基于初中化学项目式教学的实践与反思*——以“碳中和”为例

王 勐 吴永才

（1.无锡市胡埭中学 江苏 无锡 214161；2.无锡市教育科学研究院 江苏 无锡 214001）

《义务教育化学课程标准（2022年版）》中指出：义务教育化学课程作为一门自然科学课程，具有基础性和实践性，对落实立德树人根本任务、促进学生德智体美劳全面发展具有重要价值。义务教育化学课程有利于激发学生对物质世界的好奇心，形成物质及其变化等基本化学概念，发展科学思维、创新精神与实践能力，养成科学态度和社会责任，为学生的终身发展奠定基础［1］。

项目式学习是一种通过探究活动来解答师生在生活中遇到的具有现实意义问题的学习方式。因此，项目式学习能激发学生探索正在发生的事情的好奇心，并参与其中。“碳中和”这一项目式学习，是针对二氧化碳过量排放导致气候变暖等环境问题所引发的社会性科学议题而设计，属于化学与环境领域的行动改进类实践活动，对于学生来讲具有重要的现实意义。

“碳中和”项目式学习使学生置身于真实情境中，以三个任务形式引导学生在面对个人生活需要、国家发展、人类发展与低碳要求的两难问题时，发展科学、技术、工程融合解决实际问题的能力，形成具有国际化视野和构建人类命运共同体的意识，强化社会责任、国家认同和国际理解，促进知、情、意、行的统一。

一、教学主题内容及教学现状分析

二氧化碳是初中化学的核心物质之一，通过二氧化碳可以将化学知识与工业生产、环境问题等紧密地连结在一起。通过对碳排放、碳吸收、碳循环的分析和二氧化碳相关反应原理的应用，建立从科学原理到低碳行动的思路，再到具体社会生活实践的认知模型，培养理性、综合、创新的思维分析和解决环境问题的能力。将绿色化学和可持续发展理念转化成具体行为和准则。因此，如何将二氧化碳的学习与环境保护、碳达峰、碳中和以及生产生活实际联系起来，是本节课的教学总目标。

通过化学的学习，期望能使学生对复杂的物质世界及其变化现象形成结构化的理性认识，能够用多种方法对物质及其变化进行表征，认识物质的变化规律。教学内容以氢能源的开发和利用为主题情境，以保护环境和节约资源以及资源整合为前提，以“灰氢—蓝氢—绿氢”发展路径为主线，以“感知碳排放”“感受碳吸收”“感悟碳中和”三个学习任务为抓手，帮助学生建立环境、资源、能源可持续发展的意识，知道化学应用必须考虑化学过程对自然带来的各种影响，权衡利弊做出决定。

“碳中和”这一主题在相应教材中虽然没有具体的章节，但综合了教材中多个知识内容。对于初三学生而言，对化学学科的认知以及对物质的学习方法还处于初级阶段，还未形成一定的学科思想，化学学习方法还有待形成。沪教版的化学教材中含碳元素的物质已经在课本上多个章节出现，学生对这一生活生产中常见的含碳元素的物质有一定的了解，为这节新授课学习奠定了一定的知识基础。但是对于“碳中和”这节课而言，学生已有的知识体系中有关二氧化碳的知识呈现相对零散，还不成系统，没有形成结构化，因此这节课的目标之一就是渗透一种学习物质及其转化的方法，从物质类别和夺氧插氢两个维度寻找物质间的转化，最终让学生了解碳排放、碳吸收，感受碳达峰、碳中和，感悟人与自然、社会的和谐与可持续发展。

二、教学思想与创新点

项目式学习要求以学生为中心，以真实情境为素材，教师设计任务驱动型问题，师生共同进行项目学习，自主合作分析解决问题，最终获得项目成果。情境素材是教师、学生以及教学活动之间的载体，选择具有科学性、适切性、真实性的情境素材，能让学生在情境驱动下体验化学知识的价值，感悟化学知识蕴含的学科思想和方法。本项目式教学主题是“碳中和”，选取氢能源的开发和利用为主题情境，通过了解灰氢阶段的碳排放与蓝氢阶段的碳捕捉、碳利用和碳封存技术，帮助学生建构以二氧化碳为中心的物质相互转化关系图。在教学中通过模拟温室效应实验，引导学生从书本走向生活，学会科学探究方法。通过设计对比实验以及数字化实验仪器的使用，培养学生证据推理和模型认知能力。通过在情境中不断设置认知冲突，引导学生演绎、反思、归纳。让学生在项目式学习过程中自主建构结构化的知识体系，感受化学学科的有用和有趣，从而弘扬学科价值，达到深度学习的目的［2］。

