基于项目学习的高中化学教学设计与实践

叶依丛 顾建辛 马婉琴

摘要： 以“探究‘除菌卡是否安全有效”为任务，进行项目学习的设计和实践。阐述了项目学习的主题选择、目标制定和学习流程设计的依据和方法。项目学习实践过程中，将项目任务拆解为关联性的子任务，有针对性地开展学科理论分析、文献解读、实验探究、创新设计等活动。构建认识生活中的化学品的思路，实现知识的功能化，践行素养导向下的学习实践。

关键词： 核心素养; 项目学习; 除菌卡;化学教学设计

文章编号： 10056629（2022）09005106

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题由来

疫情期间，微商平台频繁推销一种消毒产品——除菌卡，广告称：“带上除菌卡，可以保证1平方米范围内百毒不侵。”查阅除菌卡的主要成分是NaClO2和气体缓释剂，通过NaClO2与空气中的CO2和H2O作用缓慢释放ClO2，利用ClO2的强氧化性达到杀菌消毒的目的。除菌卡在流通的空气中释放的ClO2浓度低，是否足以杀菌？在狭小的空间里ClO2浓度高，对人体是否有害？原料NaClO2使用过程中是否存在安全隐患？多数学生尚缺乏以科学的视角有序、全面地认识生活中化学品的能力，其表现为：

（1） 认识视角缺乏，难以将真实的生活问题转化成可研究的化学问题。

（2） 定量意识淡薄，忽略从物质的量（浓度）去讨论物质性质。

（3） 探究精神欠缺，面对复杂情境的问题，习惯于等待答案代替主动探索。

2 项目学习规划

2.1 项目学习主题选择

项目学习要以学生兴趣为导向，以贴近实际生活的有价值的项目为主题，让学生通过自主学习、合作学习的形式完成项目并获得知识和提升能力[1]。它强调以真实情境链接学生的生活世界与科学世界，以最终的项目成果为导向，完成一系列学习任务。在学习过程中实现核心知识重构化和结构化，提升关键能力，形成必备品格。值得注意的是，项目学习的成果包括两方面含义： 一是外显的产品（成果）;二是内隐的可以在不同情境中迁移的认识思路[2]。

结合项目学习的特点，按照“学科内容+疫情主题+育人价值”的思路，进行以“探索‘除菌卡是否安全有效”为主题的项目学习设计，体现以下两方面教学价值：

一是项目学习内容如何包容学科核心知识;

二是项目学习过程如何发展学生关键能力和必备品格[3]。

除菌卡主要成分（NaClO2）及有效杀菌成分（ClO2），都是典型的含氯化合物，该项目学习融合高中化学必修阶段中“氯及其化合物”“氧化还原反应”“化学反应速率”等知识。以项目任务驱动学生积极调用散落在教材各章节的学科知识，将其整合、优化，发挥核心知识在真实问题解决过程中的指导性作用。

“探索‘除菌卡是否安全有效”是一个真实情境下的复杂任务，为了完成该任务，学生需要经历拆解任务、查找资料、整合信息、设计操作流程、实施优化、反思总结等一系列活动。在环环相扣的活动中，逐渐发展学生的思考力、表达力、创造力，并形成特有的经验、见解和眼光[4]。面对生活中的化学问题时，能有序地认识问题，科学地解决问题，对化学品的使用进行风险评估，形成正确的生活观念和良好的生活习惯。

2.2 项目学习目标制定

该项目主题下的学习内容涉及必修课程主题2——常见的无机物及其应用、必修课程主题5——化学与社会发展的相关内容。梳理课标相关主题下的内容要求、學业要求和学业质量要求，结合学生已有知识、能力水平，制定如下项目学习目标：

（1） 通过“自然落菌法”实验探究真实环境中除菌卡的除菌效果，运用变量控制的方法确定合适的反应条件，安全、顺利地完成实验，并能对实验方案、过程和结论进行评价。

（2） 结合除菌卡的使用方法，利用氧化还原反应的知识分析除菌卡有效成分（ClO2）的产生原理，并能设计实验进行验证，构建认识物质转化和性质的方法。

（3） 认识除菌卡的设计工艺，赞赏化学对促进人类社会进步发挥的作用。

（4） 能根据已有经验和资料对ClO2的杀菌原理作出假设，选择合适的实验试剂顺利完成实验，形成基于元素价态认识物质化学性质的认识模型，建立物质性质与用途之间的关联。

