化学实验项目式学习的设计与实施

崔鹏 王祖浩

摘要： 阐述化学实验项目式学习中学习情境、学习规则、学习工具三要素和实验探究的各环节以及科学方法的综合作用，共同形成学习进程，以发展化学学科核心素养。以“探究深、浅呼吸呼出气体中氧气含量的差异”项目为例，详细说明化学实验项目式学习的设计与实践，呈现学习进程，总结并反思其成效、意义及教师的责任。

关键词： 化学实验; 项目式学习; 学习设计; 氧气的性质与制取

文章编号： 10056629（2022）06002806

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

实验是化学教学的重要内容，也是最能体现化学学科特质的学习方式和教学方式。项目式学习强调通过现实世界的驱动性问题进行思考和实践，重视通过团队合作与持续不断的努力来发展创造性地解决问题的能力，被认为是最具有融合核心素养发展效力的教学方式[1]。因此，我们整合化学实验探究活动与项目式学习，设计化学实验项目，开展基于真实情境的实验学习和科学实践活动，凸显合作与互动，促进学生化学学科核心素养的融合进阶与发展。

化学实验项目式学习，是个体在与情境互动、与同伴交往中以实验探究的方式解决真实化学问题和培养创新意识的实践过程。项目所蕴含的知识是化学课程标准的内容要求，情境选材源自生活。化学实验项目式学习较之传统的学习增强了综合性、复杂性和灵活性，并以学习者为中心，把化学学科核心素养培育转化为深度的学习实践，对学生的综合应用和迁移创新能力提出更高的要求。在实际教学中，既可以开设为新课，也可以作为复习课或拓展性活动。

1 化学实验项目式学习的设计

1.1 化学实验项目式学习的设计要素

素养导向的学习设计的三个要素即学习情境、学习规则、学习工具，分别指向知识在情境中的意义化、学习中促进社会性参与的规则设计、运用工具促进所学内容和思维的外显化[2]。化学学科核心素养是运用化学知识应对复杂的、不确定的科学问题和挑战的关键能力与必备品格。素养导向的化学实验项目式学习活动中，“学习情境”是指让学生产生真实化学问题和化学思维的生活、生产情境和实践任务，促进实现跨越情境的迁移;“学习规则”是指利于和激发学生积极参与合作探究和主动表达的规则，形成师生共同的学习期待和自主的学习形态;“学习工具”是指给学生提供化学实验思维外显化和反省评价实验探究的学习工具，促进学习情境和学习规则的落实。

1.2 化学实验项目式学习的进程设计

项目式学习的关键环节是，在真实的驱动性问题情境中对问题展开探究，以小组合作的方式进行学习，运用各种工具和资源促进问题解决并产生成果[3]。实验探究是化学实验项目式学习的核心活动，主要有以下基本环节： 提出问题、建立假设、设计与开展化学实验、收集信息与数据、推理分析与论证、得出结论、反思与评价等。这些环节并不是固化的、一成不变的，实验探究过程的路径存在着复杂性和多元性，有些环节会在学生与实验探究相互作用的过程中反复出现。在实验探究的各环节中，会用到具体的科学方法，如观察、测量、控制变量、比较、建构模型等。

化学实验项目式学习是化学实验探究活动与项目学习的融合，凸显学习情境、学习规则、学习工具三个设计要素。“学习情境”体现在把静态的情境素材加工成富有探究价值的、开放的问题情境，知识在情境中被活化，学生在情境的引领下深入学习;“学习规则”体现在注重师生、生生相互带领与协作的社会性实践活动，学生组成小组即项目共同体，教师通过语言与行动带领学生形成对话和实践： 如动脑（思考）、动手（操作）、动口（表达），同伴间相互支持、评判，与教师平等对话、相互带领，得出结论分享成果;“学习工具”体现在注重思维外显化和反省评价的学习工具的设计与提供，信息化环境和数字化设备的支持和运用，学生在持续不断地运用各种科学方法进行讨论、记录、推理、反思、评价的过程中，运用系列工具单，在知识联系、方法运用、交往互动和思维进阶等多线并进发展的立体时空里，经历知识或理解的群体建构过程。同时，师生、生生相互沟通、交流协作，不断重塑自我，增强对社会现实的适应性。化学实验项目式学习的进程如图1所示。

