基于真实情境的项目式学习教学实践

叶芸芸 任雪明

摘要：在平时的教学实践中，发现高一学生在学习硅和二氧化硅的性质时存在混淆现象，为解决这一困惑，提高学生学习效率，提升学生核心素养，选择将知识情境化，引入项目式的学习模式，通过探究单晶硅的制备来设计4个不同的任务，引导学生在真实情境中解决问题，在实践探究和小组合作中学习相关知识，使学生的知识技能与学科素养均得到较大的提升。

关键词：真实情境；项目式学习；硅；二氧化硅

文章编号：1008-0546（2023）10-0044-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.010

一、问题的提出

硅在高中教材元素化合物中涉及的内容不多，对比苏教版和新人教版发现，新人教版中硅所占的篇幅更少，被安排在必修二第五章第三节无机非金属材料中，主要要求学生掌握硅酸盐产品、了解硅和二氧化硅的性质和认识碳化硅等新型无机非金属材料。在教学实践中我们发现，对于硅和二氧化硅的性质，部分高一学生会出现混淆的现象，继而对它们的应用也产生模糊认知，因此在新课教学时要避免教师的“滔滔不绝”。在新课学习中应用项目式学习手段尝试让学生成为新知识的发现者，在真实情境中解决实际问题，促进学生在理解前提下的深度掌握。将有利于学生在任务不断破解中逐步提升学科核心素养。

项目式学习是通过设置一个真实情境化的任务，学生作为项目学习的主体在完成项目任务的过程中与教师不断对话来诊断其学习障碍点，发展其核心素养，同时解决问题的综合能力得到提升。[1]与传统教学相比，项目式学习是“做中学、玩中学、研中学”，是基于“学得好”层面上的教学实践活动，它引导学生如何学，充分发挥学习的主动性，发挥成员间的合作性，更倾向于在实践活动中的体悟，实现情境的学习力和迁移力，顺应时代发展的需求，可有效促进深度学习的达成。项目式学习是学生综合运用多学科学习成果进行自主学习的一种综合、活动性的教育实践形态。[2]

本文以“制备单晶硅”为例，借助项目式学习的优势，设计出四个不同的人物角色，引导学生以特定的角色去思考问题，驱动学生投入到问题的解决中去，在创设的“以任务为驱动，以问题为导向”的真实情境中收获新知识，提升学科能力，培养学科素养。

二、設计与实施

1．项目设计意图

本节内容选择“制备单晶硅”作为项目主题，以硅和二氧化硅的核心知识为主要载体，从原料的采购一材料的管理一工艺流程的设计一成品的质量检测这四个项目任务出发，通过赋予角色，增加学生的主动性；通过情境创设，激发学生的积极性；通过查阅资料，培养学生的自学能力；通过探究体验，提升学生的核心素养。

2．项目学习目标

（1）通过从微观角度学习硅的原子结构和二氧化硅的结构，认识硅的原子结构特点和二氧化硅的晶体结构特点及相关性质。

（2）通过角色扮演从不同的认知角度分析单晶硅的制备工艺，了解工艺制备的原理和方法，体验实际生产要素的复杂性，深刻体会基础理论和实际应用的相关性。

（3）通过学习高纯硅的工业制法和新型无机非金属材料的性能和用途，感受无机非金属材料的多样性以及对社会发展的重要性，提高学生努力学习化学、投身国家建设的社会责任感。

3．项目流程设计

具体内容如表1所示。

4．项目实施过程

情境引入：化石能源是当前的主要能源，但它是不可再生的，而且会造成对环境的不良影响，所以新能源的开发与利用是科学家们研究的主要方向。太阳能是一个取之不尽用之不竭的清洁能源，硅太阳能电池是我们中国的一个名片，在晶硅电池的生产和应用方面，我国目前处于国际领先水平。那么为什么我们会采用硅材料制备太阳能电池呢？硅材料的优势是什么？