在项目式教学中，需要通过自主构建以项目为主的任务，引导学生寻求任务之间的逻辑关系，逐步形成有序解决问题的思路和方法，有利于培养学生严谨的基于实证的科学思维和科学态度。通过三个任务感知、感受、感悟碳中和，促使学生积极参与社会性议题学习与讨论，培养学生可持续发展意识以及社会责任感。将真实复杂且具有挑战性的问题进行拆解，转化为具象的化学问题，在解决问题的过程中，形成功能化、系统化、结构化的知识架构和体系。

三、教学目标

（1）通过体验氢能源的开发和利用，了解灰氢阶段的碳排放与蓝氢阶段的碳捕捉、碳利用和碳封存技术，建构以二氧化碳为中心的物质相互转化关系图。

（2）通过实验探究，交流讨论，分析评价和反思提升等活动，体会研究化学物质的一般思路和方法，建立认知模型。

（3）通过感知碳排放，感受碳吸收，感悟碳中和，体悟二氧化碳是最主要的温室气体和巨大的碳资源，学会辩证地看待化学物质，树立可持续发展的价值观。

四、教学流程图（见图1）

图1 教学流程图

五、教学实录

【播放视频】《长征五号B型运载火箭发射》，将学生引入情境。

【交流】观看感受。

【提问】看完短片，你们想研究什么问题？

【生1】火箭升空所用的燃料是什么？

【追问】你觉得用的是什么燃料呢？

【生1】可能是氢气。

【介绍】目前我国的火箭推进剂用的燃料主要有：氢气、肼以及偏二甲肼。肼和偏二甲肼都可以由氢气和其他物质反应获得。

【提问】生活中哪些物质可以制取氢气？水通电分解中的“电”是如何获得？我国主要发电形式是什么？在发电过程中会产生什么气体？

【生2】水通电分解产生氢气。火力发电是我国最主要的发电方式，火力发电会产生大量的二氧化碳等气体。

【介绍】水除了通电分解产生氢气外，还能与别的物质发生反应产生氢气。

【投屏】工业上两种制备氢气的方法（水煤气法和天然气催化重整法）。

【提问】观察方法1 和方法2，从化学方程式的角度思考它们有什么共同特点。

【生3】反应条件都是高温。

【追问】一般工业上获得高温都是利用化石燃料的燃烧，那么化石燃料燃烧又会产生什么气体？

【生3】二氧化碳、二氧化硫等气体。方法1 和方法2还都是和水发生反应，而且生成物中都有氢气和二氧化碳。

【介绍】无论是水通电分解制氢还是工业制氢，它们在产生氢气的过程中都产生了大量的二氧化碳气体。像这样利用化石燃料制氢的方法，称之为灰氢。灰氢的生产制取成本低，但会产生较多的污染。

【主板书】燃料、原料、氢气、灰氢、二氧化碳。

1.任务一：感知碳排放

【提问】请同学们思考二氧化碳的产生途径，并在活动单的任务一中写出产生二氧化碳的化学方程式。

【活动】学生书写相关化学方程式。

【展示】展示、点评学生书写的化学方程式。

【副板书】绘制碳酸钙、碳酸、一氧化碳、碳、甲烷、酒精、葡萄糖等物质与二氧化碳之间的转化关系图。

【提问】自然界和日常生活中产生的二氧化碳排放到大气中会有什么影响？

【回答】产生温室效应。

【主板书】碳排放。

【演示实验】对比实验探究二氧化碳对大气的影响。利用温度传感器测量西林瓶A、B、C 中的温度变化（见图2）。用白炽灯做光源，照射一段时间后，记录西林瓶A、B、C中的温度，感受其温度变化。