体验情境阶段，在“学习情境”的牵引与连接下，师生对话，体验情境，发现、辨识与提出问题。问题导航，聚焦情境中的化学知识和概念，建立研究假设、明确项目任务。学生组成小组即项目共同体，在教师提供的第一张工具单“实验设计单”的指引下，启动学习进程。

分析情境阶段，学生根据任务目标在教师的指引下，小组合作进行实验方案的设计、讨论、分享与修正，完成“实验设计单”。教师作为支持者，适时地参与各小组内的学习、交流并给予鼓励和肯定，挖掘和利用学习情境的资源，点拨知识的运用、原理的确定和方法策略的选择。

探索情境阶段，根据实验方案小组合作实施实验，动手操作探索情境中的科学问题。在“实验实施单”的指引下，记录实验过程中的现象、数据，讨论、推理，形成实验结论和成果。

反思情境阶段，结合实验实施的情况，小组内、小组间在“实验评价单”的指引下进行评价。生生、师生一起交流分享、对话表达、展示成果，深化提升实验项目式学习过程，形成运用科学知识与规律的意识和实验思维，达成化学实验学习的价值。

学生在这样的化学实验项目式学习进程中，把已有的认识、经验、知识与技能应用于学习情境中，把它们和实验设计与操作、生命与生活的现象、人类面临的有关问题和场景等建立关联，理解知识、建構意义、迁移创新，不断提高知识结构化的水平和问题解决能力，不断内化推理、反思与评价的方法和习惯，发展批判性思维等高阶思维能力，并和同伴一起塑造主动探索和协作共进的团队文化，打通知识到能力再到素养的发展通道。

下面以针对初中“氧气”这一核心内容设计的化学实验项目“探究深、浅呼吸呼出气体中氧气含量的差异”为例，呈现化学实验项目式学习的设计与实践。33C3E851-1953-4749-A790-BDEA3339B2CD

2 “探究深、浅呼吸呼出气体中氧气含量的差异”的设计与实践

2.1 化学实验项目式学习内容分析

九年级《化学》第一学期“2.2神奇的氧气”（上海教育出版社）的核心知识和技能见表1。

氧气的知识在生活中司空见惯或是某些常见现象的原因，可以引入化学实验项目中，以项目的方式聚集整合起来，联通科学世界与生活世界，进行情境引领、规则带领、工具支持下的项目学习。氧气的知识与“呼吸”密切相关，能够引发对身体的呼吸作用过程与健康的关注。根据学生的认知特点和所利用的资源与技术，确定学习目标如下：

（1） 理解氧气不易溶于水的物理性质、支持燃烧的化学性质。

（2） 通过围绕一个驱动性问题设计、实施实验并得出结论的过程，增强联系、运用多方面知识和技能解决具体问题的能力。

（3） 通过实验探究用以致学，体会化学实验的乐趣，感受化学知识与实验技能、研究方法的价值。

（4） 通过体验技术支持的学习过程和数字化实验活动，感受实验技术的作用与优势。

该项目实施主要的学习工具是融合了知识联系、技能技术、交往互动和思维思想多维度指引的系列工具单，如图2所示。

2.2 化学实验项目式学习进程

2.2.1 体验情境

[情境导入]呼吸科专家统计表明，城市中一半以上的人的呼吸方式不正确。你了解呼吸吗？什么是健康的呼吸呢？

[明确项目任务]人体呼吸时，吸进人体的氧气参与了人体的呼吸作用过程。深而慢的“深呼吸”和浅而快的“浅呼吸”呼出的气体中，仍然含有氧气，但氧气的含量存在差异。继而提出本项目的驱动性问题“如何通过化学实验证明深、浅呼吸呼出的气体中氧气含量的差异”。任务随之明晰： 设计和实施化学实验，探究深、浅呼吸呼出的气体中氧气含量的差异。教师提供第一张工具单“实验设计单”（见图2），启发各小组的思路，提醒实验设计的要素，指引、带领学习的方向。

