申明睿

（江蘇省昆山開發(fā)區(qū)青陽港學校 江蘇 蘇州 215300）

一、問題的提出

近年來，制氧機成為許多教材編寫者和中考命題專家所青睞的經(jīng)典情境素材，分析《義務教育化學課程標準（2022年版）》關于該內(nèi)容的描述可知：“基于特定需求設計和制作簡易制氧機”實踐項目是在大單元設計理念的統(tǒng)領下，以氧氣的知識為核心內(nèi)容，將滬教版化學九年級上冊第二章“身邊的化學物質(zhì)”第1節(jié)“性質(zhì)活潑的氧氣”和“氧氣的制取與性質(zhì)學生必做基礎實驗1”融合，并結(jié)合工程制作技術，使學生初步建構(gòu)起產(chǎn)品制作的一般過程和方法。學生在完成任務的過程中，不僅需要綜合考慮使用環(huán)境和使用對象的特定需求，還要選擇具體的技術與工程方法完成簡易制氧機的設計和制作，在不斷實踐和反思中優(yōu)化產(chǎn)品，提升團隊合作和自主解決問題的能力，激發(fā)創(chuàng)造力。

分析新課標關于本實踐項目的描述可知：本項目體現(xiàn)了“物質(zhì)的性質(zhì)與應用”“物質(zhì)的化學變化”學習主題的大概念及核心知識，涉及“化學與社會·跨學科實踐”學習主題中化學與材料、化學與健康的相關內(nèi)容，承載發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的任務。但在常態(tài)化教學中，教師們往往是直接呈現(xiàn)真實制氧機產(chǎn)品并粗略分析相關的試題，無論是知識、能力還是素養(yǎng)的培養(yǎng)，都達不到預期的效果。

基于我校中學生關于產(chǎn)品設計和制作相關知識技能薄弱的事實，在學習完“身邊的化學物質(zhì)”“性質(zhì)活潑的氧氣”和“氧氣的制取與性質(zhì)學生必做基礎實驗1”后，以“基于特定需求設計和制作簡易制氧機”為主題開展項目式教學，旨在幫助學生建構(gòu)元素觀、變化觀等化學觀念，促進“系統(tǒng)與模型”“比例與定量”等跨學科大概念的進一步發(fā)展，提升化學學科核心素養(yǎng)。

根據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論，課堂教學要著力于學生的最近發(fā)展區(qū)。初三上學期，學生已有的能力和知識水平是：已初步學習實驗室制取氧氣的反應原理和實驗裝置；具備一定收集、整理、分析、處理信息的能力；初步具備觀察實物，拆解組裝實物，繪制簡單裝置圖的能力。同時，九年級學生愛動腦，愛動手，樂于動手操作具象的物體，對化學實驗很感興趣，對周圍世界有著強烈的好奇心和探索欲，而我們的實踐項目貼近學生生活，與生命健康息息相關，符合九年級學生的特點。

二、項目教學目標

根據(jù)以上課標分析、教材分析和學生學情，筆者確立了以下教學目標：

（1）通過制氧機與實驗室制取氧氣裝置對比，感受到產(chǎn)品設計與實驗室裝置區(qū)別聯(lián)系，同時也進一步鞏固實驗室制取氧氣儀器、藥品及反應原理等知識。

（2）通過對制作簡易制氧機設計思路的討論，能正確選取試劑、材料等，建立制氧機的簡單模型，能從跨學科角度初步分析問題，提升系統(tǒng)思維和創(chuàng)新思維能力。

（3）通過對制氧機使用環(huán)境和對象的特定需求的考慮，學會選擇具體的技術與工程完成制作，提升了運用化學知識對生活及社會實際問題作出判斷和決策的意識。

（4）通過展示制氧機作品，學會用科學語言和信息技術手段合理表述，同時，發(fā)展了好奇心、想象力和探究欲。

三、項目任務及教學流程

氧氣對維持人的生命活動十分重要。當人體缺氧時，可以通過制氧機來獲取氧氣［1］。以“基于特定需求設計和制作簡易制氧機”總?cè)蝿諡轵?qū)動，按照任務邏輯學生需要解決3個大問題和8個子任務。學生通過查閱資料、收集信息、拆解實物、分析比較、實踐驗證等學習策略，最終以成果匯報的形式進行作品展示，通過初步規(guī)劃、初步設計、產(chǎn)品制作、測試優(yōu)化、組間評價和總結(jié)交流等方式逐步落實項目目標。本實踐項目的邏輯線、知識線、活動線和素養(yǎng)線的對應關系如圖1所示。

