基于项目学习的中学化学教学设计与实践——以“制作简单的燃料电池”实验为例

曹 旭 翟宏菊 李珊珊 苏 建 张金玲 王 鹏 孙德武

吉林师范大学化学学院 吉林四平 136000

《普通高中化学课程标准(2017版)》中指出真实情境是发展学生核心素养的重要平台。在新课程改革的背景下，为了使学生更适应社会发展的需要，教师在考核学生的学习情况时，不仅要注重学生的文化水平，更要注重学生核心素养的发展情况。化学实验作为高中化学教学中与真实情境衔接最为紧密的部分，是发展学生核心素养的重要途径，但是在传统的化学实验教学中，学生往往只是在教师的安排下机械地操作实验，没有将实验活动与真实情境相关联，不能达到发展学生核心素养的教学效果。项目式教学即基于项目的学习(ProjectBased-Learning)，简称PBL，是一种学生自主探究解决实际问题的教学方式，与传统教学相比，项目式教学是学生面对真实问题展开的探究过程。在项目式教学过程中，学生在项目任务的引领下主动参与项目活动，自主开展合作探究活动，从而达成对真实情境中的问题解决。

以“制作简单的燃料电池”实验项目为例，通过项目式教学方式，学生学会制作简单的燃料电池，并探讨如何在高中化学实验课程中开展项目式教学。

一、项目式教学的设计原则

(一)时代性原则

项目式教学的教学设计需要体现化学学科特点，紧跟新时代与教学内容的步伐。化学学科从发展有一定的时间规律，以“制作简单的燃料电池”项目为例，世界正面临能源危机与环境危机，氢燃料电池因其能量高、污染少而受到追捧，项目式教学的设计需要赋予化学发展时代烙印选择新闻热点，使学生从新时代的角度审视化学学科的发展。

(二)真实性原则

项目式教学的教学设计必须与生产生活有紧密的联系。例如，在“制作简单的燃料电池”项目中，燃料电池的应用背景是学生可以感知的真实情境，教师应创设一个真实的情境，讲述真实故事，抛出真实问题。

(三)可接受性原则

项目式教学的教学设计必须考虑学生的可接受性，适合学生的发展水平，满足学生的认知需要。例如，在“制作简单的燃料电池”项目中，可以以简单的音乐卡机芯作为燃料电池供电的工具，而不是为了一味地追求专业性而选择较为复杂和难以实现的设备。

二、项目内容主题分析

(一)教学分析

本次实验内容基于高中化学人教版选择性必修1实验活动5“制作简单的燃料电池”。该实验涉及氧化还原反应、离子反应、电化学等内容，概念较为繁多，学生对繁多的概念容易产生混淆。但是其中的电化学及其产品与生产和生活实践联系紧密，如能源、材料等领域都离不开电化学，这为项目式教学的开展提供了真实的生活生产情境素材。通过“制作简单的燃料电池”的媒介，将“复习”“设计”和“制作”连接起来，用分任务的形式，环环相扣地引导学生以小组模式设计实验、操作实验、反思实验，使学生将实践与应用相结合，系统化学生的所学知识，激发学生的学习兴趣，培养学生的化学学科核心素养。

(二)学情分析

首先，学生操作实验之前，在高中化学选择性必修1第四章“化学反应与电能”中学习了原电池的反应原理及一些简单的化学电池的工作原理；其次，学生在“科学·技术·社会”资料卡片中展示的“发展中的燃料电池”了解燃料电池的优点，在自己动手制作燃料电池之前有充分的关于燃料电池知识储备，但是学生尚不能将认识与实践相结合。因此，学生需要在项目式教学下设计和制作一个氢氧燃料电池，进而更好地形成“氧化还原与电化学”的知识体系，发展自身的化学学科核心素养。

(三)项目目标

在高中化学课堂中开展项目式教学应以化学核心素养为起点来确定项目目标。本次采用项目式教学法引导学生完成制作简单的燃料电池实验，主要培养学生以下核心素养：

(1)宏观辨识与微观辨析：能从宏观和微观相结合的角度分析和解决氢氧燃料电池的制作问题。

(2)证据推理和模型认知：了解原电池及常见的化学电源的工作与原理，建立氢氧燃料电池的模型。学会从资料中筛选内容，推理并选择制作氢氧燃料电池的实验用品。

(3)科学探究和创新意识：从现象和结构出发，探究制作氢氧燃料电池过程中化学反应原理和实验方法，设计和制作一个氢氧燃料电池。

(4)科学精神和社会责任：通过认识到氢氧燃料电池对于生产生活的重要性，认识化学能与电能互相转化的实际意义及其重要应用。

三、项目流程设计

燃料电池在生产生活中有广泛的应用，在设计项目流程时，要将本课的教学内容与生活实际相联系，并且在设计项目流程时，还应该根据课堂条件、学生的实际水平等进行调整，确保每个项目任务都能有效完成。“制作简单的燃料电池”项目式教学流程见表1。

