基于項目學習的化學綜合實踐活動課的教學實踐

摘要：

以“柴胡抗菌洗手液的研制”為例，介紹在綜合實踐活動（選修）課程的教學中，基于項目學習的特點和形式，從校情學情出發(fā)，采用精心設計、提供支架、創(chuàng)設充裕的自主及合作學習時空等方法，引導、鼓勵學生肩負任務，不斷學習、歷練，嘗試用自己的智慧和能力去挑戰(zhàn)和解決真實情境中的問題，在跨學科綜合實踐活動中獲得核心素養(yǎng)的進一步提升。關鍵詞：項目學習;綜合實踐活動;創(chuàng)新實驗課程;柴胡抗菌洗手液1

項目學習背景《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》設置了必修、選擇性必修和選修三類課程，其中選修課程有“實驗化學”“化學與社會”“發(fā)展中的化學科學”三個系列［1］。課程方案指出，選修課程可由學校根據(jù)學生的多樣化需求、當?shù)厣鐣?jīng)濟文化發(fā)展的需要、學科課程標準的建議以及學校辦學特色等開發(fā)設置［2］；可與校本選修課程、綜合實踐活動課程等統(tǒng)籌安排，開展學科內(nèi)綜合和跨學科綜合的實踐活動，提倡使用實驗探究等方式開展主題性實踐活動和項目式學習活動［3］?；谛Ｇ楹蛯W情，我們選擇“實驗化學”作為化學選修課程開發(fā)的突破口，從上海中小學前沿科學前沿技術創(chuàng)新課程平臺（簡稱“雙前沿”平臺）采集課程資源，將“中藥功能化妝品的研制”引入高一化學實驗選修課程，將化妝品的研制與傳承中華文明及綠色化學的理念相結合，開發(fā)了校本化綜合實踐活動課程——“天然植物原料化妝品的研制”。借鑒高?？萍紕?chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，采用項目式學習，創(chuàng)設盡可能充裕的學習與實踐的時空，引導、鼓勵學生用他們的智慧和知識去應對和解決真實情境中的挑戰(zhàn)和問題，通過自主學習、合作完成項目獲得知識和能力的提升?！安窈咕词忠旱难兄啤本褪窃撜n程中的一個學習項目。經(jīng)過六輪次的教學實踐，取得了較好的學習效果。2

項目學習規(guī)劃2.1

項目學習主題選擇香皂是學生熟知的洗滌用品，屬于化妝品行列。但其使用因“香皂頭”常被丟棄、遇水會溶化，浪費較多。為了提高香皂使用的便利性和利用率，液體香皂應運而生。液體香皂主要用于洗手洗臉等，除了需要有好聞的氣味和顏色，最好還能增加殺菌功能。我國的中醫(yī)藥學博大精深，不少中藥具有抑菌功效。大家很快達成共識：研制一款具有中藥殺菌功效的液體香皂（洗手液）不僅涉及大量的化學知識與技能，而且涉及微生物檢測等生物學知識與技能等，綜合實踐特點凸顯，不失為是一個有價值、適合高中生開展研究性學習的好項目。于是我們把創(chuàng)新項目學習的主題定為“柴胡抗菌洗手液的研制”。該項目在高一下學期實施，此時學生已經(jīng)歷了基礎課程的培訓，學習了化妝品知識、制作原理，能進行簡單的工藝流程設計，使用相關儀器設備開展實驗，有較豐富的小組合作學習經(jīng)驗，迫切希望能夠嘗試研制各種類型的日化產(chǎn)品，經(jīng)歷更完整的綜合實踐活動課題項目?！安窈咕词忠旱难兄啤笔且粋€真實情境下的復雜任務，需通過提煉若干味具有殺菌作用中藥的有效成分，成功研制一款適宜的中藥殺菌液體香皂并進行功效探究。為了完成該任務，學生需要經(jīng)歷拆解任務、查閱資料、市場調(diào)研、信息整合、實驗探究、配方改進、操作流程設計、實施優(yōu)化、產(chǎn)品檢測、交流反思等一系列活動。在逐層遞進的項目學習任務中，以問題為驅動，以活動為載體，模擬真實的化工生產(chǎn)過程，開展綜合實驗項目。發(fā)展學生的思考、表達、創(chuàng)造能力，切實提升學生的創(chuàng)新思維、調(diào)查研究能力、動手操作能力和豐富實踐體驗經(jīng)歷等。基于項目學習的特點和形式，教師采用精心設計、提供支架、創(chuàng)設充裕的自主及合作學習時空等方法，引導學生始終肩負任務，不斷學習、歷練，在跨學科綜合實踐活動中掌握基本的化學實驗方法和技能，體驗實驗探究的基本過程，進一步發(fā)展解決綜合實驗問題的能力，對發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)有獨特的價值。2.2

