基于項目式學習的高中化學教學設計

【摘" 要】 文章凸顯素養導向的課改理念，促進學生化學學科的核心素養，以“汽車尾氣與環境保護”為例的項目式教學設計，引領學生進行項目式學習。文章利用價類二維圖分析氮及其化合物的轉化關系，深入探討汽車尾氣的危害與處理，使學生感受到“學以致用，回饋社會”的理念與價值，并在解決問題的過程中發展學生的高階化學核心素養。

【關鍵詞】 項目式學習；化學學科核心素養；汽車尾氣

項目式學習（Project-Based Learning，簡稱PBL），來源于美國教育家杜威的教育理念——“從做中學”，是一種建構性的教和學的方式。項目式學習是指在教師的指導下，創設真實問題情境，讓學生自己動手解決項目。學生最開始要收集關于這個項目的信息，然后設計方案，最后進行項目實施，整個過程以項目為主線、教師起引導作用、體現了學生的主體地位。《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《標準》）提出化學教學要立足于學生的社會生活實際和未來發展的需求，基于生活中的真實情境提出問題，開展探究活動，培養學生的創新精神和動手解決問題的能力。項目式學習的教育理念和我國當前的教育改革相一致，有利于學生化學學科核心素養的落實，是未來中學化學課堂教學的必然趨勢。

一、項目式學習教學設計的原則與要素

（一）教學設計的原則

根據《標準》，項目式學習教學設計有利于化學學科核心素養的落實，體現“做中學”的教育理念。項目式學習教學設計充分體現了整體化學習，學生從頭到尾經歷整個項目的全過程，從頭到尾完整地做一件事情。由項目作品驅動，學生通過小組合作完成一系列子任務，然后進行整體性展示，整個項目實施過程充分體現“自主探究”“合作交流”“匯報展示”等活動要素。

最后，師生共同確定評價目標，項目式學習注重過程性評價，在主要節點上要設計相應的評價量規和評價量表，使定性與定量兼顧、綜合。

（二）教學設計的要素

確立項目，明確目標。培養學生能力素養的發展，教師設置一系列的驅動性問題，學生小組合作完成項目。

項目拆解。教師根據學生問題解決的思路、相關的核心知識以及能力素養的發展融合進行項目拆解。學生在問題的解決過程中自然地融入知識、技能的學習，因此相關的知識以及技能都有了相應的提升。

活動設計。教學設計的活動有各種各樣的類型，比如導引課、探究課、展示課等。

學習環境、資源、素材。在進行教學設計時要考慮到學生學習的場所、物品、實驗以及資料等。

評價設計。項目式教學設計時教師不僅要確立好項目，還要考慮教學評價設計，比如評價的內容、評價的任務、評價的標準以及評價的方式等。教師在進行評價設計時要根據外顯學生的做事過程與思維進行診斷，促進學生的發展。

二、項目主題內容分析

本課例教學主題選自高中化學人教版必修2第5章 “化工生產中的重要非金屬元素”第2節“氮及其化合物”。主要內容包括氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮、氨和銨鹽、硝酸、酸雨及其防治。根據物質類別研究氮的化合物，應用氧化還原反應原理，設計含氮化合物的轉化，提升學生“變化觀念”的化學學科核心素養。酸雨及其防治以及測定雨水的pH的研究與實踐活動，有意識地滲透資源的合理利用和環境保護的意識，促進學生“科學態度與社會責任”核心素養的發展。

“汽車尾氣與環境保護”這一項目主題是源于真實的生活情境，與學生的生活息息相關，這個項目主題包含“氮及其化合物”的性質及其相互之間的轉化關系，體現了研究物質性質及其相互之間轉化的思路，彰顯綠色化的教學思想與可持續發展的理念，承載“科學態度與社會責任”“變化觀念”的化學學科核心素養。

三、項目教學及評價目標

（一）教學目標

從物質的類別、元素的價態方面論證汽車尾氣是否會形成霧霾，掌握氮及其化合物之間的相互轉化，培養學生的科學探究意識與證據推理能力。學生通過對凈化尾氣技術的了解，意識到化學科學為環境保護貢獻出巨大的力量，樹立可持續發展理念，培養學生“科學態度與社會責任”的化學學科素養。同時，利用“價類二維圖”研究氮及其化合物之間的相互轉化，發展學生“變化觀念”的化學學科核心素養。

（二）評價目標

教師通過對學生收集信息，診斷學生認識物質的水平；觀察學生對氮及其化合物之間的相互轉化的討論，診斷并發展學生對物質及其轉化思路的認識水平；通過學生對汽車尾氣與環境保護的探討，診斷并發展學生解決實際問題的能力及其對化學價值的認識水平。

四、項目教學流程

【情境引入】 隨著我國工業化進程的迅猛發展，汽車已經悄悄地走進了人們的家中，越來越多的人在享受汽車帶來方便的同時，也面臨著一個前所未有的環境問題——汽車尾氣。霧霾天氣越來越嚴重，許多城市出臺了汽車限行的政策。面對汽車限行，你持怎樣的觀點呢？

【學生回答】 學生對于和生活緊密相關的問題非常感興趣，各抒己見。有的學生支持限行，可以減輕環境污染，還人們一片藍天；而有的同學不贊成限行，他們認為這樣做給出行帶來了不便，認為霧霾天氣不完全是由汽車尾氣造成的。

