“素养为本”的化学项目式学习设计

李法瑞　俞洪泽

摘要：“环境问题与处理”是化学与社会主题教学中的重要内容。以“社区湿垃圾异味及其危害探究”为选题，围绕“素养为本”的教学理念，通过真实情境的创设，重点关注项目式学习的实践策略，引导学生在实际生活中发展核心素养。

关键词：社区湿垃圾; 异味成分测定; 化学项目式学习; 实验探究

文章编号：1005-6629（2020）07-0065-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

高中化学学科核心素养是高中学生发展核心素养的重要组成部分，是学生综合素质的具体体现，反映了社会主义核心价值观下化学学科育人的基本要求，全面展现了化学课程对学生未来的重要价值[1]。《普通高中化学课程标准（2017年版）》（简称“新课标”）注重开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境创设，开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的优化设计，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力[2]。

基于化学学科教学实践的改革与探索，本文选取“社区垃圾”这一贴近生活的社会热点与难点问题，通过引领学生走进社会真实情境，进一步探究“大气中VOC（挥发性有机化合物）的成分与来源”“垃圾及废弃物的分类、回收处理与循环利用”等问题;通过“呵护生存环境”等主题的学习实践活动，了解相关污染物及其危害，并为消除危害提供研究支撑，在强化公众共同参与环境治理、维护公共卫生的责任的同时，也为新课标“环境问题及其处理”模块的相关内容提供有益补充。

1  基于“垃圾异味”探究的背景

新课标注重凸显“化学在保护环境中的作用”，将这一主题教学内容纳入到“化学与社会”主题模块，在必修和选修课程中都涉及这一与人类命运息息相关的话题，以期让师生共同参与到对大气污染物的认知与防范过程中，担负起守护“绿水青山”的时代责任和使命。在传统化学教材中，常见的大气污染物有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、化学氧化剂及颗粒物等等，而对于生活中由于人类活动而产生的大量的、广泛的垃圾异味尚未提及。

为此，笔者带领学生团队组建“社区湿垃圾异味及其危害”课题研究小组，希望能通过项目式学习（ProjectBased Learning， PBL）的方式开展以化学学科为切入口的跨学科教学创新实践，科学分析湿垃圾异味代表成分，并选取重点有害成分，开展对小鼠生长影响的探究，揭示垃圾异味对生命健康的重要影响，为人们尤其是环卫工人提供科学的安全防护依据，也为城市垃圾处理提供基于异味研究的重要分类依据。

2  基于“垃圾异味”探究的设计

为了探究发现“湿垃圾”異味成分及其危害，构建基于环境问题特色的跨学科实践，课题组将本实验探究过程设计成两个实验环节，分别为：实验1，社区生活“湿垃圾”异味成分分析;实验2，社区生活“湿垃圾”异味有害成分的危害探究;解决方案为社区生活“湿垃圾”无害化存储设想（见表1）。

通过上述项目式学习方案的设计，希望达成以下探究目标：（1）初步了解社区生活“湿垃圾”异味的主要成分及有害成分;（2）选取代表性异味有害成分，通过“独木桥实验”研究其对小鼠平衡能力的影响情况;（3）通过小鼠急性毒性实验，探查“湿垃圾”异味中代表物质对小鼠的毒性损伤，并分析其对小鼠肝脏组织结构的危害程度;（4）进一步提出后续研究方案和无害化存储设想。同时，在相应的学习环节中有所侧重地培养与发展学生学科核心素养。

3  “素养为本”的实践特色解析

新课标在“化学与社会”系列中设置了三个内容主题，分别为：化学与生活、化学与技术、STSE综合实践。这些主题均对人类所面对的环境问题提出了相应的教学建议，积极倡导师生应关注社会热点问题，培养核心素养，发展学生综合分析、解决实际问题的能力[3]。因此，笔者以“社区湿垃圾异味及其危害”项目为例，从化学学科核心素养的不同维度，通过深入剖析问题情境的创设以及相对应的核心素养培育的落实，阐述“素养为本”的教学实践过程。

（1） 以共同参与环境治理为目标，肩负“科学态度与社会责任”。

新课标中“科学态度与社会责任”核心素养要求包括：具有安全意识和严谨求实的科学态度，具有探索未知、崇尚真理的意识;能对与化学有关的社会热点问题作出正确的价值判断，能参与有关化学问题的社会实践活动等[4]。

