基于真实问题情境的项目教学实践

刘宝强 张贤金 张瑶敏

摘要：将化学反应的利用融入项目式教学中，在真实问题情境下探究并解决问题，有利于学生感受化学的价值。基于此，以“研究车用燃料”为主题，通过燃料大比拼、选择车用燃料、优化车用燃料等活动，建构从物质变化和能量变化角度研究化学反应的一般思路和方法，尝试用化学知识解决实际问题。并反思从情境素材的挖掘、项目任务的规划、实践活动的渗透等角度提升教学效果，培养学生的化学学科核心素养。

关键词：真实问题情境；车用燃料；项目教学实践

文章编号：1008-0546（2022）02-0053-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.011

*本文系2020年福建省教育科学“十三五”规划课题“基于学科关键能力培育的真实问题情境教学的实践研究”（课题编号：FJJKXB20-1200）的阶段性研究成果。

项目教学是学生在真实情境下复杂问题解决过程中，经历成果导向下形成的综合任务完成过程。开展项目式学习活动，相比于传统的知识点梳理式的复习课，学生在完成项目任务时能更清晰地感受化学学科知识的价值以及魅力，体会化学是“有趣”的，亦是“有用”的[1]。

新一轮的课程改革，提倡创设真实且富有价值的问题情境，基于真实问题情境的项目式学习是培育学生学科核心素养的有效途径。项目式学习活动不仅要关注学科核心知识，更重要的是围绕真实问题的解决形成学科思想方法，实现“知识结构化、问题解决思路化”的目的。笔者选取鲁科版化学必修第二册第二章的微项目“研究车用燃料及安全气囊”，以“研究车用燃料”为主题开展项目活动，尝试探索基于真实问题情境的教学实践。

一、项目主题分析

“研究车用燃料及安全气囊”是普通高中教科书（鲁科版）化学必修第二册第二章的微项目教学内容，是在第二章学习完化学键与物质构成、化学反应与能量转化、化学反应的快慢和限度之后的一节内容。《普通高中化学课程标准（2017年版）》的“学业要求”中明确提出“能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题”[2]。

如何利用化学反应解决实际问题，如何让学生真正参与到问题解决活动中呢？笔者设计了常见燃料的大比拼、了解汽车尾气污染及其治理措施、优化车用燃料等任务。学生围绕项目任务，通过分析解决车用燃料的选择和优化中遇到的实际问题，综合应用化学反应物质变化和能量转化、化学反应速率等学科核心知识，最终形成对化学反应的认识模型。通过从反应速率和反应限度两个视角看化学反应的物质变化和能量变化，从而促进学生对学科知识的理解与应用，提升学生的学科素养。

二、项目学习目标

燃料是学生熟悉的、也是充满乐趣的话题。燃料的相关知识在初、高中教材及课程标准中均有要求。九年级化学上册（人教版）第七单元《燃料及其利用》中课题2详细介绍了燃料的合理利用与开发，高中阶段在学习化学第二册（鲁科版）第二章第二节《化学反应与能量转化》时，从化学键的视角揭示了化学反应能量变化的本质。

选取学生熟悉的燃料为主题，通过车用燃料的选择和优化项目任务驱动，引导学生了解研究化学反应的一般思路与方法，感受化学学科的价值。同时培养学生“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等学科核心素养。具体的项目学习目标为：

（1）通过燃料大比拼认识燃料的优缺点，了解车用燃料的基本条件。

（2）熟悉从能量变化、物质变化等角度认识化学反应，建构认识化学反应的一般思路与方法。

（3）通过阅读“洛杉矶烟雾事件”，了解汽车尾气污染及其危害。

（4）观看“三元催化器的工作原理”视频，理解汽车尾气净化的原理。

（5）通过科技阅读——“国内外氢能产业发展现状及其战略意义”，感受化学反应在改善人类生活质量方面的贡献，培养学生可持续发展意识和绿色化学观念，强化社会责任与创新意识。

三、项目教学流程

基于上述项目教学目标，笔者设计了“常见燃料大比拼”“汽车尾气污染的治理”“优化车用燃料”“拓展视野”等4个子任务，通过问题驱动方式逐步展开，具体项目活动以及设计意图见图1。

四、项目实施过程

1.基于数据分析选择车用燃料

汽车是当今社会极为重要的交通工具之一。汽车的普及给人们的出行带来极大的便捷与舒适。驾车出行离不开燃料，如何选择合适的车用燃料呢？

围绕给汽车选择“车用燃料”，教师给出不同燃料的数据（见表1），学生开始进行常见燃料的“大比拼”讨论活动。

（数据来源：东方财富网，中国LNG综合进口到岸价格不含税费、加工费数据时间：2021年2月～4月）

【思考】回答下列问题：（1）乙醇和汽油相比，哪种燃料更易充分燃烧？（2）燃烧产物对大气有没有污染？（3）选择车用燃料时，更关注单位物质的量燃料完全燃烧放热多少还是单位质量燃料放热的多少呢？（4）天然气、氢气等气态燃料，遇到最棘手的难题是什么？