（5） 通过分析除菌卡使用过程中对环境和人体可能产生的影响，对除菌卡广告做出科学性评价，设计除菌卡使用指南并与同伴交流。

2.3 项目学习课时安排

该项目学习方案包含课内学习环节和课外实践，课时安排如表1所示。

3 项目学习过程设计

聚焦项目学习的关键问题——“佩挂式除菌卡是否有效”，以“除菌卡使用指南”为产品，确定该项目学习类型为“探索原理、产品设计”，构思解决过程为“生活问题转化为学科问题，形成学科理解并指导生活应用”。基于项目学习类型和解决过程，规划项目学习过程分别为“认识除菌卡有效成分及产生原理”“认识ClO2的杀菌原理”“探究真实环境中除菌卡除菌效果”三个环节。具体学习活动和项目实施流程如表2所示。

4 项目学习实践过程

4.1 引入课题，拆分项目

[引入情境，提出问题]随着疫情爆发，各种消毒用品应运而生。在微商平台上，佩挂式除菌卡广告称：“佩戴除菌卡，可以做到1平米范围内百毒不侵”。广告所言是否科学？除菌卡应该如何合理使用才能发挥功效？我们一起开展“佩挂式除菌卡”的有效性研究。

[拆分项目，细化流程]项目学习完成之后，将得到两方面的研究成果：

（1） 对除菌卡广告做出科学性评价。

（2） 设计除菌卡使用指南，向他人宣讲除菌卡正确的使用方法。

为了得到以上项目成果，该从哪些角度进行研究？如何规划研究过程？

[师生交流]学生经过讨论后认为，从“真实环境中除菌卡是否有效”开展研究工作更符合认识生活中化学品的一般思路，于是调整子项目开展顺序，如表3所示。

4.2 子项目1——真实环境中除菌卡除菌效果研究

[任务]选择不同场景，利用生物学“自然落菌”的实验方法，探究除菌卡除菌效果。

[方法导引]自然落菌法。

利用细菌培养基（如图1所示），打开盖子后盖面朝下斜扣到底盘，在采样点暴露40分钟后放入恒温箱，30℃条件下恒温培养48小时，观察菌落种类和数量。

真实环境下研究实际问题的思路和方法：

（1） 推测可能的变量是什么，并提出假设。

（2） 设计实验验证假设，必要时设置控制变量的对比实验。

（3） 真实环境往往比较复杂，对现象的解释尽可能考虑多因素影响。

[学生分组实验，交流实验报告]因篇幅限制，仅具体展示一组实验过程与结果，如表4所示。

[实验结论]

除菌卡在不同空间的有效性： 密闭空间>半密闭空间>开放空间。

在狭小的密闭空间中，除菌卡释放的ClO2是良好的空气消毒剂，灭菌效果好且不会对环境湿度造成影响。在开放空间中，除菌卡除菌效果不理想，可能与ClO2浓度有关。所以广告中说除菌卡可以代替口罩隔绝细菌和病毒的侵害并不科学，在公共场所仍然需要佩戴口罩。

设计意图： 引导学生在真实情境中提出探究的问题和假设，并以“方法导引”的方式提供问题解决的支架。学生通过自主探究活动对除菌卡广告的科学性和真实性做出评判，并在探究过程中产生新的问题。培养学生崇尚真理的科学精神和严谨求实的科学态度。

4.3 子项目2——认识除菌卡有效成分及产生原理

[教师]查阅说明书，除菌卡的主要成分是什么？

[学生]说明书显示主要成分是NaClO2和沸石。

[教师]沸石是多孔状固体，具有较强的吸附性，可作为反应载体。结合资料卡片和除菌卡使用方式，思考NaClO2如何转化为ClO2？

[学生1]从化合价角度判断，NaClO2转化为ClO2，Cl元素化合价升高，被氧化。使用除菌卡的时候需要撕开黏胶，将其暴露在空气中，我认为空气中的O2是氧化剂。

[学生2]阅读资料卡片内容可知，NaClO2固体在加热或者强烈敲击的条件下易发生爆炸，发生歧化反应生成氯酸盐（NaClO3）和氯化物（NaCl）。一部分NaClO2先发生歧化反应，生成的NaClO3与剩余的NaClO2发生归中反应生成ClO2。