圖1 “基于特定需求設計和制作簡易制氧機”項目教學思路及流程

四、項目實施過程及學生學習成果

第1步是項目分析［2］：引導學生將任務拆解，并列出每個子任務需要解決的問題。第2步是學生以小組為單位完成各個子任務并將研究成果整理匯總，在此過程中教師可針對不同小組的特點進行個性化指導。第3步是集中展示，每經(jīng)過一段時間的開放性準備和學習，分小組進行各子任務研究成果的分享交流和組間評價。第4 步是通過產(chǎn)品發(fā)布會進行成果展示。本項目共經(jīng)過了約5個課時的教學實踐，活動由簡單到復雜，知識由理論到實踐，學習由淺層到深度，素養(yǎng)和能力要求逐漸進階。積累了包含PPT、課堂實錄、學生作品等豐富的課程資源，能夠在不同學校、不同縣區(qū)的班級推廣。為了呈現(xiàn)簡潔的教學流程，本文僅呈現(xiàn)部分關鍵對話與行為。

1.制氧機是什么？（任務1、2）

這一部分是本實踐項目的導引階段，任務1 中學生通過閱讀文獻、網(wǎng)上查閱資料、完成一份手抄報、圖片展示、PPT 講解等方式，了解了制氧機的定義、分類、制氧原理等。通過比較不同類型制氧機的優(yōu)缺點，分析討論出了接下來自制簡易制氧機的類型——化學制氧機。部分學生手抄報作品如圖2所示。

匯報過程中，較為精彩的是下面這個小組同學的匯報。

【某小組成果展示】2016年，深圳市舉辦了一場名叫“綠航星際”的實驗活動，讓四名受試人員在一個密閉環(huán)境僅通過綠植光合作用產(chǎn)生氧氣的地方生存180 天。這個實驗其實就是模擬人在地球上的生活。我們知道，地球上有許多綠色植物，能通過光合作用獲得人和動、植物所必需的氧氣，因此地球其實也是一個大型的制氧機，太空的生活離我們還是很遙遠的。希望大家可以保護環(huán)境，從我做起，保護好我們的地球家園。

【師點評】同學們說得真好。習主席說過，“綠水青山就是金山銀山”。只有保護好地球這個大型的制氧機，才能更好地保護我們?nèi)祟愖约?。與此同時，我們還要善于利用文獻、網(wǎng)絡等資源，學會查找和收集信息，主動了解我們感興趣的話題或知識，嘗試自主解決問題，不斷豐富和拓展自己的知識體系。

為了讓學生感受真實產(chǎn)品設計與所學知識間的區(qū)別與聯(lián)系，任務2中引導學生以小組為單位，通過實物展示、PPT 講解等方式，對氧立得和氧燭制氧原理及裝置結(jié)構(gòu)進行分析，并與實驗室制取氧氣的原理及裝置作對比。

【某小組成果展示】學習了實驗室制氧氣后，我們小組對學生能否自制一臺制氧機產(chǎn)生了興趣，于是我們在市場上搜集了很多制氧機，發(fā)現(xiàn)其中的氧立得制氧機與我們學過的實驗室制氧在原理和裝置上有很多相似之處。為什么說它們相似呢？兩者的原理都是過氧化氫在二氧化錳的催化下制取氧氣。除了原理，裝置上也有許多相似之處。氧立得中的密封蓋就相當于實驗裝置中的橡皮塞；氧氣通道與導管類似；吸氧導插座相當于導管口，是氧氣出來的地方；反應倉的作用和錐形瓶一樣，藥品就在這里面發(fā)生反應；過濾加濕倉和水槽都起到一個凈化空氣的作用。除了相似，兩者之間還有一些不同點，氧立得用的是固體過氧化氫，也就是過碳酸鈉，是一種白色顆粒狀固體，比較容易保存，而實驗室所用的過氧化氫溶液是無色透明的，比較容易分解，不太好保存。再從裝置上來說，氧立得制氧機的設計是一體化的，便于攜帶，而實驗室的制氧裝置則需要組裝，不太便捷，但它有一個分液漏斗可以用來控制反應速率，方便觀察。所以我們小組對如何自制制氧機有了進一步想法，我們小組接下來將按照氧立得制氧機的原理，自制一臺制氧機。

