促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)形成的“碳中和”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐

化學(xué)學(xué)科要培養(yǎng)的核心素養(yǎng),反映了義務(wù)教育化學(xué)課程的教育價(jià)值與育人功能,體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的基本要求,全面展現(xiàn)了化學(xué)課程學(xué)習(xí)對學(xué)生發(fā)展的重要價(jià)值。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種緊密聯(lián)系生活真實(shí)情景的學(xué)習(xí)方式,符合當(dāng)前素養(yǎng)導(dǎo)向的課程改革方向,能使學(xué)生的素養(yǎng)培養(yǎng)落到實(shí)處。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)從驅(qū)動性問題出發(fā),在真實(shí)情境中逐步探究問題,以小組合作形式開展學(xué)習(xí),運(yùn)用資源解決問題,產(chǎn)生可以公開交流的成果或產(chǎn)品等。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中,“項(xiàng)目”是學(xué)習(xí)的方式和途徑,“學(xué)習(xí)”是項(xiàng)目的落腳點(diǎn)和最終目的。在真實(shí)情境中學(xué)習(xí),在學(xué)習(xí)中深度思考,一環(huán)扣一環(huán)地解決問題,有利于學(xué)生思維能力的逐步提升和學(xué)習(xí)興趣的增強(qiáng),促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。一、問題的提出對于“碳中和”這一時事熱點(diǎn),學(xué)生基本聽說過,但是如何實(shí)現(xiàn)“碳中和”,學(xué)生卻不是很清楚。帶著這個問題,我們組織學(xué)生開展大概念統(tǒng)領(lǐng)下的以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的化學(xué)學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生以“碳中和”為核心,正確認(rèn)識溫室效應(yīng),掌握二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)學(xué)科知識;通過“低碳行動”方案的設(shè)計(jì)與評價(jià),發(fā)展科學(xué)思維,解決簡單問題,增強(qiáng)實(shí)踐能力,培養(yǎng)低碳的生活方式和為實(shí)現(xiàn)中華民族復(fù)興而學(xué)習(xí)的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。二、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)重難點(diǎn)(一)學(xué)習(xí)目標(biāo)目標(biāo)一:基于元素守恒、物質(zhì)轉(zhuǎn)化的視角認(rèn)識碳及其化合物,發(fā)展化學(xué)觀念。目標(biāo)二:通過科學(xué)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)探究、模型建構(gòu)、方案評價(jià)與分析等科學(xué)實(shí)踐活動理解化學(xué)學(xué)科思維方式與方法,培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。目標(biāo)三:構(gòu)建“碳中和”跨學(xué)科大概念,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度;引導(dǎo)學(xué)生積極踐行低碳行動,強(qiáng)化社會責(zé)任,樹立科學(xué)意識。(二)學(xué)習(xí)重難點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn):認(rèn)識二氧化碳的性質(zhì)及用途,掌握認(rèn)識物質(zhì)的基本思路和一般方法;能基于元素守恒、物質(zhì)轉(zhuǎn)化的視角認(rèn)識碳循環(huán),形成解決低碳問題的一般思路。