基于项目学习的高中化学教学设计与实践

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、学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？

[学生]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。