联结学校与真实世界，落实化学学科的功能与价值

摘 要：本文以“废旧电路板的资源化裂解”项目式学习为例，引导学生经历文献综述、确定研究方向、制定实验方案、探究最佳裂解条件、提出新的研究方向和实地参观考察等过程，培养学生发现并主动解决问题的能力，打通并融合“学习知识·认识世界·改造世界”，进而发展学生的核心素养，落实化学学科功能与价值。

关键词：核心素养；功能与价值；项目式学习；认识与改造世界；资源化裂解

文章编号：1008-0546（2024）11-0012-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

项目式学习以高情境化和高问题化为显著特征，让学生在学科知识与其应用之间建立联系。［1］正如马克思主义认识论所指出的，认识世界和改造世界是人类创造历史的两种基本活动，认识的任务不仅在于解释世界，更重要的在于改造世界。［2］

基于以上认知，笔者建构了一个我们期待的理想学习模型，即先像科学家那样思考问题、认识世界并产生新的知识，然后像工程师那样解决问题、改造世界，该学习模型如图1所示。

为实现以上理想学习状态，教师应在教学中设计合适的基于真实复杂问题解决的STEM或项目式学习，帮助学生联结“化学知识”与“认识世界”乃至“改造世界”。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出供参考的STSE综合实践活动，如调查当地固体废弃物（如粉煤灰）的回收和综合利用情况；参观化工厂，考察企业的选址情况，收集产品的生产原理、原料利用率、能耗、投资和成本核算等资料，讨论化工发展的前景，撰写考察报告等。［3］

笔者以“废旧电路板的资源化裂解”项目式学习为例，促进了学校与真实世界的联结，落实了化学学科功能与价值。

一、项目的知识背景与现状

《2020年全球电子废弃物监测》报告显示，2019年全球产生了约5360万吨电子废弃物

。从区域分布来看，亚洲地区电子产品废弃物产生量较高，回收率较低，得不到科学地处置，严重污染环境。电子产品废弃物的核心部件是电路板，电路板以有机聚合物为基板，富含多种金属（铝、铁、铜、锡等），其中贵金属（金、银、钯、铂等）最有回收价值。目前电路板主要的回收处置技术有机械物理法、湿法冶金、火法技术以及生物技术［4］，但这些技术仍存在局限性，一些粗放式单位用火法技术直接在大气中焚烧废旧电路板以除去有机物部分，再进行简单酸浸提取部分贵金属，产生大量剧毒烟气与污水，严重污染环境和危害人类的健康，造成巨大的资源浪费。［5］

近年来，“资源化热裂解”工艺因化学原理简单、全资源化、不污染环境而备受关注。其主要原理是把废旧电路板在缺氧或无氧条件下加热，高分子有机物裂解成小分子，经冷凝为热解气与热解油，再分别收集各相产物，达到精准分选回收的目的。笔者参考文献［6］，总结出热裂解废旧电路板的具体工艺流程如图2所示。

由图2可知，热裂解工艺能有效地分离电路板的各组分并资源化，进而保护环境实现可持续发展，在社会发展中有相当的应用价值。但“热裂解资源化”要实现工业化生产，还需解决最佳反应条件、设备制造、能耗等经济问题。所以“废旧电路板的资源化裂解”是个具有新颖性、高阶性、挑战性的项目，能很好地激发学生的研究兴趣，并帮助学生打通与融合“学习知识·认识世界·改造世界”，进而发展学生的核心素养。

二、项目承载与发展的核心素养

学生通过该项目，主动了解关于污染防治的有关国策和法规，亲自体验化学在解决环境问题中的重要作用，树立环境和资源可持续发展的意识，培养“社会责任”核心素养。根据文献与实际问题提出“最佳裂解条件”综合性探究课题，学生需要经历如下过程：①提出多个并选择合适的探究方向；②分析“多因素”控制变量实验；③分析、确定和优化合适的实验方案；④团队合作执行实验方案；⑤分析现象和数据，得出结论。该复杂过程有助于培养学生“科学探究与创新意识”核心素养。通过探究最佳裂解条件，学生获取有关数据，分析热裂解工艺的最佳条件，建立证据、观点和结论之间的逻辑关系，培养“证据推理”核心素养。针对热裂解工艺中存在的问题，学生探究科学处理固体废弃物的方法，养成严谨求实的科学态度，培养“科学态度”核心素养。