【某小組成果展示】老師、同學們大家好，現(xiàn)在就由我來向你們匯報我們組的調(diào)查成果，在我們調(diào)查之前，老師帶我們在實驗室做了一次制氧的實驗，用的是高錳酸鉀加熱生成氧氣的這套裝置。而最近幾天，我們在市場上發(fā)現(xiàn)了一款與其很像的裝置，它的名字叫做氧燭。氧燭是一種小巧的制氧裝置，因其工作時像蠟燭燃燒而得名，它的原理是氯酸鈉在催化劑的催化作用下生成氯化鈉和氧氣。與我們學過的氯酸鉀在二氧化錳的催化作用下加熱生成氯化鉀和氧氣原理類似：首先它們的藥品都是固體，便于攜帶。其次都是要在加熱和催化劑的催化下生成氧氣。在裝置上它們也有許多相似處：火帽類似于酒精燈，用來加熱；氧燭的外殼就像試管，用來作為藥品的反應容器；氧氣出口類似于導管口；氣體過濾裝置類似于右邊水槽中的水。以上就是我們小組的調(diào)查成果，感謝各位聆聽！

這一部分教師最重要的是對各小組研究學習的個性化指導，鼓勵學生類比遷移，推理論證。

2.為什么需要制氧機？（任務3）

任務3 中學生以小組匯報的形式，通過對制氧機使用環(huán)境和對象的特定需求的分析，體會制氧機的意義和價值。在此過程中，同學們還擴展延伸出自制制氧機對學生的現(xiàn)實意義：具有實踐性，培養(yǎng)學生動手能力；能加深對化學知識的理解，便于消化、牢記知識；用腦過度時還能緩解疲勞，減少失眠，增強免疫力，使上課更有精神，身心舒暢，提高學習效率。

【師反思】同學們有關“學生自制制氧機的意義”的拓展使課堂更具生成性和趣味性，任務3的實施加強了學生對自制制氧機項目的好奇心和探索欲。

3.如何設計和制作制氧機？（任務4-7）

任務4 引導學生思考：基于特定需求設計和制作簡易制氧機需要考慮哪些問題？使同學們在交流討論中，初步建立起“基于特定需求設計和制作簡易制氧機”的一般程序和方法，形成模型，如圖3所示。

圖3 “基于特定需求設計和制作簡易制氧機”的一般程序和方法

任務5 和6 要求學生在任務4 的框架結(jié)構(gòu)下，應用模型和方法，從實際需求出發(fā)，多角度分析對比選擇出最優(yōu)的制氧原理，并繪制了制氧機的設計圖，小組成員分工合作，共同動手完成了制氧機產(chǎn)品的制作。圖4是部分小組的設計圖及實物產(chǎn)品。

圖4 部分小組的設計圖及實物產(chǎn)品

任務7要求學生結(jié)合特定環(huán)境和使用人群，對自制制氧機進行優(yōu)化。表1 為同學們對部分自制制氧機產(chǎn)品的問題和改進分析，經(jīng)過同學們不斷的反思總結(jié)和多輪次的改進優(yōu)化，最終都制作出了較為合理的成品，并用自制的制氧機制取并收集了三瓶氧氣，做了氧氣性質(zhì)的實驗。

