项目式学习：基于碳中和理念的校园低碳行动方案设计与论证-以初中化学“碳和碳的氧化物”单元为例

项目式学习：基于碳中和理念的校园低碳行动方案设计与论证——以初中化学“碳和碳的氧化物”单元为例一、教学内容分析

本节内容深度植根于《义务教育化学课程标准（2022年版）》中“化学与社会·跨学科实践”主题，并紧密关联“物质的性质与应用”主题下的碳及其氧化物核心知识。从知识技能图谱看，本课以“二氧化碳的循环与转化”为核心科学概念，向上承接“碳单质及一氧化碳的性质”，向下链接“燃料的合理利用与开发”，是理解自然界碳循环与人为活动影响的关键枢纽。学生需在理解二氧化碳来源（如化石燃料燃烧、呼吸作用）与消耗（如光合作用、海洋吸收）的基础上，应用“质量守恒定律”和“物质转化”观念，定量或半定量分析碳排放问题，实现从识记具体性质到理解系统循环、再到应用解决真实问题的认知跃迁。过程方法上，课标强调的“科学探究与化学实验”、“项目式学习”及“跨学科分析”在本课转化为“基于真实校园情境的碳排放审计与减碳方案设计”这一综合性探究活动。学生将经历“提出问题调研分析方案设计论证评价”的完整项目流程，并运用控制变量、定量估算、系统分析等科学方法。其素养价值在于，通过“碳中和”这一全球性议题，将化学知识学习与“科学态度与社会责任”这一核心素养深度融合，引导学生发展“变化观念与平衡思想”，理解化学在应对气候变化中的角色，培育其运用学科知识参与公共议题讨论、践行绿色生活的责任感与行动力。

从学情研判，九年级学生已初步学习碳、一氧化碳、二氧化碳的相关化学性质，对燃烧和呼吸作用产生的二氧化碳有基本认知，并具备一定的数据计算和简单实验设计能力。然而，学生的认知障碍可能在于：其一，对“碳中和”概念的理解易停留在口号层面，难以与具体的化学反应和定量分析建立联系；其二，将化学视角与地理（气候变化）、生物（生态系统碳汇）、道德与法治（政策责任）等学科视角有机整合存在思维跨度；其三，在复杂开放性问题中，设计兼具科学性和可行性的方案是一大挑战。教学中，我将通过“前测问卷”和“小组启动讨论”动态诊断学生对核心概念的理解程度与兴趣点。针对不同层次的学生，提供差异化的支持：为概念理解有困难的学生提供“碳循环示意图”与“关键化学反应卡片”作为认知支架；为方案设计受阻的小组提供“校园能耗部门清单”和“减碳技术选项库”作为思维抓手；鼓励学有余力的学生挑战进行更精确的碳排放估算或设计小型验证实验，从而实现从共性引导到个性支持的精准教学调适。二、教学目标

知识目标：学生能够系统阐述自然界与人类活动中的主要碳循环路径，特别是能准确写出化石燃料燃烧、呼吸作用的化学方程式，并解释其在碳排放中的角色；能结合实例说明“碳汇”（如绿化、碳捕获）的概念及其潜在的化学或生物原理，构建起关于“源”与“汇”的初步认知模型。

能力目标：学生能够以小组为单位，完成一份针对校园特定场景（如食堂、教室、交通）的简易碳排放调研报告，并运用定性结合半定量的方式进行分析；能够基于调研结果，设计一份包含至少三项具体措施、且阐明其科学依据的低碳行动方案，并能在班级论证会上进行清晰陈述与答辩。

情感态度与价值观目标：通过深度参与校园低碳方案设计，学生能真切感受到个人及集体行动对应对气候变化的积极意义，增强可持续发展意识与社会责任感；在小组协作与方案论证中，能学会倾听不同意见，尊重基于证据的理性讨论，形成审慎、负责的科学态度。

科学（学科）思维目标：重点发展学生的“系统思维”与“模型建构”能力。引导他们将校园视为一个“碳流”系统，识别关键输入（排放源）和输出（碳汇或减排措施），并尝试建立简化模型进行推演。同时，强化“证据推理”思维，要求任何方案建议都必须有相应的化学原理或调研数据作为支撑，而非空想。

