基于化学学科核心素养的“固体废弃物的资源化利用”教学设计（高中二年级）

基于化学学科核心素养的“固体废弃物的资源化利用”教学设计（高中二年级）

一、教学背景与设计理念

（一）课程定位与价值

本课选自高中化学（人教版）选修二“化学与技术”或必修第二册“化学与可持续发展”相关拓展模块，具体定位于高中二年级下学期，是在学生完成了元素化学、有机化学基础、化学反应原理等核心知识学习后，开设的一节综合性专题复习与探究课。本课不仅是对已有化学知识的应用与深化，更是连接化学学科与社会、环境、技术的关键纽带。【非常重要】在新时代课程改革背景下，本设计致力于超越传统的知识灌输，将教学内容重构为以“固体废弃物的资源化”为核心的真实问题解决项目，旨在通过跨学科视角，引导学生运用化学原理审视社会议题，培养其科学态度、社会责任感和创新精神。

（二）学情分析

授课对象为高中二年级学生。知识储备上，他们已经系统学习了金属、非金属及其化合物的性质，了解了有机物的基本转化，掌握了氧化还原反应、电化学等基本原理，具备分析物质转化过程的能力。能力基础上，学生初步具备了实验设计、现象观察和数据处理的技能，但将零散知识整合应用于复杂真实情境（如城市生活垃圾、工业废渣的处理）的能力尚显薄弱，系统思维和工程思维有待提升。认知心理上，高二学生对环境问题有较高的关注度，具备一定的社会责任感，但往往停留在感性认知层面，亟需通过严谨的科学分析，将环保热情转化为理性的科学实践。

（三）核心素养导向目标

基于以上分析，本课确立如下教学目标，旨在全面落实化学学科核心素养：

1.宏观辨识与微观探析：能从元素组成和物质分类的视角，辨识不同固体废弃物的主要成分；能微观解释垃圾处理过程中（如焚烧、降解、重金属离子沉淀）的化学变化本质。

2.变化观念与平衡思想：理解固体废弃物资源化过程中的物质转化和能量转化，认识化学反应条件（如温度、pH、催化剂）对资源化路径和产物的影响，初步建立动态平衡的观点。【基础】

3.证据推理与模型认知：通过对具体案例（如废旧锂电池回收）的数据分析和流程推理，构建“原料—工艺—产品—效益”的资源化利用认知模型，并能运用该模型评价和设计简单的处理方案。【重要】

4.科学探究与创新意识：能够针对某种具体垃圾（如废塑料、废玻璃钢）提出资源化利用的假设，设计并论证初步的实验方案，培养敢于质疑、勇于创新的科学品质。

5.科学精神与社会责任：辩证看待垃圾处理与经济发展的关系，理解“无废城市”建设的科学内涵，形成节约资源、保护环境的可持续发展意识，并能在个人生活中践行绿色低碳理念。【高频考点】

二、教材与资源整合

（一）教材处理

本课并非对教材某一章节的简单复述，而是基于课程标准，对“化学与资源开发利用”、“化学与环境保护”等内容进行二次开发与重构。打破原有知识体系界限，以“固体废弃物”这一核心议题为主线，将金属的回收冶炼、有机物的转化、材料再生等知识点有机串联。例如，将铝的冶炼知识与废易拉罐的再生铝工艺相结合；将烃的燃烧与裂解知识与废塑料的热解油化技术相联系。

（二）教学资源

1.情境素材库：精选“中国禁止洋垃圾进口政策”、“城市矿产概念”、“特斯拉电池回收计划”、“生物降解塑料的现状与争议”等时效性强、有争议性的视频、图文资料，激发探究兴趣。

