促进学生素养形成的“碳中和”项目式学习实践*

葛金燕 范海燕 孙慧妹 徐 蓉

(合肥市第四十八中学滨湖校区 安徽合肥 230000)

化学学科要培养的核心素养,反映了义务教育化学课程的教育价值与育人功能,体现了化学学科的基本要求,全面展现了化学课程学习对学生发展的重要价值。项目式学习是一种紧密联系生活真实情景的学习方式,符合当前素养导向的课程改革方向,能使学生的素养培养落到实处。项目式学习从驱动性问题出发,在真实情境中逐步探究问题,以小组合作形式开展学习,运用资源解决问题,产生可以公开交流的成果或产品等。在项目式学习中,“项目”是学习的方式和途径,“学习”是项目的落脚点和最终目的。在真实情境中学习,在学习中深度思考,一环扣一环地解决问题,有利于学生思维能力的逐步提升和学习兴趣的增强,促进学生的深度学习。

一、问题的提出

对于“碳中和”这一时事热点,学生基本听说过,但是如何实现“碳中和”,学生却不是很清楚。带着这个问题,我们组织学生开展大概念统领下的以核心素养为导向的化学学科项目式学习。在项目式学习过程中,学生以“碳中和”为核心,正确认识温室效应,掌握二氧化碳的化学性质和化学学科知识;通过“低碳行动”方案的设计与评价,发展科学思维,解决简单问题,增强实践能力,培养低碳的生活方式和为实现中华民族复兴而学习的责任担当。

二、项目式学习目标和学习重难点

(一)学习目标

目标一:基于元素守恒、物质转化的视角认识碳及其化合物,发展化学观念。

目标二:通过科学调查、实验探究、模型建构、方案评价与分析等科学实践活动理解化学学科思维方式与方法,培养解决实际问题的能力。

目标三:构建“碳中和”跨学科大概念,培养严谨的科学态度;引导学生积极践行低碳行动,强化社会责任,树立科学意识。

(二)学习重难点

学习重点:认识二氧化碳的性质及用途,掌握认识物质的基本思路和一般方法;能基于元素守恒、物质转化的视角认识碳循环,形成解决低碳问题的一般思路。

学习难点:发展学科思维方式和方法;培养解决真实问题的思路以及多角度、跨学科分析问题的能力,落实化学学科素养。

三、项目式学习设计思路、任务及流程

图1 “碳中和”项目式学习整体设计思路

图2 “碳中和”课时设计思路

四、项目式学习过程

以下以项目式学习课题三“低碳之行动升华”为例呈现实施过程。

在前面的学习中,学生已经了解了“碳中和”的内容,并且制订了低碳行动方案,但是小组设计的方案是否可行?教师带着学生进行分析评价,并进一步了解“碳中和”的行动。

【教师活动】讲述:碳排放和碳吸收一直以来都处于动态平衡状态,但工业革命以来,二氧化碳过多排放,导致温室效应增强,生态环境恶化,如今我们赖以生存的地球家园已经慢慢地失去了曾经的绿水青山,因此,今日我们开展“碳中和”项目式学习。(播放习近平主席关于低碳目标的讲话视频,引导学生浅谈感受。)

【学生活动】谈观看感受:感受到了“碳中和”时间紧迫,体会到了我们的大国担当和社会责任。恢复绿水青山需要我们不断地学习化学知识,我们要努力担当这种社会责任。

【教师活动】肯定学生的回答。引导小组结合组内设计的低碳方案进行汇报。

【学生活动】分组进行汇报。

第一组:减少化石燃料的使用,开发新能源,把生成的二氧化碳转化为有用的物质。

第二组:用氢氧化钠等碱性物质吸收二氧化碳,开发太阳能、氢能等新能源,少开车,多种树。同时我们组有些疑惑,为什么现在还是主要使用化石燃料,而不尽量多地使用替代能源?

第三组:我们组和其他组看法基本一致,也认为可开发新能源、减少化石燃料的使用。我们认为还可以把产生的二氧化碳先存放在一些“容器”中,等以后技术成熟了再用。

第四组:可以将生成的二氧化碳找个“容器”收集起来,以后技术成熟了再使用。

【教师活动】在每组学生汇报之后及时点评,并且对学生提出的疑惑进行归纳,组织学生开展讨论,引导学生进一步完善低碳方案。

提问:同学们提出可以将二氧化碳转化为有用的物质,那么二氧化碳可以转化为什么物质呢?