表1 “制作简单的燃料电池”项目式教学流程

四、项目式教学的实施

(一)课前预习

学生在课前通过教科书和网络资源，了解燃料电池的工作原理及其在生产生活中的应用。

本阶段学生可以使用的材料：

(1)人教版高中化学必修2、选择性必修1。

(2)网络视频《科创中国——氢燃料电池》《氢燃料电磁原理及前景》等。

(3)中国知网、百度搜索引擎查询燃料电池的资料。

(二)情境引入

相比传统的化石能源，氢能源具有可再生、低污染的特点，解决了国家能源安全问题和环境问题。利用氢能源可以制作燃料电池，在2022年北京东奥会中交通工具使用的就是由氢能源提供能量的氢氧燃料电池。这节课就由大家动手制作简单的氢氧燃料电池，为音乐卡机芯提供电力。

(三)分组学习，拆解实验任务

[教师]将学生分为两人一组的小组，布置总任务：制作简单的燃料电池，引导学生拆解实验任务。

[学生]依据课堂引入理解本次实验的总任务，并在教师的引导下拆解学习任务，学生产生驱动型问题：燃料电池的工作原理是什么？如何制作燃料电池？

(四)合作学习，完成项目任务

[任务一]温习“氧化还原反应与电化学”学习内容。

[教师]提出思考问题1：为什么要在制作氢氧燃料电池之前电解水呢？电解水时有什么安全事项需要注意？

[学生]电解水生成氢氧燃料电池需要的氢气。为了实验安全，收集氢气时需要先验纯，要求氢气纯净。

[教师]提出思考问题2：氢氧燃料电池的工作原理和电解水的原理的异同之处在哪里？

[学生]归纳总结电解水和氢氧燃料电池过程中的工作原理，列表比较，并选择小组内一人汇报。

[任务二]设计出与音乐卡机芯相连的氢氧燃料电池。

[教师]提出思考问题3：如何实现只用一个装置就完成电解水以及氢能源的供电实验呢？

[学生]用单刀双掷开关切换回路或者设计一个并联的电路，利用开关控制。

[教师]在开始实验之前播放制作氢氧燃料电池的微课视频，并演示实验。

[学生]通过教材、演示视频和教师的演示过程探究氢氧燃料电池制作方法，列出制作氢氧燃料电池需要的实验器材以及实验步骤，预测实验现象及结果。设计结束后，由小组内的另一人汇报设计好的实验步骤，同时选取实验用品和仪器。

[教师]检验学生设计的实验过程及选取的实验仪器，合格后为学生提供实验仪器和药品。

[任务三]制作一个与音乐卡机芯相接的氢氧燃料电池。

[学生]通过小组活动完成氢氧燃料电池的制作，电解水两分钟后连接音乐卡机芯进行放电实验。

[教师]检视每个小组的实验操作情况，并给予有效的反馈。

[任务四]了解燃料电池技术的发明过程，展望燃料电池的发展方向。

[学生]搜寻与燃料电池技术发明过程有关资料，并根据自己的理解展望燃料电池的发展方向，整理成文档或PPT。

(五)多元化评价

[学习评价]学生之间、小组内根据对于本次实验的贡献度、参与度等多个方面互评，并通过及时完成作业的形式对自己的掌握程度进行自评，同时教师综合课堂表现和作业完成情况对学生进行评价。“制作简单的燃料电池”项目式教学评价表见表2。

表2 “制作简单的燃料电池”项目式教学评价表

五、教学反思

利用所学知识制作简单的燃料电池，是学生在学完氧化还原反应与电化学的基本概念和规律后，运用项目式学习进行复习教学的尝试。学生根据项目任务“制作简单的燃料电池”,围绕燃料电池的基本原理、基本制作方式等对任务进行拆解，通过小组讨论、代表发言，互相补充制订方案，完成了简单的燃料电池的制作。从教学过程中看，项目式教学培养了学生解决问题的能力，发展了学生的化学学科核心素养，与此同时，通过拓展延伸，学生在解决问题时懂得化学在生产生活中的价值。从整体上看，项目式教学对教师的自身综合能力要求较高，因此需要教师在了解项目式教学的基础上，增加自身的知识储备，从多个角度进行项目目标的分析、项目任务的设计、项目流程的安排，以及项目评价的实施，这样才可以设计出符合学生核心素养发展的项目教学案例，完成项目式教学的实施。学生的化学学科核心素养并非一朝一夕可以培养的，需要教师在教学中逐渐渗透，为此教师可以采用项目式教学的方式在真实情境中开展高中化学实验课程的教学，发展学生的化学学科核心素养。