评价与元认知目标：学生能够依据教师提供的“方案论证量规”，对自身或其他小组的方案进行多维度（科学性、可行性、创新性）评价，并提出改进建议；能在项目结束后，通过反思日志回顾自己在信息整合、问题解决和团队协作中的策略得失，初步形成对复杂项目学习过程的元认知监控。三、教学重点与难点

教学重点：本节课的重点是引导学生将抽象的“碳中和”理念与具体的化学化学反应及物质转化过程建立实质性联系，并基于此设计出有科学依据的行动方案。其确立依据源于课程标准的“大概念”要求——理解化学在资源利用和生态环境保护中的价值，同时也是学业评价中考查学生“科学探究与实践”能力及“科学态度与社会责任”素养的典型载体。掌握这一重点，意味着学生能超越知识记忆，实现化学学科核心知识的场景化、意义化应用。

教学难点：本课的难点在于跨学科知识的有机整合与方案的可行性论证。学生需要跳出单一的化学视角，综合考量技术原理（化学/生物）、行为习惯（人文）、成本与便利性（经济）等多重因素，这对九年级学生的综合思维与实际问题解决能力提出了较高要求。预设难点成因在于学生缺乏此类综合性项目经验，易出现“想法天马行空但脱离实际”或“仅罗列措施而缺乏深度分析”的情况。突破方向在于提供结构化的分析框架和丰富的现实案例作为支架，并通过分阶段、分任务的小组协作来分解难度，引导其思维从“是什么”逐步走向“为什么”和“怎么做”。四、教学准备清单1.教师准备

1.1媒体与教具：制作包含全球及本地碳排放数据、校园航拍图、碳循环动画的多媒体课件；准备“校园低碳方案设计”项目学习任务单（含调研提纲、论证量规）。

1.2学习资源包：分类整理“知识补给站”资料卡（如常见燃料的碳排系数、校园树木固碳量估算方法、简易碳足迹计算器链接）；准备“方案灵感库”案例卡（国内外校园减碳优秀案例，如雨水回收、绿色屋顶、智能照明等）。

1.3环境布置：将教室桌椅调整为6个小组合作岛屿状；规划前后黑板区域，分别用于张贴“碳循环关键反应”和“小组方案构思草图”。2.学生准备

复习“碳和碳的氧化物”单元知识；以小组为单位，提前利用课间对校园的某一区域（自选，如教学楼楼道、食堂、操场）进行初步观察，记录可能的能源消耗或碳排放现象；携带用于讨论和绘图的彩笔、便签纸。五、教学过程第一、导入环节

1.情境创设与冲突激发：课堂伊始，我将播放一段约60秒的短视频，快速对比呈现两极冰川融化、城市雾霾与我们的绿树成荫的校园。随后定格在一张校园全景图上。“同学们，气候变化看似遥远，但它的根源——二氧化碳等温室气体的过量排放，却与我们的日常生活息息相关。大家有没有想过，我们每天上学、生活的校园，其实也是一个‘微型碳排放源’呢？”（课堂设问，引发好奇）。

1.1提出核心驱动问题：“如果我们要为校园的‘碳中和’贡献一份力量，该如何着手？是简单地多种树就行了吗？今天，我们就化身‘校园低碳规划师’，来完成一项挑战：为我们熟悉的校园，设计一份有化学依据、有数据支撑、切实可行的低碳行动方案。”

1.2明晰学习路径与唤醒旧知：“要完成这个挑战，我们需要闯过三关。第一关，‘知彼知己’——弄清什么是碳中和，校园的碳从哪来、到哪去。这需要用到我们刚学过的关于碳的哪些知识？（稍作停顿，等待学生回应）对，碳的燃烧、呼吸作用。第二关，‘精准把脉’——小组合作，为我们选定的校园角落做一次‘碳体检’。第三关，‘开方抓药’——设计并论证我们的低碳方案。准备好接受挑战了吗？让我们从理解核心目标开始。”第二、新授环节