[学生3]从资料卡片中得到信息： NaClO2在酸性环境中极易发生歧化反应。应该是空气中H2O和CO2提供了酸性环境，NaClO2固体与空气接触发生歧化反应，生成ClO2和NaCl。

[教师]以上三位同学均关注到氯元素化合价的改变，从而判断该反应为氧化还原反应，结合除菌卡的使用方式和资料卡片的相关内容提出了自己的想法。你们更支持哪位同学的观点，为什么？

[学生讨论后回答]我支持第3种想法。第1种猜测说明O2的氧化性强于ClO2，那直接用空气消毒即可，不需要制备ClO2。第2种猜测，资料卡显示需要加热或者强烈敲击的条件才能使NaClO2分解，但在拆开除菌卡的过程中，除菌卡一直没有剧烈发热或强烈敲击，所以猜测2不成立。

[教师]如何设计实验进一步验证猜想3呢？

[学生]往NaClO2固体中滴加稀硫酸，观察是否生成ClO2。

[教师]为什么选择稀硫酸？

[學生]强酸能电离出大量H+，加快反应速率，短时间内有明显现象。

[教师演示实验]取除菌卡包中的成分于试管中，滴加几滴稀硫酸。

[学生]试管内有气泡生成，溶液变为黄绿色，有一股类似消毒水的气味……

[教师演示实验]用玻璃棒蘸取少量试管中的溶液，滴加到ClO2检测试纸上，并用比色卡进行比色。

[教师]结合上述探究过程，请总结除菌卡设计思想。

[学生]查阅资料可知ClO2是气体，浓度过高易爆炸，所以不能压缩。利用方便储存的固体NaClO2为原料，使用时让其与空气接触，发生化学反应，缓慢释放ClO2。

[文献支持]《中国消毒杂质》上有文献介绍[5]，利用NaClO2固体在空气中缓释ClO2气体的原理与应用，与同学们的想法不谋而合。

[师生交流，外显思路]通过认识除菌卡缓慢释放ClO2的原理，总结出如图2所示的认识物质转化的思路与方法。

设计意图： 给予学生充分的机会讨论NaClO2转化为ClO2的原理。引导学生调用已有知识，基于物质及其变化的事实从资料信息中提取证据，推理假设。根据合理假设，利用实验证据和文献证据加以佐证。通过亲历完整认识陌生物质转化的过程，外显认识物质转化的思路和方法，并认同物质及其转化的价值。

4.4 子项目3——认识ClO2的杀菌原理

[教师]ClO2为何能杀菌消毒？

[学生1]含氯消毒剂的杀菌消毒原理一般源于其强氧化性，ClO2中含有+4价氯元素，有降价的趋势，故ClO2有氧化性。

[学生2]细菌主要成分是蛋白质，ClO2的强氧化性能使蛋白质变性。

[教师]请同学们选择合适药品设计实验，验证上述假设。

[提供药品]ClO2溶液、FeSO4溶液、FeCl3溶液、KSCN溶液、鲜牛奶、维生素C片。

[学生设计实验方案并实施]（略）

[汇报实验过程、现象和结论]

[学生1]我们选择维生素C，它是生活中常见的还原剂。取一支试管加入2mL ClO2溶液，再加入维生素C，振荡后发现ClO2溶液的黄绿色褪去，说明ClO2被维生素C还原，ClO2有氧化性。

[学生2]我们选择FeSO4溶液和KSCN溶液。取一支试管，加入FeSO4溶液再加入KSCN溶液，无明显现象，说明原溶液中不存在Fe3+，再往试管中加入几滴ClO2溶液，溶液转变为血红色，说明Fe2+被ClO2氧化为Fe3+。

[学生3]我们也做了这个实驗，并在上述实验中增加了空白对照组： 加入FeSO4溶液，再加入KSCN溶液后，对照组不加ClO2溶液露置于空气中，无明显现象。证明实验过程时长内，空气不能将Fe2+氧化为Fe3+，说明ClO2的氧化性比O2强。

[学生4]我们选择富含蛋白质的牛奶，预测往牛奶中加入ClO2溶液后蛋白质因变性出现沉淀，但白色牛奶没有沉淀却呈现出橙红色。

[教师]牛奶颜色变化说明什么？

[学生]橙红色不是白色和黄绿色（ClO2水溶液）的叠加，颜色改变说明发生了化学变化，即ClO2能使蛋白质变性，它具有杀菌消毒的功能。

[教师]同学们分别用实验室和生活中的还原剂验证ClO2具有强氧化性，又用牛奶验证ClO2能够使蛋白质变性。ClO2是目前世界上公认的安全等级为A1级的消毒剂，具有强氧化性、高效广谱、安全环保的特点。

