基于項目學(xué)習(xí)的中學(xué)化學(xué)教學(xué)設(shè)計與實踐
——以“制作簡單的燃料電池”實驗為例

曹 旭 翟宏菊 李珊珊 蘇 建 張金玲 王 鵬 孫德武

吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 吉林四平 136000

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》中指出真實情境是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要平臺。在新課程改革的背景下，為了使學(xué)生更適應(yīng)社會發(fā)展的需要，教師在考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況時，不僅要注重學(xué)生的文化水平，更要注重學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展情況。化學(xué)實驗作為高中化學(xué)教學(xué)中與真實情境銜接最為緊密的部分，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑，但是在傳統(tǒng)的化學(xué)實驗教學(xué)中，學(xué)生往往只是在教師的安排下機械地操作實驗，沒有將實驗活動與真實情境相關(guān)聯(lián)，不能達到發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)效果。項目式教學(xué)即基于項目的學(xué)習(xí)(ProjectBased-Learning)，簡稱PBL，是一種學(xué)生自主探究解決實際問題的教學(xué)方式，與傳統(tǒng)教學(xué)相比，項目式教學(xué)是學(xué)生面對真實問題展開的探究過程。在項目式教學(xué)過程中，學(xué)生在項目任務(wù)的引領(lǐng)下主動參與項目活動，自主開展合作探究活動，從而達成對真實情境中的問題解決。

以“制作簡單的燃料電池”實驗項目為例，通過項目式教學(xué)方式，學(xué)生學(xué)會制作簡單的燃料電池，并探討如何在高中化學(xué)實驗課程中開展項目式教學(xué)。

一、項目式教學(xué)的設(shè)計原則

(一)時代性原則

項目式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計需要體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特點，緊跟新時代與教學(xué)內(nèi)容的步伐。化學(xué)學(xué)科從發(fā)展有一定的時間規(guī)律，以“制作簡單的燃料電池”項目為例，世界正面臨能源危機與環(huán)境危機，氫燃料電池因其能量高、污染少而受到追捧，項目式教學(xué)的設(shè)計需要賦予化學(xué)發(fā)展時代烙印選擇新聞熱點，使學(xué)生從新時代的角度審視化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

(二)真實性原則

項目式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計必須與生產(chǎn)生活有緊密的聯(lián)系。例如，在“制作簡單的燃料電池”項目中，燃料電池的應(yīng)用背景是學(xué)生可以感知的真實情境，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)一個真實的情境，講述真實故事，拋出真實問題。

(三)可接受性原則

項目式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計必須考慮學(xué)生的可接受性，適合學(xué)生的發(fā)展水平，滿足學(xué)生的認知需要。例如，在“制作簡單的燃料電池”項目中，可以以簡單的音樂卡機芯作為燃料電池供電的工具，而不是為了一味地追求專業(yè)性而選擇較為復(fù)雜和難以實現(xiàn)的設(shè)備。

二、項目內(nèi)容主題分析

(一)教學(xué)分析

本次實驗內(nèi)容基于高中化學(xué)人教版選擇性必修1實驗活動5“制作簡單的燃料電池”。該實驗涉及氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、電化學(xué)等內(nèi)容，概念較為繁多，學(xué)生對繁多的概念容易產(chǎn)生混淆。但是其中的電化學(xué)及其產(chǎn)品與生產(chǎn)和生活實踐聯(lián)系緊密，如能源、材料等領(lǐng)域都離不開電化學(xué)，這為項目式教學(xué)的開展提供了真實的生活生產(chǎn)情境素材。通過“制作簡單的燃料電池”的媒介，將“復(fù)習(xí)”“設(shè)計”和“制作”連接起來，用分任務(wù)的形式，環(huán)環(huán)相扣地引導(dǎo)學(xué)生以小組模式設(shè)計實驗、操作實驗、反思實驗，使學(xué)生將實踐與應(yīng)用相結(jié)合，系統(tǒng)化學(xué)生的所學(xué)知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