表1 部分自制制氧機產(chǎn)品的問題和改進分析

【師反思】交流研討過程中，根據(jù)學生討論的內(nèi)容創(chuàng)設開放性的問題，讓學生互相評價裝置上設計的不足之處并想辦法改進，拓展了學生的思維，課上學生對裝置的互評使各種問題都暴露出來。在實踐課上，學生主動地對制氧機進行測試，體驗成功的喜悅，并在不斷地探索下總結(jié)經(jīng)驗，積極發(fā)言分享心得［3］。

值得一提的是，在任務7中，同學們結(jié)合之前的學習經(jīng)驗，還自然地想到了可以利用氧氣傳感器來測量自制制氧機的產(chǎn)氧濃度，以此作為比較不同制氧機性能優(yōu)異的指標之一。圖5是同學們用氧氣傳感器做實驗時的精彩瞬間。

圖5 同學們用氧氣傳感器做實驗時的精彩瞬間

下面是該組同學的成果展示。

【某小組成果展示】為了更好地發(fā)展產(chǎn)品，取其精華，去其糟粕，我們小組從眾多的樣品中選擇了三個出類拔萃的制氧機進行實驗對比，在其他條件都相同時，通過比較產(chǎn)氧的濃度（氧氣濃度為第15秒開始收集150 mL的氧氣所測數(shù)據(jù)），選擇最優(yōu)的那個。實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 用氧氣傳感器測量三款不同制氧機的產(chǎn)氧濃度的實驗數(shù)據(jù)

由表2 中可知，第一個制氧機制氧的濃度已經(jīng)達到了46%，第二個制氧機的產(chǎn)氧濃度達到了72%，第三個制氧機的產(chǎn)氧濃度達到了驚人的99.5%。最終，綜合制氧濃度、美觀性、便捷性等多方面綜合評價，我們選定了第三款制氧機。

還有的小組同學設計實驗方案，探究了藥品的用量和溫度對反應速率的影響。下面是該小組的成果展示。

【某小組成果展示】為了更好地發(fā)展產(chǎn)品，推陳出新，我們做了多組實驗來研究對于不同人群及不同環(huán)境的藥品用量。實驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 藥品用量和溫度對反應速率的影響

對比第①、②次實驗，我們可以發(fā)現(xiàn)，當二氧化錳用量、溫度保持相同時，過碳酸鈉用量越大，收集相同體積氧氣所用時間越短，反應速率越快。

對比第①、③次實驗，我們可以發(fā)現(xiàn)，當二氧化錳用量、過碳酸鈉用量保持相同時，溫度越高，收集相同體積氧氣所用時間越短，反應速率越快。

表3 的實驗數(shù)據(jù)給了我們很好的啟示：當我們?yōu)榱吮＝∧康奈鯐r，供氧速度可稍慢，而當緊急缺氧時，速度應稍快。所以，針對不同的速度要求，我們可以通過實驗以及計算，分裝不同的過碳酸鈉質(zhì)量，對于吸氧速度的不同要求提供不同的用量。而季節(jié)或天氣不同時，溫度也不同，此時也應改變藥品的用量，所以我們也可通過實驗以及計算分裝不同質(zhì)量的過碳酸鈉藥包，根據(jù)不同的溫度放入不同的用量。我相信，在不斷的實驗與改進下，我們的產(chǎn)品能越來越好。

【師反思】手持技術助力學生開展實驗活動，不僅為學生提供了定量證據(jù)與多樣的可視化數(shù)據(jù)，提高了實驗結(jié)論的信度和效度，還為學生的學提供了認知支持，降低了學習難度。有利于提高學生的預測力、洞察力、探究力及數(shù)字化實驗能力，促進學生自主學習，助推課堂教學向深度進發(fā)［4］。

