1項(xiàng)目主題內(nèi)容分析《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強(qiáng)調(diào)基于真實(shí)情境的教學(xué)，選取當(dāng)代化學(xué)研究成果并簡(jiǎn)化為實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，注重提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力[]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的跨學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)他們?cè)谀吧鷱?fù)雜情境中解決問(wèn)題的能力[2，進(jìn)而提高綜合素養(yǎng)。印刷電路板（PCB，PrintedCircuitBoard）是電路板行業(yè)核心基礎(chǔ)部件，也是電子信息制造業(yè)發(fā)展的重要基石。本項(xiàng)目基于電路板工藝發(fā)展的真實(shí)情境，開展印刷電路板制備及廢液處理的項(xiàng)自式學(xué)習(xí)，要求學(xué)生運(yùn)用電路、物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用等物理與化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)并優(yōu)化廢液處理方案。本項(xiàng)目以銅元素的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用知識(shí)為主線，涵蓋人教版高中化學(xué)必修一第一章“物質(zhì)及其變化”和第三章“鐵及其化合物”、選擇性必修一第四章“電解池”、選擇性必修二第二章“分子結(jié)構(gòu)與物質(zhì)的性質(zhì)”等內(nèi)容，還將納米材料知識(shí)融人其中。實(shí)踐過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生將上述知識(shí)相互關(guān)聯(lián)，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)，在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立認(rèn)識(shí)思路和觀念結(jié)構(gòu)，有助于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在學(xué)科知識(shí)、認(rèn)識(shí)思路、學(xué)科觀念結(jié)構(gòu)化方面的獨(dú)特價(jià)值[3]。本項(xiàng)目是涉及“化學(xué)與技術(shù)”的物質(zhì)生產(chǎn)類實(shí)踐和“化學(xué)與環(huán)境”的行動(dòng)改進(jìn)類實(shí)踐，所需運(yùn)用的知識(shí)和發(fā)展的化學(xué)觀念之間的關(guān)聯(lián)如圖1所示。本項(xiàng)目適合高二和高三的化學(xué)綜合實(shí)踐學(xué)習(xí)。學(xué)生之前已系統(tǒng)學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)，掌握了其特征和本質(zhì)；學(xué)習(xí)了鐵、硫及其化合物，建立了從價(jià)-類二維圖認(rèn)識(shí)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的視角，掌握了基本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想；還學(xué)習(xí)了共價(jià)鍵極性對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響，具有結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)觀念。然而，對(duì)于“PCB的制備及其廢液處理”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，學(xué)生尚缺乏從多角度分析不同價(jià)態(tài)銅元素互相轉(zhuǎn)化和處理方法的能力，缺少運(yùn)用化學(xué)原理設(shè)計(jì)符合社會(huì)需求的產(chǎn)品的項(xiàng)目實(shí)踐鍛煉。2項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)（1）通過(guò)觀看電路板結(jié)構(gòu)和發(fā)明史視頻，了解電路板組成及工作原理。聚焦課堂1精品課例圖1印刷電路板制備及廢液處理項(xiàng)目的確立（2）通過(guò)電路板制作、小組合作開展電路板功能檢測(cè)與問(wèn)題排查，初步學(xué)會(huì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能，提升解決實(shí)際問(wèn)題以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。（3）通過(guò)銅電路形成原理的分析、尋找蝕刻液和設(shè)計(jì)處理廢液方案的實(shí)踐，形成相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)識(shí)思路，建立變化觀、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、綠色經(jīng)濟(jì)理念等化學(xué)觀念。3項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程本項(xiàng)目遵循“理論探究-實(shí)踐制作-廢液處理-產(chǎn)品展示\"的思路，分4課時(shí)完成，包含三個(gè)板塊：探究印刷電路板制備原理，電路板的制備及應(yīng)用，處理蝕刻廢液與展示回收后的產(chǎn)品，具體任務(wù)及流程如表1所示。表1項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程續(xù)表4項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程及學(xué)生學(xué)習(xí)成果[項(xiàng)目引導(dǎo)]PCB廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療等領(lǐng)域，是電氣元件之間的連接平臺(tái)。電路板是如何生產(chǎn)的？又是如何連接復(fù)雜電路系統(tǒng)的？4.1探究PCB制備原理4.1.1任務(wù)1：認(rèn)識(shí)電路板結(jié)構(gòu)[教師提問(wèn)]請(qǐng)同學(xué)們觀察桌上的電路板，結(jié)合視頻分析其結(jié)構(gòu)組成？展示視頻：一個(gè)視頻讓你弄懂PCB中常見(jiàn)的概念。[學(xué)生觀察并闡述]電路板的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括基材、導(dǎo)電層、阻焊層等，表面布置有焊盤、孔、信號(hào)線及各類電氣元件（圖2）。[教師追問(wèn)]多層電路板是如何實(shí)現(xiàn)多電路組合的？［學(xué)生觀察總結(jié)]PCB由頂層、底層和內(nèi)層銅箔堆疊而成，各層之間以絕緣材料分隔，多層通過(guò)埋孔、過(guò)孔、盲孔連接成導(dǎo)電網(wǎng)，支撐并連接電氣元件（圖3）。[教師追問(wèn)]電路板不同層的功能是什么？實(shí)現(xiàn)這些功能的材料有哪些？[學(xué)生回答]頂層和底層負(fù)責(zé)導(dǎo)電，孔連接不同層，焊點(diǎn)用于連接電氣元件與電路板。導(dǎo)電功能由銅、錫等金屬材料完成，支撐功能由有機(jī)絕緣板完成。4.1.2任務(wù)2：探究銅電路形成原理[教師]大家說(shuō)得對(duì)，電路板由基板、銅箔、絕緣層、焊接材料等組成，包含有機(jī)高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、金屬材料、復(fù)合材料等。請(qǐng)同學(xué)們觀看視頻總結(jié)銅電路形成原理。播放視頻：（1）印刷電路板，真的是天才想法嗎？（2）3D動(dòng)畫解密電路板的完整制造流程與制造工藝。圖4酸性蝕刻法制備電路板工藝[6][學(xué)生觀看并闡述]電路板的制作原理是通過(guò)蝕刻液去除不需要的銅，留下被膜覆蓋的銅電路（圖4）。[教師追問(wèn)]依據(jù)刻蝕原理，蝕刻液應(yīng)滿足哪些要求？[學(xué)生回答]蝕刻液需與銅反應(yīng)，但不能與基板及覆膜材料反應(yīng)，產(chǎn)物應(yīng)易于去除且不影響電路板性能。4.1.3任務(wù)3：尋找合適的蝕刻液[教師追問(wèn)]請(qǐng)同學(xué)們回顧學(xué)過(guò)的除銅方法，哪些方法適合去除覆銅板上的銅？[學(xué)生總結(jié)回答]見(jiàn)表2。表2除銅方法總結(jié)[師生點(diǎn)評(píng)]綜上，除銅需綜合考慮氧化劑的選用，可從通性或特性設(shè)計(jì)銅的轉(zhuǎn)化，實(shí)際生產(chǎn)中曾用FeCl3溶液蝕刻除銅。蝕刻液有傳統(tǒng)、酸性、堿性等類型，歷經(jīng)變遷，大致分為如表3所示的幾種[7]表3蝕刻液的主要類型上述蝕刻液各有優(yōu)劣，鹽酸-三氯化鐵操作簡(jiǎn)便成本低，但污染嚴(yán)重且難再生；硫酸-過(guò)硫酸銨（或鉻酸、雙氧水）型因刻蝕慢與污染嚴(yán)重已被淘汰;鹽酸-雙氧等因素。4.2電路板制備及應(yīng)用4.2.1任務(wù)4：簡(jiǎn)單電路板制備[教師]請(qǐng)各小組討論，選擇合適的試劑制備電路板并記錄現(xiàn)象。器材：電腦、打印機(jī)、電熨斗、電鉆、燒杯、覆銅板、FeCl3