本环节以“校园低碳规划师”项目为主线，通过五个递进式任务，引导学生完成从知识建构到方案设计的完整探究。任务一：解构“碳中和”——从化学视角看碳循环

教师活动：首先，我将不直接给出定义，而是展示一幅简化的全球碳循环示意图（突出人为活动部分）。“大家看，这幅图中，碳像货币一样在不同的‘账户’间流动。哪些过程在向大气‘存款’（排放CO₂）？哪些在‘取款’（吸收CO₂）？”引导学生指认。接着，聚焦“存款”方：“化石燃料燃烧，从化学角度看，本质是什么反应？谁能写出甲烷（CH₄）燃烧的方程式？”（板书关键反应）。然后转向“取款”方：“森林、海洋是重要的碳汇。光合作用这个‘吸收大户’的化学反应，大家还记得吗？”通过对比这两个核心方程式，我将点明：“所谓‘碳中和’，就是要让我们人为的‘存款’速度，不超过自然和人工‘取款’的速度，使大气碳账户趋于平衡。”

学生活动：学生观察示意图，识别主要碳源与碳汇。在教师引导下，回顾并书写关键的化学方程式。通过对比分析，初步理解“碳中和”的化学本质是调控碳的氧化与还原（或固定）反应的平衡。小组内讨论并列举校园内可能发生的类似“存款”（如燃油校车、燃气灶）和“取款”（如绿地植物）过程。

即时评价标准：1.能否准确识别示意图中的主要碳流方向。2.书写化学方程式是否规范、正确。3.小组讨论时，能否举出至少两个贴近校园生活的碳源或碳汇实例。

形成知识、思维、方法清单：★核心概念碳中和：指通过植树造林、节能减排等形式，抵消人为活动产生的二氧化碳排放量，实现相对“零排放”。▲学科视角：化学关注其中物质（碳）的存在形态转化（C→CO₂→有机物）与能量变化。★关键反应：化石燃料燃烧（如CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O，放热）是主要人为碳源；光合作用（6CO₂+6H₂O→C₆H₁₂O₆+6O₂，储能）是重要自然碳汇。方法提示：分析宏观环境问题，可回归到微观的分子、原子层面和具体的化学反应去寻根溯源。任务二：校园“碳”索——识别与分析排放场景

教师活动：我将提供一张校园功能区平面图和一份“校园碳排放大侦察”任务单。任务单上列有引导性问题：“1.你关注的区域，主要消耗什么能源？（电、燃气、汽油…）2.这些能源的使用关联着哪些人的行为或设备？3.这些能源的消耗最终会导致什么气体排放？原理是什么？”“好，各位规划师，请以小组为单位，拿着你们的‘侦察地图’和任务单，结合课前观察，进行一次深入的案情分析。”（亲切解说，赋予角色感）。我将巡回指导，针对选择食堂的小组，提示“除了灶具，还有冷链、照明”；针对选择教学楼的小组，则引导他们思考“空调、多媒体设备待机耗电”等问题。

学生活动：各小组依据所选区域，展开头脑风暴，结合生活经验，尽可能全面地列出该区域的能源消耗点及相关行为。尝试将每个消耗点与具体的化学反应或过程相联系（如“燃油校车”→汽油燃烧→CO₂排放）。使用便签纸将发现的“碳源”贴在小组展示板相应区域上，并做简单归类。

即时评价标准：1.调研视角是否多元（是否考虑到直接与间接排放）。2.对排放源的化学归因是否合理（是否能大致说出是燃烧、耗电转化等过程）。3.小组分工是否明确，讨论是否聚焦。

形成知识、思维、方法清单：★直接排放与间接排放：直接排放指校园内化石燃料燃烧（如锅炉、校车）产生的排放；间接排放指消耗外购电力、热力所对应的生产过程中的排放。▲系统思维起点：将校园视为一个系统，分析其能量与物质的输入输出。方法提示：进行实地“侦察”时，要“眼观六路”——看设备、看行为；“追根溯源”——问能源从哪里来，最终变成了什么。任务三：灵感碰撞——生成减碳措施“点子库”

