基于PBL的项目式化学教学模式初探——以冬季云南高中教室通风问题为例

夏 誉

(曲靖市民族中学，云南 曲靖 655331)

《普通高中化学课程标准》(2017年版)中提出了化学学科核心素养，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[1]。而目前高中课堂教学多以讲授式为主，针对上述问题进行基于PBL的项目化化学教学模式的探索，以冬季教室通风为真实情境，培养学生的科学探究与创新意识。

1 概念辨析

PBL 的全称为 Problem-Based Learning，即“基于问题学习”或“问题导向式教学”[2]。当下学生获取知识和信息的渠道已经不限于课堂教师讲授，所以单单教师讲授这一方法势必不能满足学生发展的需要[3]。目前的高中化学课程中对于知识的学习仍然以讲授式为主，存在学生学习效率不够高，不能把学到的知识转化为能力，无法深入体现化学核心素养能力等问题。针对这种现象，可以进行基于PBL的项目式化学教学模式探索。该模式的优点在于小组合作，引入了真实并且复杂的情境，有利于培养学生的动手能力和实验思维，将实际问题抽象并建构思维模型。不过也存在相应的问题，比如，小组成员由于任务分工不同，在能力的锻炼上个体差异较明显，且教师很难实现对项目、问题的各环节进行监管，对学生的自觉性要求很高。两种学习模式可以有效的进行互补。

2 提出问题

随着季节的更替，全国各地区逐渐迎来降温雨雪天气，云南也不例外，在学校里即将迎来一场开窗户和关窗户的争夺战。开窗户的一方认为通风有利于健康，降低室内二氧化碳浓度。关窗户的一方认为开窗户风太大，时冷时热容易感冒。教室内空气的质量直接影响学生的舒适感、身心健康和学习效率[4]。研究表明，学生冬季、春季因感冒而缺勤的概率较高[5]。由于冬季室外冷空气进入，人员有明显的吹风感，室内人员偏向冷的趋势也比较明显[6]。

通风量降低、室温降低、相对湿度降低均可导致因感冒缺勤率增加，且具有显著性效应，在消除相对湿度、温度的影响后，通风量对于因感冒缺勤率的影响仍具有显著性[5]。针对冬季教室通风如何既能保证学生的身体健康、学习效率，又能保证舒适感的问题，笔者认为，可以基于该真实情境设计问题链，以分组实验和文献阅读为探究手段，培养学生的“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养。

3 教学设计

基于该问题初步设计为两个课时，第一个课时主要解决理论问题，通过提出、引导、分析、讨论、学习，将解决这个问题中需要学习的理论知识进行梳理归纳，设计探究实验框架，确定以小论文的形式作为项目成果的呈现方式。第二个课时通过学生亲自动手做实验，得出实验数据、实验结论和反思从而完成小论文的书写。

4 教学实践

从真实情境中提炼问题串，从问题串中明确要解决的问题，根据需要解决的问题去查阅资料，寻找解决问题的方法，将需解决的问题和方法整理归纳进而以项目的形式，通过小组合作去解决。

[问题串]问题1：在冬天每当老师或者同学从门外走进教室，总会闻到一股“空气的气味”，这是什么气味？

问题2：冬天教室中的空气质量是否影响了同学们的学习效率以及身体健康，在教室中待久了会有怎样的身体反应？

问题3：具体教室中的二氧化碳浓度有没有超过相应的标准，CO2浓度超标又会对我们的身体造成什么不良影响呢？

问题4：我们应当如何控制通风方式来调节空气质量呢？

[学生活动]同学们针对老师提出的问题进行小组分类讨论，之后举手进行全班展示。

针对问题1同学们认为“空气的气味”主要是课间带进教室的食物气味，有同学会将包子、方便面等味道比较大的食物带进教室，这类食物气味不太容易散去。虽然班主任有过提醒，但时间一长这种情况时有发生。同学之间碍于情面，班委因为这样的小事进行制止容易给其他同学造成斤斤计较的形象，故班委对于此类事情的监督管理效果有限。

针对问题2、3同学们认为教室长时间不通风造成的身体感受是觉得脑袋昏昏沉沉的学不进去，并且容易打瞌睡，根据经验同学们认为是室内CO2体积分数过高造成的，至于室内CO2体积分数有没有超过标准同学经过讨论得出的结论是不知道，既不知道室内空气质量对CO2体积分数的限定标准，也不知道室内空气质量标准由哪些因素决定。