任务一:碳转化

【学生活动】独立思考再讨论。

汇报1:可以转化为碳酸,做碳酸饮料;可转化为碳酸钙,作为补钙剂和建筑材料。

【教师活动】请同学尝试用化学式来书写二氧化碳生成碳酸和碳酸钙的方程式。

【学生活动】上台书写化学方程式,巩固化学核心知识。

汇报2:查阅资料得出二氧化碳还可以转化为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢钙、乙酸、葡萄糖等。

【教师活动】肯定学生课前的准备,提出问题层层递进地引导学生思考。

提问并解说:这些物质有什么用途?甲烷可以做燃料,醋酸是食醋的主要成分,也可以转化为淀粉,也就是说,可以将二氧化碳转化为有用的物质。

提问:这些生成物从组成角度看有什么共同点?

【学生活动】汇报3:碳酸由碳、氢、氧三种元素组成,碳酸钙由钙、碳、氧三种元素组成,甲烷由碳、氢元素组成,都含有碳元素。

【教师活动】总结:根据质量守恒定律,反应前后元素种类不变。介绍时事热点:科学家正是按照这个思路研究二氧化碳的转化,我国科学家2021年在全球首次完成淀粉的全合成;2022年实现了利用二氧化碳合成高浓度的乙酸,进一步合成葡萄糖和油脂,实现了将“西北风”变成粮食。提出要求:合成淀粉的第一步反应是合成甲醇,请同学们试着写一下方程式。

【学生活动】书写方程式。

【教师活动】点评方程式,并提醒少量同学要配平。提问:用二氧化碳合成淀粉的研究能否大规模推广呢?

【学生活动】回答:需要考虑反应物是否廉价易得、反应条件是否容易达到、生成物是否环保、生成物是否有应用价值等方面。

【教师活动】解说:氢气在自然界中含量极低,要制备氢气,反应条件比较复杂,因此要不断地改进技术寻找合适的催化剂,使反应更容易进行。这些都需要科学技术的发展。

引导学生计算:如果消耗6 kg氢气可以生成多少甲醇?

【学生活动】上台计算。

【教师活动】带着同学分析:每6千克氢气(360元)完全反应生成32千克甲醇(80元)。

【学生活动】发表看法:感觉亏本了。

【教师活动】提出“碳交易”,并且简单介绍国家的试点情况。总结:因此实现“碳中和”需要多措并举,既需要进行需求导向的科学、技术攻关,还要发挥“碳交易”市场等政策的调节作用,形成鼓励机制,促进企业自发减排。

提出问题:通过资料我们知道二氧化碳的转化目前大多效率不高,技术手段不成熟。结合我国排放的现状,如何才能达成“碳中和”目标呢?

【学生活动】结合之前的小组汇报回答:可以将生成的二氧化碳找个“容器”封存起来,以后技术成熟了再使用。

任务二:碳封存

【教师活动】介绍碳封存:哪些地方适合封存二氧化碳?有同学在方案中提出可以封存在海洋中,为什么呢?海洋约占整个地球表面积的71%,储碳层最大,海底具备低温高压储存的条件。2021年8月,我国启用首个用海洋封存二氧化碳的项目,每年可以封存30万吨,后期一定会有更多的应用。

虽然海洋封存储碳层最大,但也存在一定安全隐患,一旦地壳运动,二氧化碳逸出,封存将功亏一篑,而且会导致海水酸化,破坏生态。

【学生活动】提出疑问:二氧化碳与水反应生成的碳酸不稳定,为什么还会导致酸化呢?

【教师活动】对提问者给予赞许并带领学生探究:学习中我们要像××一样有质疑的精神。下面我们来一起探究一下。展示测量溶液的pH的数字化实验,向水里通入纯净的二氧化碳(为节约课堂时间,采用干冰实验),同时测pH,引导学生分析曲线。

图3 二氧化碳通入水中pH值的变化

【学生活动】回答问题:刚开始pH一直下降,最后稳定在4.56,酸性较强(图3),所以二氧化碳与水反应生成的碳酸溶液会显酸性。

【教师活动】提出问题:海洋酸化会对它们有什么影响?通过花甲壳持续通入二氧化碳前后质量变化,模拟酸化对贝壳类生物的影响。

图4 模拟海洋酸化对贝壳类生物的影响

【学生活动】发现贝壳质量慢慢减少,作出猜测:可能是贝壳其他成分质量减少,不一定是碳酸钙。

【教师活动】展示钙离子浓度检测盒,测出溶液中钙离子浓度增大,确认的确是贝壳中的碳酸钙被消耗(图5)。

图5 检测溶液中钙离子的变化

提出问题:贝壳的主要成分是什么?我们利用仪器测出溶液中钙离子浓度在逐渐增加,为什么会增加呢?

