摘 要：本文以“廢舊電路板的資源化裂解”項目式學(xué)習(xí)為例，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷文獻綜述、確定研究方向、制定實驗方案、探究最佳裂解條件、提出新的研究方向和實地參觀考察等過程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并主動解決問題的能力，打通并融合“學(xué)習(xí)知識·認(rèn)識世界·改造世界”，進而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，落實化學(xué)學(xué)科功能與價值。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；功能與價值；項目式學(xué)習(xí)；認(rèn)識與改造世界；資源化裂解

文章編號：1008-0546（2024）11-0012-04

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：B

項目式學(xué)習(xí)以高情境化和高問題化為顯著特征，讓學(xué)生在學(xué)科知識與其應(yīng)用之間建立聯(lián)系。［1］正如馬克思主義認(rèn)識論所指出的，認(rèn)識世界和改造世界是人類創(chuàng)造歷史的兩種基本活動，認(rèn)識的任務(wù)不僅在于解釋世界，更重要的在于改造世界。［2］

基于以上認(rèn)知，筆者建構(gòu)了一個我們期待的理想學(xué)習(xí)模型，即先像科學(xué)家那樣思考問題、認(rèn)識世界并產(chǎn)生新的知識，然后像工程師那樣解決問題、改造世界，該學(xué)習(xí)模型如圖1所示。

為實現(xiàn)以上理想學(xué)習(xí)狀態(tài)，教師應(yīng)在教學(xué)中設(shè)計合適的基于真實復(fù)雜問題解決的STEM或項目式學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生聯(lián)結(jié)“化學(xué)知識”與“認(rèn)識世界”乃至“改造世界”。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出供參考的STSE綜合實踐活動，如調(diào)查當(dāng)?shù)毓腆w廢棄物（如粉煤灰）的回收和綜合利用情況；參觀化工廠，考察企業(yè)的選址情況，收集產(chǎn)品的生產(chǎn)原理、原料利用率、能耗、投資和成本核算等資料，討論化工發(fā)展的前景，撰寫考察報告等。［3］

筆者以“廢舊電路板的資源化裂解”項目式學(xué)習(xí)為例，促進了學(xué)校與真實世界的聯(lián)結(jié)，落實了化學(xué)學(xué)科功能與價值。

一、項目的知識背景與現(xiàn)狀

《2020年全球電子廢棄物監(jiān)測》報告顯示，2019年全球產(chǎn)生了約5360萬噸電子廢棄物

。從區(qū)域分布來看，亞洲地區(qū)電子產(chǎn)品廢棄物產(chǎn)生量較高，回收率較低，得不到科學(xué)地處置，嚴(yán)重污染環(huán)境。電子產(chǎn)品廢棄物的核心部件是電路板，電路板以有機聚合物為基板，富含多種金屬（鋁、鐵、銅、錫等），其中貴金屬（金、銀、鈀、鉑等）最有回收價值。目前電路板主要的回收處置技術(shù)有機械物理法、濕法冶金、火法技術(shù)以及生物技術(shù)［4］，但這些技術(shù)仍存在局限性，一些粗放式單位用火法技術(shù)直接在大氣中焚燒廢舊電路板以除去有機物部分，再進行簡單酸浸提取部分貴金屬，產(chǎn)生大量劇毒煙氣與污水，嚴(yán)重污染環(huán)境和危害人類的健康，造成巨大的資源浪費。［5］

近年來，“資源化熱裂解”工藝因化學(xué)原理簡單、全資源化、不污染環(huán)境而備受關(guān)注。其主要原理是把廢舊電路板在缺氧或無氧條件下加熱，高分子有機物裂解成小分子，經(jīng)冷凝為熱解氣與熱解油，再分別收集各相產(chǎn)物，達(dá)到精準(zhǔn)分選回收的目的。筆者參考文獻［6］，總結(jié)出熱裂解廢舊電路板的具體工藝流程如圖2所示。

由圖2可知，熱裂解工藝能有效地分離電路板的各組分并資源化，進而保護環(huán)境實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在社會發(fā)展中有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價值。但“熱裂解資源化”要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需解決最佳反應(yīng)條件、設(shè)備制造、能耗等經(jīng)濟問題。所以“廢舊電路板的資源化裂解”是個具有新穎性、高階性、挑戰(zhàn)性的項目，能很好地激發(fā)學(xué)生的研究興趣，并幫助學(xué)生打通與融合“學(xué)習(xí)知識·認(rèn)識世界·改造世界”，進而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

二、項目承載與發(fā)展的核心素養(yǎng)

