基于项目学习的化学综合实践活动课的教学实践

费嘉融

摘要：  以“柴胡抗菌洗手液的研制”为例，介绍在综合实践活动（选修）课程的教学中，基于项目学习的特点和形式，从校情学情出发，采用精心设计、提供支架、创设充裕的自主及合作学习时空等方法，引导、鼓励学生肩负任务，不断学习、历练，尝试用自己的智慧和能力去

挑战和解决真实情境中的问题，在跨学科综合实践活动中获得核心素养的进一步提升。

关键词： 项目学习; 综合实践活动; 创新实验课程; 柴胡抗菌洗手液

文章编号： 10056629（2024）04005507

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  项目学习背景

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》设置了必修、选择性必修和选修三类课程，其中选修课程有“实验化学”“化学与社会”“发展中的化学科学”三个系列［1］。课程方案指出，选修课程可由学校根据学生的多样化需求、当地社会经济文化发展的需要、学科课程标准的建议以及学校办学特色等开发设置［2］；可与校本选修课程、综合实践活动课程等统筹安排，开展学科内综合和跨学科综合的实践活动，提倡使用实验探究等方式开展主题性实践活动和项目式学习活动［3］。

基于校情和学情，我们选择“实验化学”作为化学选修课程开发的突破口，从上海中小学前沿科学前沿技术创新课程平台（简称“双前沿”平台）采集课程资源，将“中药功能化妆品的研制”引入高一化学实验选修课程，将化妆品的研制与传承中华文明及绿色化学的理念相结合，开发了校本化综合实践活动课程——“天然植物原料化妆品的研制”。借鉴高校科技创新人才的培养模式，采用项目式学习，创设尽可能充裕的学习与实践的时空，引导、鼓励学生用他们的智慧和知识去应对和解决真实情境中的挑战和问题，通过自主学习、合作完成项目获得知识和能力的提升。“柴胡抗菌洗手液的研制”就是该课程中的一个学习项目。经过六轮次的教学实践，取得了较好的学习效果。

2  项目学习规划

2.1  项目学习主题选择

香皂是学生熟知的洗涤用品，属于化妆品行列。但其使用因“香皂头”常被丢弃、遇水会溶化，浪费较多。为了提高香皂使用的便利性和利用率，液体香皂应运而生。

液体香皂主要用于洗手洗脸等，除了需要有好闻的气味和颜色，最好还能增加杀菌功能。我国的中医药学博大精深，不少中药具有抑菌功效。大家很快达成共识：研制一款具有中药杀菌功效的液体香皂（洗手液）不仅涉及大量的化学知识与技能，而且涉及微生物检测等生物学知识与技能等，综合实践特点凸显，不失为是一个有价值、适合高中生开展研究性学习的好项目。于是我们把创新项目学习的主题定为“柴胡抗菌洗手液的研制”。

该项目在高一下学期实施，此时学生已经历了基础课程的培训，学习了化妆品知识、制作原理，能进行简单的工艺流程设计，使用相关仪器设备开展实验，有较丰富的小组合作学习经验，迫切希望能够尝试研制各种类型的日化产品，经历更完整的综合实践活动课题项目。

“柴胡抗菌洗手液的研制”是一个真实情境下的复杂任务，需通过提炼若干味具有杀菌作用中药的有效成分，成功研制一款适宜的中药杀菌液体香皂并进行功效探究。为了完成该任务，学生需要经历拆解任务、查阅资料、市场调研、信息整合、实验探究、配方改进、操作流程设计、实施优化、产品检测、交流反思等一系列活动。在逐层递进的项目学习任务中，以问题为驱动，以活动为载体，模拟真实的化工生产过程，开展综合实验项目。发展学生的思考、表达、创造能力，切实提升学生的创新思维、调查研究能力、动手操作能力和丰富实践体验经历等。

基于项目学习的特点和形式，教师采用精心设计、提供支架、创设充裕的自主及合作学习时空等方法，引导学生始终肩负任务，不断学习、历练，在跨学科综合实践活动中掌握基本的化学实验方法和技能，体验实验探究的基本过程，进一步发展解决综合实验问题的能力，对发展学生化学学科核心素养有独特的价值。

