化学学科核心素养在项目式教学法中的落实
——以“铁与水蒸气反应装置设计”为例

陈 渝

(云南师范大学，云南 昆明 650500)

1 相关背景

项目式学习(Project-Based Learning，简称PBL)，源于美国教育家杜威所提出的“从做中学”的教育理念，后来逐渐发展演变为“项目学习”教学法[1-2]。项目教学法就是在老师的指导下，将一个相对独立的项目交由学生自己处理，信息的收集、方案的设计、项目实施及最终评价都由学生自己负责，学生通过该项目的进行，了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求。“项目教学法”最显著的特点是“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”。具体表现在：目标指向的多重性，培训周期短、见效快、可控性好、注重理论与实践相结合。项目教学法是师生共同完成项目，共同取得进步的教学方法。《普通高中化学课程标准(2017年版)》提出化学教学要立足于学生适应现代生活和未来发展的社会生活实际，倡导创设真实问题情境，开展以化学实验为主的多种探究活动，培养学生的创新精神和解决真实问题能力[3]。因此，中学化学教材中的知识越来越贴近生产、生活实际，项目式教学是未来教学的必然趋势。

高中化学课程标准中提出，化学学科核心素养包括宏观辨析与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、实验探究与创新意识、科学精神与社会责任等五个方面。因此，我们在培养学生的学科核心素养时，应基于学科特质与学科任务，以培养学生核心素养为目标展开教学活动[4]。教师在中学化学教学设计中应该为学生提供完整的化学学科背景并引导学生用学科的知识视角解决社会中的真实问题，以达到对学生的化学核心素养的培养目的。

2 化学学科核心素养下的项目式教学流程设计

2.1 教材分析和学情分析

在必修一第三章金属及其化合物中，铁与水蒸气的反应出现在科学探究中，体现了新课标的精神。课本要求学生设计一套简单的实验装置，使还原铁粉与水蒸气反应,以此为依据设计这节课。实验是化学的基础,反应实验装置的设计是学生应逐步培养的能力。本节课是培养学生实验设计能力的一个很好的平台，由于是高中第一节实验探究课，需要结合学生在初中学习到的一些实验装置的知识，把已经学过的零散的知识进行整合，进一步提升学生的实验能力。

学生在初中已经见过一些实验装置，如一氧化碳还原氧化铁、氢气还原氧化铜及O2、H2、CO2的实验室制取法的简单实验，具备了完成化学实验的基本思路和方法，具备设计简单实验的能力。这些知识都是本节课探究性学习的前提和基础。在教学过程中，以学生为主体，使学生成为知识的积极构建者，主要采用让学生设计实验的方式，注重学生的能力发展。

2.2 教学目标

①通过铁与水蒸气反应的原理，初步形成基于物质类别、元素价态和原子结构对物质性质进行预测和检验的认识模型。培养宏观辨析与微观探析、变化观念与平衡思想的核心素养。②通过查找、阅读资料，设计出简单可行的铁与水蒸气的实验装置，完成实验操作，观察物质及其变化现象，发现和提出需要进一步研究的问题。发展学生良好的解决问题的思维习惯。培养证据推理与模型认知、实验探究与创新意识的核心素养。③通过让学生体会到设计并完成实验的成就感，增加学生学习化学的兴趣，感受化学对生活的重要性。培养科学精神与社会责任的核心素养。

2.3 评价目标

①通过对铁与水蒸气反应的物质转化关系的讨论与点评，诊断并发展学生对物质及其转化思路的认识水平(孤立水平、系统水平)。 ②通过学生对铁与水蒸气反应装置设计方案的交流与点评，发展学生物质性质的实验探究设计水平(孤立水平、系统水平)以及诊断并发展学生实际解决问题的能力水平(孤立水平、系统水平)。③通过学生对实验设计方案存在的优缺点的讨论与点评，诊断并发展学生对化学价值的认识水平(学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角)。

2.4 教学与评价思路

教学与评价思路详见图1。

图1 教学与评价思路示意图

2.5 项目任务及设计流程

本节课用项目式教学的方式，在化学学科核心素养的教学目标指导下结合项目主题“铁与水蒸气反应实验装置设计”提出驱动性的问题：铁与水蒸气反应原理是什么？走访附近工厂以及网上查阅资料，并结合问题将项目拆分成三个子项目：①水蒸气的发生装置；②水蒸气与铁粉的反应装置；③气体的检验或收集装置。同时，查阅资料和工厂咨询四氧化三铁的工业制法，了解实验室制取四氧化三铁与工业制取的不同，从而了解实验室中的实验装置选择特点。在项目一(水蒸气的发生装置探究)中学生进行小组合作，根据反应原理选择适合的仪器组装出水蒸气的发生装置，并思考是否符合实验装置的选择特点，进行装置的改进。同时进行小组互评、互相学习、共同进步。在项目二(水蒸气与铁粉的反应装置探究)中学生查阅相关资料，讨论、交流、分析得出与本实验反应原理相似的初中化学实验。例如，一氧化碳高温还原氧化铁的实验，氢气还原氧化铜的实验等。参考以上实验装置，通过不断修改得出本实验的反应装置。在项目三(气体的检验或收集装置)中通过对初中化学中气体的收集与检验的相关实验资料的查阅结合本实验原理，设计出本实验气体部分的检验或收集装置。最后进行项目总结及成果展示，各小组展示设计成果，其他小组通过思考与讨论，点评实验装置的优缺点，总结出最佳的实验装置设计方案。教师在过程中对创设情境、资料支持、实验支持、方法指导、进度监控，以及组织交流、评价、总结活动。项目学习流程见图2。

