聯結學校與真實世界，落實化學學科的功能與價值

摘 要：本文以“廢舊電路板的資源化裂解”項目式學習為例，引導學生經歷文獻綜述、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，培養學生發現并主動解決問題的能力，打通并融合“學習知識·認識世界·改造世界”，進而發展學生的核心素養，落實化學學科功能與價值。

關鍵詞：核心素養；功能與價值；項目式學習；認識與改造世界；資源化裂解

文章編號：1008-0546（2024）11-0012-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

項目式學習以高情境化和高問題化為顯著特征，讓學生在學科知識與其應用之間建立聯系。［1］正如馬克思主義認識論所指出的，認識世界和改造世界是人類創造歷史的兩種基本活動，認識的任務不僅在于解釋世界，更重要的在于改造世界。［2］

基于以上認知，筆者建構了一個我們期待的理想學習模型，即先像科學家那樣思考問題、認識世界并產生新的知識，然后像工程師那樣解決問題、改造世界，該學習模型如圖1所示。

為實現以上理想學習狀態，教師應在教學中設計合適的基于真實復雜問題解決的STEM或項目式學習，幫助學生聯結“化學知識”與“認識世界”乃至“改造世界”。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出供參考的STSE綜合實踐活動，如調查當地固體廢棄物（如粉煤灰）的回收和綜合利用情況；參觀化工廠，考察企業的選址情況，收集產品的生產原理、原料利用率、能耗、投資和成本核算等資料，討論化工發展的前景，撰寫考察報告等。［3］

筆者以“廢舊電路板的資源化裂解”項目式學習為例，促進了學校與真實世界的聯結，落實了化學學科功能與價值。

一、項目的知識背景與現狀

《2020年全球電子廢棄物監測》報告顯示，2019年全球產生了約5360萬噸電子廢棄物

。從區域分布來看，亞洲地區電子產品廢棄物產生量較高，回收率較低，得不到科學地處置，嚴重污染環境。電子產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有機械物理法、濕法冶金、火法技術以及生物技術［4］，但這些技術仍存在局限性，一些粗放式單位用火法技術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，產生大量劇毒煙氣與污水，嚴重污染環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”工藝因化學原理簡單、全資源化、不污染環境而備受關注。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，經冷凝為熱解氣與熱解油，再分別收集各相產物，達到精準分選回收的目的。筆者參考文獻［6］，總結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，進而保護環境實現可持續發展，在社會發展中有相當的應用價值。但“熱裂解資源化”要實現工業化生產，還需解決最佳反應條件、設備制造、能耗等經濟問題。所以“廢舊電路板的資源化裂解”是個具有新穎性、高階性、挑戰性的項目，能很好地激發學生的研究興趣，并幫助學生打通與融合“學習知識·認識世界·改造世界”，進而發展學生的核心素養。

二、項目承載與發展的核心素養

學生通過該項目，主動了解關于污染防治的有關國策和法規，親自體驗化學在解決環境問題中的重要作用，樹立環境和資源可持續發展的意識，培養“社會責任”核心素養。根據文獻與實際問題提出“最佳裂解條件”綜合性探究課題，學生需要經歷如下過程：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、確定和優化合適的實驗方案；④團隊合作執行實驗方案；⑤分析現象和數據，得出結論。該復雜過程有助于培養學生“科學探究與創新意識”核心素養。通過探究最佳裂解條件，學生獲取有關數據，分析熱裂解工藝的最佳條件，建立證據、觀點和結論之間的邏輯關系，培養“證據推理”核心素養。針對熱裂解工藝中存在的問題，學生探究科學處理固體廢棄物的方法，養成嚴謹求實的科學態度，培養“科學態度”核心素養。

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

三、項目任務

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

四、項目實施過程

本項目共有11個環節，其中，環節4、環節5、環節6、環節7、環節10是核心環節。結合教學目標與實際，筆者通過呈現這五個環節中師生的部分行為，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境不友好的處理現狀，那該如何科學處理廢舊電路板以實現環境友好呢？建議大家在知網搜索獲取比較權威的信息。

［學生］執行任務，通過知網等搜索相關文獻，了解相關信息。

根據提供的資料和大家的討論結果，搜索：①現行國家政策；②廢舊電路板的主要成分，為選擇處理方法提供依據；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劣。

2. 選擇研究方向

［學生］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、生物技術以及熱解技術等［8］，這五種技術各有優劣。

