基于AI 學智能教學平臺的初中化學項目化學習實踐研究
——以“碳循環和低碳行動”的教學為例

黃躬芬 陳思滔

（1.閩侯縣實驗中學，福建 閩侯 350100；2.閩侯縣教師進修學校，福建 閩侯 350100）

一、項目主題的研究背景

項目化學習（Project-Based Learning）是指在一段時間內對學科或跨學科相關的驅動性問題進行深入和持續的探索，調動學生知識、能力、品質來創造性地解決問題，并且在形成真實成果的過程中，對核心知識和學習歷程有深刻的理解。［1］從核心素養的維度來看，項目化學習注重解決真實情境中的問題，培養學生適應個人終身發展和社會發展所需要的關鍵能力和必備品格。

習近平主席在第75 屆聯合國大會指出：應對氣候變化，中國將采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。如何讓學生理解“碳循環”“碳達峰”“碳中和”并踐行低碳行動？

初中化學課程標準中，要求“以自然界中的碳循環為例，知道物質在自然界中可以相互轉化，及其對保持人類生活與自然環境生態平衡的意義”。［2］從課程視角分析，CO2是中學化學的核心知識之一。教材設置了“探究活動”（我們的呼吸作用）、“知識視窗”（溫室效應、低碳經濟和低碳生活）和知識欄目“空氣污染危害大”“保護大氣環境”“二氧化碳對人類生活和環境的影響”“自然界中碳循環是怎樣進行的”“化石燃料燃燒對環境有何影響”“能源”等。不難看出，教材有關“CO2及其對環境影響”的知識是分散的、零碎的、遞進式的。學生通過學科間的知識積累，雖然對自然界的生物圈碳循環已初步了解，但對水圈、巖石圈碳循環的了解不全面，對含碳元素物質間的轉化途徑也是碎片化的、模糊的，不易形成以物質性質和轉化為核心的認識模型；學生雖然了解新能源的開發與應用的價值與意義，但對新時代背景下的節能減排、碳補償等國際行為的概念不清晰，對如何減緩溫室效應，了解碳中和，低碳行動等社會性科學議題是陌生的、難理解的。

鑒于此，開展以“碳循環和低碳行動”為主題的項目化學習，具有重要的現實意義。

二、項目的設計和實施

（一）項目化學習目標定位

本主題學習重點是：探尋自然界中的“碳循環”及含碳物質間的相互轉化的應用；了解“碳中和”“碳補償”等時代名詞，學會應用“碳循環”原理探討控制CO2含量、減緩溫室效應的措施，制訂低碳行動方案。具體目標如表1。

表1 “碳循環和低碳行動”項目化學習的目標

（續表）

（二）項目化學習設計思路

項目化學習是一個基于問題解決的學習過程。［3］本主題的項目化學習，應用智能教學平臺，通過自學低碳、共探低碳、共訂方案三個實踐環節，開展情境問題啟發式、數字化實驗探究式、物質轉化模型建構式及線上線下混合式的項目化學習。具體學習思路進階展示如圖1。