光源 西林瓶 时间T初/℃ T终/℃ ΔT/℃白炽灯A B C

图2 模拟温室效应实验装置

【副板书】记录初始温度。白炽灯照射一段时间后，分别记录西林瓶A、B、C中的温度。

【提问】西林瓶A、B、C 中是否含有二氧化碳？如果有，如何检验。

【生1】可以用澄清石灰水来检验。

【学生实验】用装有澄清石灰水的注射器，检验西林瓶中是否含有二氧化碳。并请同学描述实验现象。

【生2】A中的澄清石灰水变浑浊，B中的澄清石灰水也变浑浊，C中无明显现象。

【追问】得到什么结论？

【生2】西林瓶A和B中含有二氧化碳，C中不含二氧化碳。

【投屏】关注西林瓶A、B、C 中的温度变化。思考得到什么结论？

【生3】三只西林瓶中的温度都升高。其中A升温最明显，其次是B，最后是C，温差△TA＞△TB＞△TC。

【提问】由刚才的实验可知A 和B 中都含有二氧化碳，为什么温差是A大于B？可能的原因是什么？

【生4】与西林瓶中二氧化碳的含量有关。

【学生实验】利用二氧化碳检测管测定西林瓶中二氧化碳的含量（见图3）。

图3 利用CO2检测管测定西林瓶中二氧化碳的含量

【提问】大家测出西林瓶中二氧化碳的浓度分别是多少？

【生5】A管中的浓度大约是64%，B管中浓度大约是16%。

【追问】为什么西林瓶A和B中的温差不一样呢？

【生5】因为二氧化碳的浓度不一样。二氧化碳含量越多，温度上升幅度就越大，其温差就越大。

【肯定】分析得很好。链接教材，二氧化碳是最主要的温室气体。

2.任务二：感受碳吸收

【提问】二氧化碳的产生途径有很多，二氧化碳的吸收又有哪些途径呢？

【主板书】碳吸收。

【生1】植物的光合作用吸收二氧化碳。

【生2】二氧化碳还可以和水反应生成碳酸。

【生3】还可以用澄清石灰水吸收二氧化碳。

【副板书】完善二氧化碳和相关物质的转化关系图。

【提问】吸收二氧化碳的方法有很多，可以吸收二氧化碳的物质也不少。实验桌上有三瓶吸收剂X、Y和Z，同时还有三瓶二氧化碳气体。请同学们设计实验探究两个问题：①三种吸收剂能否吸收二氧化碳？②它们的吸收效果如何？大家先思考，再实验。

【生4】将三瓶吸收剂分别注入塑料瓶中，观察塑料瓶变瘪的情况。

【学生实验】将三瓶吸收剂全部注入装有二氧化碳的塑料瓶中，旋紧瓶盖后振荡。实验结束后，描述实验现象。

【生5】加入三种吸收剂的塑料瓶都有不同程度的变瘪，而且加入吸收剂Y和Z的塑料瓶瘪得比较厉害。

【追问】这三种吸收剂能否吸收二氧化碳？

【生5】可以，且吸收剂Y和Z的吸收效果较好，吸收剂X的吸收效果最差。

【师生实验】刚刚通过定性实验，探究了三种吸收剂对二氧化碳的吸收效果。我们还可以通过定量实验或者用数字化仪器来探究Y和Z这两种吸收剂的吸收效果。这是一套气体压强传感器，它可以测定密闭容器中气体压强的变化。两个锥形瓶收集满二氧化碳气体，两支注射器中注入了等体积的吸收剂Y 和Z（见图4）。