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

3. 確定研究方案

［學生］確定研究方向為“熱裂解資源化”，確定具體研究內容為熱裂解的“最佳條件”。

［教師］最佳條件包括哪些因素？如何確認是“最佳條件”？點撥學生需要制定可執行方案，包括目的、具體內容、執行人、條件的準備、時間安排等。

［學生］制定可執行方案，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、富氧環境（空氣氛圍）或無氧環境（真空或氮氣氛圍）。將電路板中的有機物裂解得最充分、失重最高時的反應條件確定為“最佳條件”。

［教師追問］如何根據眾多影響因素用最少的實驗次數來確定每個因素的最佳值？

［教師］建議大家網上自學或向大學教授請教正交實驗。

［教師追問］確認哪些實驗條件是本校具備的，如果不具備怎么辦？

［學生］確認學校不具備的實驗條件，請求老師幫忙聯系大學實驗室。

［教師］引導學生向教授請教如何用最少實驗次數確定多因素實驗的最佳條件。

［學生］通過網上搜索，自行設計正交實驗方案，后經大學教授指導修正，得出正交實驗方案，如表2所示。

4. 實施探究實驗方案

［教師］要嚴格按照既定方案逐步實驗，認真觀察現象、記錄數據、分析原因，注意實驗中可能出現的安全問題、實驗現象和意外結果。

［學生］經過研究，得出以下結果：升溫速率為15 ℃/min、裂解溫度為600 ℃、爐內壓強為1000 Pa（即基本無氧環境），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。

［學生］發現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論，在工業化學中稱之為“小試”。工業化生產的“最佳效益”還決定于其他很多因素，如人力成本、電力成本、單位時間產率、設備制造、貴金屬的回收率等。實驗室的結論只有和工業實際結合起來才有意義。

［教師］“資源化”是本工藝的最大優點，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—質譜聯用儀分析裂解氣成分，結果顯示成分為苯、甲苯、苯酚、鄰間對甲苯酚、香豆酮與環辛四烯，其中含量最高的為苯酚。通過調研發現，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？這可以作為同學們后續探究的方向。

5. 學生反思與感想

［教師］談談在項目實踐過程中的感受以及對工藝的問題與想法。

［學生1］經過這個項目，就化學對人類發展的意義的認識發生很大的變化，以前看到化學很多負面的信息，潛意識里認為化學是危害人類的重要因素，有點抵觸繼續學習化學。但經過這個項目，深刻認識到化學對人類發展的意義，希望能繼續深入學習化學。

［學生2］對課程內容進行總結，反思如下。

（1）經過這個項目，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？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］總結升華，引導學生就所提問題進行文獻綜述，并提示已有科學家在做相關研究。

［學生］請求實地考察企業、工廠。

［教師總結］目前國際上該工藝尚不完善，有中小企業還在中試。

五、項目教學反思

STEM和項目式學習的意義在于“聯結學校和真實世界”。“廢舊電路板資源化裂解”項目調動學生整合多學科知識，促進知識的內化和遷移，進而提高學生創造性解決問題的能力，十分有利于提升學生的溝通能力、協作能力與解決問題的能力，培養其探究精神、創造精神與邏輯思維及批判性思維，促進核心素養

落地。

參考文獻

［1］陳穎，王磊，徐敏，等.高中化學項目教學案例——探秘神奇的醫用膠［J］.化學教育（中英文），2018（19）：8-14．

［2］ 張雷聲.馬克思主義基本原理概論 第二版［M］.北京：中國人民大學出版社，2018．

［3］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］ 劉重偉，徐志峰，陳清，等.廢舊電路板回收技術研究進展［J］. 萍鄉學院學報，2020（6）：57-63．

［5］ 張強.大氣環境損害確認方法研究——以某非法熔煉廢棄線路板案件為例［J］. 中國司法鑒定，2020（5）：38-42．

［6］ 黎敏，李沖，徐小鋒，等. 廢線路板熱解處理技術和裝置發展現狀［J］. 有色金屬（冶煉部分），2019（9）：18-27．

［7］ 王宇鳳，敬鰻力.高中化學實驗的項目式教學——乙醇消去反應制備乙烯的實驗探究［J］.化學教育（中英文），2021（13）：21-27.

［8］ 孫春旭，郭杰，王建波，等.廢舊印刷電路板中電子元器件回收處理技術進展［J］.材料導報，2016（9）：105-109．

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