在上节课探究二氧化碳通入石灰水变浑浊的基础上再一次持续通入纯净的二氧化碳,请学生汇报实验现象(图6)。

图6 持续向二氧化碳中通入澄清石灰水的变化

【学生活动】汇报实验现象:溶液从浑浊再一次变澄清。

【学生活动】汇报4:如果不解决“碳中和”的问题,海洋酸化严重就会影响贝壳类、磷虾类、珊瑚礁等的生存,破坏生态平衡。因此,我们要控制二氧化碳的排放量,尽快实现“碳中和”。

【教师活动】介绍其他封存形式:除了海洋封存,还可以把二氧化碳封存在特殊地质环境及特定深度(750米)的地层中,从而长久封存。这就是地质封存,目前这种封存技术较为成熟,应用也比较多,当然还有其他的一些封存形式,比如矿物封存等。

提出问题:碳转化和碳封存可以缓解二氧化碳排放过多,但我国作为能源使用大国,如何从源头上解决排放过多问题,实现“碳中和”呢?引导学生结合国情进一步思考“碳中和”的思路。

【学生活动】回答问题:无碳,还要考虑无污染、成本低、原料充足、储存运输方便等,寻找替代能源。

任务三:碳替代

【教师活动】介绍我国目前能源情况和新能源占比趋势:请看,到2060年实现“碳中和”时,新能源占据很大比例,大约80%(图7)。

图7 新能源占比趋势

总结:该目标的达成离不开科学技术的发展,正需要你们这一代通过学习知识尤其是化学知识来实现。同时向学生展示合肥科学岛上的“东方超环”最新重大研究成果(图8),增强学生本土自豪感,激起学生对科学研究的热情,对课堂进行情感升华,培养学生的社会责任感。

图8 合肥科学岛“东方超环”最新重大研究成果

引导学生畅谈收获。

【学生活动】举手分享收获。

学生1:通过今天的学习我知道了设计“碳中和”方案需要考虑碳转化、碳封存、碳替代等多方面。

学生2:我知道了可以利用元素守恒研究二氧化碳的转化,利用化学知识治理温室效应等环境问题。

学生3:我感受到我们国家的大国担当,也体会到我们身上的责任,我要好好学习,争取为国家做出自己的贡献。

【教师活动】课堂小结:综合以上内容,设计“碳中和”方案需要考虑碳转化、碳封存、碳替代,还要考虑政策、市场等方面的因素。

因此,想要将低碳理念转化为具体行动,需要全社会经济体系、能源体系、技术体系等方面的变革,需要科学、技术、社会、政策等方面协同发力,需要中国携手国际社会共同努力,更需要每个人的积极参与。随着“碳中和”这场牵动全局的大变革的完成,人类社会将由工业文明进入生态文明,实现人与自然的可持续发展。

【板书设计】

采用大树的形式,将本节课内容从三个方面呈现出来,暗示着“碳中和”的实现将使生态环境更加美好(图9)。

图9 板书设计

【课后任务】

每个小组完善一份低碳海报。

五、项目式学习反思

此项目通过三个课题对学生持续地进行开放性、过程性、促进学习的评价,引导学生建立低碳模型,形成低碳意识,践行低碳行动。

本项目的每一个课题都是通过情境和任务驱动促进学生的认知和素养发展,通过对“碳中和”的内容理解和应用开展大概念教学,落实学科核心知识,通过建立、修订、评价低碳模型,完整真实地呈现学生解决问题的思路和方法,外显学生素养的发展。

在“碳中和”项目式学习中,教师尽可能地挖掘教材各栏目的育人价值,通过活动落实新课标的要求,提升学生综合素质,着力发展学生的核心素养,使学生具有社会责任感、终身学习能力和自主发展能力,通过活动落实“教-学-评”一体化,通过跨学科项目式实践活动,充分发挥大概念对实现知识结构化和素养化的功能价值。