2.虚拟仿真实验：针对部分处理过程（如焚烧烟气净化、复杂工艺模拟）在常规实验室难以开展，引入国家级虚拟仿真实验平台，让学生沉浸式体验工艺流程设计与优化。【热点】

3.实物与模型：收集常见的固体废弃物（如废旧手机电池、电路板、饮料瓶、包装盒），以及由其再生制成的产品（如再生纸、再生塑料颗粒），形成直观对比。

4.数字化工具：使用手持技术（如pH计、温度传感器）进行模拟实验的精准测量，运用思维可视化软件（如XMind）共同构建知识网络。

三、教学实施过程（两课时连排，90分钟）

本过程遵循“情境驱动—问题导向—探究实践—模型建构—迁移应用”的逻辑链条展开。

（一）第一环节：创设情境，唤醒认知——垃圾是放错位置的资源（约10分钟）

1.课堂导入：播放精心剪辑的短片，前半段展示垃圾围城的震撼画面（如太平洋垃圾带、城市填埋场现状），引发学生对环境问题的忧虑；后半段快速切换至“城市矿山”的画面，展示从废弃电路板中提取金、银、铜，从废旧塑料中提炼燃油，从建筑废料中生产再生骨料等高科技流程，形成强烈视觉与认知冲击。教师顺势抛出核心问题：“我们眼中的废弃物，在化学家眼中为何变成了宝藏？今天，让我们从元素和分子的视角，重新审视垃圾的价值。”【非常重要】

2.问题链驱动：

[1]宏观感知：请同学们观察讲台上摆放的废弃物（废纸、废塑料瓶、碎玻璃、废铁钉、废旧锂电池），结合自己的生活经验，尝试将它们进行分类，并说出分类的依据。（学生活动：自由发言，可能从材质、是否有毒、是否可卖钱等角度分类。教师引导聚焦到“物质组成”上。）

（2）微观追问：以废旧锂电池为例，它主要由哪些部分组成？正极材料可能含有哪些有价金属（如钴、锂、镍、锰）？它们以什么化学形式（单质、氧化物、盐）存在？这些物质具有怎样的化学性质？【难点】这一环节旨在引导学生从“这是什么垃圾”的表层分类，深入到“它由什么物质组成、这些物质具有什么化学特性”的本质分析，为后续的资源化路径设计奠定基础。

（二）第二环节：建构模型，明晰路径——资源化的化学之维（约20分钟）

1.核心概念界定：教师在学生讨论基础上，明确提出“固体废弃物的资源化”的科学定义：是指采取管理和工艺措施，从固体废弃物中回收有用的物质和能源，实现物质循环和能量回收的过程。其核心是化学变化与分离提纯技术。

2.绘制资源化路径图谱：引导学生以小组为单位，结合预习资料和已有知识，尝试用化学语言（化学反应方程式、流程图）归纳出几种典型固体废弃物的主流资源化路径。【基础】

（1）金属废弃物的资源化：以废铁屑制备净水剂（聚合硫酸铁）、从废定影液中回收银（置换反应）、废旧电路板的火法/湿法冶金。重点引导学生写出关键反应的离子方程式，如Fe+2Ag⁺=Fe²⁺+2Ag，并讨论反应条件的控制。

（2）高分子材料的资源化：以废塑料（主要成分聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯）为例，讨论其资源化路径。①能量回收（焚烧供热发电）：分析其化学本质为有机物的氧化反应CxHyOz+O2→CO2+H2O，讨论焚烧过程中二噁英、酸性气体（HCl）产生的化学原理及控制方法。【热点】②物料回收（熔融再生）：这是物理过程，但前提是垃圾分类纯净，引出化学在垃圾分类识别（如红外光谱鉴别塑料种类）中的作用。③化学回收（热解、气化）：讲解在无氧或缺氧条件下，高分子链断裂，生成燃料油、燃气和炭黑的过程，写出聚烯烃热解的简化反应式。

（3）有机生物质垃圾的资源化：以厨余垃圾、秸秆为例。①厌氧发酵生产沼气：分析其微生物作用下的复杂生化过程，主要产物为CH4和CO2，写出甲烷燃烧方程式，讨论发酵条件（温度、pH、碳氮比）对产气效率的影响。②好氧堆肥制备有机肥：强调在微生物作用下，有机质转化为腐殖质的过程，分析其中碳、氮、磷的循环。

3.初步模型建构：师生共同总结，归纳出固体废弃物资源化的通用认知模型，即“三步走”战略：第一步【分离与富集】，通过物理或化学方法将有价组分与无用/有害组分分开，提高目标物质浓度。第二步【转化与提取】，利用化学变化（氧化、还原、热解、水解等）将目标组分转化为易于分离的新物质或直接转化为产品。第三步【纯化与深加工】，通过精制、改性等手段提升产品的附加值。教师强调，这个模型是我们分析和设计任何资源化方案的思维脚手架。【重要】