2.2  项目学习目标制定

该项目主题下的学习内容涉及选修课程系列1“实验化学”中“主题3化工生产过程模拟实验”“主题4STSE综合实验”的相关内容。根据课标相关主题的内容要求及学业要求，结合学生已有知识及能力水平，制定如下项目学习目标：

（1） 通过“抑菌圈”实验检测柴胡提取液及其洗手液的抑菌效果，运用對照实验研究的方法开展跨学科融合实践，认识宏观辨识与微观探析的分析问题的方法。

（2） 掌握先进实验仪器的操作技能，掌握柴胡有效成分的提取方法，勤于实践、善于合作，发展运用化学知识和实验方法开展综合项目研究的能力。

（3） 开展资料查阅和自主学习，知道化妆品的配方体系，能进行洗手液配方的分析和改进，认识科学探究的过程。

（4） 设计并优化工艺流程，掌握柴胡抗菌洗手液的制取方法，经历多轮证据推理，发展思维能力，敢于质疑、勇于创新。

（5） 通过理化指标检测、感官体验活动，进行实验反思、成果交流与评价，形成严谨求实的科学态度，增强社会责任感，初步形成开展综合实践活动的基本模型。

2.3  项目学习活动过程设计

该项目拆解成四个逐层递进的任务。结合真实情境，布置具体学习活动如表1所示。

3  项目学习活动实践过程

3.1  引入课题，拆解任务

在项目启动阶段，让学生了解该项目研究的意义和价值，唤起内心解决相关问题的积极性，明确肩负的研究任务是至关重要的。

［创设情境，问题引导］提供学生熟悉的家用肥皂、蓝月亮液体香皂、白猫洗衣粉配制的样品（按1∶10稀释），学生分组实验，测得样品液的pH分别为：肥皂8～9，液体香皂6～7，洗衣粉溶液11～12。

提出问题：请说说平时洗手喜欢用肥皂还是洗手液？谁的去污效果更好？为什么？

学生答案五花八门，所述理由也缺乏科学依据。

［教师支持］提供资料：洗衣粉的去污效果最好，但碱性大，易伤手。去污能力除了跟酸碱性有关，还与表面活性剂有关，乳化剂就是一种表面活性剂。

［实验演示］演示油、水发生乳化过程的实验。结合生活常识，剖析化妆品的乳化体系，介绍洗涤剂中表面活性剂的去污原理。

［师生交流，拆解任务］该项目学习要达到的预期成果是：（1）提炼若干具有杀菌作用中药的有效成分；（2）试制一款适宜的中药杀菌液体香皂（洗手液）。

为了达到上述预期的项目成果，该从哪些角度进行研究？如何规划研究过程？

学生经讨论后一致认为，本项目可以拆解为柴胡是否真的具有抗菌能力、怎样提取柴胡有效成分、如何制取柴胡抗菌洗手液、如何进行产品功效检测等四个逐层递进的项目任务。接着进入以问题为驱动，以活动为载体的真实情境下的问题解决过程。

3.2  探究柴胡的抑菌能力

这一阶段，教师先行积累资源，着力于教给学生做相关对照实验的方法，指导他们开展有效的跨学科小组合作学习。

3.2.1  活动1：资料查阅、市场调研，了解柴胡的抗菌作用

［问题引导］柴胡的主要功效有哪些？你常用的洗手液中哪些成分具有抗菌功效？选用柴胡作为抗菌成分的优势是什么？

［学生汇报交流］洗手液中的灭菌有效成分，通常采用化学合成试剂。经市场调研，发现市售产品主要都以酚类产品或苄基类（如苯扎氯铵）为主。例如：舒肤佳、威露士洗手液的主要有效成分是对氯间二甲苯酚，滴露、蓝月亮、芦荟洗手液的有效成分是水杨酸。

［教师支持］介绍舒肤佳的產品迭代。告知学生有报道指出：长期频繁接触抗菌产品中的某些活性成分，比如抗菌皂中的三氯生（图1）、三氯卡班（图2），会使细菌产生抗药性并扰乱人体内激素的分泌水平，可能会培育出难以杀灭的超级细菌。