學(xué)習(xí)難點(diǎn):發(fā)展學(xué)科思維方式和方法;培養(yǎng)解決真實(shí)問題的思路以及多角度、跨學(xué)科分析問題的能力,落實(shí)化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。三、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)思路、任務(wù)及流程圖1“碳中和”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)整體設(shè)計(jì)思路圖2“碳中和”課時設(shè)計(jì)思路四、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程以下以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)課題三“低碳之行動升華”為例呈現(xiàn)實(shí)施過程。在前面的學(xué)習(xí)中,學(xué)生已經(jīng)了解了“碳中和”的內(nèi)容,并且制訂了低碳行動方案,但是小組設(shè)計(jì)的方案是否可行?教師帶著學(xué)生進(jìn)行分析評價(jià),并進(jìn)一步了解“碳中和”的行動?！窘處熁顒印恐v述:碳排放和碳吸收一直以來都處于動態(tài)平衡狀態(tài),但工業(yè)革命以來,二氧化碳過多排放,導(dǎo)致溫室效應(yīng)增強(qiáng),生態(tài)環(huán)境惡化,如今我們賴以生存的地球家園已經(jīng)慢慢地失去了曾經(jīng)的綠水青山,因此,今日我們開展“碳中和”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。(播放習(xí)近平主席關(guān)于低碳目標(biāo)的講話視頻,引導(dǎo)學(xué)生淺談感受。)【學(xué)生活動】談觀看感受:感受到了“碳中和”時間緊迫,體會到了我們的大國擔(dān)當(dāng)和社會責(zé)任?；謴?fù)綠水青山需要我們不斷地學(xué)習(xí)化學(xué)知識,我們要努力擔(dān)當(dāng)這種社會責(zé)任?！窘處熁顒印靠隙▽W(xué)生的回答。引導(dǎo)小組結(jié)合組內(nèi)設(shè)計(jì)的低碳方案進(jìn)行匯報(bào)。【學(xué)生活動】分組進(jìn)行匯報(bào)。第一組:減少化石燃料的使用,開發(fā)新能源,把生成的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的物質(zhì)。第二組:用氫氧化鈉等堿性物質(zhì)吸收二氧化碳,開發(fā)太陽能、氫能等新能源,少開車,多種樹。同時我們組有些疑惑,為什么現(xiàn)在還是主要使用化石燃料,而不盡量多地使用替代能源?第三組:我們組和其他組看法基本一致,也認(rèn)為可開發(fā)新能源、減少化石燃料的使用。我們認(rèn)為還可以把產(chǎn)生的二氧化碳先存放在一些“容器”中,等以后技術(shù)成熟了再用。第四組:可以將生成的二氧化碳找個“容器”收集起來,以后技術(shù)成熟了再使用?！窘處熁顒印吭诿拷M學(xué)生匯報(bào)之后及時點(diǎn)評,并且對學(xué)生提出的疑惑進(jìn)行歸納,組織學(xué)生開展討論,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步完善低碳方案。提問:同學(xué)們提出可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的物質(zhì),那么二氧化碳可以轉(zhuǎn)化為什么物質(zhì)呢?任務(wù)一:碳轉(zhuǎn)化【學(xué)生活動】獨(dú)立思考再討論。匯報(bào)1:可以轉(zhuǎn)化為碳酸,做碳酸飲料;可轉(zhuǎn)化為碳酸鈣,作為補(bǔ)鈣劑和建筑材料?！窘處熁顒印空埻瑢W(xué)嘗試用化學(xué)式來書寫二氧化碳生成碳酸和碳酸鈣的方程式。【學(xué)生活動】上臺書寫化學(xué)方程式,鞏固化學(xué)核心知識。匯報(bào)2:查閱資料得出二氧化碳還可以轉(zhuǎn)化為碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫鈣、乙酸、葡萄糖等?！窘處熁顒印靠隙▽W(xué)生課前的準(zhǔn)備,提出問題層層遞進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生思考。提問并解說:這些物質(zhì)有什么用途?