

任務(wù)4：構(gòu)建氮元素的價一類二維圖，引導(dǎo)學(xué)生指出對環(huán)境友好和有一定危害的含氮物質(zhì)，并對各物質(zhì)的氧化、還原性進行分析。

設(shè)計意圖：“價一類二維圖”是一個典型的數(shù)學(xué)建模方式。它可以幫助學(xué)生系統(tǒng)化、條理化地認(rèn)識和理解含氮物質(zhì)及其性質(zhì)，構(gòu)建基于氧化還原理論的物質(zhì)模型認(rèn)知。并運用這一認(rèn)知分析含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)和規(guī)律，即可通過氧化或還原手段將某一價態(tài)的含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另一價態(tài)的含氮物質(zhì)。

任務(wù)5：利用價一類二維圖（如圖1）預(yù)測出汽車尾氣中的NOX 轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好物質(zhì)（如N2等）的理論途徑。

圖1 氮及其化合物的“價一類”二維圖

設(shè)計意圖：數(shù)學(xué)建模論證工程、技術(shù)問題。運用價一類二維圖為理論指導(dǎo)，通過含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化的預(yù)測分析，幫助學(xué)生理解物質(zhì)變化的規(guī)律，構(gòu)建變化觀念。從實際問題出發(fā)，引領(lǐng)學(xué)生自主設(shè)計探究方案，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究和創(chuàng)新意識。結(jié)合“任務(wù)1”的氧化還原模型認(rèn)知，提出可將NOX還原為環(huán)境友好物質(zhì)——N2，從而確定本環(huán)節(jié)研究的原料物質(zhì)及目標(biāo)產(chǎn)物。

任務(wù)6：依據(jù)理論分析，結(jié)合汽油車三元催化器、柴油車尿素SCR（選擇性催化還原）（如圖2）工作原理，用化學(xué)方程式描述尾氣處理的原理，并描述出二者原理上的異同。

圖2 柴油車SCR 催化反應(yīng)器原理圖

設(shè)計意圖：從理論到實踐，使學(xué)生體會到研究的獲得感和成就感。汽油車三元催化器中的CO 和柴油車中的車用尿素，同樣都是還原劑，都是將NOX還原為環(huán)境友好物質(zhì)——N2，不同點在于一個是利用汽油機工作廢氣，一個是外加還原劑。對比汽油、柴油車尾氣處理方式的異同，引領(lǐng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計方案有價值的閃光點，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識。在原理分析中，通過NO 殘留讓學(xué)生認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)的限度和速率的可控性問題，在解決實際問題的同時，幫助學(xué)生建構(gòu)變化觀念，形成平衡思想，實現(xiàn)化學(xué)核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中的落地。

環(huán)節(jié)二中，集中體現(xiàn)了STEM 對于解決實際問題的指導(dǎo)意義，在數(shù)學(xué)建模“價一類二維圖”的模型認(rèn)知下，通過已有的科學(xué)知識，運用合理的技術(shù)手段解決實際工程問題。解決問題的主線就是價一類二維圖。價一類二維圖最大的意義，不在于傳統(tǒng)的總結(jié)、復(fù)習(xí)含某一元素的相關(guān)物質(zhì)，而在于通過氧化還原以及化合價變化的模型認(rèn)知，分析真實存在的問題，給出解決問題的思路與方法。通過對原料物質(zhì)及目標(biāo)產(chǎn)物的化合價分析，確定采取氧化或還原手段。此時，引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識、技能，通過資料檢索、合作探究，提出充滿自身智慧閃光點的個性方案。教師再以工業(yè)實施方案為參考標(biāo)準(zhǔn)，及時評價設(shè)計方案，相符的給予肯定，差異化的找出亮點，激發(fā)學(xué)生對于科學(xué)研究的向往，從而真正落實科學(xué)探究與創(chuàng)新意識維度的核心素養(yǎng)。

