基于PBL的項目式化學教學模式初探
——以冬季云南高中教室通風問題為例

夏 譽

(曲靖市民族中學，云南 曲靖 655331)

《普通高中化學課程標準》(2017年版)中提出了化學學科核心素養，倡導創設真實問題情境，開展以化學實驗為主的多種探究活動[1]。而目前高中課堂教學多以講授式為主，針對上述問題進行基于PBL的項目化化學教學模式的探索，以冬季教室通風為真實情境，培養學生的科學探究與創新意識。

1 概念辨析

PBL 的全稱為 Problem-Based Learning，即“基于問題學習”或“問題導向式教學”[2]。當下學生獲取知識和信息的渠道已經不限于課堂教師講授，所以單單教師講授這一方法勢必不能滿足學生發展的需要[3]。目前的高中化學課程中對于知識的學習仍然以講授式為主，存在學生學習效率不夠高，不能把學到的知識轉化為能力，無法深入體現化學核心素養能力等問題。針對這種現象，可以進行基于PBL的項目式化學教學模式探索。該模式的優點在于小組合作，引入了真實并且復雜的情境，有利于培養學生的動手能力和實驗思維，將實際問題抽象并建構思維模型。不過也存在相應的問題，比如，小組成員由于任務分工不同，在能力的鍛煉上個體差異較明顯，且教師很難實現對項目、問題的各環節進行監管，對學生的自覺性要求很高。兩種學習模式可以有效的進行互補。

2 提出問題

隨著季節的更替，全國各地區逐漸迎來降溫雨雪天氣，云南也不例外，在學校里即將迎來一場開窗戶和關窗戶的爭奪戰。開窗戶的一方認為通風有利于健康，降低室內二氧化碳濃度。關窗戶的一方認為開窗戶風太大，時冷時熱容易感冒。教室內空氣的質量直接影響學生的舒適感、身心健康和學習效率[4]。研究表明，學生冬季、春季因感冒而缺勤的概率較高[5]。由于冬季室外冷空氣進入，人員有明顯的吹風感，室內人員偏向冷的趨勢也比較明顯[6]。

通風量降低、室溫降低、相對濕度降低均可導致因感冒缺勤率增加，且具有顯著性效應，在消除相對濕度、溫度的影響后，通風量對于因感冒缺勤率的影響仍具有顯著性[5]。針對冬季教室通風如何既能保證學生的身體健康、學習效率，又能保證舒適感的問題，筆者認為，可以基于該真實情境設計問題鏈，以分組實驗和文獻閱讀為探究手段，培養學生的“科學探究與創新意識”和“科學態度與社會責任”等化學學科核心素養。

3 教學設計

基于該問題初步設計為兩個課時，第一個課時主要解決理論問題，通過提出、引導、分析、討論、學習，將解決這個問題中需要學習的理論知識進行梳理歸納，設計探究實驗框架，確定以小論文的形式作為項目成果的呈現方式。第二個課時通過學生親自動手做實驗，得出實驗數據、實驗結論和反思從而完成小論文的書寫。

4 教學實踐

從真實情境中提煉問題串，從問題串中明確要解決的問題，根據需要解決的問題去查閱資料，尋找解決問題的方法，將需解決的問題和方法整理歸納進而以項目的形式，通過小組合作去解決。

[問題串]問題1：在冬天每當老師或者同學從門外走進教室，總會聞到一股“空氣的氣味”，這是什么氣味？

問題2：冬天教室中的空氣質量是否影響了同學們的學習效率以及身體健康，在教室中待久了會有怎樣的身體反應？

問題3：具體教室中的二氧化碳濃度有沒有超過相應的標準，CO2濃度超標又會對我們的身體造成什么不良影響呢？

問題4：我們應當如何控制通風方式來調節空氣質量呢？

[學生活動]同學們針對老師提出的問題進行小組分類討論，之后舉手進行全班展示。

針對問題1同學們認為“空氣的氣味”主要是課間帶進教室的食物氣味，有同學會將包子、方便面等味道比較大的食物帶進教室，這類食物氣味不太容易散去。雖然班主任有過提醒，但時間一長這種情況時有發生。同學之間礙于情面，班委因為這樣的小事進行制止容易給其他同學造成斤斤計較的形象，故班委對于此類事情的監督管理效果有限。

針對問題2、3同學們認為教室長時間不通風造成的身體感受是覺得腦袋昏昏沉沉的學不進去，并且容易打瞌睡，根據經驗同學們認為是室內CO2體積分數過高造成的，至于室內CO2體積分數有沒有超過標準同學經過討論得出的結論是不知道，既不知道室內空氣質量對CO2體積分數的限定標準，也不知道室內空氣質量標準由哪些因素決定。