項目學習目標制定該項目主題下的學習內(nèi)容涉及選修課程系列1“實驗化學”中“主題3化工生產(chǎn)過程模擬實驗”“主題4STSE綜合實驗”的相關內(nèi)容。根據(jù)課標相關主題的內(nèi)容要求及學業(yè)要求，結合學生已有知識及能力水平，制定如下項目學習目標：（1）通過“抑菌圈”實驗檢測柴胡提取液及其洗手液的抑菌效果，運用對照實驗研究的方法開展跨學科融合實踐，認識宏觀辨識與微觀探析的分析問題的方法。（2）掌握先進實驗儀器的操作技能，掌握柴胡有效成分的提取方法，勤于實踐、善于合作，發(fā)展運用化學知識和實驗方法開展綜合項目研究的能力。（3）開展資料查閱和自主學習，知道化妝品的配方體系，能進行洗手液配方的分析和改進，認識科學探究的過程。（4）設計并優(yōu)化工藝流程，掌握柴胡抗菌洗手液的制取方法，經(jīng)歷多輪證據(jù)推理，發(fā)展思維能力，敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新。（5）通過理化指標檢測、感官體驗活動，進行實驗反思、成果交流與評價，形成嚴謹求實的科學態(tài)度，增強社會責任感，初步形成開展綜合實踐活動的基本模型。2.3

項目學習活動過程設計該項目拆解成四個逐層遞進的任務。結合真實情境，布置具體學習活動如表1所示。3

項目學習活動實踐過程3.1

引入課題，拆解任務在項目啟動階段，讓學生了解該項目研究的意義和價值，喚起內(nèi)心解決相關問題的積極性，明確肩負的研究任務是至關重要的。［創(chuàng)設情境，問題引導］提供學生熟悉的家用肥皂、藍月亮液體香皂、白貓洗衣粉配制的樣品（按1∶10稀釋），學生分組實驗，測得樣品液的pH分別為：肥皂8～9，液體香皂6～7，洗衣粉溶液11～12。提出問題：請說說平時洗手喜歡用肥皂還是洗手液？誰的去污效果更好？為什么？學生答案五花八門，所述理由也缺乏科學依據(jù)。［教師支持］提供資料：洗衣粉的去污效果最好，但堿性大，易傷手。去污能力除了跟酸堿性有關，還與表面活性劑有關，乳化劑就是一種表面活性劑。［實驗演示］演示油、水發(fā)生乳化過程的實驗。結合生活常識，剖析化妝品的乳化體系，介紹洗滌劑中表面活性劑的去污原理。［師生交流，拆解任務］該項目學習要達到的預期成果是：（1）提煉若干具有殺菌作用中藥的有效成分；（2）試制一款適宜的中藥殺菌液體香皂（洗手液）。為了達到上述預期的項目成果，該從哪些角度進行研究？如何規(guī)劃研究過程？學生經(jīng)討論后一致認為，本項目可以拆解為柴胡是否真的具有抗菌能力、怎樣提取柴胡有效成分、如何制取柴胡抗菌洗手液、如何進行產(chǎn)品功效檢測等四個逐層遞進的項目任務。接著進入以問題為驅動，以活動為載體的真實情境下的問題解決過程。3.2