在日常生活中，随着城市规模不断扩大，人口高度集中，城市生活垃圾也日益增多，人均年产垃圾为450kg左右，并且以每年不低于8%的速度递增[5]，我国城市生活垃圾年清运量约为1.6亿吨[6]，“垃圾问题”已成为阻碍现代人类文明进步的普世难题。许多学生都深有体会，当他们途径社区垃圾箱时，常常能闻到“湿垃圾”所散发的臭味。因此，真实的问题情境就产生了：这些刺鼻异味是什么成分？对人们的健康会产生什么危害？怎样消减这些异味对环境带来的影响？

课题组带领学生开展了文献调研，然而令人困惑的是，关于“湿垃圾”异味的相关报道及研究甚少，组员们随即产生强烈的社会责任感和使命感。当时恰逢暑假来临，他们冒着酷暑高温，走街串巷，逐一筛选具有代表性的气味样本采集地点。在夏季的高温、高湿和烈日的三重作用下，垃圾发酵变质产生强烈的刺激性气味。然而，课题组成员没有一个打退堂鼓，凭借着浸润在骨子里的使命担当顺利地完成了实验方案的预设与开题。不难看出，虽然没有口号式的鼓舞与信誓旦旦，社会责任感素养培养目标却自然达成，真可谓“此处无声胜有声”。

（2） 以跨学科学习与实践为突破，增强“科学探究与创新意识”。

新课标中“科学探究与创新意识”核心素养要求包括：认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动;运用化学实验、调查等方法进行实验探究;勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新等[7]。

该项目具有鲜明的STSE综合实践特色，是新课标所倡导的要注重开放性与发展性的重要核心素养培育载体。教学过程中，要注重为学生提供足够的时间和空间，积极鼓励学生自主探究。因此，该项目从一开始提出设想，到实验研究、结果分析，再到后来的论文撰写，历时将近一年。对于高中生而言，经历了艰难挫折，克服了重重困难，才最终完成。这个过程中他们勇于实践，敢于创新，体会到了科学研究的艰辛与魅力，初步学会了跨学科学习与实践的基本方法。

例如，该项目涉及“湿垃圾”气味样本采集及保存方法、气质联用分析仪器的科学使用、实验结果的统计与分析、有毒气味代表性成分的筛选、小动物实验的科学方法以及基于物联网的湿垃圾储运原理等跨学科领域，大都是高中生在传统教材中无法学习到的，为了能够创造性地解决社会生活中的问题，学生必须进行课外拓展学习，逐一增进和完善自身知识和能力结构。又如，考虑到气味样本固相微萃取设备费用昂贵，课题组成员尝试就地取材，采用脱脂棉、医用纱布、活性炭等廉价的采样方式，通过自主创新的方法顺利完成了气味采集任务。

（3） 以情境化的设问与探究为核心，寻求“宏观辨识与微观探析”。

新课标中“宏观辨识与微观探析”核心素养要求包括：能从不同层次认识物质的多样性，并对物质进行分类;能从元素和原子、分子水平认识物质的组成、结构、性质和变化，形成结构决定性质的观念;能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题[8]。

课题组成员分别选择上海市S社区的三处不同地点：A. S社区垃圾中转站;B. S社区室内菜场垃圾桶;C. S社区餐饮垃圾收集点的湿垃圾样本[9]。其中，（1）湿垃圾气味样本：分别采用活性炭、脱脂棉、医用纱布悬放在高于垃圾10cm处富集气体样本（40分钟），密封于密实袋中;（2）湿垃圾液体样本：用塑料滴管采集少量，滴注于“样本瓶”中，并用密实袋密封;（3）湿垃圾固体样本用药匙刮取采集少量，放置于“样本瓶”中，并用密实袋密封。同时，在同一个采样点，同一种样本（气体、液体、固体）分别采集3个样本送检。

随后，课题组成员在实验室手动将固相微萃取仪（美国Supelco公司）石英纤维丝（100μmPDMS）先后插入每一个装有样本的密实袋中，在40℃条件下萃取30min后取出，送气质联用仪（日本岛津公司）检测[10]，得出社区湿垃圾异味的主要成分（见表2）。

为什么湿垃圾气味常常是又酸又臭且有毒害？通过实验探究，课题组将无色、刺激性的宏观气味代表物成分，以规范的、科学的化学术语呈现出来，同时通过计算机建模软件呈现出相应物质的结构模型。这一过程，让课题组的每一位成员都惊叹不已。他们借助平时在传统课堂中学习到的有机酸、醇、醛、酯、醚、酚、肼等物质的化学性质，出色地解答了一直困擾在他们心中的疑问。

（4） 以文献研究与事实论证为要领，深化“证据推理与模型认知”。

新课标中“证据推理与模型认知”核心素养要求包括：具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪;建立观点、结论和证据之间的逻辑关系等[11]。

