STEM 视域下高中化学“微项目”式学习实践研究——以“论证重污染天气‘汽车限行’的合理性”为例

张 昕 叶燕珠 刘建桂 蒋苏延

（1.三明市第二中学，福建 三明 365000；2福建教育学院，福建 福州 350025；3.泉州第五中学，福建 泉州 362000；4三明市第二中学，福建 三明 365000）

鲁科版化学系列教材，在每一章章末都给出了一个“微项目”，这些“微项目”往往是生产、生活中的化学相关议题。如何利用好这些“微项目”，既做好章末知识的小结、复习，又能够更高阶地落实化学核心素养，是高中化学教师亟待解决的问题。

项目式学习是学生围绕特定的学习项目自主选择学习资源，通过学习、探究、吸收、实践、创新等环节，实现高中化学核心素养的落地。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020）》明确了“坚持以人为本，推进素质教育”是教育改革发展的战略主题，目的为提高学生创新精神和解决问题的实践能力；加强对于能力的培养的同时，极力提高学生的学习、实践、创新能力。化学学科核心素养中提出的“科学态度与社会责任”则对学生的化学学习提出了更高层次的价值要求。

STEM 教育是一种整合了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Mathematics）领域内容用以指引教学与学习的途径和方法。我国的STEM 教育本土化研究起步较晚，实践探索比较缺乏。随着发展学生核心素养理念研究的深入，依托工程设计的方法，把学生需要掌握的科学知识、方法整合成具体的项目，使学生在科学探究和工程设计过程中开展解决核心问题的活动越来越多地出现在教学实践当中。［1］加强STEM 教育理念在物理、化学教学中的应用研究尤为重要。

鲁科版（2017 课标版）必修第一册“微项目”——“论证重污染天气‘汽车限行’的合理性”，探讨与化学相关的社会热点问题，契合了这一要求。如何用好这一“微项目”，落实核心素养培养，成为值得深入研究的问题。通过一段时间的理论学习与教学实践，笔者所在的教学团队初步构建出了“科技搭台、实验唱戏、立足教材、个性探究”，将科学技术与工程数学相融合的教学模式。学生可以更加自主地在已有知识体系的基础上，结合高中生思维特点和海量的网络资源，去获取新知、实践创新。并能把获得的知识和经验有效迁移应用到解决生活问题中去，最终达到促进学生学科核心素养的形成和发展的目的。［2］下面以该“微项目”为例，试加阐释。

一、“微项目”教学主线

汽车尾气污染是一个多年的环境保护议题。造成汽车尾气污染的成分有哪些？它对环境的危害如何？汽车生产厂商是如何设计处理的？处理的效果如何？如何破解都市的“尾气病”？这涉及了科学、技术、工程、数学的相关知识，同时这也是学生极有兴趣的问题。通过前期部分元素化合物、氧化还原知识的储备，学生已经初步具备了探究这些问题的能力，该项目式学习是以“调查了解—理论分析—科学探究—实践比对—分析研讨—提出方案”为主线，引领学生在真实情境中应用科学、技术、工程和数学等方面知识动手研究并最终解决这些问题，进而发展学生的STEM 素养。

二、“微项目”教学流程

本项目共分为三个环节：环节一，了解汽车尾气的构成；环节二，探究汽车尾气的处理；环节三，分析汽车尾气涉及的经济、社会问题。具体设计如下：

［环节一］由汽车上线年检，了解汽车尾气的构成。

任务1：通过网络了解汽车尾气的检查项目。

设计意图：创设情境，激发学生探究兴趣。

任务2：观看实地拍摄的车检数据图片分析汽车尾气的主要污染物。

设计意图：基于对真实数据的证据推理，证实汽车尾气中确实存在某些污染物，如：CO、NO、PM（微粒）……以及温室气体HC（碳氢化合物）、CO2……

任务3：结合已有知识，指出尾气的危害。

设计意图：学生在已有知识结构的基础上，更加真实地体会到人类活动对环境的影响。通过化学问题的社会实践活动落实“绿色化学”观念。

环节一中，“汽车尾气”是一个既熟悉又陌生的话题，熟悉的是它的名字，陌生的是它的组分。通过网络与实践探究，将汽车年检这一工程技术问题落实到科学层面，把这一话题导向刚刚完成的“氮及其化合物”的学习当中。在复习含氮物质性质的过程中，使学生对它们与环境的关系有了更深的认识。这一过程中，用证据说话，基于事实推理出汽车尾气与相关环境问题的必然联系。激发学生保护环境、构建“绿色化学”的观念，落实社会责任核心素养。

［环节二］巧用“价一类二维图”，探究汽车尾气的处理。

任务4：构建氮元素的价一类二维图，引导学生指出对环境友好和有一定危害的含氮物质，并对各物质的氧化、还原性进行分析。

设计意图：“价一类二维图”是一个典型的数学建模方式。它可以帮助学生系统化、条理化地认识和理解含氮物质及其性质，构建基于氧化还原理论的物质模型认知。并运用这一认知分析含氮物质转化的本质和规律，即可通过氧化或还原手段将某一价态的含氮物质转化为另一价态的含氮物质。