探究柴胡的抑菌能力這一階段，教師先行積累資源，著力于教給學生做相關對照實驗的方法，指導他們開展有效的跨學科小組合作學習。3.2.1

活動1：資料查閱、市場調(diào)研，了解柴胡的抗菌作用［問題引導］柴胡的主要功效有哪些？你常用的洗手液中哪些成分具有抗菌功效？選用柴胡作為抗菌成分的優(yōu)勢是什么？［學生匯報交流］洗手液中的滅菌有效成分，通常采用化學合成試劑。經(jīng)市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)市售產(chǎn)品主要都以酚類產(chǎn)品或芐基類（如苯扎氯銨）為主。例如：舒膚佳、威露士洗手液的主要有效成分是對氯間二甲苯酚，滴露、藍月亮、蘆薈洗手液的有效成分是水楊酸。［教師支持］介紹舒膚佳的產(chǎn)品迭代。告知學生有報道指出：長期頻繁接觸抗菌產(chǎn)品中的某些活性成分，比如抗菌皂中的三氯生（圖1）、三氯卡班（圖2），會使細菌產(chǎn)生抗藥性并擾亂人體內(nèi)激素的分泌水平，可能會培育出難以殺滅的超級細菌。而柴胡皂苷A（圖3）是具有與上述兩類物質(zhì)類似功效的安全型植物提取物，柴胡具有解熱抗炎、鎮(zhèn)痛、抗菌、抗病毒等作用。本項目利用成熟的柴胡提取工藝，將柴胡有效成分添加到洗手液中用以制備抗菌洗手液。3.2.2

活動2：“抑菌圈”對照實驗研究，檢測柴胡的抑菌能力［問題引導］柴胡是否真的有抑菌能力？與其他有抑菌效果的中藥對比，效果如何？怎樣驗證？［教師支持］提供用化學方法（有機溶劑萃取法）提取的柴胡液。介紹微生物檢測技術——“抑菌圈”實驗。操作方法：在超凈工作臺上，將柴胡提取液和細菌混合后涂在培植好的細菌固體培養(yǎng)基上，接種好放在恒溫箱（30℃）中培養(yǎng)，保持一定濕度。3天可以出培養(yǎng)結果。［跨學科協(xié)作，分組實驗］學生查閱資料，選取部分具有抑菌效果的中藥（黃連、魚腥草、金銀花和柴胡），各稱取100克，并熬制成藥液。與生物興趣小組合作，通過“抑菌圈”實驗分別檢測不同種類的熬制中藥、化學方法提取的柴胡液對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌能力。［學生匯報交流］一組對金黃色葡萄球菌的實驗現(xiàn)象如圖4、圖5所示。［檢測結果］菌落的生長情況表明，金銀花、柴胡液對金黃色葡萄球菌都有一定的抑菌效果。用化學方法提取的柴胡液抑菌效果明顯更好，按1∶10濃度稀釋后依然有效。3.3

提取柴胡的有效成分結合現(xiàn)代先進化學實驗儀器和手段的學習，本階段聚焦學生實驗研究能力的培養(yǎng)。3.3.1

活動1：學習植物有效成分的提取方法、儀器操作和使用［問題引導］怎樣提取柴胡的有效成分？需要哪些相關儀器？［方法指導］植物有效成分的提取方法有水蒸氣蒸餾、壓榨法和有機溶劑萃取三種。根據(jù)植物原料的特點，柴胡有效成分的提取采用有機溶劑萃取法，利用有機溶劑（酒精）溶解其中的有效成分。［師生共同設計提取過程］稱量→粉碎→煮泡（回流）→抽濾（減壓過濾）→濃縮（減壓蒸餾）→定容備用。［培訓學習］主要儀器設備的操作使用：回流系統(tǒng)（集熱式恒溫加熱磁力攪拌器和回流冷凝裝置）、減壓過濾系統(tǒng)（抽濾瓶、布氏漏斗和循環(huán)水式真空泵）、減壓蒸餾系統(tǒng)（真空泵和旋轉蒸發(fā)儀）［4］。3.3.2

活動2：觀看實驗操作視頻，完成學案［教師支持］教師拍攝制作實驗操作視頻“柴胡有效成分的提取”，用以示范，使學生充分了解整個實驗過程、儀器操作方法，為后續(xù)學生實驗做準備。［觀看視頻，討論問題］為何要減壓過濾？（加速過濾）；為何要減壓蒸發(fā)？（在低壓環(huán)境下，降低酒精沸點，使之在50℃水浴條件下蒸出，極大提高了蒸餾效率）；為何要使用旋轉蒸發(fā)？（旋轉能阻止其形成氣化中心，防止暴沸）。［完成學案］（1）舉例說明提取植物有效成分的常見方法；（2）用到哪些相關儀器？（3）用框圖寫出中藥有效成分的提取流程。3.3.3