图2 项目学习流程

2.6 项目实施过程

【问题情境】铁和水蒸气反应的实验难度非常大，长期以来很多人做不出这个实验。原因是这个实验用时长，成功率低，不安全。希望学生能解决这个难题，设计出安全性强、易于操作、成功率高的实验装置。

【设计意图】通过了解铁与水反应实验难度大的现状，激发学生的学习动机，调度学生的积极性，提高本堂课的参与度。

【生活联系实际】以小组为单位网上查阅或走访工厂进行咨询，建立实验装置分步设计的认识模型。同时根据本实验反应原理将项目拆分为三个子项目：1)水蒸气的发生装置；2)水蒸气与铁粉的反应装置；3)气体的检验或收集装置。教师与学生共同总结出实验反应装置的选择特点：节省原料；安全性强；装置简单；操作方便。

【设计意图】通过铁与水蒸气反应的原理，初步形成基于物质类别、元素价态和原子结构对物质性质进行预测的认识模型。将实验装置设计拆分为三个子项目，有利于降低实验设计的难度，以便于实验探究活动的顺利进行。同时学生通过查阅资料等方式自学、探索、发现来获得知识。学生是学习的主导者，使学生以极大的热情投入到整个学习过程中，提高学习效率，养成良好的学习习惯和解决问题的思维习惯。

【科学探究】结合本实验的反应原理，以小组为单位分别进行三个子项目的实验装置设计，并采取小组互评的方式，进行优缺点评价以及提出改进建议。(如表1实验装置设计汇总)

表1 实验装置设计汇总

【设计意图】充分发挥学生的主动性，以体现自主探究、合作交流的学习过程，让学生体会到设计并完成实验的成就感，增加学生学习化学的兴趣，感受化学对生活的重要性，培养科学精神与社会责任的核心素养。同时，采用成果展示和小组点评结合的方式，鼓励学生积极思考、积极发言，表达自己的想法，并在互相交流、互相学习的基础上构建自身对实验装置设计的认识模型。培养能够适应终生发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。

【最终成果】综合学生的设计与评价以及教师的评价与建议最终设计出如下实验装置，并借助多媒体播放演示实验视频。

【实验过程】点燃酒精灯，使大试管均匀受热，然后定点在靠近湿棉花附近的铁粉加热，观察到铁粉逐渐红热，蒸发皿内的肥皂液液面产生气泡并不断扩大，伸入一根点燃的木条置于肥皂泡上方，观察到气泡破裂、气体燃烧、发出轻微爆鸣声。铁与水蒸气在加热的条件下发生反应，生成氢气和四氧化三铁。(如图3铁粉与水蒸气反应实验装置设计)

图3 铁粉与水蒸气反应实验装置设计

[教师]实验装置(图3)是否还存在缺点？还可以怎么改进？

[学生]湿棉花含水量有限，若较长时间加热，水被蒸干后棉花易烧焦影响实验，还可以替换为其他吸水性强且不易烧焦的材料。

[教师]布置作业：请同学课后查阅相关文献资料，了解本实验装置的缺点及改进意见，互相交流讨论。

【设计意图】培养学生崇尚科学真理，不迷信书本和权威的科学探究与创新精神。同时培养问题意识，运用所学知识分析和探讨实验设计的不足之处并提出改进意见，解决实际问题

3 总结与展望

本研究基于化学学科核心素养在项目式教学法中的落实，特别关注学生在项目式教学中培养化学学科核心素养，以学科化学核心素养的角度去培养学生信息的收集、合作交流、方案的设计、项目实施及最终评价的分析解决问题的能力。

本课例以铁与水蒸气反应的实验装置探究为素材，建立了实验反应装置的选择特点为节省原料，安全性强，装置简单，操作方便的思维模型。教学流程设计既注重发挥学生的主体性地位，同时又注重教师的引导作用，达到教学相长，教师更好地教、学生更好地学的互相促进作用。在设计实验装置的过程，注重学生运用知识迁移的方式将以往所学实验装置设计思路迁移到本实验装置的设计中，有利于培养学生知识互相融合解决实际问题的能力和化学视角解决实际问题的素养。在设计实验过程中注重小组交流，培养学生团结协作，共同解决实际问题的能力，以达到培养能够适应社会发展需要的必备品格和关键能力的素养为本的教学目标。

高中化学新课程的基本理念中提到：“通过以化学实验为主的多种探究活动使学生体验科学探究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力”。科学探究的目的是让学生在获得结论的同时，体验科学探究的过程，了解科学探究的方法，所以本实验用科学探究的方式进行有一定的必要性。但本实验难度非常大，对于刚进入高中的学生来设计这个实验难度更大，所以本文将这个科学探究利用项目教学法拆分成三个较为简单的子项目，从而防止学生对化学实验产生畏难情绪，降低学习化学热情的可能性的产生。项目式教学法强调在解决问题中发展出技能和能力，同时注重将项目拆分成多个子项目的方式教学，化学学科的核心素养是学生必备的科学素养，高中化学的学习应倡导创设真实问题情境，开展项目式教学的探究活动，培养学生的创新精神和解决真实问题能力。因此在教学过程中，教师应注重开发化学学科核心素养为本的项目式教学设计，积极探索在中学化学知识中落实核心素养的有效途径。