項目一：了解汽車尾氣的構成

【信息資料】汽車尾氣是汽車使用時產生的廢氣，其中的污染物有固體懸浮顆粒、CO、CO₂、碳氫化合物、氮氧化物、鉛及硫氧化合物等。尾氣在直接危害人體健康的同時，還會對人類生活的環境產生深遠影響。尾氣中的二氧化硫具有強烈的刺激性氣味，達到一定濃度時容易導致“酸雨”的發生，造成土壤和水源酸化，影響農作物和森林的成長。霧霾主要由可吸入顆粒物（PM）、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和碳氫化合物（CXHY）組成，它能使大氣渾濁，視野模糊并導致能見度降低。

【教師提問】汽車尾氣中的氮氧化物是怎么形成的？

【學生回答】 氮氧化物是空氣中的N₂在氣缸的高溫條件下被O₂氧化所形成。汽油的成分是碳氫化合物，不完全燃燒產生的是CO。

項目二：探究霧霾的形成

【交流討論】 從元素守恒、價態變化和物質類別變化思考，預測汽車尾氣如何轉化為霧霾中的硝酸鹽、銨鹽？并寫出相關的化學方程式。

【學生思考】 N₂+O₂高溫2NO

2NO+O₂=2NO₂

3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO

【學生疑問】 硝酸如何轉化為硝酸鹽呢？

【大膽猜想】 從物質類別的轉化角度思考，酸轉化為鹽需要加堿或堿性氧化物。空氣中存在堿性氣體NH₃，NH₃+HNO₃=NH₄NO₃。

【學生疑問】 空氣中為什么會存在NH₃呢？

【大膽猜想】 汽車尾氣中的CO和H₂O在發動機高溫的條件下會反應生成H₂。從化合價變化角度的出發，N₂需要加還原劑才能轉化成NH₃，H₂具有還原性，因此能反應產生NH₃。

【教師總結】 氨氣很大程度上推進了硫酸銨、硝酸銨等二次無機顆粒物的生成，所以氨氣是形成霧霾的重要物質。

【設計意圖】 結合具體的生活情境，增強學生探索未知知識的好奇心，雖然部分學生分析能力稍有欠缺，但是通過團隊協作，互幫互助，引導學生合理猜想，讓學生充分感受氧化還原反應與生活息息相關。

【信息資料】 大量工廠燃煤燃燒排放二氧化硫，而工業和汽車尾氣排放的氮氧化物能夠促進二氧化硫向硫酸鹽的快速轉變，在沙塵的作用下，氣體就變成了顆粒物，造成了重霧霾污染。

【小組合作探究】 利用“價類二維圖”探討NO2將SO2轉化為硫酸鹽的可能途徑。

途徑一：SO₂→H₂SO₃→H₂SO₄→（NH₄）₂SO₄

途徑二：SO₂→SO₃→H₂SO₄→（NH₄）₂SO₄

【教師總結】 大多數學生在學習氮及其化合物的相關知識，能夠梳理出途徑一。由于學生缺乏知識背景，少數同學能夠梳理出途徑二。根據信息情境，創設有梯度的學習任務，引導學生利用氧化還原反應的相關知識，推導氮及其化合物之間的相互轉化，意識到汽車尾氣給人的生活帶來了危害。

項目三：科學探究汽車尾氣的轉化

【學習任務】 利用“價類二維圖”思考能否將汽車尾氣中的氮氧化物轉變成沒有危害的物質再排放。

【學生分析】 根據氧化還原反應，氮氧化物具有氧化性，需要在還原劑的作用下可以轉化為N2，N2無污染可以排放在空氣中。汽車尾氣中有還原劑CO，反應方程式如：2NO+2CO=2CO₂+N₂。

【教師講解】這個氧化還原反應的反應程度很大，但是反應速率極慢。

【學生交流】根據信息查詢和生活中的日常經驗可知：汽車排氣系統中安裝了三元催化器，三元催化器可以加快尾氣處理的速率。

【交流討論】 三元催化器能夠把汽車尾氣排出的CO在高溫條件下轉變為無污染的CO₂，碳氫化合物轉化為無污染的H₂O和CO₂，氮氧化物轉化為N₂。三元催化器內部結構呈現蜂窩狀，表面涂了鉑、鈀、銠等貴金屬涂層，目的是增大氣體與催化劑的接觸面積，加快化學反應速率。

【學習任務】 根據催化劑的特點，分析汽車尾氣三元催化器有可能存在的缺點。

【交流討論】 鉑、鈀、銠等貴金屬成本高；催化劑有可能會失效，面臨更換的問題。

【資料證據】 三元催化器能夠處理90%的廢氣，但是不能控制氨氣的形成；催化劑使用時間長了會老化、失活。所以，盡管有三元催化器處理汽車尾氣，但還是會對環境造成污染。

【教師歸納總結】 通過對汽車尾氣的成分以及造成霧霾的學習，讓學生更加懂得保護環境的重要性。呼吁學生保護環境，人人有責。

通過上述課例可以看出，在真實的情境中探討與化學相關的社會熱點問題，學生都能夠積極參與到項目活動中，通過小組合作、主動思考，共同尋找解決問題的辦法，最后完成整個項目的任務。根據真實情境能夠有效地調動學生學習的積極性，通過對汽車尾氣的成分和處理方法的探究，既能夠加強學生對氧化還原反應的綜合運用，加深變化觀念與平衡的思想，還可以培養學生基于“證據推理與模型認知”的核心素養。對尾氣處理原理的深入分析能夠幫助學生形成嚴謹求實的科學態度；加強學生的社會責任感。在教學中，教師應該更多地引導學生把所學的知識運用到與生產、生活緊密聯系中去，從而真正落實化學學科核心素養培養。

參考文獻：

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