设计意图： 从生活情境中感知呼吸的相关问题，在发散性对话中聚焦情境中的化学现象和化学知识，使生活话题转化为讨论主题，进而明确项目任务。

2.2.2 分析情境

[学生]小组讨论分析情境，确定呼出气体的收集装置和比较其中氧气含量的操作方法。各小组初步完成实验方案的设计和书写后，利用信息技术环境同步在大屏幕上和各小组iPad上呈现各组方案，各小组分享、借鉴与讨论。不同小组实验方案比对后，讨论聚焦到两个方面： 比较氧气含量的操作方法和实验步骤表述的可操作性。各小组根据氧气的物理性质，在利用排水法收集呼出气体的装置选择上一致，而在比较氧气含量上有两种方法： 有的小组认为集气瓶中氧气的含量与蜡烛燃烧的时间有关，蜡烛燃烧时间越长，说明氧气含量越多，所以应该以蜡烛在集气瓶中燃烧的时间来判断深、浅呼吸呼出气体中氧气含量的差异;有的小组认为集气瓶中氧气的含量与蜡烛燃烧熄灭后，瓶中液面上升的高度有关，高度越高，说明氧气含量越多，于是应该用液面到瓶口的距离来比较氧气含量的差异。在实验步骤的表述上，有的小组完整详实、体现细节，如“将集气瓶倒扣在燃烧着的蜡烛上”，而有的小组无此操作性表述。

[教师]适时地进行全体提醒和参与各小组分析，用提问的方式提醒，如“该实验中有哪些变量需要控制”、“为确保实验顺利，有哪些关键细节”、“其他人阅读你们书写的步骤后，能明白如何操作吗”等引导学生预判实验项目实践的全流程和各环节，考量设计细节，形成关于实验的操作性思维。经过小组学习和教师指引，学生很快明晰了方案优化的方向。

以下是第3组和第4组修正后的方案（见图3、图4）。

设计意图： 学生根据“实验设计单”和教师的指引，凭借信息技术较快地进行实验方案的设计、讨论和修正、优化。讨论触发认知深入，通过教师提问、追问引导学生深度思考。

2.2.3 探索情境

[学生]各小组分工协作实施实验，进行现象观察和数据记录，小组中一位同学负责录制实验过程视频并上传到信息化平台。实验操作过程与现象如图5所示，第1组和第2组记录的数据如图6、图7所示。通过推理得出结论： 深呼吸与浅呼吸相比，呼出的气体中含的氧气较少，更多的氧气在深呼吸作用过程中被人体利用。有的小组增加了以空气作为空白实验进行对照，发现浅呼吸呼出气体中氧气的含量与空气非常接近，进一步证明浅呼吸对氧气利用的低效。

学生在探索与推理中常遇到挑战性问题并想方设法去解决，如虽然已经选用扁平状蜡烛，但一开始蜡烛放在水面上还是有些摇摇晃晃，后来发现让其飘一会儿就会“站”稳。再如，为了使数据更有说服力，有的小组连续进行更多次的实验，如怎样可以使记录的时间或高度的数据更精准以减少误差。学生通过生生、师生讨论，认识到数据精准的关键前提是集气瓶的瓶口须与水面接触，使蜡烛在密闭的集气瓶这一封闭体系中燃烧。

[教师]教师不间断地巡视各组，适时地、热心地驻足停留，就操作的规范性和准确性给予提醒，如排水集气和点燃蜡烛的操作;就操作的目的性、合理性和有效性等进行交流，如控制变量需要的关键细节;就实验实施的拓展延伸进行全体分享和表扬，如对浅呼吸呼出气体中的氧气含量和空气中的氧气含量进行比较，充分体现了真实的问题解决。

[数字化设备使用]师生还一起使用氧气传感器完成了该实验任务，发现操作便捷省时、数据迅捷呈现，体现了技术的优势。當然，传统实验也有不可取代的价值，能带给学生更多的观察、操作和思考的体验，是十分有趣和有意义的学习过程。

设计意图： 按照学习规则进行实验操作、观察记录和证据推理。实验实施中自然而然生发的问题，正是学生实验探究中最大的乐趣所在，各小组在“实验实施单”的引导下思考与讨论，进一步理解操作、相关概念与建构思维。