、鹽酸、過(guò)氧化氫、藍(lán)/綠色環(huán)保蝕刻液（主要成分：過(guò)硫酸鈉和硫酸銅）油紙等。[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]步驟如下：（1）將電路圖打印到油紙上；（2）進(jìn)行熱轉(zhuǎn)印，先擦凈覆銅板，覆上油紙后用電熨斗加熱熨燙，然后撕去油紙。如果轉(zhuǎn)印不完全，可用油筆填補(bǔ)；（3）按蝕刻劑說(shuō)明進(jìn)行蝕刻，取出覆銅板后用細(xì)砂紙擦去墨粉；（4）在已腐蝕的覆銅板上打孔并裁去多余板邊。4.2.2任務(wù)5：組合音樂(lè)播放小套件[教師]電路板制作已完成，請(qǐng)通過(guò)組裝音樂(lè)播放套件檢測(cè)質(zhì)量。器材：電阻、三極管9013、無(wú)源蜂鳴器、音樂(lè)ICBJ1552、3V紐扣電池、電烙鐵等。[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]組裝元件，焊接，連電池，展示成果[教師]多組成功播放音樂(lè)，但部分小組未成功，請(qǐng)思考原因。[學(xué)生總結(jié)]見(jiàn)表4。表4音樂(lè)播放小套件播放失敗的可能原因［教師總結(jié)]我們制作了電路板并組裝了音樂(lè)播放套件。當(dāng)今PCB的技術(shù)已經(jīng)很成熟，可生產(chǎn)32層微型電路板，大家可以借鑒、探索，組裝出屬于自己的“小電器”。4.3處理蝕刻廢液與展示回收后的產(chǎn)品4.3.1任務(wù)6：設(shè)計(jì)廢液處理方案[教師提問(wèn)]電路板制備會(huì)產(chǎn)生各種廢物，如蝕刻銅板后的廢液屬于危險(xiǎn)品，不能隨意處置。請(qǐng)各小組結(jié)合使用的蝕刻液，思考廢液的主要成分是什么？[學(xué)生回答]討論并總結(jié)見(jiàn)表5。表5蝕刻廢液的主要成分［教師提問(wèn)]從環(huán)保與綠色經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，應(yīng)除去Cu2+