(二)學(xué)情分析

首先，學(xué)生操作實驗之前，在高中化學(xué)選擇性必修1第四章“化學(xué)反應(yīng)與電能”中學(xué)習(xí)了原電池的反應(yīng)原理及一些簡單的化學(xué)電池的工作原理；其次，學(xué)生在“科學(xué)·技術(shù)·社會”資料卡片中展示的“發(fā)展中的燃料電池”了解燃料電池的優(yōu)點，在自己動手制作燃料電池之前有充分的關(guān)于燃料電池知識儲備，但是學(xué)生尚不能將認識與實踐相結(jié)合。因此，學(xué)生需要在項目式教學(xué)下設(shè)計和制作一個氫氧燃料電池，進而更好地形成“氧化還原與電化學(xué)”的知識體系，發(fā)展自身的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

(三)項目目標(biāo)

在高中化學(xué)課堂中開展項目式教學(xué)應(yīng)以化學(xué)核心素養(yǎng)為起點來確定項目目標(biāo)。本次采用項目式教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生完成制作簡單的燃料電池實驗，主要培養(yǎng)學(xué)生以下核心素養(yǎng)：

(1)宏觀辨識與微觀辨析：能從宏觀和微觀相結(jié)合的角度分析和解決氫氧燃料電池的制作問題。

(2)證據(jù)推理和模型認知：了解原電池及常見的化學(xué)電源的工作與原理，建立氫氧燃料電池的模型。學(xué)會從資料中篩選內(nèi)容，推理并選擇制作氫氧燃料電池的實驗用品。

(3)科學(xué)探究和創(chuàng)新意識：從現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)出發(fā)，探究制作氫氧燃料電池過程中化學(xué)反應(yīng)原理和實驗方法，設(shè)計和制作一個氫氧燃料電池。

(4)科學(xué)精神和社會責(zé)任：通過認識到氫氧燃料電池對于生產(chǎn)生活的重要性，認識化學(xué)能與電能互相轉(zhuǎn)化的實際意義及其重要應(yīng)用。

三、項目流程設(shè)計

燃料電池在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用，在設(shè)計項目流程時，要將本課的教學(xué)內(nèi)容與生活實際相聯(lián)系，并且在設(shè)計項目流程時，還應(yīng)該根據(jù)課堂條件、學(xué)生的實際水平等進行調(diào)整，確保每個項目任務(wù)都能有效完成。“制作簡單的燃料電池”項目式教學(xué)流程見表1。

表1 “制作簡單的燃料電池”項目式教學(xué)流程

四、項目式教學(xué)的實施

(一)課前預(yù)習(xí)

學(xué)生在課前通過教科書和網(wǎng)絡(luò)資源，了解燃料電池的工作原理及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

本階段學(xué)生可以使用的材料：

(1)人教版高中化學(xué)必修2、選擇性必修1。

(2)網(wǎng)絡(luò)視頻《科創(chuàng)中國——氫燃料電池》《氫燃料電磁原理及前景》等。

(3)中國知網(wǎng)、百度搜索引擎查詢?nèi)剂想姵氐馁Y料。

(二)情境引入

相比傳統(tǒng)的化石能源，氫能源具有可再生、低污染的特點，解決了國家能源安全問題和環(huán)境問題。利用氫能源可以制作燃料電池，在2022年北京東奧會中交通工具使用的就是由氫能源提供能量的氫氧燃料電池。這節(jié)課就由大家動手制作簡單的氫氧燃料電池，為音樂卡機芯提供電力。

(三)分組學(xué)習(xí)，拆解實驗任務(wù)

[教師]將學(xué)生分為兩人一組的小組，布置總?cè)蝿?wù)：制作簡單的燃料電池，引導(dǎo)學(xué)生拆解實驗任務(wù)。

[學(xué)生]依據(jù)課堂引入理解本次實驗的總?cè)蝿?wù)，并在教師的引導(dǎo)下拆解學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生產(chǎn)生驅(qū)動型問題：燃料電池的工作原理是什么？如何制作燃料電池？

(四)合作學(xué)習(xí)，完成項目任務(wù)

[任務(wù)一]溫習(xí)“氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)”學(xué)習(xí)內(nèi)容。