活動3：學生自主提取柴胡的有效成分，相互交流［學生實驗］詳細記錄實驗活動（組內(nèi)分工、實驗步驟）；實驗活動反思。［展示交流］分小組展示產(chǎn)品，分析交流實驗過程中產(chǎn)生的問題、處理方法。3.4

制取柴胡抗菌洗手液基于柴胡抗菌洗手液制備的配方以及工藝流程的設計與優(yōu)化，進一步培養(yǎng)學生的科學探究與創(chuàng)新意識學科核心素養(yǎng)。3.4.1

活動1：洗手液的配方分析與改進［配方分析］通過文獻查閱，找出“體驗創(chuàng)新階段實驗（實踐）指南”的洗手液配方（原配方）。運用已學化妝品知識，對配方進行“體系化”分析。師生經(jīng)反復交流討論，認為甘油能與水互溶，兩者都應屬于水相，且用柴胡提取液替代水，可提升洗手液的抗菌效果。［改進］經(jīng)多次實驗研究，學生對原配方做了改進，如表2所示。［完成學案］（1）化妝品配方體系（學習主題一：乳化體系，學習主題二：增稠體系）；（2）柴胡抗菌洗手液的制?。ㄅ浞降摹绑w系化”分析）。3.4.2

活動2：洗手液制取工藝流程設計［設計交流展示］學生分組完成設計。運用西沃授課助手現(xiàn)場將學生小組的討論過程、方案設計等實時投屏到大屏幕上，自由質(zhì)疑，深化討論，氣氛達到了高潮。［討論優(yōu)化］針對問題從理論和實踐層面展開爭辯，協(xié)作完成大家頗感滿意的柴胡抗菌洗手液制取工藝流程的設計，如圖6所示。3.4.3

活動3：動手完成“柴胡抗菌洗手液的制取”［學生實驗］分組完成實驗。詳細記錄實驗過程中的現(xiàn)象、問題與困難以及解決辦法，完成活動反思。3.5

產(chǎn)品的功效檢測對自制產(chǎn)品的功效檢測，是對學生研究成果的主、客觀評價，也是學生非常感興趣的活動環(huán)節(jié)。教師要注重發(fā)現(xiàn)學生在活動中表現(xiàn)出來的種種創(chuàng)新火花，并在學生中發(fā)揚光大。3.5.1

活動1：體驗活動——產(chǎn)品的初步測評［問題引導］通過哪些方法評估自己制作的產(chǎn)品？［學生討論］現(xiàn)場體驗自制的柴胡洗手液樣品。分組討論后填寫“感官評價表”［5］，主要從顏色、氣味、細膩感、粘稠度、酸堿性（pH）等方面進行評級（5分制，5分最好，1分最差），并提出改進意見。［教師支持］給出更科學的產(chǎn)品質(zhì)檢方法：“理化指標及穩(wěn)定性檢測”，如表3所示。3.5.2

活動2：檢測柴胡提取液的最低有效濃度［問題引導］如何檢測自制柴胡提取液的滅菌效果？能否知道濃度對其滅菌效果的影響？［跨學科協(xié)作，分組實驗］通過“抑菌圈”實驗進行檢測。先稱取柴胡100克，通過有機溶劑萃取法提取柴胡濃縮液25mL，稀釋成不同濃度后，檢驗其對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌能力。［匯報交流］實驗現(xiàn)象如圖7所示：［探究結果］1∶20濃度以內(nèi)的柴胡提取液對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌都有一定的抑制作用，再稀釋抑菌效果就變差。3.5.3

活動3：各種洗手液的抑菌效果對比研究［問題引導］對比其他品牌洗手液，我們自制的柴胡抗菌洗手液抗菌效果究竟怎樣？［跨學科協(xié)作，分組實驗］有學生進行了方法創(chuàng)新：用自己的五根手指按壓接種進行對照實驗（見圖8）。洗手前在培養(yǎng)基上按手印，用不同品牌洗手液洗手后在培養(yǎng)基相應區(qū)域再按一次手印，3天后比較菌落的生長情況。［探究結果］與其他品牌洗手液相比較，柴胡洗手液有較好的抑菌能力。但是加了柴胡和不加柴胡的洗手液相比，未見特別顯著的差異。［學生猜想］可能是洗手液中的柴胡濃度太低，或者是自制洗手液本身就有較強的抑菌作用，掩蓋了柴胡的抑菌效果。［教師點評］雖然結果與預期不完全相同，但重在體驗實驗探究的過程?？稍诤罄m(xù)實驗中提高柴胡的濃度，還能用所學方法開展如“金銀花提取液抑菌能力檢測”等課題研究。3.6