本项目是个集体性的复杂任务，需要花费较长时间与精力，需要创造性地解决问题，需要学生间、师生间沟通甚至辩论，需要学生进入大学开展实验并向教授求助。这个复杂的过程能培养学生的创新实践、团队合作、解决问题、理性思维、批判质疑等终身学习和发展的能力［7］，是落实2018年北京师范大学中国教育创新研究院发布的《21世纪核心素养5C模型研究报告（中文版）》中“文化理解与继承素养、审辩思维素养、创新素养、沟通素养和合作素养”的有效路径。

三、项目任务

为使学生能够顺利完成本项目，笔者对各环节任务及课时分配做如下安排（见表1）。其中，环节1、环节2、环节3、环节9、环节10利用在校时间完成，其余环节利用周末或假期完成。

四、项目实施过程

本项目共有11个环节，其中，环节4、环节5、环节6、环节7、环节10是核心环节。结合教学目标与实际，笔者通过呈现这五个环节中师生的部分行为，分享本项目实施的过程与效果。

1. 文献综述

［教师］大家已初步了解全国乃至全球的废旧电路板的总量以及对环境不友好的处理现状，那该如何科学处理废旧电路板以实现环境友好呢？建议大家在知网搜索获取比较权威的信息。

［学生］执行任务，通过知网等搜索相关文献，了解相关信息。

根据提供的资料和大家的讨论结果，搜索：①现行国家政策；②废旧电路板的主要成分，为选择处理方法提供依据；③目前全球废旧电路板的主要处理方式；④从多个角度比较各种处理方式的优劣。

2. 选择研究方向

［学生］我们从文献中了解到

废旧电路板的主要成分有玻璃纤维、固化树脂、贱金属（如铝、铁、铜、锡等）和贵金属（如金、银）等。目前废旧电路板资源化回收处理方法主要有：机械处理、湿法冶金、直接火法、生物技术以及热解技术等［8］，这五种技术各有优劣。

［学生］对上述五种技术的优劣进行了比较，通过讨论，决定选择更有社会意义、更有挑战性及化学知识含量更高的“热裂解资源化”作为研究方向。

3. 确定研究方案

［学生］确定研究方向为“热裂解资源化”，确定具体研究内容为热裂解的“最佳条件”。

［教师］最佳条件包括哪些因素？如何确认是“最佳条件”？点拨学生需要制定可执行方案，包括目的、具体内容、执行人、条件的准备、时间安排等。

［学生］制定可执行方案，综合前述文献，讨论确定探究条件为：温度、压强、时间长短、升温快慢、富氧环境（空气氛围）或无氧环境（真空或氮气氛围）。将电路板中的有机物裂解得最充分、失重最高时的反应条件确定为“最佳条件”。

［教师追问］如何根据众多影响因素用最少的实验次数来确定每个因素的最佳值？

［教师］建议大家网上自学或向大学教授请教正交实验。

［教师追问］确认哪些实验条件是本校具备的，如果不具备怎么办？

［学生］确认学校不具备的实验条件，请求老师帮忙联系大学实验室。

［教师］引导学生向教授请教如何用最少实验次数确定多因素实验的最佳条件。

［学生］通过网上搜索，自行设计正交实验方案，后经大学教授指导修正，得出正交实验方案，如表2所示。

4. 实施探究实验方案

［教师］要严格按照既定方案逐步实验，认真观察现象、记录数据、分析原因，注意实验中可能出现的安全问题、实验现象和意外结果。

［学生］经过研究，得出以下结果：升温速率为15 ℃/min、裂解温度为600 ℃、炉内压强为1000 Pa（即基本无氧环境），裂解时间为60分钟时，电路板裂解最充分，电路板的失重也最高。