（三）第三环节：案例深研，探究实践——废旧锂离子电池的“城市采矿”（约35分钟）

本环节选取技术含量高、综合性强、社会关注度高的“废旧锂离子电池回收”作为深度探究案例，旨在培养学生解决复杂问题的综合能力。

1.项目发布：教师宣布任务：“某新能源科技公司拟建设一条年处理1万吨废旧锂离子电池的回收生产线，现向社会征集技术方案。要求最大化回收有价金属（钴、锂、镍、锰），并实现废水、废气的近零排放。你们是公司的技术核心团队，请根据所学化学知识，设计初步的回收工艺流程。”

2.资料包研读：教师分发资料包，包含以下信息：

（1）废旧三元锂电池（NMC）正极材料的主要成分：钴酸锂（LiCoO2）、镍钴锰酸锂（Li(NixCoyMn1-x-y)O2）、粘结剂（聚偏氟乙烯PVDF）、集流体（铝箔）。

（2）相关金属氢氧化物的溶度积常数（Ksp）。

（3）常见金属离子的沉淀pH范围表。

（4）几种回收工艺的文献摘要（酸浸法、生物浸出法、火法修复法等）。

3.探究活动一：拆解与分析

小组对废旧锂电池模型或虚拟仿真模型进行拆解分析，识别各部件（外壳、隔膜、电解液、正负极片），讨论各部件可能的环境风险与资源价值。重点讨论正极材料中金属元素的赋存状态（LiCoO2为复合氧化物），思考如何将其转化为可溶性离子进入溶液。【难点】

4.探究活动二：核心工艺设计与论证

各小组设计并讨论从正极材料中浸出和分离有价金属的工艺流程。这是本课的高潮部分。

（1）浸出环节设计：学生基于正极材料的结构和金属价态，提出浸出方案。主流思路是采用“还原酸浸”。教师引导：为什么单纯用硫酸难以溶解LiCoO2？加入还原剂（如H2O2、Na2SO3）的作用是什么？（促进Co(III)还原为更易溶解的Co(II)）。请写出在硫酸和过氧化氢存在下，LiCoO2溶解的化学反应方程式：2LiCoO2+3H2SO4+H2O2=Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O。【高频考点】学生分组讨论还原剂的选择（成本、效率、二次污染），并设计实验方案探究最佳浸出条件（温度、酸浓度、还原剂用量、时间）。

（2）分离提纯环节设计：浸出液中主要含有Li⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Al³⁺等金属离子。如何实现它们的逐一分离，得到高纯度的钴盐、镍盐和锂盐？学生需运用沉淀溶解平衡和配合物知识。

[1]除铝：调节溶液pH至5.0左右，使Al³⁺以Al(OH)3形式沉淀除去。提问：如何精准控制pH？如何防止Co²⁺、Ni²⁺共沉淀？（参考Ksp和沉淀pH范围表）。

（2）萃取分离钴/镍：向学生介绍溶剂萃取的基本原理。讲解P204、P507等萃取剂对不同金属离子萃取能力的差异，通过调节酸度实现钴与镍的高效分离。此部分可结合虚拟仿真实验，让学生操作设定萃取级数、相比等参数，观察分离效果。

（3）沉锂：最后从富含Li⁺的萃余液中，通过加入饱和Na2CO3溶液，使Li⁺以Li2CO3形式沉淀析出。引导学生写出反应方程式并讨论提高锂回收率的条件（如加热、控制碳酸钠过量）。

5.探究活动三：技术经济与环境影响评估

各小组展示本组设计的工艺流程草图，并从以下几个方面进行简要论证：

（1）技术可行性：反应条件是否温和，工艺流程是否过于复杂。

（2）经济性：试剂消耗成本、能耗、产品附加值。

（3）环境友好性：是否产生新的废水、废气、废渣？如何处理？例如，浸出过程中产生的少量酸雾如何吸收？萃余水相如何处理回用？【热点】

（四）第四环节：模型应用，辩证思辨——塑料的“降级”与“升级”利用（约15分钟）

1.新情境迁移：教师呈现新的议题：“日常生活中，我们常见到印有‘可降解塑料’标识的购物袋。有人认为这是解决‘白色污染’的终极方案，也有人对其降解条件和实际效果提出质疑。请你运用本节课构建的资源化模型，对生物可降解塑料进行一次科学评估。”