學(xué)生通過該項目，主動了解關(guān)于污染防治的有關(guān)國策和法規(guī)，親自體驗化學(xué)在解決環(huán)境問題中的重要作用，樹立環(huán)境和資源可持續(xù)發(fā)展的意識，培養(yǎng)“社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。根據(jù)文獻與實際問題提出“最佳裂解條件”綜合性探究課題，學(xué)生需要經(jīng)歷如下過程：①提出多個并選擇合適的探究方向；②分析“多因素”控制變量實驗；③分析、確定和優(yōu)化合適的實驗方案；④團隊合作執(zhí)行實驗方案；⑤分析現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。該復(fù)雜過程有助于培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)。通過探究最佳裂解條件，學(xué)生獲取有關(guān)數(shù)據(jù)，分析熱裂解工藝的最佳條件，建立證據(jù)、觀點和結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，培養(yǎng)“證據(jù)推理”核心素養(yǎng)。針對熱裂解工藝中存在的問題，學(xué)生探究科學(xué)處理固體廢棄物的方法，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)“科學(xué)態(tài)度”核心素養(yǎng)。

本項目是個集體性的復(fù)雜任務(wù)，需要花費較長時間與精力，需要創(chuàng)造性地解決問題，需要學(xué)生間、師生間溝通甚至辯論，需要學(xué)生進入大學(xué)開展實驗并向教授求助。這個復(fù)雜的過程能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐、團隊合作、解決問題、理性思維、批判質(zhì)疑等終身學(xué)習(xí)和發(fā)展的能力［7］，是落實2018年北京師范大學(xué)中國教育創(chuàng)新研究院發(fā)布的《21世紀(jì)核心素養(yǎng)5C模型研究報告（中文版）》中“文化理解與繼承素養(yǎng)、審辯思維素養(yǎng)、創(chuàng)新素養(yǎng)、溝通素養(yǎng)和合作素養(yǎng)”的有效路徑。

三、項目任務(wù)

為使學(xué)生能夠順利完成本項目，筆者對各環(huán)節(jié)任務(wù)及課時分配做如下安排（見表1）。其中，環(huán)節(jié)1、環(huán)節(jié)2、環(huán)節(jié)3、環(huán)節(jié)9、環(huán)節(jié)10利用在校時間完成，其余環(huán)節(jié)利用周末或假期完成。

四、項目實施過程

本項目共有11個環(huán)節(jié)，其中，環(huán)節(jié)4、環(huán)節(jié)5、環(huán)節(jié)6、環(huán)節(jié)7、環(huán)節(jié)10是核心環(huán)節(jié)。結(jié)合教學(xué)目標(biāo)與實際，筆者通過呈現(xiàn)這五個環(huán)節(jié)中師生的部分行為，分享本項目實施的過程與效果。

1. 文獻綜述

［教師］大家已初步了解全國乃至全球的廢舊電路板的總量以及對環(huán)境不友好的處理現(xiàn)狀，那該如何科學(xué)處理廢舊電路板以實現(xiàn)環(huán)境友好呢？建議大家在知網(wǎng)搜索獲取比較權(quán)威的信息。

［學(xué)生］執(zhí)行任務(wù)，通過知網(wǎng)等搜索相關(guān)文獻，了解相關(guān)信息。

根據(jù)提供的資料和大家的討論結(jié)果，搜索：①現(xiàn)行國家政策；②廢舊電路板的主要成分，為選擇處理方法提供依據(jù)；③目前全球廢舊電路板的主要處理方式；④從多個角度比較各種處理方式的優(yōu)劣。

2. 選擇研究方向

［學(xué)生］我們從文獻中了解到

廢舊電路板的主要成分有玻璃纖維、固化樹脂、賤金屬（如鋁、鐵、銅、錫等）和貴金屬（如金、銀）等。目前廢舊電路板資源化回收處理方法主要有：機械處理、濕法冶金、直接火法、生物技術(shù)以及熱解技術(shù)等［8］，這五種技術(shù)各有優(yōu)劣。

［學(xué)生］對上述五種技術(shù)的優(yōu)劣進行了比較，通過討論，決定選擇更有社會意義、更有挑戰(zhàn)性及化學(xué)知識含量更高的“熱裂解資源化”作為研究方向。

3. 確定研究方案

［學(xué)生］確定研究方向為“熱裂解資源化”，確定具體研究內(nèi)容為熱裂解的“最佳條件”。

［教師］最佳條件包括哪些因素？如何確認(rèn)是“最佳條件”？點撥學(xué)生需要制定可執(zhí)行方案，包括目的、具體內(nèi)容、執(zhí)行人、條件的準(zhǔn)備、時間安排等。

［學(xué)生］制定可執(zhí)行方案，綜合前述文獻，討論確定探究條件為：溫度、壓強、時間長短、升溫快慢、富氧環(huán)境（空氣氛圍）或無氧環(huán)境（真空或氮氣氛圍）。將電路板中的有機物裂解得最充分、失重最高時的反應(yīng)條件確定為“最佳條件”。