［学生］发现温度升高的速度越快裂解效果越好，碍于条件限制，没进一步实验。后续想尝试进行“爆炒”（即最快速升温），以观察裂解效果。

［教师］确定的最佳裂解条件只是实验室结论，在工业化学中称之为“小试”。工业化生产的“最佳效益”还决定于其他很多因素，如人力成本、电力成本、单位时间产率、设备制造、贵金属的回收率等。实验室的结论只有和工业实际结合起来才有意义。

［教师］“资源化”是本工艺的最大优点，裂解所得油、气也是重要的资源。为了下一步资源化利用，需要确定所得油、气的主要成分。

［学生］与教授交流，用气体收集袋采集裂解后的气体，并依托色谱—质谱联用仪分析裂解气成分，结果显示成分为苯、甲苯、苯酚、邻间对甲苯酚、香豆酮与环辛四烯，其中含量最高的为苯酚。通过调研发现，苯酚具有良好的回收价值。还想尝试研究如何从这些有机混合油、气中分离提纯有用的有机成分，进一步实现油、气的资源化处理。

［教师］废旧电路板因富含贵金属，被称为“城市金矿”，这些贵金属存在于热裂解所得到的裂解渣中。那么裂解渣破碎分选的原理是什么？得到的金属混合物又是用什么方法分离到得贵金属的呢？这可以作为同学们后续探究的方向。

5. 学生反思与感想

［教师］谈谈在项目实践过程中的感受以及对工艺的问题与想法。

［学生1］经过这个项目，就化学对人类发展的意义的认识发生很大的变化，以前看到化学很多负面的信息，潜意识里认为化学是危害人类的重要因素，有点抵触继续学习化学。但经过这个项目，深刻认识到化学对人类发展的意义，希望能继续深入学习化学。

［学生2］对课程内容进行总结，反思如下。

（1）经过这个项目，我们很想进一步探讨“爆炒”效果如何。

（2）是否可以定向裂解，使之生成所需要的有机物？添加催化剂能否加快裂解？

（3）裂解得到的油、气比例是否可调？油、气如何进一步分离？可否作燃料？

（4）裂解成分是否可逆向生成树脂？

［教师］总结升华，引导学生就所提问题进行文献综述，并提示已有科学家在做相关研究。

［学生］请求实地考察企业、工厂。

［教师总结］目前国际上该工艺尚不完善，有中小企业还在中试。

五、项目教学反思

STEM和项目式学习的意义在于“联结学校和真实世界”。“废旧电路板资源化裂解”项目调动学生整合多学科知识，促进知识的内化和迁移，进而提高学生创造性解决问题的能力，十分有利于提升学生的沟通能力、协作能力与解决问题的能力，培养其探究精神、创造精神与逻辑思维及批判性思维，促进核心素养

落地。

参考文献

［1］陈颖，王磊，徐敏，等.高中化学项目教学案例——探秘神奇的医用胶［J］.化学教育（中英文），2018（19）：8-14．

［2］ 张雷声.马克思主义基本原理概论 第二版［M］.北京：中国人民大学出版社，2018．

［3］中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］ 刘重伟，徐志峰，陈清，等.废旧电路板回收技术研究进展［J］. 萍乡学院学报，2020（6）：57-63．

［5］ 张强.大气环境损害确认方法研究——以某非法熔炼废弃线路板案件为例［J］. 中国司法鉴定，2020（5）：38-42．

［6］ 黎敏，李冲，徐小锋，等. 废线路板热解处理技术和装置发展现状［J］. 有色金属（冶炼部分），2019（9）：18-27．

［7］ 王宇凤，敬鳗力.高中化学实验的项目式教学——乙醇消去反应制备乙烯的实验探究［J］.化学教育（中英文），2021（13）：21-27.

［8］ 孙春旭，郭杰，王建波，等.废旧印刷电路板中电子元器件回收处理技术进展［J］.材料导报，2016（9）：105-109．

*基金项目：本文系广东省教育科学规划2022年度重点项目“基于学科理解的初中化学教材深度解读的研究”（2022ZQJK112）的阶段性研究成果。