2.小组思辨与讨论：

（1）辨析概念：什么是生物可降解塑料？其降解的化学本质是什么？（在特定微生物、温度、湿度条件下，高分子链断裂，最终转化为CO2、H2O和生物质）。它与传统塑料的焚烧、热解有何异同？

（2）评估模型应用：套用“分离富集—转化提取—纯化利用”模型。对于可降解塑料，其“转化提取”环节（即降解过程）对条件极其敏感。如果它混入普通塑料回收流中，会对再生塑料品质造成什么影响？（“降级”利用，如变成杂质）。如果它进入土壤，降解条件（如温度不够、缺乏相应微生物）不满足，是否仍会造成微塑料污染？【难点】

（3）理性观点生成：通过讨论，引导学生认识到技术有其适用边界，不存在一劳永逸的解决方案。可降解塑料是现有塑料污染治理体系的有益补充，但当前更紧迫的任务是完善垃圾分类回收体系，推动传统塑料的循环再生。培养学生对新兴技术既保持开放又审慎质疑的科学态度。

（五）第五环节：总结升华，责任内化（约10分钟）

1.知识图谱构建：师生共同回顾本节课的核心内容，使用思维导图软件，在黑板或屏幕上实时构建出“固体废弃物资源化”的知识网络。中心是“资源化”，向外辐射出“金属”、“塑料”、“生物质”等主要类别，每类下面再链接“代表性物质”、“核心化学原理”、“典型工艺”、“关键反应方程式”以及“环境影响”。这个过程是对全课知识的系统性梳理，帮助学生形成结构化认知。【基础】

2.理念与责任升华：教师总结：“今天，我们从化学的视角，重新审视了被称为‘垃圾’的物质。我们看到了它们并非一无是处，而是可以被化学的智慧重新转化为资源的‘城市矿产’。更重要的是，我们认识到，任何资源化过程都需要消耗能量，都可能产生新的环境负荷。因此，真正的可持续发展，不仅在于‘善后’技术有多先进，更在于源头上的减量化。作为未来的公民和科技工作者，希望大家铭记：最绿色的资源，是未产生的垃圾；最有效的循环，是减少不必要的消费。让我们从今天起，在实验室里精益求精地探索，在生活中有意识地分类减量，用化学的智慧和公民的责任，共同守护我们的绿水青山。”【非常重要】

四、板书设计（核心架构）

一、固体废弃物的资源化：概念与意义

（一）定义：物质回收、能量回收

（二）核心：化学变化与分离技术

二、资源化的化学原理与通用模型

（一）金属：氧化还原（置换、电解）

（二）高分子：焚烧（氧化）、热解（裂解）、熔融再生（物理）

（三）生物质：发酵（生化）、堆肥（生化）

（四）通用模型：分离富集→转化提取→纯化利用

三、案例深度探究：废旧锂电池的“城市采矿”

（一）拆解分析：正极（LiCoO2/铝箔）、负极（石墨/铜箔）、电解液

（二）核心工艺：

1.还原酸浸：2LiCoO2+3H2SO4+H2O2=Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O

2.除杂与分离：沉淀（调pH除Al、Fe）、萃取（P507分离Co/Ni）

3.沉锂：2Li⁺+Na2CO3=Li2CO3↓+2Na⁺

（三）工艺评估：技术、经济、环境

四、辩证思考与应用

（一）塑料的降级与升级

（二）技术的边界与综合决策

五、作业与拓展设计

1.基础巩固作业：完成一份关于某种特定固体废弃物（如废荧光灯管、废催化剂、粉煤灰、废旧光伏板）资源化利用的小型调研报告。要求包含该废弃物的主要成分、环境风险、至少一种主流资源化技术的化学原理（用方程式表示），并对该技术的优缺点进行简要评价。【基础】

2.实践探究作业（小组合作，二选一）：

（1）实验设计：利用实验室常见药品，模拟从模拟废旧锂电池浸出液中分离铁、铝、钴的流程。设计详细的实验方案（包括试剂、步骤、预期现象），有条件的小组可在课外活动时间在老师指导下进行探索性实验。

（2）社会调查：调查你所在社区或学校的生活垃圾分类现状。拍摄照片或视频，记录分类投放、收集、运输的实际情况。结合本节课所学知识，写一份