在该项目中，课题组发现在采集的样品中均检测到有害物质是硬脂酰肼。问题随之产生：为什么三个采样点，都含有“硬脂酰肼”？这种毒物是怎样产生的？来源于哪里？据文献查阅，关于社区生活垃圾异味方面鲜见报道，也没有关于社区生活垃圾异味中“硬脂酰肼”的相关研究报道，对于“硬脂酰肼”的产生机理尚不明确。然而，吴娅利等[12]研究发现顶坛花椒活性成分中含有槲皮素-3-O-β-（4-O-硬脂酰基）葡萄糖苷（5）等成分，发现硬脂酰基存在于植物体内。由此，课题组推测，社区生活垃圾中存在的“硬脂酰肼”有可能来自植物或动物体内相关化合物的进一步分解，比如花椒烹饪时相关成分的分解。

显然，基于当前的研究局限，课题组成员无法直接给出有关“硬脂酰肼”来源的准确答案。但是，可以引领学生从科学文献及相关学术资料中寻找“蛛丝马迹”，进一步探求问题的佐证材料。由于餐厨垃圾是“湿垃圾”的重要组成部分，因此人们在烹饪过程中常常使用的花椒成分就是破解该问题的线索之一。本课题出自于证据推理、建立科学事实与假说之间的逻辑关联，显然对培养学生“证据推理与模型认知”素养大有裨益。

（5） 以科学实验与问题解决为方向，建构“变化观念与平衡思想”。

新课标中“变化观念与平衡思想”核心素养要求包括：能认识物质是运动和变化的，知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定的规律;认识化学变化有一定的限度、速率，是可以调控的。能多角度、动态地分析化学变化，运用化学反应原理解决简单的实际问题[13]。

为了有效落实“变化观念与平衡思想”核心素养目标，该项目分别从以下两个主题展开教学：（1）“湿垃圾”中的代表性有毒物质对小鼠生长的危害研究;（2）“湿垃圾”无害化存储设想。其中，以“硬脂酰肼”为代表物开展小鼠实验[14，15]，对小鼠经口灌胃。实验分为5个剂量组，每组10只昆明小鼠。分别测定硬脂酰肼对小鼠急性毒性作用、半数致死量、对小鼠平衡能力的影响以及对肝脏组织结构的影响。研究发现，不同硬脂酰肼浓度组影响小鼠通过独木桥的时间显著高于正常组;硬脂酰肼组对小鼠肝组织结构有残破、肝细胞排列紊乱、局部出现空泡变性、片状坏死的现象，并伴有不同程度的炎性浸润，胞浆疏松化。可见，湿垃圾异味的产生及其影响是一个动态变化过程，由于垃圾中残余动植物组分会进一步衍化为相应的有害物质，进而会对生物机体健康的细胞和组织造成损伤，危害生命。

为了有效干预这一系列动态变化过程，控制或减缓有害物质的产生及其危害，课题组提出了富有科学性、可行性的问题解决方案：借助物联网、传感器和信息化等方面的知识与原理，构建和设计基于“异味消减”考量的社区“湿垃圾回收桶”智能物联预警与杀菌除臭系统。让社区垃圾站更加卫生安全的同时，课题组成员的“变化观念与平衡思想”

以及“科学态度与社会责任”的

核心素养也随之得以发展。

4  结语

实践表明，“项目式学习”是一种有利于学科核心素养培育的行动模式[16]。在学习过程中，选择贴近生活、生动有趣、难度适宜的项目主题，是对常规课堂教学的有益补充，不仅有利于改善学习方式、增强学习实效，更有益于学生学科实践能力的提升，这种尝试值得在今后的教育实践中进一步探索与加强。

参考文献：

[1][2][3][4][7][8][11][13]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）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.

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[9]王淳浩， 王彦吉， 孟品佳， 杨瑞琴， 吴德华. 人体气味保存方法的研究[J]. 分析仪器， 2008， （2）：36～40.

[10]王淳浩， 王彦吉， 孟品佳， 杨瑞琴， 吴德华. 气-质联用鉴别人體气味[J]. 化学研究与应用， 2008， （1）：104～107.

[12]吴娅莉， 王进. 贵州顶坛花椒抗氧化活性成分研究[J]食品科技， 2017， （9）：211.

[14]吕丽莉， 黄伟， 于晓等. 不同柴胡组分对大鼠肝毒性与氧化损伤机制影响的研究[J]. 中国中药杂志， 2009， （9）：2364～2368.

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[16]赵景方等.高中生化学学科核心素养的测评研究[J].化学教学， 2019， （5）：17～21.