图4 压强传感器测量容器内气体压强变化

同时注入吸收剂Y和Z，振荡锥形瓶，观察图像变化。横坐标是反应时间，纵坐标是锥形瓶内气体压强（见图5）。

图5 吸收剂Y、Z对二氧化碳的吸收效果

【提问】曲线Ⅰ代表吸收剂Y，曲线Ⅱ代表吸收剂Z。比较吸收剂Y和Z，哪一个吸收效果好？

【生6】Y的吸收效果较好。因为相同时间内吸收剂Y 的压强变化要比Z 大，说明等体积吸收剂Y 吸收二氧化碳的质量要比吸收剂Z吸收的多。

【肯定】分析得很好。三瓶吸收剂X、Y、Z中，吸收剂X是水，那么水能不能吸收二氧化碳呢？

【展示】海洋的图片。

【提问】水当然可以吸收二氧化碳，海洋在默默地吸收着大气中的二氧化碳。那么对于Y和Z这两种吸收剂，比较两者价格，你会选择哪一种吸收剂来吸收二氧化碳？

【展示】吸收剂Y和Z的价格。

【生7】我会选择Z，虽然Z 的吸收效果没有Y 好，但是Z 的单价便宜，作为工业吸收剂而言，节约成本是考虑因素之一。

【生8】我会选择Y，虽然价格高一些，但是它的吸收效果更好。

【肯定】大家说得都很好。吸收剂Y 是饱和的氢氧化钠溶液，吸收剂Z 是饱和的碳酸钾溶液。工业上，这两者都可以作为吸收剂来吸收二氧化碳。

【激疑】在实际生产中选择哪一种吸收剂，是要进行综合考量的。如果你来选择工业吸收剂，你会考虑哪些因素？

【生9】首先要考虑价格，然后就是吸收二氧化碳的能力。

【生10】还要考虑它的效益、安全、环保等。

【讲述】大家说得非常全面。目前，碳吸收是蓝氢阶段人们关注比较多的地方，碳吸收还包括碳捕捉、碳封存，还有碳利用［3］。如何进行碳利用呢？

【主板书】蓝氢。

【链接科技】碳利用的途径一是以二氧化碳为原料制取炭黑（见图6）。请同学们在学习活动单任务二中写出反应2的化学方程式并注意反应条件。

图6 以CO2为原料制取炭黑的工艺流程示意图

【学生活动】书写相关化学方程式。

【讲述】根据化学方程式可知，二氧化碳最终失去了氧变成了碳。二氧化碳中的氧实际是被氧化亚铁夺走生成了四氧化三铁，这个过程称之为夺氧。再看途径二，二氧化碳和氢气反应会生成什么？请大家在任务单中写出化学方程式。

【学生活动】书写相关化学方程式。

【讲述】生成物是一氧化碳和水，很好。那么对于氢气而言是夺氧还是失氧？

【生1】氢气是夺氧，生成了水。同时二氧化碳失氧变成了一氧化碳。

【提问】二氧化碳和氢气反应还可以生成甲烷和水。大家观察，哪种物质夺氧，哪种物质得氢或者叫插氢。

【生2】对于氢气而言，它是夺氧。

【生3】二氧化碳失去了氧，夺到了氢，二氧化碳是插氢。

【归纳】上述这个过程称之为夺氧插氢。人们可以利用夺氧或插氢的方式将二氧化碳和氢气合成人类所需要的各种物质比如淀粉等。

【播放视频】人工合成淀粉视频。

【提问】大家注意二氧化碳和氢气的三个反应，反应物一样但生成物不同，这是为什么？

【生4】反应条件不同。

【总结】我们知道，化学反应都是在一定的条件下进行的，因此反应条件是化学反应的灵魂。二氧化碳是巨大的碳资源，二氧化碳和氢气一样都是重要的原料。目前二氧化碳和氢气的资源化整合与利用，已广泛受到全世界各个国家的高度关注。

3.任务三：感悟碳中和

【展示】世界和中国的二氧化碳排放曲线图（见图7）。思考为什么2020年世界二氧化碳排放量较2019年有所降低。

图7 世界和中国CO2的排放曲线图

【生1】2019年底到2020年初，全球经历了新冠疫情，人类生产经济活动在减少，所以全球二氧化碳排放量降低。

【提问】关注中国1980 年到2020 年碳排放量（见图8），思考国家的碳排放量与GDP 增长的关系，预测2021 年以后中国二氧化碳的排放趋势会是怎样？

图8 1984—2020年中国碳排放量与GDP值增长关系曲线

【生2】可能会趋于平缓。那说明人们越来越关注二氧化碳的排放和吸收。

【生3】还有可能会上升，但是上升到一定的高度会下降。

【追问】你觉得到哪一年我国的二氧化碳量排放量会达到最高点？

【生3】可能到2060年。

【生4】还有可能是2035年。

【讲述】习主席在2020 年9 月全世界联合国大会上提出，我们国家要在2030 年达到碳达峰。碳达峰之后，二氧化碳的排放量要逐渐下降，当二氧化碳的排放量和二氧化碳的吸收量相当的时候，就称之为碳中和。