针对问题4我们如何进行通风，同学们通过讨论达成以下几个共识：我们可以通过开窗通风，有争议的是每次开窗通风的时长。同学们经过讨论发现，通风面积多大和通风时长多久才能保证室内空气的质量不影响同学们的身体健康，这个问题是一直被老师以及同学忽视的，尽管家长和老师一直强调的是通风有利于身体健康，但是具体通风多长时间，这个问题他们也回答不上来。

[教师引导]讨论进行到该环节老师给同学们分发了之前准备好的资料，让他们阅读相关资料并进行讨论。资料内容主要包括：1)可能用到的实验数据；2)《空气质量标准》中室内CO2体积分数控制标准和危害；3)以PM2.5为标准的空气质量等级；4)空气中O2体积分数控制标准和危害；5)化学核心素养。

[学生活动]通过查阅资料和讨论环节，同学们认为造成昏昏欲睡的主要原因可能是室内CO2体积分数升高，O2体积分数降低造成的，具体如何测量同学们并没有讨论出明确的答案。

[教师引导]告诉同学们学校的化学实验室里有手持传感器，其中的CO2手持传感器可以用来测量空气中CO2体积分数的变化，我们可以设计实验测量教室内CO2体积分数在通风状态下和封闭状态的变化值从而确定如何通风问题。并且在做完实验之后我们可以对实验结论进行总结归纳，将我们探究到的结论以小论文的形式展示出来，写的比较好的可以在全年级、全校进行展示推广。

[学生活动]讨论，设计实验得出以下方案：1)在没有通风的情况下，利用手持传感器测：3 min CO2体积分数的变化。2)在全通风的情况下，同样测 3 min CO2体积分数的变化。3)利用温度计湿度计测定这段时间内教室温度湿度的变化。4)实验室内还有PM2.5传感器和O2传感器，也想测定一下PM2.5和O2的浓度变化范围。5)为了使我们得出的实验结论具有推广价值，还应该测定教室的体积以及开窗通风的面积。

[实验过程]1)老师给同学们演示了传感器的连接，电脑上的软件来记录数据的使用方法。

2)给同学们 5 min 左右的时间，熟悉传感器和软件使用方法。

3)关闭教室所有门窗，进行 3 min CO2体积分数增加量的测量。3 min 结束后，打开所有门窗，进行 3 min CO2体积分数减少量的测量。

4)更换传感器，进行 3 min O2体积分数增减量的测量。

5)记录下过程中通风前后温度，湿度的变化量。

6)保存实验数据，关闭相应软件和电源，整理实验仪器，清洁实验室之后离开。

[提问]同学们发现，O2传感器读数仅约为15.5%，没有像课本里面写的那样，约为22%。向老师提出疑问，是不是他们的传感器坏了，后来发现同学们的读数都接近15.5%。

[教师引导]提议同学们进行讨论，首先用生活中遇到的一个具体事例进行启发。“老师每年去体检，都发现自己有些数据不正常，什么不正常呢，血红蛋白的含量往往高于体检单标示的正常值，第一次看到吓坏了，于是去问医生，可是医生对我一笑，并告诉我在云南这很正常，大家都高。”

[学生活动]同学们经过联系推理恍然大悟，因为曲靖地处云贵高原，海拔高空气稀薄含氧量要低于沿海地区。所以生活在高原地区，体检出的血红蛋白含量比标准范围高才是正常的体检结果。这一现象加深了同学们对化学实验的兴趣，并且通过对O2体积分数的测定，同学们发现O2体积分数的高低并不能代表空气质量的好坏。

[作业要求]同学们根据实验数据进行小论文的书写，论文题目给定为“关于冬季学校教室通风问题的必要性及可行性分析”

5 数据分析

实验过程中CO2和O2体积分数变化情况如图1～图4所示。

图1 门窗紧闭3 min CO2体积分数变化曲线

图2 门窗全开3 min CO2体积分数变化曲线

图3 门窗紧闭3 min O2体积分数变化曲线

图4 门窗全开3 min O2体积分数变化曲线

通过图1～图4发现，O2体积分数保持在15.5%左右，没有太大变化，不同组之间数据差异较小；CO2体积分数变化曲线并没有像同学们想的那样是一条平滑的曲线，其波动非常大。在做实验的时候就有同学提出了疑问，于是鼓励他们进行思考，在边试验边讨论的情况下，还是有同学提出了几个合理的答案。