圖1 基于AI 學教學平臺的“碳循環和低碳行動”項目化學習思路進階展示

（三）項目化學習實施過程

項目活動一：探尋“碳循環”的奧秘

【任務1】課前自學，初步了解碳循環及低碳行為

［學生］應用平板閱讀資料、觀看紀錄片《紅線——碳排放》，完成如下問題探究。

（1）自然界中CO2的產生途徑和消耗途徑。并嘗試畫出自然界中的碳循環圖。

（2）什么是溫室效應？它的“利”和“弊”分別有哪些？哪些是溫室氣體？

（3）“低碳”，主要指的是什么？目前，人類的哪些行為導致了CO2含量的增加？要減少大氣中CO2的含量，我們能做點什么？（從CO2循環角度分析）

【任務2】感知自然界中的生物圈、水圈、巖石圈碳循環

［情景問題］北京飯店的建造中發現距今29285 年的榆樹，思考：大氣CO2中的C-14 是如何進入榆樹？放射性元素碳-14 與榆樹年齡有關系？

［教師］播放“生物圈碳循環”視頻，展示生態球（如圖2），并拋出問題:大氣中CO2如何在生物圈中進行轉化的？有幾種循環途徑?球內的小魚為何能生存很長一段時間？

圖2 生態球

［學生］通過閱讀資料、觀看視頻，以小組為單位，討論分析，共同推導生物圈碳循環的六種途徑（如圖3），并解釋制作生態球原理。

圖3 生物圈碳循環途徑

［學生］閱讀資料，思考問題：大氣中CO2與海水發生了哪些反應?海洋是CO2很好的儲庫，當CO2含量升高時，對海洋的生態平衡會造成什么影響？完成水圈碳循環圖。

［學生］閱讀資料，討論分析：CO2在巖石圈是如何循環的？完成巖石圈碳循環圖的信息填寫。

［教師］展示溶洞（鐘乳石、石筍）景觀圖，提出問題：溶洞里奇妙的景觀是怎么形成的？與碳循環有關系嗎？你能寫出物質間相互轉化的化學方程式嗎？

（小結）觀察生物圈、水圈、巖石圈碳循環的物質轉化圖（如圖4），厘清從化學角度看，實現碳循環的途徑就是含碳物質轉化時發生的化學反應。

圖4 自然界碳循環的物質轉化圖

【任務3】感受CO2引起溫室效應加劇及其帶來的影響

［學生］通過查閱資料，了解《巴黎協定》《哥本哈根協議》等國際公約的提出背景，理解低碳行動是一種國際合作行為。

［學生］觀看視頻“溫室效應的影響及原理”，感受氣候變化的嚴峻性和危害性。

［教師］提出問題：CO2真能讓地球變暖嗎？提供給學生相關儀器和設備，并給出相應的實驗指導。

［學生］設計實驗方案，利用手持技術——溫度傳感器演示對比實驗，得出結論：CO2含量增大能升高環境溫度。

［學生］溫室效應的利和弊有哪些呢？小組討論，相互合作，分享結果，從不同角度分析整理出溫室效應的利和弊。

【設計意圖】通過課前導學發展學生自學能力，關注熱點問題，結合化學、生物、地理知識理解相關概念，初步形成低碳行動的價值認同；故事、資料、實物等真實情境引發的問題探究，引導學生通過對自然界碳循環的系統分析，建立CO2轉化的認識模型，同時拓寬多學科知識；通過觀看視頻深化對溫室效應利弊的理解，手持技術實驗探究，直觀感受溫室效應，培養科學精神與社會責任，發展模型認知素養。

項目活動二：開展低碳行動

【任務1】感悟低碳行動及碳“捕捉”技術的價值和意義

［教師］介紹國內首個規模最大的燃煤電廠——國華電力每年15 萬噸碳捕集和封存示范項目

［學生］思考問題：可采用什么方法來吸收CO2？采用海底封存CO2的原理是什么？

利用碳循環圖（如圖5），從減少排放和增大吸收兩方面分析，應該采取哪些途徑來控制空氣中CO2含量？

圖5 自然界碳循環圖

［學生］隨堂檢測（利用平板完成）:下列行為屬于“低碳”行為的是（ ）

①開發“零碳”能源代替化石燃料 ②裝修時，減少木材的使用③減少使用一次性紙盒、塑料袋 ④短時間內不用電腦，關閉顯示器 ⑤出行騎自行車

［學生］理解節約能源與低碳的關聯，進一步了解低碳行動的范疇。

【任務2】理解碳中和，制訂低碳行動方案

［教師］中國低碳行動的目標：CO2排放量在2030年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。什么是“達峰”和“碳中和”呢？如何實現這個目標？各小組從個人、國家、國際三個層面分析，制訂出“低碳行動”方案。

［學生］（課后研學）閱讀并查找資料，理解“達峰、碳中和”等相關名詞。小組合作，共同分析、討論，制訂“低碳行動”方案，并將方案上傳平臺，互相學習。

【設計意圖】通過對碳捕集、封存技術的了解，體會科學原理和科技進步在解決問題中的重要作用，發展科學價值觀，建構科學、技術、社會、環境之間的關系，提升可持續發展觀念；通過平臺檢測，直觀反饋學生對“低碳”行為的理解；通過對碳循環圖的分析，充分理解碳元素守恒及CO2為核心的物質轉化，發展元素觀和變化觀；從碳循環到CO2的轉化，再到認識模型，結構化地展現了碳中和思想及與具體行動間的關系；通過制訂低碳行動方案，持續關注社會熱點問題，提高合作交流能力，認識到應用科學知識解決問題時，應遵守正確的價值觀、社會責任，兼顧個人與國家、國家與國際的利益關系，促進發展國家認同和國際理解的素養。