任务5：利用价一类二维图（如图1）预测出汽车尾气中的NOX 转化为环境友好物质（如N2等）的理论途径。

图1 氮及其化合物的“价一类”二维图

设计意图：数学建模论证工程、技术问题。运用价一类二维图为理论指导，通过含氮物质转化的预测分析，帮助学生理解物质变化的规律，构建变化观念。从实际问题出发，引领学生自主设计探究方案，培养学生的科学探究和创新意识。结合“任务1”的氧化还原模型认知，提出可将NOX还原为环境友好物质——N2，从而确定本环节研究的原料物质及目标产物。

任务6：依据理论分析，结合汽油车三元催化器、柴油车尿素SCR（选择性催化还原）（如图2）工作原理，用化学方程式描述尾气处理的原理，并描述出二者原理上的异同。

图2 柴油车SCR 催化反应器原理图

设计意图：从理论到实践，使学生体会到研究的获得感和成就感。汽油车三元催化器中的CO 和柴油车中的车用尿素，同样都是还原剂，都是将NOX还原为环境友好物质——N2，不同点在于一个是利用汽油机工作废气，一个是外加还原剂。对比汽油、柴油车尾气处理方式的异同，引领学生发现自己设计方案有价值的闪光点，培养其创新意识。在原理分析中，通过NO 残留让学生认识到化学反应的限度和速率的可控性问题，在解决实际问题的同时，帮助学生建构变化观念，形成平衡思想，实现化学核心素养在课堂教学中的落地。

环节二中，集中体现了STEM 对于解决实际问题的指导意义，在数学建模“价一类二维图”的模型认知下，通过已有的科学知识，运用合理的技术手段解决实际工程问题。解决问题的主线就是价一类二维图。价一类二维图最大的意义，不在于传统的总结、复习含某一元素的相关物质，而在于通过氧化还原以及化合价变化的模型认知，分析真实存在的问题，给出解决问题的思路与方法。通过对原料物质及目标产物的化合价分析，确定采取氧化或还原手段。此时，引导学生利用已有知识、技能，通过资料检索、合作探究，提出充满自身智慧闪光点的个性方案。教师再以工业实施方案为参考标准，及时评价设计方案，相符的给予肯定，差异化的找出亮点，激发学生对于科学研究的向往，从而真正落实科学探究与创新意识维度的核心素养。

［环节三］从“大众尾气造假门”，分析汽车尾气涉及的经济、社会问题。

任务7：通过资料了解“大众尾气造假门”事件——人为控制只在汽车尾气检测时开启尾气处理而正常行驶时关闭尾气处理，对造假原理进行理论分析。

设计意图：运用尾气处理学习中建立的模型认知，分析“造假门”的原理与危害，指出通过人为技术手段控制尿素参与反应是“造假门”的技术核心，其危害在客观层面会导致大气中NOX含量的增加引发一系列环境问题，主观上是企业唯利是图导致社会责任感的缺失。

任务8：引导学生从主、客观方面分析尾气超标产生的原因。

设计意图：从技术、工程的视角，对客观存在和“有意为之”的不同角度，分析尾气超标的产生原因，如城市汽车保有量偏大、催化剂失效、尿素添加不足…，培养学生严谨、求实的科学态度。以“证据说话”的证据推理过程，引导学生“从问题和假设出发，确定探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究”。［3］

任务9：结合身边的事例，分析“汽车限行”的合理性，并给出自己的解决方案。

图3 汽车限行合理性解决方案思维导图

设计意图：可以从数学的角度计算乘坐公共交通工具和私家车对环境的影响程度来分析；也可以从技术的角度探究新能源汽车和燃油车对环境的影响程度来分析。在正确价值判断的基础上，积极参与身边涉及化学的社会问题的思考，培养社会责任。

环节三中，STEM 同样可以用以探讨影响力较大的社会热点新闻，探究科学技术与社会责任的关系。通过对与化学相关的社会热点问题做出自己正确的价值判断，发展“绿色化学”观念。通过对城市汽车尾气超标的客观分析，培养学生严谨求实的科学态度。有了正确的价值判断，才能够引导学生理性、科学地寻求解决问题的方案，对于设计方案的评价教师应持开放式的态度，让核心素养中的知识、能力培养与科学态度、社会责任真正融为一体。

通过上述课例可以看出，在STEM 视域下，将科学知识与数学建模相结合，利用工程技术手段可以让高中学生在真实的情境中探讨与化学相关的社会热点问题。在实际教学过程中，多数学生能够积极参与探究活动，主动思考并与其他同学互助协作，共同寻求问题解决的方案，最终较高质量地完成探究任务。由此可见，该“微项目”能有效地调动大多数学生学习的积极性。通过对尾气的成分和处理方法的探究，既可以帮助学生综合理解氧化还原反应机理，深化变化观念并形成平衡思想，还可以培养学生基于“证据推理与模型认知”维度的核心素养。通过尾气处理原理的分析可以帮助学生形成严谨求实的科学态度；通过对限行方案合理性和合理建议的探讨，可以落实化学学习更高层次的价值追求——社会责任。对于不同能力程度的学生，核心素养的落实情况也存在着逐级提升的效果。［4］教学中我们应该更多地引导学生运用所学知识参与探讨与生产、生活紧密联系的化学问题，从而真正高阶地落实化学学科核心素养。