而柴胡皂苷A（图3）是具有与上述两类物质类似功效的安全型植物提取物，柴胡具有解热抗炎、镇痛、抗菌、抗病毒等作用。本项目利用成熟的柴胡提取工艺，将柴胡有效成分添加到洗手液中用以制备抗菌洗手液。

3.2.2  活动2：“抑菌圈”对照实验研究，检测柴胡的抑菌能力

［问题引导］柴胡是否真的有抑菌能力？与其他有抑菌效果的中药对比，效果如何？怎样验证？

［教师支持］提供用化学方法（有机溶剂萃取法）提取的柴胡液。

介绍微生物检测技术——“抑菌圈”实验。操作方法：在超净工作台上，将柴胡提取液和细菌混合后涂在培植好的细菌固体培养基上，接种好放在恒温箱（30℃）中培养，保持一定湿度。3天可以出培养结果。

［跨学科协作，分组实验］学生查阅资料，选取部分具有抑菌效果的中药（黄连、鱼腥草、金银花和柴胡），各称取100克，并熬制成药液。与生物兴趣小组合作，通过“抑菌圈”实验分别检测不同种类的熬制中药、化学方法提取的柴胡液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌能力。

［学生汇报交流］一组对金黄色葡萄球菌的实验现象如图4、图5所示。

［检测结果］菌落的生长情况表明，金银花、柴胡液对金黄色葡萄球菌都有一定的抑菌效果。用化学方法提取的柴胡液抑菌效果明显更好，按1∶10浓度稀释后依然有效。

3.3  提取柴胡的有效成分

结合现代先进化学实验仪器和手段的学习，本阶段聚焦学生实验研究能力的培养。

3.3.1  活动1：学习植物有效成分的提取方法、仪器操作和使用

［问题引导］怎样提取柴胡的有效成分？需要哪些相关仪器？

［方法指导］植物有效成分的提取方法有水蒸气蒸馏、压榨法和有机溶剂萃取三种。根据植物原料的特点，柴胡有效成分的提取采用有机溶剂萃取法，利用有机溶剂（酒精）溶解其中的有效成分。

［师生共同设计提取过程］称量→粉碎→煮泡（回流）→抽滤（减压过滤）→浓缩（减压蒸馏）→定容备用。

［培训学习］主要仪器设备的操作使用：回流系统（集热式恒温加热磁力搅拌器和回流冷凝装置）、减压过滤系统（抽滤瓶、布氏漏斗和循环水式真空泵）、减压蒸馏系统（真空泵和旋转蒸发仪）［4］。

3.3.2  活动2：观看实验操作视频，完成学案

［教师支持］教师拍摄制作实验操作视频“柴胡有效成分的提取”，用以示范，使学生充分了解整个实验过程、仪器操作方法，为后续学生实验做准备。

［观看视频，讨论问题］为何要减压过滤？（加速过滤）；为何要减压蒸发？（在低压环境下，降低酒精沸点，使之在50℃水浴条件下蒸出，极大提高了蒸馏效率）；为何要使用旋转蒸发？（旋转能阻止其形成气化中心，防止暴沸）。

［完成学案］（1）举例说明提取植物有效成分的常见方法；（2）用到哪些相关仪器？（3）用框图写出中药有效成分的提取流程。

3.3.3  活动3：学生自主提取柴胡的有效成分，相互交流

［学生实验］详细记录实验活动（组内分工、实验步骤）；实验活动反思。

［展示交流］分小组展示产品，分析交流实验过程中产生的问题、处理方法。

3.4  制取柴胡抗菌洗手液

基于柴胡抗菌洗手液制备的配方以及工艺流程的设计与优化，进一步培养学生的科学探究与创新意识学科核心素养。

3.4.1  活动1：洗手液的配方分析与改进

［配方分析］通过文献查阅，找出“体验创新阶段实验（实践）指南”的洗手液配方（原配方）。运用已学化妆品知识，对配方进行“体系化”分析。师生经反复交流讨论，认为甘油能与水互溶，两者都应属于水相，且用柴胡提取液替代水，可提升洗手液的抗菌效果。