甲烷可以做燃料,醋酸是食醋的主要成分,也可以轉(zhuǎn)化為淀粉,也就是說,可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的物質(zhì)。提問:這些生成物從組成角度看有什么共同點(diǎn)?【學(xué)生活動】匯報(bào)3:碳酸由碳、氫、氧三種元素組成,碳酸鈣由鈣、碳、氧三種元素組成,甲烷由碳、氫元素組成,都含有碳元素?！窘處熁顒印靠偨Y(jié):根據(jù)質(zhì)量守恒定律,反應(yīng)前后元素種類不變。介紹時事熱點(diǎn):科學(xué)家正是按照這個思路研究二氧化碳的轉(zhuǎn)化,我國科學(xué)家2021年在全球首次完成淀粉的全合成;2022年實(shí)現(xiàn)了利用二氧化碳合成高濃度的乙酸,進(jìn)一步合成葡萄糖和油脂,實(shí)現(xiàn)了將“西北風(fēng)”變成糧食。提出要求:合成淀粉的第一步反應(yīng)是合成甲醇,請同學(xué)們試著寫一下方程式?！緦W(xué)生活動】書寫方程式?！窘處熁顒印奎c(diǎn)評方程式,并提醒少量同學(xué)要配平。提問:用二氧化碳合成淀粉的研究能否大規(guī)模推廣呢?【學(xué)生活動】回答:需要考慮反應(yīng)物是否廉價(jià)易得、反應(yīng)條件是否容易達(dá)到、生成物是否環(huán)保、生成物是否有應(yīng)用價(jià)值等方面。【教師活動】解說:氫氣在自然界中含量極低,要制備氫氣,反應(yīng)條件比較復(fù)雜,因此要不斷地改進(jìn)技術(shù)尋找合適的催化劑,使反應(yīng)更容易進(jìn)行。這些都需要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算:如果消耗6kg氫氣可以生成多少甲醇?【學(xué)生活動】上臺計(jì)算?！窘處熁顒印繋е瑢W(xué)分析:每6千克氫氣(360元)完全反應(yīng)生成32千克甲醇(80元)?！緦W(xué)生活動】發(fā)表看法:感覺虧本了。【教師活動】提出“碳交易”,并且簡單介紹國家的試點(diǎn)情況?？偨Y(jié):因此實(shí)現(xiàn)“碳中和”需要多措并舉,既需要進(jìn)行需求導(dǎo)向的科學(xué)、技術(shù)攻關(guān),還要發(fā)揮“碳交易”市場等政策的調(diào)節(jié)作用,形成鼓勵機(jī)制,促進(jìn)企業(yè)自發(fā)減排。提出問題:通過資料我們知道二氧化碳的轉(zhuǎn)化目前大多效率不高,技術(shù)手段不成熟。結(jié)合我國排放的現(xiàn)狀,如何才能達(dá)成“碳中和”目標(biāo)呢?【學(xué)生活動】結(jié)合之前的小組匯報(bào)回答:可以將生成的二氧化碳找個“容器”封存起來,以后技術(shù)成熟了再使用。任務(wù)二:碳封存【教師活動】介紹碳封存:哪些地方適合封存二氧化碳?有同學(xué)在方案中提出可以封存在海洋中,為什么呢?海洋約占整個地球表面積的71%,儲碳層最大,海底具備低溫高壓儲存的條件。2021年8月,我國啟用首個用海洋封存二氧化碳的項(xiàng)目,每年可以封存30萬噸,后期一定會有更多的應(yīng)用。雖然海洋封存儲碳層最大,但也存在一定安全隱患,一旦地殼運(yùn)動,二氧化碳逸出,封存將功虧一簣,而且會導(dǎo)致海水酸化,破壞生態(tài)?！緦W(xué)生活動】提出疑問:二氧化碳與水反應(yīng)生成的碳酸不穩(wěn)定,為什么還會導(dǎo)致酸化呢?【教師活動】對提問者給予贊許并帶領(lǐng)學(xué)生探究:學(xué)習(xí)中我們要像××一樣有質(zhì)疑的精神。下面我們來一起探究一下。展示測量溶液的pH的數(shù)字化實(shí)驗(yàn),向水里通入純凈的二氧化碳(為節(jié)約課堂時間,采用干冰實(shí)驗(yàn)),同時測pH,引導(dǎo)學(xué)生分析曲線。圖3二氧化碳通入水中pH值的變化【學(xué)生活動】回答問題:剛開始pH一直下降,最后穩(wěn)定在4.56,酸性較強(qiáng)(圖3),所以二氧化碳與水反應(yīng)生成的碳酸溶液會顯酸性。【教師活動】提出問題:海洋酸化會對它們有什么影響?通過花甲殼持續(xù)通入二氧化碳前后質(zhì)量變化,模擬酸化對貝殼類生物的影響。圖4模擬海洋酸化對貝殼類生物的影響【學(xué)生活動】發(fā)現(xiàn)貝殼質(zhì)量慢慢減少,作出猜測:可能是貝殼其他成分質(zhì)量減少,不一定是碳酸鈣?！窘處熁顒印空故锯}離子濃度檢測盒,測出溶液中鈣離子濃度增大,確認(rèn)的確是貝殼中的碳酸鈣被消耗(圖5)。圖5檢測溶液中鈣離子的變化提出問題:貝殼的主要成分是什么?我們利用儀器測出溶液中鈣離子濃度在逐漸增加,為什么會增加呢?