、Fe2+

和Π?

并回收有價(jià)值產(chǎn)品。如何除去上述金屬離子，可以從哪些視角思考？[學(xué)生回答]可以從價(jià)-類二維圖的角度思考，鐵元素和銅元素的價(jià)-類二維圖見(jiàn)圖5。要使Cu2+

和Fe2+

從溶液中分離，可將其轉(zhuǎn)化為單質(zhì)、氧化物、氫氧化物或鹽，因而可采用電化學(xué)法、沉淀法、蒸發(fā)結(jié)晶等方法。圖5鐵元素和銅元素價(jià)-類二維圖[教師]請(qǐng)各小組根據(jù)廢液成分和價(jià)-類二維圖設(shè)計(jì)廢液處理方案，并交流討論方案的優(yōu)缺點(diǎn)。[小組設(shè)計(jì)]方案1：小組1用氯化鐵蝕刻液，設(shè)計(jì)回收制備硫酸銅和氯化鐵的方案，處理流程見(jiàn)圖6[9]其他小組采用鹽酸-雙氧水型或藍(lán)/綠環(huán)保蝕刻液，主要設(shè)計(jì)銅離子的處理方案，具體如下。方案2：電解法回收制備金屬銅。方案3：加入銅粉或亞硫酸鈉作為還原劑，回收制備氯化亞銅，處理流程見(jiàn)圖7。圖11CuC1與NaOH制備CuO[11]方案6：回收制備氫氧化銅，處理流程見(jiàn)圖10。液沉應(yīng)分南干燥氧[小組討論]總結(jié)上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表6。表6廢液處理方案優(yōu)缺點(diǎn)續(xù)表[師生總結(jié)]上述方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，可能存在操作難度、純度或成本問(wèn)題。廢液處理需要分析成分，選擇綠色方法去除高危成分，注重回收，同時(shí)考慮工藝成本?，F(xiàn)今技術(shù)成熟已可回收納米氧化銅。4.3.2任務(wù)7：處理廢液[教師]資料卡片：表面活性劑助酸性蝕刻廢液回收納米氧化銅。表面活性劑是清潔劑、乳化劑和泡沫劑的核心成分，在納米材料的制備中具有重要作用。它能夠調(diào)控納米粒子的形態(tài)、尺寸和分散性，通過(guò)降低表面張力，幫助納米粒子在溶劑中均勻分散，防正聚集。在電路板廢液處理中，表面活性劑可用于制備納米氧化銅。原理如下：堿性環(huán)境下，Cu2+