[学生]我们组在完成子任务1时探究了除菌卡在下水道周围的杀菌能力。实验证明其他条件相同时，有除菌卡的培养皿中空气落菌数量和种类明显减少，如图3所示，说明除菌卡的广谱性。在除菌卡放置4小  时后，我们用ClO2气体传感器检测环境中ClO2浓度，在量程范围内检测不到;48小时后才检测出该空间内ClO2气体浓度为0.03ppm。说明即使浓度很低时，ClO2也发挥了很好的除菌功效。

[文献支持]“低浓度二氧化氯消毒研究现状”指出低浓度（0.01～0.05ppm）的ClO2表现出较强的杀菌功能[6]。

[外显思路]以认识ClO2杀菌原理为例，总结出如图4所示的探究物质性质的思路和方法。

设计意图： 学生选择不同的药品开展实验探究，从不同角度论证ClO2的强氧化性和杀菌消毒的功能，充分关联物质的性质与用途，彰显化学实验的独特价值。利用学生完成子项目1时的现象证明ClO2杀菌消毒的高效性，对物质性质的认识由定性上升至定量，使得探究过程完整自洽。

4.5 项目成果展示

[教师]经过上述学习，请同学们以小组为单位设计除菌卡使用指南，向同学、家人宣讲除菌卡的正确使用方法。

[展示交流]（略）

设计意图： 外显学习成果，评价学生是否具有理论联系实际的观念，能否运用所学知识对除菌卡的有效性进行分析。权衡利弊，提出合理使用除菌卡的具体方案，展现学生的设计创意，让学生切实体会到探究问题与生活世界的密切关联，发展学生的社会责任素养。

5 项目学习实践反思

“佩挂式除菌卡有效性研究”项目学习的开展为“新课程、新教材”背景下教与学方式的变革带来全新体验。通过该项目的实施，使学生经历了项目学习的完整过程并了解了每一环节的基本要求[7]。

在课后反馈中，90%以上的学生表示喜欢项目学习，理由较集中地体现在“自己动手实践”“解决真实问题”“小组合作产生项目成果”三个方面。正如有的学生在感想中写的那样“项目学习的过程就像打怪升级，我的‘经验值在不断积累”。

于学生而言，完成任务的过程中时常会遭遇新的问题，需要通过多学科支持、文献支持、实验支持、社会支持，并在与他人对话、合作中实现认识的更新迭代，学习过程是有趣的;形成和介绍项目学习产品时，又充满了获得感和仪式感，它让学生深刻体会到自己所学、所研、所做对自己和他人形成科学的生活方式所做的贡献，学习成果是有用的。

于教师而言，探索和实践新的教学模式既充满惊喜也面临挑战。对项目学习内容的深度思考、重组设计过程中我们感受到创造的乐趣;在项目学习实施过程中来自学生的奇思妙想、创造性的产品令我们感叹于学生的潜力和思考的魅力;在项目问题解决过程中遭遇到“专业瓶颈”，又提醒我们不断开拓知识的深度与广度，不断与其他学科教师交流协作。只有在探索和实践的过程中不断修正、持续探究，我们的课堂才能变得更加富有张力、思考力和生命力！

参考文献：

[1]浙江省教育厅教研室. 浙江省普通高中学科教学指导意见[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2021： 149.

[2]夏雪梅. 项目化学习设计： 学习素养视角下的国际与本土实践[M]. 北京： 教育科学出版社， 2021： 10.

[3]侯肖， 胡久华. 在常规课堂教学中实施项目式学习——以化学教学为例[J]. 教育学报， 2016， （12）： 39～44.

[4]陈进前. 关于“教什么”的思考——基于“新课标”和“新教材”[J]. 中学化学教学参考， 2019，（11）： 8.

[5][6]王妍彦， 张流波. 低浓度二氧化氯消毒研究现状[J]. 中国消毒学杂志， 2019， 36（2）： 147～150.

[7]吴俊明， 刍议新阶段我国基础教育化学课程的发展走向[J]. 化学教学， 2021， （7）： 3～7.