在上節(jié)課探究二氧化碳通入石灰水變渾濁的基礎(chǔ)上再一次持續(xù)通入純凈的二氧化碳,請學(xué)生匯報(bào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(圖6)。圖6持續(xù)向二氧化碳中通入澄清石灰水的變化【學(xué)生活動】匯報(bào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:溶液從渾濁再一次變澄清?！緦W(xué)生活動】匯報(bào)4:如果不解決“碳中和”的問題,海洋酸化嚴(yán)重就會影響貝殼類、磷蝦類、珊瑚礁等的生存,破壞生態(tài)平衡。因此,我們要控制二氧化碳的排放量,盡快實(shí)現(xiàn)“碳中和”?！窘處熁顒印拷榻B其他封存形式:除了海洋封存,還可以把二氧化碳封存在特殊地質(zhì)環(huán)境及特定深度(750米)的地層中,從而長久封存。這就是地質(zhì)封存,目前這種封存技術(shù)較為成熟,應(yīng)用也比較多,當(dāng)然還有其他的一些封存形式,比如礦物封存等。提出問題:碳轉(zhuǎn)化和碳封存可以緩解二氧化碳排放過多,但我國作為能源使用大國,如何從源頭上解決排放過多問題,實(shí)現(xiàn)“碳中和”呢?引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合國情進(jìn)一步思考“碳中和”的思路?！緦W(xué)生活動】回答問題:無碳,還要考慮無污染、成本低、原料充足、儲存運(yùn)輸方便等,尋找替代能源。任務(wù)三:碳替代【教師活動】介紹我國目前能源情況和新能源占比趨勢:請看,到2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”時,新能源占據(jù)很大比例,大約80%(圖7)。圖7新能源占比趨勢總結(jié):該目標(biāo)的達(dá)成離不開科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,正需要你們這一代通過學(xué)習(xí)知識尤其是化學(xué)知識來實(shí)現(xiàn)。同時向?qū)W生展示合肥科學(xué)島上的“東方超環(huán)”最新重大研究成果(圖8),增強(qiáng)學(xué)生本土自豪感,激起學(xué)生對科學(xué)研究的熱情,對課堂進(jìn)行情感升華,培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。圖8合肥科學(xué)島“東方超環(huán)”最新重大研究成果引導(dǎo)學(xué)生暢談收獲?！緦W(xué)生活動】舉手分享收獲。學(xué)生1:通過今天的學(xué)習(xí)我知道了設(shè)計(jì)“碳中和”方案需要考慮碳轉(zhuǎn)化、碳封存、碳替代等多方面。學(xué)生2:我知道了可以利用元素守恒研究二氧化碳的轉(zhuǎn)化,利用化學(xué)知識治理溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。學(xué)生3:我感受到我們國家的大國擔(dān)當(dāng),也體會到我們身上的責(zé)任,我要好好學(xué)習(xí),爭取為國家做出自己的貢獻(xiàn)?！窘處熁顒印空n堂小結(jié):綜合以上內(nèi)容,設(shè)計(jì)“碳中和”方案需要考慮碳轉(zhuǎn)化、碳封存、碳替代,還要考慮政策、市場等方面的因素。因此,想要將低碳理念轉(zhuǎn)化為具體行動,需要全社會經(jīng)濟(jì)體系、能源體系、技術(shù)體系等方面的變革,需要科學(xué)、技術(shù)、社會、政策等方面協(xié)同發(fā)力,需要中國攜手國際社會共同努力,更需要每個人的積極參與。隨著“碳中和”這場牽動全局的大變革的完成,人類社會將由工業(yè)文明進(jìn)入生態(tài)文明,實(shí)現(xiàn)人與自然的可持續(xù)發(fā)展?！景鍟O(shè)計(jì)】采用大樹的形式,將本節(jié)課內(nèi)容從三個方面呈現(xiàn)出來,暗示著“碳中和”的實(shí)現(xiàn)將使生態(tài)環(huán)境更加美好(圖9)。圖9板書設(shè)計(jì)【課后任務(wù)】每個小組完善一份低碳海報(bào)。五、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)反思此項(xiàng)目通過三個課題對學(xué)生持續(xù)地進(jìn)行開放性、過程性、促進(jìn)學(xué)習(xí)的評價(jià),引導(dǎo)學(xué)生建立低碳模型,形成低碳意識,踐行低碳行動。本項(xiàng)目的每一個課題都是通過情境和任務(wù)驅(qū)動促進(jìn)學(xué)生的