針對問題4我們如何進行通風，同學們通過討論達成以下幾個共識：我們可以通過開窗通風，有爭議的是每次開窗通風的時長。同學們經過討論發現，通風面積多大和通風時長多久才能保證室內空氣的質量不影響同學們的身體健康，這個問題是一直被老師以及同學忽視的，盡管家長和老師一直強調的是通風有利于身體健康，但是具體通風多長時間，這個問題他們也回答不上來。

[教師引導]討論進行到該環節老師給同學們分發了之前準備好的資料，讓他們閱讀相關資料并進行討論。資料內容主要包括：1)可能用到的實驗數據；2)《空氣質量標準》中室內CO2體積分數控制標準和危害；3)以PM2.5為標準的空氣質量等級；4)空氣中O2體積分數控制標準和危害；5)化學核心素養。

[學生活動]通過查閱資料和討論環節，同學們認為造成昏昏欲睡的主要原因可能是室內CO2體積分數升高，O2體積分數降低造成的，具體如何測量同學們并沒有討論出明確的答案。

[教師引導]告訴同學們學校的化學實驗室里有手持傳感器，其中的CO2手持傳感器可以用來測量空氣中CO2體積分數的變化，我們可以設計實驗測量教室內CO2體積分數在通風狀態下和封閉狀態的變化值從而確定如何通風問題。并且在做完實驗之后我們可以對實驗結論進行總結歸納，將我們探究到的結論以小論文的形式展示出來，寫的比較好的可以在全年級、全校進行展示推廣。

[學生活動]討論，設計實驗得出以下方案：1)在沒有通風的情況下，利用手持傳感器測：3 min CO2體積分數的變化。2)在全通風的情況下，同樣測 3 min CO2體積分數的變化。3)利用溫度計濕度計測定這段時間內教室溫度濕度的變化。4)實驗室內還有PM2.5傳感器和O2傳感器，也想測定一下PM2.5和O2的濃度變化范圍。5)為了使我們得出的實驗結論具有推廣價值，還應該測定教室的體積以及開窗通風的面積。

[實驗過程]1)老師給同學們演示了傳感器的連接，電腦上的軟件來記錄數據的使用方法。

2)給同學們 5 min 左右的時間，熟悉傳感器和軟件使用方法。

3)關閉教室所有門窗，進行 3 min CO2體積分數增加量的測量。3 min 結束后，打開所有門窗，進行 3 min CO2體積分數減少量的測量。

4)更換傳感器，進行 3 min O2體積分數增減量的測量。

5)記錄下過程中通風前后溫度，濕度的變化量。

6)保存實驗數據，關閉相應軟件和電源，整理實驗儀器，清潔實驗室之后離開。

[提問]同學們發現，O2傳感器讀數僅約為15.5%，沒有像課本里面寫的那樣，約為22%。向老師提出疑問，是不是他們的傳感器壞了，后來發現同學們的讀數都接近15.5%。

[教師引導]提議同學們進行討論，首先用生活中遇到的一個具體事例進行啟發?！袄蠋熋磕耆ンw檢，都發現自己有些數據不正常，什么不正常呢，血紅蛋白的含量往往高于體檢單標示的正常值，第一次看到嚇壞了，于是去問醫生，可是醫生對我一笑，并告訴我在云南這很正常，大家都高?！?/p>

[學生活動]同學們經過聯系推理恍然大悟，因為曲靖地處云貴高原，海拔高空氣稀薄含氧量要低于沿海地區。所以生活在高原地區，體檢出的血紅蛋白含量比標準范圍高才是正常的體檢結果。這一現象加深了同學們對化學實驗的興趣，并且通過對O2體積分數的測定，同學們發現O2體積分數的高低并不能代表空氣質量的好壞。

[作業要求]同學們根據實驗數據進行小論文的書寫，論文題目給定為“關于冬季學校教室通風問題的必要性及可行性分析”

5 數據分析

實驗過程中CO2和O2體積分數變化情況如圖1～圖4所示。

圖1 門窗緊閉3 min CO2體積分數變化曲線

圖2 門窗全開3 min CO2體積分數變化曲線

圖3 門窗緊閉3 min O2體積分數變化曲線

圖4 門窗全開3 min O2體積分數變化曲線

通過圖1～圖4發現，O2體積分數保持在15.5%左右，沒有太大變化，不同組之間數據差異較??；CO2體積分數變化曲線并沒有像同學們想的那樣是一條平滑的曲線，其波動非常大。在做實驗的時候就有同學提出了疑問，于是鼓勵他們進行思考，在邊試驗邊討論的情況下，還是有同學提出了幾個合理的答案。