4.產(chǎn)品發(fā)布會（任務8）

任務8以產(chǎn)品生產(chǎn)流程的步驟將班級學生劃分為市場部、產(chǎn)品部、研發(fā)部、測試部、營銷部、策劃部共計六大部門，九個小組。讓學生以每個小組的工作職能，對制氧機的生產(chǎn)過程進行講解，分享經(jīng)驗和方法。產(chǎn)品發(fā)布會的呈現(xiàn)方式是師生角色扮演，教師以主持人的身份主持一場公司產(chǎn)品發(fā)布會活動，學生以公司各部門崗位職員的身份參與其中，真正目的不止于學生講授知識，更希望通過一個真實的社會場景，激發(fā)學生的學習動機，喚起學生的求知欲望，讓他們興趣盎然地參與教學全過程中，積極地表達和交流，經(jīng)過自己的思維活動和動手操作獲得各方面能力的提高，并且能夠了解一個產(chǎn)品從0到1的過程。

【師反思】這次教學方式的變革，一個方面是改變學生被動學習的狀態(tài)，從“學會”學習，到享受成功的喜悅。強化學生的學習動機，從而愛上化學。另一方面也改變了老師的教學模式，從生活中出發(fā)，布置具體的崗位任務，會讓學生更自然也更真實，促使學生的情感和興趣始終處于最佳狀態(tài)，從而保證施教活動的有效性和預見性。

五、項目教學反思及改進建議

本實踐項目歷經(jīng)5 個課時的教學實踐，通過課前讓學生利用課余時間線上查閱資料、線下調(diào)查研究、制作PPT 和課上做實驗、匯報交流，把主動權交給學生，讓學生能全身心地投入、多樣化地表達。任務活動設計由簡單到復雜，知識由理論到實踐，學習程度由淺層到深度，素養(yǎng)和能力不斷生成，逐漸進階，實現(xiàn)了學生積極動腦，主動參與，從聽到講的轉(zhuǎn)變。

項目實施過程中，筆者發(fā)現(xiàn)：班上有的學生動手能力不強，有的學生分析問題的能力不足，有的學生理解能力缺乏，有的學生語言表達能力不夠，有的學生對學習沒有主動性，不愿意參與任何活動，有的學生對待作業(yè)和任務態(tài)度敷衍了事，上交的作業(yè)質(zhì)量不高，還有的學生存在著嚴重的拖拉現(xiàn)象。

本實踐項目完成后，筆者最大的獲得感就是看到學生能力上猶如火箭般飛速提升的變化：從剛開始對學習任務的陌生到發(fā)布會上的侃侃而談；從剛開始不會制作PPT到最后能制作出畫面精美、排版合理、動畫豐富的PPT；從剛開始害怕表達到后期的主動舉手、踴躍發(fā)言；從剛開始不會做實驗到后期能將手持技術應用于實驗探究、自主設計實驗方案；從剛開始的一盤散沙、各自為營到后期變成一個個有凝聚力的學習小組……在看到同學們因為自己的制氧機能制備出氧氣濃度大于99.5%的氧氣而臉上洋溢出得意的笑容時，在看到同學們因為自己設計出嚴謹、合理、體現(xiàn)控制變量的實驗方案獲得陣陣掌聲而流露出喜悅的神情時……這些都讓筆者感覺準備階段所有的辛苦和付出是值得的，疲憊感一掃而光，只剩下由衷地為孩子們的成長和變化感到開心和驕傲的愉悅心情。

后續(xù)的改進和研究將側(cè)重于關注以下三個方面：一是探索如何更加緊密地結(jié)合手持技術數(shù)字化實驗，將實驗現(xiàn)象以圖表與數(shù)據(jù)等形式同步呈現(xiàn)，推進項目式教學的實施，助力學生深度學習，提高學生的學科核心素養(yǎng)［5］。二是思考解決項目式教學與傳統(tǒng)教學在課時安排、實踐場地等方面的矛盾［2］。三是嘗試如何將“教、學、評”一體化的教學策略更好地融入到本實踐項目中來，科學地評價學生階段性的項目學習成果［6］。

古語有云，“授人以魚不如授人以漁”。課堂時間是有限的，教師不可能在一節(jié)課上面面俱到。因此，作為一名新時代的教師，在課堂上教給學生的就不能僅僅是學科知識，更重要的是要教授給學生研究問題的思維和方法，讓學生自覺、主動地完成更多的探究活動，最終培養(yǎng)出“有理想、有本領、有擔當”的全面發(fā)展的時代新人。