【小组讨论】车用燃料应具备：（1）环保清洁、环境污染小，（2）来源充足、易于获得，（3）能量密度高、易完全燃烧，（4）运输方便、容易保存。

【教师追问】对上述四种燃料进行综合评价

【学生回答】汽油、柴油是目前使用最广泛的車用燃料，天然气、乙醇是较清洁、可推广的车用燃料，而氢气是最理想的清洁能源。

【教师补充】H2、天然气等气态燃料推广中“卡脖子”难题是储运环节。

设计意图：通过问题的驱动引导学生进行科学探究、数据分析，归纳总结、交流评价。学生基于燃料数据的分析，总结归纳出“车用燃料”的基本条件，并对相应的燃料进行评价，从而培养学生科学探究能力和证据推理意识。

2.借助视频与动画理解汽车尾气净化

汽油、柴油等轻质液体燃料是目前汽车最普遍使用的燃料，随着汽车保有量的逐年增长，其排放的尾气对环境和对人类身体健康会造成什么影响呢？人们是什么时候开始意识到汽车排放的尾气会造成严重的环境问题呢？

结合上述问题，学生相互交流分享对汽车尾气的已有认识后，学生阅读材料一“洛杉矶烟雾事件”[3]：

洛杉矶西面临海，三面环山，是个阳光明媚、风景宜人的地方。但是从20世纪40年代开始，人们发现这座城市一改往日的温柔，变得“疯狂”起来。每年从夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就会出现一种弥漫天空的浅蓝色烟雾，使整座城市上空变得浑浊不清。这种烟雾使人眼睛发红、喉咙疼痛、呼吸憋闷、头昏头痛。1943年以后，烟雾更加肆虐，以致在城市100千米以外的海拔2000米高山上的大片松林枯死，柑橘减产。这就是最早出现的新型大气污染事件——光化学烟雾事件。

石油化工产业的发展促进当地的汽车业的发展。洛杉矶在上世纪40年代就拥有250万辆汽车，每天大约消耗1100吨汽油，排出1000多吨碳氢化合物，300多吨氮氧化物，700多吨一氧化碳。另外还有炼油厂、供油站等其他石油燃烧排放，这些化合物在太阳光紫外线的照射下，发生光化学反应，产生剧毒的光化学烟雾。由于洛杉矶三面环山的地势，烟雾久久不散，洛杉矶逐渐变成了“美国的烟雾城”。

【学生讨论】汽车尾气的主要污染成分为CO、NOx和碳氢化合物（CxHy）及其危害。

【教师追问】汽车尾气中的主要污染物的来源。

【学生回答】汽车尾气中的CO是由于燃油不完全燃烧产生的，NOx主要是NO和NO2，是进入发动机内的空气中N2和O2在高温下生成的，对于CxHy的来源存在疑惑。

【教师补充】CxHy是发动机未燃尽的燃油分解生成的[4]。

【过渡】汽车尾气对环境和人类健康有危害，如何才能消除汽车尾气污染呢？

【分析】引领学生探讨汽车尾气净化的方向——能否从氧化还原反应角度分析汽车尾气中成分之间发生反应的可行性。

【学生】CO是常见的还原剂，NO中N元素+2价，可以被CO还原成N2。

【教师】从氧化还原角度分析，汽车尾气中的NO和CO发生反应是可行的，但研究发现两者反应速率极慢，有什么措施可以加快反应速率呢？

【学生】可以采取的措施有：增大反应物浓度，或者升高温度、使用催化剂等

【追问】催化剂可以大大加快反应速率，从元素周期表中找到适合作催化剂的物质。

【学生】从过渡金属元素区域寻找。

【播放视频】播放汽车三元催化器的工作视频，并投影三元催化器的工作原理示意图（图2）。

【学生活动】写出三元催化器中CO和NO转化为无害气体的反应方程式。

设计意图：通过洛杉矶烟雾事件，引出汽车尾气污染及其危害，再以汽车三元催化器中尾气的净化真实情境为载体，引领学生从氧化还原原理、反应速率、限度等认识角度去分析化学反应，初步感受化学的价值以及运用化学反应解决实际问题。

3.基于问题驱动与方案解决优化车用燃料

自从汽车安装了三元催化转化器后，汽车尾气污染明显降低，空气质量得到明显改善。还有没有必要研究开发新的车用燃料呢？现阶段世界各地采取了哪些举措降低汽车尾气排放呢？有没有更好的措施来解决汽车尾气污染呢？

围绕车用燃料要不要优化、如何实现优化、更优方案三个情境问题，将学生置于真实的待解决的情境中，通过文字、图片、视频等多种形式串联，基于问题驱动的方式去调动学生探究的欲望以及合作的热情，在解决问题过程中深化知识的理解，提高迁移创新、解决问题的核心能力。具体的教学实施流程见图3。

4.基于汽车发展史看能源结构转型

随着工业的发展，汽车行业也是日新月异，汽车的变革也反映出科学技术的飞速发展，反映出石油、化工、钢铁、机械等诸多行业的伟大创造。结合课本65页——“汽车发展历史”，学生动手完成表2。