先與OH-

反應(yīng)形成CuO的前聚物Cu（0H）42-

，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Cu（0H）42-

濃度升高，形成藍(lán)色Cu（OH）2

沉淀。Cu（OH）2

沉淀是一種波紋片狀結(jié)構(gòu)，層與層之間靠氫鍵連接[10]溫度升高會(huì)促使連接層面的氫鍵斷裂，脫水速率加快，Cu（OH）2

轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺頒uO（圖11）。采用化學(xué)沉淀法制備cuO，反應(yīng)初期，種晶成核速率快，易發(fā)生團(tuán)聚，添加表面活性劑可改善制備的CuO樣品的團(tuán)聚現(xiàn)象[12]。不同表面活性劑可以通過(guò)修飾粒子表面、提供靜電排斥和空間位阻等作用，顯著提高CuO納米顆粒的分散性，抑制團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)而改善納米材料的性能。請(qǐng)思考表面活性劑為何能起到上述作用？[學(xué)生回答]表面活性劑通過(guò)改變廢液表面/界面性質(zhì)起作用，因其由親水和疏水基團(tuán)組成，加入液體后會(huì)自發(fā)聚集在表面或界面，降低表面或界面張力，進(jìn)而提升其他物質(zhì)的溶解性、分散性、濕潤(rùn)性等功能。[教師]說(shuō)的很好。請(qǐng)結(jié)合上述原理，請(qǐng)各小組用方案1、方案5和方案6處理廢液。試劑：氫氧化鈉、十二烷基二甲基胺乙內(nèi)酯、氧化鈣、鹽酸、硫酸等。器材：漏斗、濾紙、烘箱、酒精燈、蒸發(fā)血、電池、U形管、石墨電極等。[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]處理廢液并回收相關(guān)產(chǎn)物。4.3.3任務(wù)8：展示產(chǎn)品［小組展示]見(jiàn)圖12。圖12廢液回收產(chǎn)品展示[教師]請(qǐng)查閱資料討論所回收產(chǎn)品的價(jià)值和用途（見(jiàn)表7）。表7各產(chǎn)品說(shuō)明[師生歸納]由此可見(jiàn)，不同產(chǎn)品價(jià)格不同，在不同領(lǐng)域都有獨(dú)特用途，可以根據(jù)需求，回收不同產(chǎn)品，[回顧與總結(jié)]總結(jié)項(xiàng)目完成的過(guò)程，提出對(duì)PCB相關(guān)研究的展望。5項(xiàng)目教學(xué)效果與反思（1）通過(guò)本項(xiàng)目的教學(xué)學(xué)生不僅掌握了物理、化學(xué)和環(huán)保等相關(guān)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，還能應(yīng)用于解決陌生情境中的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科知識(shí)的結(jié)構(gòu)化。（2）在蝕刻液選擇和廢液處理的合作實(shí)踐中，形成了解決相關(guān)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)思路，構(gòu)建了“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”“可持續(xù)發(fā)展”等化學(xué)觀念，培養(yǎng)從多種視角解決問(wèn)題和協(xié)作的能力。（3）在各環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)和產(chǎn)品展示中，認(rèn)識(shí)到理論和實(shí)際生產(chǎn)的差異，學(xué)會(huì)從實(shí)際情況辯證認(rèn)識(shí)不同化學(xué)產(chǎn)品的價(jià)值。值得反思之處：（1）在項(xiàng)目準(zhǔn)備階段，應(yīng)讓學(xué)生查閱相關(guān)資料，尤其要提前熟悉PCB結(jié)構(gòu)、銅電路形成原理等相關(guān)知識(shí)。（2）在蝕刻液選擇的任務(wù)中，要引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)理論和實(shí)際生產(chǎn)兩個(gè)方面分析不同蝕刻液的