2.2.4 反思情境33C3E851-1953-4749-A790-BDEA3339B2CD

[学生]师生首先在解释性对话中，就“实验评价单”的评价指标达成理解、形成共识。然后各小组通过iPad观看其他小组的实验视频，根据“实验评价单”的指引给出评价（见图8）。最后在观看和评价其他小组实验过程的同时，与本组的项目学习过程、实验操作进行对照并做回顾反思。如有的小组回顾方案设计过程，反思认为设计方案要流程完整并体现细节;有的小组聚焦控制变量的研究方法，增强了控制实验条件的意识;有的小组认识到设计与实施实验，不仅要理论可行还要操作简便、现象明显;有的小组还就与项目主题相关的呼吸健康问题、健康呼吸对心理状态的有益作用等进行了分析和表述。

[教师]小组互评中，师生之间进行平等、富有启发性的交流，教师提出各种建议，鼓励学生在评价中学习，使学生感受到科学探究的严谨性，体验到运用化学实验解决真实问题的成就感。还引导学生将评价的视角拓展到所处的学习环境，感受信息技术的作用与优势。使用信息技术能简易迅捷地实现过程记录和结果分享，使每位学生经历多次实验过程，认识到即使实验失败了也是有效和充满意义的，成为共同反思的资源和进步的起点。

设计意图： 学生从实验视频中看到实验项目式学习的某些关键信息并进行分析，促进思考和思维碰撞。评价并不局限于“实验评价单”上规定的内容，最终应取决于观看实验视频时的发现以及兴趣和疑问所在。在评价反思的过程中，学生富有批判性和创造性的思考与解决问题的能力得到了发展。

3 反思与结语

3.1 化学实验项目式学习的成效与意义

“探究深、浅呼吸呼出气体中氧气含量的差异”化学实验项目立足于日常生活，从人体的呼吸作用切入，主题具有很强的代入感。以设计情境、整合内容，提供工具单、信息化工具等作为支架，学生在真实的问题解决中，通过观察、操作、讨论、记录、评价等多种方式发现和确定问题，并对疑问进一步追问，运用知识和技能，进行整合和创造。在情境化的实验探索中，感受科学知识与技能的价值，找到现象背后的逻辑原理和科学方法，增进对化学的理解。在这样的化学实验项目式学习中，学生进行实验的设计与实施、原理的思考与运用，由感知情境中的问题为起点，以化学实验为载体，整个学习进程融趣味性、知识性、操作性、创造性为一体。特别是开放的、评鉴式的课堂激发了学生的求知欲，学生进行评价的过程，从表及里，从实验现象到操作方法，学生的思考与讨论由浅入深，逐步从实验探究到联系生活再到迁移运用。学生多样化的实验经历，突破了生活化认识，并做出科学决策。

不同于一般的化学实验过程，化学实验项目式学习的规则营造了这样的学习文化： 鼓励学生积极的发问、保持好奇心和进行同伴学习，注重培育学生对知识的主动渴求、选择和独立思考的能力。在遇到困难时能与同伴和老师协商，寻求适合自己的支持，增强了自主学习能力和自我管理能力。令人欣喜地看到，参与化学实验项目式学习后，学生更乐于开口表达和动手操作了，他们的潜质被挖掘了出来。

3.2 化学实验项目式学习中教师的责任

在“探究深、浅呼吸呼出气体中氧气含量的差异”化学实验项目的设计与实施中，教师重新审视了化学学科与实验教学，增进了对化学实验价值、化学核心知识与真实世界间的联系、信息化融合改变教与学等问题的深刻理解。项目式学习中，教师的责任就是引领学生自主學习，学会思考和自我建构、自我发现。因此，教师不仅仅是比学生提早掌握一切再传授给他们，也不再是课堂上的知识权威，更不再是单一表述或勤于给出例题、习题的那个人，而是随时可以伸出援手，给予学生恰到好处、适逢其时的指点或示范，成为见多识广的教练和探索情境的向导。

化学实验项目式学习以学生为中心，以来自真实世界的问题和回归真实世界的实践激活学生的头脑、心智和全身，使学生积极地建构意义、展现成果，让思维不断攀升，让素养落地生根。

参考文献：

[1]黄恭福， 邹海龙. 学科核心素养视域下的中学化学实验教学研究综述[J]. 化学教学， 2020， （2）： 3～9.

[2]学习基础素养项目组. 素养何以在课堂中生长[M]. 上海： 华东师范大学出版社， 2019： 51～58.

[3]夏雪梅. 项目化学习设计： 学习素养视角下的国际与本土实践[M]. 北京： 教育科学出版社， 2018： 9.33C3E851-1953-4749-A790-BDEA3339B2CD