[教師]提出思考問題1：為什么要在制作氫氧燃料電池之前電解水呢？電解水時有什么安全事項需要注意？

[學(xué)生]電解水生成氫氧燃料電池需要的氫氣。為了實驗安全，收集氫氣時需要先驗純，要求氫氣純凈。

[教師]提出思考問題2：氫氧燃料電池的工作原理和電解水的原理的異同之處在哪里？

[學(xué)生]歸納總結(jié)電解水和氫氧燃料電池過程中的工作原理，列表比較，并選擇小組內(nèi)一人匯報。

[任務(wù)二]設(shè)計出與音樂卡機芯相連的氫氧燃料電池。

[教師]提出思考問題3：如何實現(xiàn)只用一個裝置就完成電解水以及氫能源的供電實驗?zāi)兀?/p>

[學(xué)生]用單刀雙擲開關(guān)切換回路或者設(shè)計一個并聯(lián)的電路，利用開關(guān)控制。

[教師]在開始實驗之前播放制作氫氧燃料電池的微課視頻，并演示實驗。

[學(xué)生]通過教材、演示視頻和教師的演示過程探究氫氧燃料電池制作方法，列出制作氫氧燃料電池需要的實驗器材以及實驗步驟，預(yù)測實驗現(xiàn)象及結(jié)果。設(shè)計結(jié)束后，由小組內(nèi)的另一人匯報設(shè)計好的實驗步驟，同時選取實驗用品和儀器。

[教師]檢驗學(xué)生設(shè)計的實驗過程及選取的實驗儀器，合格后為學(xué)生提供實驗儀器和藥品。

[任務(wù)三]制作一個與音樂卡機芯相接的氫氧燃料電池。

[學(xué)生]通過小組活動完成氫氧燃料電池的制作，電解水兩分鐘后連接音樂卡機芯進行放電實驗。

[教師]檢視每個小組的實驗操作情況，并給予有效的反饋。

[任務(wù)四]了解燃料電池技術(shù)的發(fā)明過程，展望燃料電池的發(fā)展方向。

[學(xué)生]搜尋與燃料電池技術(shù)發(fā)明過程有關(guān)資料，并根據(jù)自己的理解展望燃料電池的發(fā)展方向，整理成文檔或PPT。

(五)多元化評價

[學(xué)習(xí)評價]學(xué)生之間、小組內(nèi)根據(jù)對于本次實驗的貢獻度、參與度等多個方面互評，并通過及時完成作業(yè)的形式對自己的掌握程度進行自評，同時教師綜合課堂表現(xiàn)和作業(yè)完成情況對學(xué)生進行評價。“制作簡單的燃料電池”項目式教學(xué)評價表見表2。

表2 “制作簡單的燃料電池”項目式教學(xué)評價表

五、教學(xué)反思

利用所學(xué)知識制作簡單的燃料電池，是學(xué)生在學(xué)完氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)的基本概念和規(guī)律后，運用項目式學(xué)習(xí)進行復(fù)習(xí)教學(xué)的嘗試。學(xué)生根據(jù)項目任務(wù)“制作簡單的燃料電池”,圍繞燃料電池的基本原理、基本制作方式等對任務(wù)進行拆解，通過小組討論、代表發(fā)言，互相補充制訂方案，完成了簡單的燃料電池的制作。從教學(xué)過程中看，項目式教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力，發(fā)展了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，與此同時，通過拓展延伸，學(xué)生在解決問題時懂得化學(xué)在生產(chǎn)生活中的價值。從整體上看，項目式教學(xué)對教師的自身綜合能力要求較高，因此需要教師在了解項目式教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加自身的知識儲備，從多個角度進行項目目標(biāo)的分析、項目任務(wù)的設(shè)計、項目流程的安排，以及項目評價的實施，這樣才可以設(shè)計出符合學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的項目教學(xué)案例，完成項目式教學(xué)的實施。學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)并非一朝一夕可以培養(yǎng)的，需要教師在教學(xué)中逐漸滲透，為此教師可以采用項目式教學(xué)的方式在真實情境中開展高中化學(xué)實驗課程的教學(xué)，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。