［改进］经多次实验研究，学生对原配方做了改进，如表2所示。

［完成学案］（1） 化妆品配方体系（学习主题一：乳化体系，学习主题二：增稠体系）；

（2） 柴胡抗菌洗手液的制取（配方的“体系化”分析）。

3.4.2  活动2：洗手液制取工艺流程设计

［设计交流展示］学生分组完成设计。运用西沃授

课助手现场将学生小组的讨论过程、方案设计等实时投屏到大屏幕上，自由质疑，深化讨论，气氛达到了高潮。

［讨论优化］针对问题从理论和实践层面展开争辩，协作完成大家颇感满意的柴胡抗菌洗手液制取工艺流程的设计，如图6所示。

3.4.3  活动3：动手完成“柴胡抗菌洗手液的制取”

［学生实验］分组完成实验。详细记录实验过程中的现象、问题与困难以及解决办法，完成活动反思。

3.5  产品的功效检测

对自制产品的功效检测，是对学生研究成果的主、客观评价，也是学生非常感兴趣的活动环节。教师要注重发现学生在活动中表现出来的种种创新火花，并在学生中发扬光大。

3.5.1  活动1：体验活动——产品的初步测评

［问题引导］通过哪些方法评估自己制作的产品？

［学生讨论］现场体验自制的柴胡洗手液样品。分组讨论后填写“感官评价表”［5］，主要从颜色、气味、细腻感、粘稠度、酸碱性（pH）等方面进行评级（5分制，5分最好，1分最差），并提出改进意见。

［教师支持］给出更科学的产品质检方法：“理化指标及稳定性检测”，如表3所示。

3.5.2  活动2：检测柴胡提取液的最低有效浓度

［问题引导］如何检测自制柴胡提取液的灭菌效果？能否知道浓度对其灭菌效果的影响？

［跨学科协作，分组实验］通过“抑菌圈”实验进行检测。先称取柴胡100克，通过有机溶剂萃取法提取柴胡浓缩液25mL，稀释成不同浓度后，检验其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌能力。

［汇报交流］实验现象如图7所示：

［探究结果］1∶20浓度以内的柴胡提取液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌都有一定的抑制作用，再稀释抑菌效果就变差。

3.5.3  活动3：各种洗手液的抑菌效果对比研究

［问题引导］对比其他品牌洗手液，我们自制的柴胡抗菌洗手液抗菌效果究竟怎样？

［跨学科协作，分组实验］有学生进行了方法创新：用自己的五根手指按压接种进行对照实验（见图8）。洗手前在培养基上按手印，

用不同品牌洗手液洗手后在培养基相应区域再按一次手印，3天后比较菌落的生长情况。

［探究结果］与其他品牌洗手液相比较，柴胡洗手液有较好的抑菌能力。但是加了柴胡和不加柴胡的洗手液相比，未见特别显著的差异。

［学生猜想］可能是洗手液中的柴胡浓度太低，或者是自制洗手液本身就有较强的抑菌作用，掩盖了柴胡的抑菌效果。

［教师点评］虽然结果与预期不完全相同，但重在体验实验探究的过程。可在后续实验中提高柴胡的浓度，还能用所学方法开展如“金银花提取液抑菌能力检测”等课题研究。

3.6  项目学习成果交流

该阶段学生要反思自己的实践活动经历，总结优势和不足，调整实验（实践）活动步骤，寻找改进的方法，优化研究成果。

活动：汇报交流研究成果，反思及改进

［小组汇报交流］自制洗手液经多方体验，大家觉得去污效果明显，手感细腻，很容易冲洗干净，擦干后皮肤不紧绷，不必擦护手霜，气味清香宜人，具有良好的抗菌功效。但也提出了一些问题。

［反思1］学生提出，市售洗手液通常是中性偏弱酸性的，我们自制的柴胡洗手液，测得pH为7～8。

［分析］在配方中加过KOH固体。碱性偏大易伤手，但不加又无法与三种酸生成表面活性剂，达到去污的目的。

［改进］学生查阅配方资料，发现可通过加适量柠檬酸来控制pH。

［反思2］学生提出，为何在工艺流程设计环节，不能先加入B2相？

［教师支持］若先加B2相会发生团聚现象。由于B2相中的KOH先与表面脂肪酸反应，与内部脂肪酸并没有反应。先加B1相是为了能乳化完全，让脂肪酸均匀分散形成一个亚稳定的乳化体系。然后加KOH与酸中和，可生成更多的表面活性剂（乳化剂）胶束，从而得到了稳定的乳化体系。