教师活动：在学生对校园碳源有了一定认识后，我将启动“减金点子擂台赛”。“面对这些排放源，我们有哪些‘武器’可以对付它们？我们的‘武器库’有三类：第一，‘节流’——减少不必要的消耗；第二，‘开源’——使用更清洁的能源；第三，‘回收’——增加碳吸收。现在，请各小组根据你们的侦察结果，为每一个主要排放源，至少想出一个‘金点子’，并简要说明它为什么能减碳。”同时，我会分发“方案灵感库”案例卡，为思维受阻的小组提供“脚手架”。“想一想，教室的照明，除了‘人走灯灭’，还有没有更智能的办法？”（启发式提问）。

学生活动：小组进入创造性思维阶段，针对列出的碳源，brainstorming减碳措施。例如：针对“教室白天开灯”，提出“根据光照强度自动调节的智能照明系统”；针对“纸张浪费”，提出“推行双面打印、设立废纸回收角”；针对“绿地不足”，提出“开发垂直绿化墙”。他们将点子记录在任务单上，并尝试用化学或跨学科语言解释其原理。

即时评价标准：1.提出的措施是否针对了已识别的具体排放源。2.对措施原理的解释是否清晰、合理（不要求完全精确）。3.点子的多样性与创新性如何。

形成知识、思维、方法清单：★减碳三大策略：节能减排（提高能效、行为改变）、能源替代（使用太阳能、风能等可再生能源）、增加碳汇（植树造林、碳捕获技术）。▲化学在其中的角色：提供能源转化的原理（如光电效应、燃料电池），研发新材料（如更高效的太阳能电池板、吸附CO₂的材料）。方法提示：创新不是凭空想象，常源于对现有问题的分析和已有技术的迁移应用。多问“这个场景的问题是什么？”“别人是怎么解决类似问题的？”任务四：方案设计与论证——让“点子”成为“方案”

教师活动：这是本节课的中心环节。我将引导学生将分散的“点子”整合提升为系统的“方案”。“各位规划师，现在我们有了很多好点子，但一个完整的行动方案，需要更严谨的构思。请大家从‘点子库’中筛选出34个你们认为最核心、最可行的措施，围绕它们完善一份‘低碳行动方案草案’。”我将提供方案框架模板，包括：方案名称、目标区域、核心措施（每条措施需说明：具体做法、科学依据、预期效果、可能挑战）。我将重点引导对“科学依据”的深化：“比如，你们建议在屋顶安装太阳能板，它的科学依据是什么？——是光伏效应，将光能转化为电能，从而替代部分火电，减少因燃煤产生的CO₂排放。这就是化学与物理知识的结合。”

学生活动：各小组进入深度协作与决策阶段。他们需要讨论、权衡，筛选出优先措施，并按照模板分工协作，撰写方案草案。部分学生负责草图绘制，部分负责文字阐述，部分负责准备简要的陈述要点。这个过程是知识应用、逻辑思维和团队协作的综合演练。

即时评价标准：1.方案措施是否形成了有机组合，而非简单罗列。2.对措施科学依据的阐述是否准确、到位。3.小组内部是否进行了有效的分工与合作。

形成知识、思维、方法清单：★方案论证的核心要素：科学性（原理正确）、可行性（成本、技术、可接受度）、有效性（预估减碳贡献）。▲跨学科论证思维：论证一个措施，需综合化学（原理）、物理（技术）、工程（实施）、社会（行为）等多维度考量。★化学方程式的应用价值：在此处，化学方程式是阐明“替代”或“减排”原理最有力的工具。例如，用电动车替代燃油车，背后的依据就是用电能（可能来自可再生能源）驱动，避免了汽油（C₈H₁₈等）燃烧产生大量CO₂的反应。任务五：模拟听证会——方案陈述与答辩

教师活动：我将组织一场简短的“模拟校园低碳方案听证会”。邀请12个小组上台，作为“提案方”在5分钟内陈述他们的核心方案。我本人和其他小组则扮演“听证委员”和“利益相关方”（如学生代表、后勤老师）进行提问。“提案方要努力说服我们，你们的方案既科学又可行；提问方的问题要基于方案本身，可以问‘这个智能系统的成本大概多少？’，‘如何保证同学们都能养成双面打印的习惯？’”（明确规则，营造真实辩论氛围）。我会控制节奏，并在关键处进行点评和引导深化讨论。