回答一：傳感器擺放的位置每組不一樣，有些組波動較大是因為傳感器擺放位置距離同學較近，小組同學呼吸會使CO2含量波動較大。

回答二：實驗進行過程中不斷有同學走動，帶動了氣流，影響了數據收集的穩定性。

回答三：CO2體積分數曲線的數據精度比O2體積分數要高很多，兩者縱坐標的精確度不一樣，所以顯得CO2濃度曲線波動較大。

根據實驗數據同學們發現，在門窗緊閉的情況下，教室中的CO2體積分數大約每分鐘增加 50×10-6。根據室內空氣質量標準要求，室內CO2體積分數應在 1000×10-6以下。一間空教室的CO2體積分數起始約為 600×10-6，一節課40分鐘門窗緊閉的話CO2體積分數會達到 2600×10-6。而將門窗全部打開，CO2體積分數大約每分鐘減少 120×10-6。

關于溫度和濕度，當日氣溫在6℃到15℃之間，該信息通過手機軟件而得到。該實驗課為上午第四節課，時間為10∶40～11∶20，使用科輝G101溫濕度計(如圖5)測得：當堂課室內氣溫初始為10°，門窗緊閉1 0 min 之后氣溫升到12°，較為寒冷。濕度變化不大，在50%～60%(RH)之間，屬于舒適濕度區。

不過同學們認為，實驗測定的溫度和濕度變化對教室如何通風影響不大。開窗通風時，雖然教室整體溫度沒有下降多少，但窗邊同學感受到的冷風，造成體表感覺過于寒冷，體質差的同學甚至會因為被冷風吹而感冒或者膝蓋受寒，故而整體溫濕度變化不高并不代表該通風方式合理。

6 得出結論

1)《空氣質量標準》(GB/T 18883—2002)規定，民用建筑室內二氧化碳體積分數控制標準為0.1%(即1000×10-6)，通過實驗同學們認為上課門窗緊閉只依靠課間 10 min 的時間進行通風是不能將CO2體積分數降到對人體無危害的情況。因此上課時間不能將門窗關嚴，適當保留通風面積可以有效降低CO2體積分數，兩側窗戶同時打開可以形成所謂的“穿堂風”防止局部CO2體積分數過高，使同學們上課精神集中，不會出現昏昏欲睡的現象。

2)通過查閱資料和思考討論，針對如何通風問題同學們認為將教室中離同學較遠的門窗適當開大，離同學較近的適當關小方式較為合理。開窗時可以將窗簾拉上，避免冷風直接吹到窗邊的同學。其次因為該教學建筑屬于內走廊式建筑(建筑整體呈U型，內側為走廊)，靠近走廊一側的窗戶為較高推拉窗，通風時不會對同學產生較大吹風感，可以一直保持最大打開面積進行通風。

3)針對冬季教室中“空氣的氣味”，同學認為在冬季教室空氣不夠流通的前提下，應設立班級公約，將氣味較大的食物列成清單并禁止大家將其帶入教室。

7 書寫項目報告

將項目報告布置為一個小論文，題目為《關于冬季學校教室通風問題的必要性及可行性分析》，小論文的結構和一般論文結構相似，由立論依據，研究方案，參考資料三部分構成。在備注一欄中，通過查閱資料需列出以下五點：1)可能用到的實驗數據；2)《空氣質量標準》中室內CO2濃度控制標準和危害；3)以PM2.5為標準的空氣質量等級；4)空氣中O2濃度控制標準和危害；5)化學核心素養中的證據推理與模型認知，實驗探究與創新意識。

以小組為單位上交的小論文如圖6所示。

可以看出在這個項目式學習過程中每個人的收獲是不一樣的。從提交的小論文中發現，不少小組同學的分工不夠明確，文獻資料查找不全面，某些小組實驗數據失敗，直接使用其他組的實驗數據來代替。不過也有讓人驚喜的一面，不少同學在這個過程中鍛煉了自己的思維能力，學會了多學科知識融合去解決實際問題。以選題依據為例，有同學思考的角度是從該市所屬的低緯度亞熱帶季風氣候區出發，進而細化到該校所在地區為城郊區，周邊沒有高大建筑物故而晝夜溫差大且開窗通風會更容易讓人覺得體感溫度下降過快。

8 反思和不足

該項目雖然從真實情境出發，提出實際問題并運用化學實驗手段，科學研究的思維去解決問題，但該項目最大的缺點是所運用的化學知識與高考結合不夠緊密。有部分同學認為做這個實驗，解決這個問題對化學學習沒有太大幫助，因此在書寫小論文的過程中存在敷衍了事這一現象。

衡量教室空氣質量優良與否的標準太過于單一，除了CO2體積分數之外同學們還想到了測PM2.5，因為該地區的PM2.5常年在 100 μg/m3以內，屬于優這個級別，故而沒有進行測量。其他指標還包括PM10、SO2、NO2、O3、CO，但因為實驗儀器、實驗時間、同學們的實際動手能力等因素的影響，最終只以CO2濃度作為標準，教室中空氣濕度和溫度作為衡量身體舒適感的標準，并沒有在項目中引起同學們重視。