科技阅读——“国内外氢能源产业发展现状及其战略意义”[6]：

氢能是一种具有多种优势的二次能源：氢的来源多样，使用过程不产生污染，氢的能量密度大，热值是汽油的3倍。在推动能源转型过程中发挥至关重要的作用。我国是制氢大国，2015年以来，制氢总量都在2400万吨以上，但制氢成本差异较大，传统的煤制氢成本低，但其纯度较低，无法应用于纯度要求高的领域。随着氢燃料电池的快速发展与推广，氢能广泛应用于氢燃料电池汽车。日本、美国、欧洲各国正在出台各类政策以促进氢能产业的发展。中国多地政府大力推进氢能产业发展，加快加氢站建设，中国石化在全国开展氢气的制、储、运、加整体布局，为加快能源结构转型，努力于2030年实现“碳达峰”，2050年实现“碳中和”目标。

设计意图：通过汽车发展历史了解不同时期车用燃料的变迁，感受化學对人类社会的巨大贡献。再通过科技阅读，学生了解能源的重要性，能够从能量转化形式分析利用化学反应，理解开发新能源的战略意义，渗透“科学态度与社会责任”的培育。

五、项目教学反思

1.挖掘真实教学情境，培养学科核心素养

构建从真实的情境中进行学习的认知途径，是知识通向素养的必然要求[7]。《普通高中化学课程标准（2017年版）》在各主题的“教学提示”部分都给出了相应的“情境素材建议”，建议“创设真实而富有价值的问题情境”[2]。在课堂教学中创设真实教学情境，学生在真实的情境中获取知识，解决问题，丰富学科知识的理解，提升学生的认知层次，并感受化学知识的应用与价值。这就要求教师要注重发掘真实情境素材，思考并尝试将情境素材转化为真实教学情境。教师应关注日常生活、了解工业生产、动手科学实验，从生活、生产和实验中搜集并积累相关的素材，开发适合学生层次的项目活动，并努力创设真实而富有价值的情境，搭建学生核心素养落地的平台。

2.规划项目任务活动，促进有意义的学习

从静态的情境素材转化为富有价值的教学情境，其最为关键的一环是问题。问题能激发学习者寻求问题解决的欲望，是情境选择和组织的缘由与核心[8]。真实有价值的问题能够启示学生明确的活动方向，学生主动参与探究问题解决活动时，逐步达成知识的建构与生成，促进有意义的学习。优化车用燃料时创设的一系列问题：“加装三元催化器可以實现尾气净化，还有没有必要再优化车用燃料？生活中见到或听说的代用车用燃料有哪些？它们有什么共同点？它们的推广受到哪些因素的影响或制约？从能量转化效率的角度思考有没有更好的举措？“有价值的问题”以问题链的形式呈现，遵循由易到难、由浅到深、由表及里的梯度。教师要合理规划项目活动，从情境素材中凝炼化学学科问题，激起学生的探究欲，引导学生在问题解决过程中进行有意义的学习。

3.充分渗透实践活动，发展科学探究能力

项目活动中设计的任务和问题都应以发展学生的科学探究能力为中心。通过实践活动，可以培养学生的动手能力、沟通合作能力、获取信息能力，最终达到发展迁移创新能力。项目教学实施时可将教学情境分解成若干个小情境。小情境中合理安排实践活动，调动学生主动参与，完成相应的研究任务。如在“常见燃料的大比拼”活动中探讨燃料燃烧是否充分问题时，小组同学进行了酒精灯和煤油灯燃烧的对比实验。煤油燃烧火焰明亮，伴有浓烈的黑烟，而乙醇没有。通过对比燃烧实验现象，学生深刻理解含碳量高的煤油、柴油、汽油等燃料易出现燃烧不完全的情况。通过问题导向、任务驱动的方式，引导学生参与项目实践活动，能够有效地发展学生的科学探究能力。

参考文献

[1]陈颖，王磊，徐敏，等.高中化学项目教学案例——探秘神奇的医用胶[J].化学教育（中英文），2018，39（19）：8-14.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：28-30.

[3]谢林霞.世界重大空气污染事件盘点[J].新湘评论，2013（10）：19.

[4]张改莲，戚慧心.汽车排气污染物的形成及危害[J].生物学通报，2000（6）：17-19.

[5]王磊，陈光巨.普通高中教科书·化学必修（第二册）[M].济南：山东科技出版社，2020：67.

[6]高慧，杨艳，赵旭，饶利波等.国内外氢能产业发展现状与思考[J].国际石油经济，2019，27（4）：9-17.

[7]余文森.论学科核心素养形成的机制[J].课程·教材·教法，2018，38（1）：4-11.

[8]杨玉琴，倪娟.从情境素材到教学情境：如何创设富有价值的问题情境[J].化学教学，2020（7）：10-15，22.

[9]钟国华.基于三元整合策略提高学生问题解决能力的高三专题复习研究——以“FeCl3和SO2反应”为例[J].化学教学，2021（2）：33-38.