PPT展示：见图1。

教师：晶体硅材料非常好地符合了高效率太阳能电池对光电转换材料的要求，首先晶体硅的光学特性和电学特性都适合用于光伏器件，其次可以通过制备晶片和掺杂等方法对晶体硅材料进行可控加工，另外，晶体硅材料的带隙与太阳光光谱比较匹配，理论上可以得到近30%的光电转化效率。所以制备晶体硅材料是开发新能源的重点之一，今天，我们一起来探寻一下如何去制备单晶硅。为了让同学们充分体验制备过程，老师创设了四个角色，我们分为四个小组，每组一个角色，请大家积极开动脑筋，一起来完成你所对应的角色的任务。

任务一：采购员

学生活动：阅读资料1，小组讨论选择最佳原料。

教师：第一小组，你们小组讨论结果是？

学生：从制备的原理来看，选择氧化物会比硅酸盐更合适，从成本和储量来看，选择沙子最合适。

教师：果然是一名优秀的采购员，综合以上因素考虑，我们发现，沙子是最佳选择，实际生产中确实也是这么做的，可以这么说，所有的芯片都来源于沙子。

设计意图：通过代入特定角色，从第一视角去认识元素硅的存在形式，结合资料1的信息，小组合作完成原料的选择，提高学生的学习欲望，学会提取有效信息并进行加工处理，提升分析推理能力。

任务二：仓库管理员

学生活动：作为一名优秀的仓库管理者，要熟知材料的性质，明确储存要求。请你根据所学知识和提示信息，二氧化硅在储存时应注意什么？体现了哪些性质？

教师：我们请第二小组的代表来说一说你们讨论的结果。

学生：从资料2和资料3中可以看出二氧化硅的结构和物理性质，不溶于水说明在潮湿环境下也能稳定存在，因此不必过于强调干燥环境；同时资料3也告诉我们二氧化硅化学性质不活泼，很稳定，通常情况下不与水、酸发生反应，但氢氟酸除外，材料4表明二氧化硅和氢氟酸能发生反应，且是唯一与之反应的酸，所以在储存时不要碰到氢氟酸即可。

追问：太棒啦。那你能在黑板上把它们的反应方程式写出来吗？

学生代表在黑板上书写化学方程式，其他学生在草稿纸上书写。

板书：SiO2+4HF=SiF4+2H2O

教师：非常好，二氧化硅可以和氢氟酸反应生成四氟化硅和水，不过同学们要注意，四氟化硅是气体，我们要把气体符号加上去。

演示修改：SiO2+4HF=SiF4↑+ 2H2O

教师：还有没有同学有其他的发现？我们可以一起讨论一下。

学生：资料3中提到二氧化硅是酸性氧化物，所以酸性氧化物的性质它都有。

追问：那你能举例说明酸性氧化物的性质吗？

学生：与碱反应生成盐和水，

比女口：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

与碱性氧化物反应生成盐，

比如：SiO2+CaO=高温=CaSiO3

补充：是的，除此以外，二氧化硅还可以和某些盐反应。

板书：SiO2+Na2CO3=高温=Na2SiO3+CO2↑

小结：综上所述，二氧化硅的性质如下：

（1）稳定性：化学性质不活泼，一般隋况下不反应；

（2）酸性氧化物的通性：

a．一碱反应生成盐和水：

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

b．與碱性氧化物反应生成盐：

SiO2+CaO=高温=CaSiO3

（3）与某些盐反应：Si02+Na2CO3=高温=Na2SiO3+CO2↑

（4）特性（与氢氟酸反应）：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O

设计意图：话题继续延伸，利用课内课外信息开展讨论，在教师创设的问题情境中感受二氧化硅的性质，充分调动学生的积极性，同时也培养了学生的理解和分析能力。

任务三：工程师

思考：1．将二氧化硅转化为硅单质，你能想到哪些方法？选择最优方案。

2．这样制取的硅单质纯度怎么样？

3．如何提纯粗硅？

（提示：二氧化硅与一氧化碳不反应；硅在300℃下能和氯化氢反应生成SiHCi3，SiHCi3在1000℃时被氢气还原。）

学生活动：思考并讨论完成高纯硅的制备。

教师：第三小组的同学们，你们想到了什么方法？来和大家分享一下。

学生：从二氧化硅得到硅，肯定要通过加还原剂还原的方法。我们所知道的常见还原剂有一氧化碳、氢气和碳等。但是提示信息说二氧化硅和一氧化碳不反应，所以可以通过氢气或者焦炭去还原。