［教師追問］如何根據(jù)眾多影響因素用最少的實驗次數(shù)來確定每個因素的最佳值？

［教師］建議大家網(wǎng)上自學(xué)或向大學(xué)教授請教正交實驗。

［教師追問］確認(rèn)哪些實驗條件是本校具備的，如果不具備怎么辦？

［學(xué)生］確認(rèn)學(xué)校不具備的實驗條件，請求老師幫忙聯(lián)系大學(xué)實驗室。

［教師］引導(dǎo)學(xué)生向教授請教如何用最少實驗次數(shù)確定多因素實驗的最佳條件。

［學(xué)生］通過網(wǎng)上搜索，自行設(shè)計正交實驗方案，后經(jīng)大學(xué)教授指導(dǎo)修正，得出正交實驗方案，如表2所示。

4. 實施探究實驗方案

［教師］要嚴(yán)格按照既定方案逐步實驗，認(rèn)真觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)、分析原因，注意實驗中可能出現(xiàn)的安全問題、實驗現(xiàn)象和意外結(jié)果。

［學(xué)生］經(jīng)過研究，得出以下結(jié)果：升溫速率為15 ℃/min、裂解溫度為600 ℃、爐內(nèi)壓強為1000 Pa（即基本無氧環(huán)境），裂解時間為60分鐘時，電路板裂解最充分，電路板的失重也最高。

［學(xué)生］發(fā)現(xiàn)溫度升高的速度越快裂解效果越好，礙于條件限制，沒進一步實驗。后續(xù)想嘗試進行“爆炒”（即最快速升溫），以觀察裂解效果。

［教師］確定的最佳裂解條件只是實驗室結(jié)論，在工業(yè)化學(xué)中稱之為“小試”。工業(yè)化生產(chǎn)的“最佳效益”還決定于其他很多因素，如人力成本、電力成本、單位時間產(chǎn)率、設(shè)備制造、貴金屬的回收率等。實驗室的結(jié)論只有和工業(yè)實際結(jié)合起來才有意義。

［教師］“資源化”是本工藝的最大優(yōu)點，裂解所得油、氣也是重要的資源。為了下一步資源化利用，需要確定所得油、氣的主要成分。

［學(xué)生］與教授交流，用氣體收集袋采集裂解后的氣體，并依托色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀分析裂解氣成分，結(jié)果顯示成分為苯、甲苯、苯酚、鄰間對甲苯酚、香豆酮與環(huán)辛四烯，其中含量最高的為苯酚。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，苯酚具有良好的回收價值。還想嘗試研究如何從這些有機混合油、氣中分離提純有用的有機成分，進一步實現(xiàn)油、氣的資源化處理。

［教師］廢舊電路板因富含貴金屬，被稱為“城市金礦”，這些貴金屬存在于熱裂解所得到的裂解渣中。那么裂解渣破碎分選的原理是什么？得到的金屬混合物又是用什么方法分離到得貴金屬的呢？這可以作為同學(xué)們后續(xù)探究的方向。

5. 學(xué)生反思與感想

［教師］談?wù)勗陧椖繉嵺`過程中的感受以及對工藝的問題與想法。

［學(xué)生1］經(jīng)過這個項目，就化學(xué)對人類發(fā)展的意義的認(rèn)識發(fā)生很大的變化，以前看到化學(xué)很多負(fù)面的信息，潛意識里認(rèn)為化學(xué)是危害人類的重要因素，有點抵觸繼續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)。但經(jīng)過這個項目，深刻認(rèn)識到化學(xué)對人類發(fā)展的意義，希望能繼續(xù)深入學(xué)習(xí)化學(xué)。

［學(xué)生2］對課程內(nèi)容進行總結(jié)，反思如下。

（1）經(jīng)過這個項目，我們很想進一步探討“爆炒”效果如何。

（2）是否可以定向裂解，使之生成所需要的有機物？添加催化劑能否加快裂解？

（3）裂解得到的油、氣比例是否可調(diào)？油、氣如何進一步分離？可否作燃料？

（4）裂解成分是否可逆向生成樹脂？

［教師］總結(jié)升華，引導(dǎo)學(xué)生就所提問題進行文獻綜述，并提示已有科學(xué)家在做相關(guān)研究。

［學(xué)生］請求實地考察企業(yè)、工廠。

［教師總結(jié)］目前國際上該工藝尚不完善，有中小企業(yè)還在中試。

五、項目教學(xué)反思

STEM和項目式學(xué)習(xí)的意義在于“聯(lián)結(jié)學(xué)校和真實世界”。“廢舊電路板資源化裂解”項目調(diào)動學(xué)生整合多學(xué)科知識，促進知識的內(nèi)化和遷移，進而提高學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的能力，十分有利于提升學(xué)生的溝通能力、協(xié)作能力與解決問題的能力，培養(yǎng)其探究精神、創(chuàng)造精神與邏輯思維及批判性思維，促進核心素養(yǎng)

落地。

參考文獻

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*基金項目：本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃2022年度重點項目“基于學(xué)科理解的初中化學(xué)教材深度解讀的研究”（2022ZQJK112）的階段性研究成果。