項目學習成果交流該階段學生要反思自己的實踐活動經(jīng)歷，總結優(yōu)勢和不足，調(diào)整實驗（實踐）活動步驟，尋找改進的方法，優(yōu)化研究成果?；顒樱簠R報交流研究成果，反思及改進［小組匯報交流］自制洗手液經(jīng)多方體驗，大家覺得去污效果明顯，手感細膩，很容易沖洗干凈，擦干后皮膚不緊繃，不必擦護手霜，氣味清香宜人，具有良好的抗菌功效。但也提出了一些問題。［反思1］學生提出，市售洗手液通常是中性偏弱酸性的，我們自制的柴胡洗手液，測得pH為7～8。［分析］在配方中加過KOH固體。堿性偏大易傷手，但不加又無法與三種酸生成表面活性劑，達到去污的目的。［改進］學生查閱配方資料，發(fā)現(xiàn)可通過加適量檸檬酸來控制pH。［反思2］學生提出，為何在工藝流程設計環(huán)節(jié)，不能先加入B2相？［教師支持］若先加B2相會發(fā)生團聚現(xiàn)象。由于B2相中的KOH先與表面脂肪酸反應，與內(nèi)部脂肪酸并沒有反應。先加B1相是為了能乳化完全，讓脂肪酸均勻分散形成一個亞穩(wěn)定的乳化體系。然后加KOH與酸中和，可生成更多的表面活性劑（乳化劑）膠束，從而得到了穩(wěn)定的乳化體系。［反思3］學生提出，自制洗手液比較稀薄，不像市售洗手液那么稠，消耗起來較快。［分析］眾所周知，牙膏擠出時需要保持一定的形狀，護膚霜要有一定的黏稠性，在皮膚上才會有附著力。在化妝品中添加增稠劑會對產(chǎn)品的外觀形態(tài)產(chǎn)生重要影響，起到提高黏度、改善穩(wěn)定性、穩(wěn)固流變形態(tài)的作用。［改進］查閱資料，發(fā)現(xiàn)有一種增稠的機理是改變膠束狀態(tài)，如在O/W型乳化體系中加入氯化鈉，可以促使含油膠束由棒狀膠束轉化為條狀膠束，從而增大分子運動的摩擦力，達到提高粘稠度的效果［6］。［學生實驗］增稠實驗：取自制洗手液（1∶10稀釋）各20mL于兩個燒杯中。分別加入約0.5克和1.0克NaCl固體，用玻璃棒迅速攪拌。實驗結論：都有增稠效果；加入1.0克NaCl固體的效果更顯著。4

項目學習效果與反思4.1

項目達到的效果學生在與生物學科等跨學科的融合實踐中，通過文獻查閱和實踐，不斷改進配方和工藝流程，通過自主與合作研究、實驗探究，以及課堂的交流與反思，了解柴胡的抗菌功能和洗手液的制備方法，并掌握了基本的化學實驗方法和技能，體驗了化學創(chuàng)新實驗研究的樂趣，提高了解決綜合實驗問題的能力，在跨學科綜合實踐活動中獲得核心素養(yǎng)的進一步提升。本項目完善了校本化項目學習、綜合實踐活動的評價體系。在實施過程中引入了理化指標及穩(wěn)定性檢測，學生可以通過各種性能檢測，形成對產(chǎn)品的客觀評價。在社會化評價中，學生與專家面對面交流，優(yōu)秀率超過35%。已有多篇學生論文被《上?！半p新”課程學生研究報告選編》收錄。在課后的問卷調(diào)查中，90%以上的學生能夠理解該項目學習的內(nèi)容，喜歡這種教學方式，認為難度適中，課時安排合理；超過80%的學生通過項目學習對真實的科學工作及前沿科技信息