三、實踐反思

（一）依托AI 學智能教學平臺，推進項目化學習

1.課前導學，任務驅動，精準設計

通過AI 學平臺課前導學功能，將導學資料、作業等在課前推送給學生，可有效培養學生閱讀、理解、信息提取、加工處理能力，充分展現學生的自學水平。依托AI 學平臺，通過導學報告，教師充分了解學生預習和學科間知識儲備情況，更精準地設計項目化學習任務。

2.課中探究與檢測，實現教學評一體化

通過AI 學平臺，作者應用隨機點名功能，隨機抽樣檢查碳循環中物質間的轉化以及溫室效應利和弊的分析等等，了解學生學情。通過平臺發送隨堂檢測，依據系統批改的檢測結果，快速捕捉學生對“低碳”行為與節約能源關聯性的理解薄弱點，當堂進行補充教學。利用教學平臺，充分發揮大數據的作用，將過程性評價與項目化學習深度融合，真正實現教學評一體化，提高學習效率。

3.課后研學，實現自我超越

本項目化學習以制訂低碳行動方案為學習任務，將學習延伸至課外，包括資料查閱、視頻觀看、分析整理、小組合作、共同討論制訂方案。作者通過整合資源，如學習資料、視頻等，利用AI 學平臺發送給學生，并利用平臺的分組功能以小組討論的方式，課后通過分析科技進步和人類活動對碳循環的影響，制訂低碳行動方案，實現項目化學習的自我超越。

（二）提升科學素養，實現育人功能

項目化學習的定位就從小的驅動性問題開始，逐步將“知道什么”和“能做什么”聯系起來，用“能做什么”驅動學生不斷去主動學習和積極探索，學會學習和思考。［4］文章以碳循環為主線，通過觀看紀錄片《紅線——碳排放》及“碳循環”的資訊，完成溫室效應、碳循環、“低碳行為”的相關問題，培養學生的閱讀、分析、解決問題能力；通過視頻、資料卡信息提取解決生物圈、水圈、巖石圈碳循環的物質轉化問題，完成建構碳循環的模型認知能力；手持技術實驗探究培養了學生動手、觀察和分析問題能力；層層遞進式的真實情景和問題驅動，不斷深化項目化學習內容的進階思維（如圖6）。二氧化碳等溫室氣體過量排放導致氣候變暖等環境問題引發的社會性議題和人類共同面對的不確定性挑戰，促進學生科學認知并樹立可持續發展思想。學會分析和思考：要節能減排，從微觀視角，個人能做什么，不能做什么？從宏觀視野，相關部門可以采取哪些措施，可以在哪些方面改進？爭取哪些方面的國際支持？

圖6 “碳循環和低碳行動”項目化學習內容的進階思維流程

當然，在義務教育階段開展項目化學習的實踐中，還存在許多問題，有時甚至陷入困境。其一，項目化學習的內容選擇有待優化，教師需要選擇性地創設主題，重組課內外資源，選擇與生活、時代相關素材知識讓學生進行深度學習并付諸實踐；其二，需要保障學生進行項目化學習的時間，把具體問題置于一定的情境中，以學生活動為中心，給學生發言權和選擇權，才能使學生學有所得；其三，應加強項目化學習的過程性評價，學生個體差異大，在自主探究中遇到問題各不相同，教師要分配不同的學習任務讓各層次學生發揮所長，及時疏導和幫助學生尋找解決辦法，獲得小成果要及時給出肯定，這樣才能充分調動學生的積極性和主動性。

課程標準是藍圖，是規劃，而教材設計、課堂教學和項目化學習活動基于現實，這中間的鴻溝需要教師去填補，“打鐵還需自身硬”，教師需要不斷進取，為教而學，不斷提升專業能力。一是圍繞基礎教育教學改革的重點任務、熱點難點以及影響化學教學質量的瓶頸問題，深入調研，提出有意義的項目化學習內容；二是堅持效果導向，面向全體學生，全面宣傳科學教育理念，傳授行之有效的學習方法，幫助解決學生學習實踐中的困惑和問題。