［反思3］学生提出，自制洗手液比较稀薄，不像市售洗手液那么稠，消耗起来较快。

［分析］众所周知，牙膏挤出时需要保持一定的形状，护肤霜要有一定的黏稠性，在皮肤上才会有附着力。在化妆品中添加增稠剂会对产品的外观形态产生重要影响，起到提高黏度、改善稳定性、稳固流变形态的作用。

［改进］查阅资料，发现有一种增稠的机理是改变胶束状态，如在O/W型乳化体系中加入氯化钠，可以促使含油胶束由棒状胶束转化为条状胶束，从而增大分子运动的摩擦力，達到提高粘稠度的效果［6］。

［学生实验］增稠实验：取自制洗手液（1∶10稀释）各20mL于两个烧杯中。分别加入约0.5克和1.0克NaCl固体，用玻璃棒迅速搅拌。

实验结论：都有增稠效果；加入1.0克NaCl固体的效果更显著。

4  项目学习效果与反思

4.1  项目达到的效果

学生在与生物学科等跨学科的融合实践中，通过文献查阅和实践，不断改进配方和工艺流程，通过自主与合作研究、实验探究，以及课堂的交流与反思，了解柴胡的抗菌功能和洗手液的制备方法，并掌握了基本的化学实验方法和技能，体验了化学创新实验研究的乐趣，提高了解决综合实验问题的能力，在跨学科综合实践活动中获得核心素养的进一步提升。

本项目完善了校本化项目学习、综合实践活动的评价体系。在实施过程中引入了理化指标及稳定性检测，学生可以通过各种性能检测，形成對产品的客观评价。在社会化评价中，学生与专家面对面交流，优秀率超过35%。已有多篇学生论文被《上海“双新”课程学生研究报告选编》收录。

在课后的问卷调查中，90%以上的学生能够理解该项目学习的内容，喜欢这种教学方式，认为难度适中，课时安排合理；超过80%的学生通过项目学习对真实的科学工作及前沿科技信息有所了解，增强了创新意识；100%学生感到有收获，主要集中在获取了新知识、提高了团队合作与动手能力，能解决真实的问题，收获项目成果，并对下一阶段的学习表示了期待。可以认为，该项目学习对学生科学创新素养的发展是有效的。

4.2  存在问题及对策

由于项目涉及较多化妆品及其配方体系、微生物检测等知识，高一学生的知识储备尚不够，更缺乏实验操作技能训练。我们便通过先培训学习必备的专业知识、实验方法、操作规范之后，再进入项目学习活动。另外，教师及时提供支持，开展团队协作、小组展示与交流活动，以及与生物兴趣小组师生之间的互助合作也起到很大作用。

在创新综合实践活动课教学中，教师也常常遇到“专业瓶颈”。以真实情境与科技创新任务为教学内容的课程项目，往往会超出教师的经验领域，很多先进的仪器设备教师也不太会用。因此组织教师参加“双前沿”平台的课程培训，邀请专家进行专题讲座与技术指导，通过平台途经，获得相关的专业文献、书籍及资料。还借助高效资源开展项目研究，到大学实验室开展实验与教学活动。

对于常规化学实验室不适合实践（实验）活动课的开放性要求，信息网络不配套，影响信息查询与交流，缺少理化检测仪器等问题，则需要争取学校支持，加快实验室基建改造工程，尽可能配齐配足软硬件设施设备，建立真正先进的科创实验室。

参考文献：

［1］［3］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 8～9， 53～57.

［2］中华人民共和国教育部制定. 普通高中课程方案（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 4.

［4］［5］［6］范丽岩， 刘萌霞， 项喆源. 高中拓展型课程教材/中小学新科学新技术创新课程/动手学做化妆品（试验本）［M］. 上海： 上海科学技术出版社， 2017： 36～46， 66～74.