板书：SiO2+2C=高温=Si+ 2CO；

SiO2+2H2=高温=Si+ 2H2O

教师：那么你觉得哪一种方法更好呢？为什么？

学生：用焦炭更好，因为用氢气一是成本高，二是不安全，氢气是一种易燃易爆气体。

教师：确实，我们工业上采用焦炭还原二氧化硅，那这样制备出来的硅是我们想要的高纯硅吗？

学生：不是，因为焦炭过量，所以产物中有焦炭。

教师：根据提示信息，我们可以怎么做把粗硅制成精硅？

学生：Si+ 3HCI=300℃=SiHC13+H2；

SiHCl3+H2=1100℃=Si+ 3HCl

教师：非常好，这样制出来的就是高纯硅了。

小结：高纯硅的工艺流程：

SiO2+2C=高温=Si+ 2CO↑

Si+3HCI=高温=SiHC13+H2

SiHC13+H2=高温=Si+ 3HCI

设计意图：综合应用化学学科知识与方法解决陌生情境问题，是学生化学学科能力的综合体现。通过问题的驱动引导学生进行思考、分析、总结，得出制备高纯硅的方法，从而培养学生科学探究与创新意识的学科素养。

任务四：质检员

教师：同学们，我们制取了单晶硅，那么是不是也需要去检测成品的质量？现在你就是质检员，你会选择什么方法进行纯度测定呢？从中可以看出硅的哪些性质？

学生活动：根据课内课外资料，思考并讨论选出最优方案。

教师：我们请第四小组的代表来说—说他们的方案。

学生：从资料中可以看出，常温下，除与氢氟酸、强碱溶液反应外，硅不与其他物质反应。在加热时，硅能与C12、C、02等发生化合反应。涉及到的化学方程式主要有：

①Si+4HF=SiF4↑+2H2↑

②Si+2NaOH +H2O=Na2SiO3+2H2↑

③Si+ O2=△=SiO2

④Si+ 2Cl2=△=SiCl4

⑤Si+ 2Mg=高温=Mg2Si

除了第五个反应条件过高不适合，其余四个反应均可进行，如果要选最佳方案的话，我们认为和氢氧化钠溶液反应去测氢气体积比较好，一是条件简单，常温下即可进行，节能；二是操作方便，可行性强；三是绿色环保无污染，符合绿色化学原则。

教师：分析得很到位，给你们点赞。当然实际上测高纯硅纯度的真实方案不是这个，在我们现有的知识储备下，同学们分析的方案已是最佳。

设计意图：通过学生自己分析讨论测定单质硅纯度的最佳方案，既学习并了解硅的化学性质，又锻炼了分析问题的能力，在学生梳理汇报时，充分发挥学习共同体的作用，利用课堂生成性资源，提高学生的语言表达能力。

三、实践反思

从本项目实施情况和学生课堂上的表现来看，学生的成就感和参与感明显提升。本节课自始至终都在一个真实的情境中，学生担任不同的角色去发现并思考解决问题。在项目式教学中学生需要具备查阅资料、资料加工、分工合作、交流表达等过程技能。教师在这个过程中需要时刻关注学生，适时地引导学生，通过环环相扣的驱动型问题激发他们下一步探究的兴趣，学会用已学知识去解决困惑，在一个个真实问题的解决过程中收获知识，提升能力，培养学科素养。从实施的过程来看，本节课贯彻了“以学生为主体”的教育理念，小组合作开展活动，在合作中学以致用，在互动中深化概念，相信学生的学习能力，充分体现了“以学定教，先学后教”的教学策略。从实施的效果来看，在课堂中创设真实教学情境，学生在真实的情境中获取知识显然比常规的教学手段更有效果，更深层次地感受到化学知识的应用与价值。因此教师在备课时多注重发掘真实情境素材，将生活融入教学，引领学生关注日常生活、了解工业生产的意识，同时也可增加不同职业信息的渗入，增进学生对不同职业领域的了解，挖掘出自己的职业兴趣。

参考文献

[1] 江合佩，促进学生核心素养发展的项目式学习研究与实践——以“废旧锂离子电池回收利用”为例[J].教育与装备研究，2019（9）：60-67．

[2] 郭华．项目学习的教育学意义[J].教育教学研究，201 8（1）：25-31．