学生活动：展示小组需清晰、有条理地陈述方案。其他小组认真倾听，并基于自己的理解和思考，提出质疑或改进建议。答辩过程锻炼学生的即时思维、语言表达和应变能力。所有学生都在评估与被评估中深化对“好方案”标准的理解。

即时评价标准：1.陈述是否清晰、有逻辑，能否突出方案的亮点。2.答辩时能否抓住问题核心，运用证据进行有效回应。3.提问是否具有建设性，能否引发深入思考。

形成知识、思维、方法清单：★科学交流与论证：科学的结论需要经过公开的陈述、质疑和辩护才能被认可。▲批判性思维的应用：在倾听和提问时，要思考：证据是否充分？逻辑是否严密？有没有考虑周全？方法提示：接受质询不是“被挑战”，而是让方案变得更完善的宝贵机会。回答时应“以理服人”，引用数据和原理。第三、当堂巩固训练

巩固环节将提供分层、变式的任务，供各小组在“听证会”后根据反馈完善方案时选择使用，教师巡回个别指导。

1.基础层（面向方案科学性需夯实的小组）：“请为你们方案中的每一条核心措施，补充上最关键的化学或科学原理说明。例如，‘推广电动车’对应‘避免化石燃料燃烧’；‘增加垂直绿化’对应‘增强光合作用固碳’。”此层旨在强化知识与方案的关联。

2.综合层（面向方案需提升深度的小组）：“请尝试对你们方案中某一条措施的减碳效果进行简单的半定量估算或比较。例如，若将楼道灯全部更换为LED灯，已知功率减少XX瓦，每天亮灯XX小时，估算一年可节电多少度，相当于减少多少千克CO₂排放？（提供简单换算系数）”此层旨在引导从定性走向定量分析。

3.挑战层（面向学有余力的小组/学生）：“请思考并简要论述：你们的方案在实施后，可能会对校园社区（师生行为、校园文化）产生哪些更深远的积极影响？或者，方案可能带来哪些新的问题（如维护成本、习惯阻力），如何缓解？”此层旨在培养系统性思维和辩证看待问题的能力。

反馈机制：教师将在巡视中，对基础层任务完成情况进行即时批阅与指正；邀请完成综合层任务较好的小组分享其估算思路；将挑战层引发的思考作为亮点，在总结环节向全班推介。同时，鼓励小组间依据“论证量规”进行初步的互评。第四、课堂小结

1.知识整合与结构化：我将引导学生一起回顾本课的探索之旅。“我们今天像科学家和工程师一样工作，经历了一个完整的问题解决周期。从理解‘碳中和’这个目标开始（指板书核心反应），到调查校园现状，再到创意设计和论证方案。请大家用一句话概括，化学知识在这个过程中起到了什么作用？”（学生可能的回答：提供了分析问题的工具、解释了措施的原理、让我们设计方案有科学依据）。对，化学是我们认识世界、解决问题的重要透镜。

2.方法提炼与元认知：“回顾这个过程，你觉得完成一个这样的项目，最关键的几个步骤是什么？遇到困难时，我们用了哪些方法来突破？”（引导学生反思调研、头脑风暴、框架搭建、合作讨论等方法）。鼓励学生在课后反思日志中记录这些心得。

3.作业布置与延伸：“今天的课堂是我们方案设计的起点。课后，请各小组根据课堂上的讨论和反馈，进一步完善你们的《校园低碳行动方案》草案，形成一份更详细的图文报告，这是我们下一节课展示和评选的基础。必做作业是完成方案报告中‘措施与科学依据’部分的撰写。选做作业是：尝试为你们的方案设计一句宣传标语，或者画一幅宣传画，让更多的人理解并支持你们的想法。期待大家更精彩的作品！”六、作业设计

基础性作业（必做）：完善本小组《校园低碳行动方案》草案。具体要求：1.方案须有明确的名称和目标区域。2.至少列出三条核心减碳措施。3.为每一条措施撰写不少于50字的说明，其中必须清晰阐述其科学依据（涉及的化学或其它学科原理）。此项作业旨在巩固课堂所学，确保每位学生都能建立“措施原理”的关联性认知。