【主板书】碳中和。

【提问】如何实现碳中和？由水制得氢气的过程中如何减少碳排放？

【生5】可以改变水分解的反应条件，改变发电方式，用太阳能发电、光伏发电、水力发电、生物质能等，以此减少二氧化碳的排放。

【评价】绿氢是实现碳中和的一种做法，选择绿色发电方式，减少碳排放，就是人们期待碳达峰后进入的绿氢时代，氢气是实现碳中和的最佳能源载体［4］。

【主板书】绿氢。

【总结提升】今天，我们学习了二氧化碳和含碳物质之间的相互转化。知道物质之间的转化是需要一定的条件，只要我们找到合适的反应条件，很多物质之间可以发生相互转化。为什么要学习化学？学习化学就是要让我们人类与自然、与社会和谐可持续的发展，让生活更美满，让生命更美好。

［板书设计］见图9和图10。

图9 主板书

图10 副板书

六、教学反思

1.建模：由点到面 内容结构化

化学学习内容的选择、组织以及呈现，应该是有利于学生将一个个孤立且零散的知识点连结成知识网、形成知识面，充分发掘知识点的内在联系。本节课引导学生用研究物质的一般方法（研究物质的组成、结构、性质、转化及应用）和一般步骤去研究氢气和二氧化碳，让两者建立起内在联系。从项目化的角度来看，从氢能源的开发和利用，到碳达峰、碳中和，建立氢气和二氧化碳之间的联系，实现氢气和二氧化碳的资源重整。通过结构化的板书设计，建立起知识之间的内在联系。

2.循证：由浅到深 思维深度化

问题是思维深入的动力之源。通过创设富含化学味的生活情境，引发学生高质量地发问、让教学基于问题展开，联系课堂教学实际问题，解决真实情境中的问题。以碳中和为目标，把氢气和二氧化碳有关问题进行有机整合。本节课把碳排放、碳吸收、碳中和设计为核心问题，由核心问题设计引导性问题、过渡性问题、反思性问题，促使学生追问、反思、深学、拓学。通过开展多样化的学生活动，以实验类、交流类、调查类三类学生活动为主，由浅入深，引导学生思维逐步走向深度化。

3.明理：由小到大 观念显性化

学科价值是知识的基础。学生学习了氢气、二氧化碳相关知识后，能感受到化学是一门真实有效的科学。学好化学有利于实现碳中和的目标和理想，从而实现学好化学促进人与自然、人与社会的可持续发展。引导学生以小见大，将内隐的观念外显，帮助学生理解化学是什么、为什么学化学、如何学化学，引导学生对化学的美好向往，形成对化学学科的深度理解。

七、教学展望

在核心素养导向的新课标、新教材、新教学的课程改革背景下，项目式学习具有广阔的应用前景和实践需求［5］。项目式学习着重以科学探究和实验活动展开教学和学习，能够有效促进学生化学观念的建构和发展。通过引导学生记录宏观现象，分析微观本质，启迪学生从宏观和微观相结合的视角分析化学事实，培养学生的变化观和微粒观。在项目式学习中重视化学核心素养的培养，引导学生形成化学探究思维。学生和教师使用学习技术来进行研究，创作实物作品或者其他作品，并在必要时通过合作获取信息。学生通过创作的作品体现他们对驱动性问题的新的理解和回应。学生还需要对数据和资料进行分析解释，并利用证据和推理来支撑他们的观点和结论。因此，项目式学习与其他形式的科学教学不同，项目式学习是把科学学习定位为：学生“做”科学，以做中学的方式去寻找他们认为有意义的问题的解决方案［6］。在项目式学习中，师生们参与度高，他们在探究与日常生活相关的问题时也呈现出较强的自主性和创造性，教师教学方式的改变、学生学习方式的变化均有利于学生的继续学习，使得化学素养持续发展。