［環(huán)節(jié)三］從“大眾尾氣造假門”，分析汽車尾氣涉及的經(jīng)濟、社會問題。

任務(wù)7：通過資料了解“大眾尾氣造假門”事件——人為控制只在汽車尾氣檢測時開啟尾氣處理而正常行駛時關(guān)閉尾氣處理，對造假原理進行理論分析。

設(shè)計意圖：運用尾氣處理學(xué)習(xí)中建立的模型認(rèn)知，分析“造假門”的原理與危害，指出通過人為技術(shù)手段控制尿素參與反應(yīng)是“造假門”的技術(shù)核心，其危害在客觀層面會導(dǎo)致大氣中NOX含量的增加引發(fā)一系列環(huán)境問題，主觀上是企業(yè)唯利是圖導(dǎo)致社會責(zé)任感的缺失。

任務(wù)8：引導(dǎo)學(xué)生從主、客觀方面分析尾氣超標(biāo)產(chǎn)生的原因。

設(shè)計意圖：從技術(shù)、工程的視角，對客觀存在和“有意為之”的不同角度，分析尾氣超標(biāo)的產(chǎn)生原因，如城市汽車保有量偏大、催化劑失效、尿素添加不足…，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、求實的科學(xué)態(tài)度。以“證據(jù)說話”的證據(jù)推理過程，引導(dǎo)學(xué)生“從問題和假設(shè)出發(fā)，確定探究目的，設(shè)計探究方案，運用化學(xué)實驗、調(diào)查等方法進行實驗探究”。［3］

任務(wù)9：結(jié)合身邊的事例，分析“汽車限行”的合理性，并給出自己的解決方案。

圖3 汽車限行合理性解決方案思維導(dǎo)圖

設(shè)計意圖：可以從數(shù)學(xué)的角度計算乘坐公共交通工具和私家車對環(huán)境的影響程度來分析；也可以從技術(shù)的角度探究新能源汽車和燃油車對環(huán)境的影響程度來分析。在正確價值判斷的基礎(chǔ)上，積極參與身邊涉及化學(xué)的社會問題的思考，培養(yǎng)社會責(zé)任。

環(huán)節(jié)三中，STEM 同樣可以用以探討影響力較大的社會熱點新聞，探究科學(xué)技術(shù)與社會責(zé)任的關(guān)系。通過對與化學(xué)相關(guān)的社會熱點問題做出自己正確的價值判斷，發(fā)展“綠色化學(xué)”觀念。通過對城市汽車尾氣超標(biāo)的客觀分析，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。有了正確的價值判斷，才能夠引導(dǎo)學(xué)生理性、科學(xué)地尋求解決問題的方案，對于設(shè)計方案的評價教師應(yīng)持開放式的態(tài)度，讓核心素養(yǎng)中的知識、能力培養(yǎng)與科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任真正融為一體。

通過上述課例可以看出，在STEM 視域下，將科學(xué)知識與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合，利用工程技術(shù)手段可以讓高中學(xué)生在真實的情境中探討與化學(xué)相關(guān)的社會熱點問題。在實際教學(xué)過程中，多數(shù)學(xué)生能夠積極參與探究活動，主動思考并與其他同學(xué)互助協(xié)作，共同尋求問題解決的方案，最終較高質(zhì)量地完成探究任務(wù)。由此可見，該“微項目”能有效地調(diào)動大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。通過對尾氣的成分和處理方法的探究，既可以幫助學(xué)生綜合理解氧化還原反應(yīng)機理，深化變化觀念并形成平衡思想，還可以培養(yǎng)學(xué)生基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”維度的核心素養(yǎng)。通過尾氣處理原理的分析可以幫助學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度；通過對限行方案合理性和合理建議的探討，可以落實化學(xué)學(xué)習(xí)更高層次的價值追求——社會責(zé)任。對于不同能力程度的學(xué)生，核心素養(yǎng)的落實情況也存在著逐級提升的效果。［4］教學(xué)中我們應(yīng)該更多地引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識參與探討與生產(chǎn)、生活緊密聯(lián)系的化學(xué)問題，從而真正高階地落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。