拓展性作业（建议大多数学生完成）：在完善方案的基础上，选择以下一项任务完成：1.（文科倾向）撰写一份面向全校师生的、关于本小组方案的倡议书，要求语言有感染力，能清晰说明行动的意义。2.（理科倾向）选择方案中的一项措施，对其环境或经济效益进行更细致的调研和估算（可查阅简单资料），形成一段分析文字。此项作业旨在促进知识的跨情境应用与个性化表达。

探究性/创造性作业（选做）：1.技术设计：针对方案中的某个创意点（如智能节水装置、废纸回收创意箱），绘制简单的设计草图，并标注工作原理。2.深度调研：调研一种前沿的碳捕获与封存（CCS）技术，用通俗的语言介绍其基本原理，并探讨其未来应用于大型社区或城市的可能性。此项作业为学有余力、兴趣浓厚的学生提供深度探索和创新的空间。七、本节知识清单及拓展

1.★碳中和：指通过植树造林、节能减排等形式，抵消人类活动产生的二氧化碳排放量，实现净排放量为零的目标。它是应对全球气候变化的关键战略。

2.★碳循环（人为活动干扰部分）：重点指人类通过燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）和改变土地利用（如砍伐森林），将地层中固定的碳以CO₂形式快速释放到大气中，打破了自然循环的平衡。

3.★关键化学反应（源与汇）：碳排放源：化石燃料燃烧（通式：燃料[C,H元素]+O₂→CO₂+H₂O，放热），如甲烷燃烧：CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O。碳汇：光合作用（6CO₂+6H₂O→C₆H₁₂O₆+6O₂，储能）。

4.▲直接排放与间接排放：直接排放来自校园内固定或移动源的燃料燃烧；间接排放来自外购电力、热力的消费。制定方案时需兼顾两者。

5.★减碳三大策略：节能提效（减少需求）、能源替代（使用零碳能源）、生态增汇（保护与增加吸收体）。任何方案都是这些策略的具体组合。

6.▲化学在新能源中的应用示例：太阳能电池利用半导体材料的光电效应（物理化学）；氢燃料电池通过氢气与氧气的电化学反应（2H₂+O₂→2H₂O）直接发电，产物是水，零碳排放。

7.★系统思维：将校园视为一个“碳代谢”系统，分析输入（能源、物资）、内部过程（消耗、排放）、输出（废弃物、碳排放）以及控制反馈（管理、行为）。

8.★科学论证的要素：主张（提出什么措施）、证据（数据、观察、科学原理）、推理（将证据与主张连接起来的逻辑）。一个完整的方案需要坚实的论证支撑。

9.▲个人碳足迹：指个人日常活动（衣食住行）直接或间接导致的温室气体排放总量。校园方案本质上是在优化集体碳足迹。

10.★绿色化学原则的关联：预防污染、原子经济性、使用可再生原料等绿色化学原则，是从更源头、更根本的化学工业层面支持碳中和。

11.▲生命周期评估（LCA）概念：评价一个产品或一项活动从原料采集、生产、使用到废弃的整个生命周期中对环境的影响。思考方案时，可简单应用此思想，比如考虑回收利用。

12.★科学与社会的互动：碳中和目标的实现不仅依赖科技突破，更需要政策引导、经济激励和公众意识的共同作用。我们的方案设计即是一次微观的实践。八、教学反思

（一）目标达成度分析与证据本节课预设的知识与能力目标基本达成。从学生课堂生成的方案草案和答辩情况看，大多数小组能将碳排放与具体的化学反应（如燃烧、光合作用）相联系，并能针对校园场景提出有指向性的措施，如“食堂厨余垃圾堆肥”、“建立班级节能员制度”等，表明他们初步建立了“化学视角看碳排”的认知。情感目标在小组协作和方案展示的热烈氛围中得到浸润，学生表现出对校园环境的关切和解决问题的投入。然而，科学思维与论证的深度存在分层。部分小组的论证仍停留在“应该这样做”的层面，对“为什么有效”及“如何量化效果”的挖掘不够，这与九年级学生的认知水平和有限的课堂时间有关。

（二）教学环节有效性评估“导入环节”的视频对比和角色代入迅