回答一：传感器摆放的位置每组不一样，有些组波动较大是因为传感器摆放位置距离同学较近，小组同学呼吸会使CO2含量波动较大。

回答二：实验进行过程中不断有同学走动，带动了气流，影响了数据收集的稳定性。

回答三：CO2体积分数曲线的数据精度比O2体积分数要高很多，两者纵坐标的精确度不一样，所以显得CO2浓度曲线波动较大。

根据实验数据同学们发现，在门窗紧闭的情况下，教室中的CO2体积分数大约每分钟增加 50×10-6。根据室内空气质量标准要求，室内CO2体积分数应在 1000×10-6以下。一间空教室的CO2体积分数起始约为 600×10-6，一节课40分钟门窗紧闭的话CO2体积分数会达到 2600×10-6。而将门窗全部打开，CO2体积分数大约每分钟减少 120×10-6。

关于温度和湿度，当日气温在6℃到15℃之间，该信息通过手机软件而得到。该实验课为上午第四节课，时间为10∶40～11∶20，使用科辉G101温湿度计(如图5)测得：当堂课室内气温初始为10°，门窗紧闭1 0 min 之后气温升到12°，较为寒冷。湿度变化不大，在50%～60%(RH)之间，属于舒适湿度区。

不过同学们认为，实验测定的温度和湿度变化对教室如何通风影响不大。开窗通风时，虽然教室整体温度没有下降多少，但窗边同学感受到的冷风，造成体表感觉过于寒冷，体质差的同学甚至会因为被冷风吹而感冒或者膝盖受寒，故而整体温湿度变化不高并不代表该通风方式合理。

6 得出结论

1)《空气质量标准》(GB/T 18883—2002)规定，民用建筑室内二氧化碳体积分数控制标准为0.1%(即1000×10-6)，通过实验同学们认为上课门窗紧闭只依靠课间 10 min 的时间进行通风是不能将CO2体积分数降到对人体无危害的情况。因此上课时间不能将门窗关严，适当保留通风面积可以有效降低CO2体积分数，两侧窗户同时打开可以形成所谓的“穿堂风”防止局部CO2体积分数过高，使同学们上课精神集中，不会出现昏昏欲睡的现象。

2)通过查阅资料和思考讨论，针对如何通风问题同学们认为将教室中离同学较远的门窗适当开大，离同学较近的适当关小方式较为合理。开窗时可以将窗帘拉上，避免冷风直接吹到窗边的同学。其次因为该教学建筑属于内走廊式建筑(建筑整体呈U型，内侧为走廊)，靠近走廊一侧的窗户为较高推拉窗，通风时不会对同学产生较大吹风感，可以一直保持最大打开面积进行通风。

3)针对冬季教室中“空气的气味”，同学认为在冬季教室空气不够流通的前提下，应设立班级公约，将气味较大的食物列成清单并禁止大家将其带入教室。

7 书写项目报告

将项目报告布置为一个小论文，题目为《关于冬季学校教室通风问题的必要性及可行性分析》，小论文的结构和一般论文结构相似，由立论依据，研究方案，参考资料三部分构成。在备注一栏中，通过查阅资料需列出以下五点：1)可能用到的实验数据；2)《空气质量标准》中室内CO2浓度控制标准和危害；3)以PM2.5为标准的空气质量等级；4)空气中O2浓度控制标准和危害；5)化学核心素养中的证据推理与模型认知，实验探究与创新意识。

以小组为单位上交的小论文如图6所示。

可以看出在这个项目式学习过程中每个人的收获是不一样的。从提交的小论文中发现，不少小组同学的分工不够明确，文献资料查找不全面，某些小组实验数据失败，直接使用其他组的实验数据来代替。不过也有让人惊喜的一面，不少同学在这个过程中锻炼了自己的思维能力，学会了多学科知识融合去解决实际问题。以选题依据为例，有同学思考的角度是从该市所属的低纬度亚热带季风气候区出发，进而细化到该校所在地区为城郊区，周边没有高大建筑物故而昼夜温差大且开窗通风会更容易让人觉得体感温度下降过快。

8 反思和不足

该项目虽然从真实情境出发，提出实际问题并运用化学实验手段，科学研究的思维去解决问题，但该项目最大的缺点是所运用的化学知识与高考结合不够紧密。有部分同学认为做这个实验，解决这个问题对化学学习没有太大帮助，因此在书写小论文的过程中存在敷衍了事这一现象。

衡量教室空气质量优良与否的标准太过于单一，除了CO2体积分数之外同学们还想到了测PM2.5，因为该地区的PM2.5常年在 100 μg/m3以内，属于优这个级别，故而没有进行测量。其他指标还包括PM10、SO2、NO2、O3、CO，但因为实验仪器、实验时间、同学们的实际动手能力等因素的影响，最终只以CO2浓度作为标准，教室中空气湿度和温度作为衡量身体舒适感的标准，并没有在项目中引起同学们重视。