無機化學(xué)實驗教學(xué)改革中的“綠色化”實踐*

冶杰慧，王　威，紀(jì)利春，郭俊文

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010051)

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無機化學(xué)實驗教學(xué)改革中的“綠色化”實踐*

冶杰慧，王威，紀(jì)利春，郭俊文

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

依據(jù)化學(xué)實驗“綠色化”設(shè)計的原則，就如何實現(xiàn)無機化學(xué)實驗的“綠色化”改革，結(jié)合我院實際教學(xué)經(jīng)驗進行了初步的實踐探索。通過尋找可以替代的試劑藥品；開展微型化實驗；發(fā)展多個實驗的聯(lián)合；開發(fā)仿真實驗等方法實現(xiàn)無機化學(xué)實驗的綠色化實踐。取得了良好的效果，有效地降低了環(huán)境污染，而且建立并強化了學(xué)生的環(huán)保意識和實驗的“綠色化”意識，提高了學(xué)生節(jié)能減排的責(zé)任感，也激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣和創(chuàng)新實驗?zāi)芰Α?/p>

無機化學(xué)實驗；綠色化學(xué)；教學(xué)改革

“綠色化學(xué)”是一種以保護環(huán)境為目標(biāo)來設(shè)計、生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品的一門新興學(xué)科，是一門從源頭上阻止污染的化學(xué)。化學(xué)實驗的“綠色化”設(shè)計要遵循5R原則[1]：拒用(rejection)；減量(reduction)；循環(huán)利用(reusing)；回收(recycling)；再生(regeneration)。自 1995 年清華大學(xué)化學(xué)系宋心琦教授提出加強“綠色化”學(xué)教育的重要性以來，“綠色化”學(xué)已成為各高校化學(xué)工作者教學(xué)研究的重點[2-4]。

無機化學(xué)是化學(xué)和化工類專業(yè)學(xué)生進入大學(xué)所開設(shè)的第一門化學(xué)基礎(chǔ)課程，作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，無機化學(xué)實驗的重要性是舉足輕重的。無機化學(xué)實驗是我院為應(yīng)用化學(xué)、化工工藝、生物、食品、制藥、安全、冶金、環(huán)工、環(huán)科等專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門重要的基礎(chǔ)實踐課。無機化學(xué)實驗課程既可以讓學(xué)生掌握基本的實驗操作技能，又可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力以及創(chuàng)新意識，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的實踐科學(xué)素質(zhì)。但是我院以往的無機化學(xué)實驗藥品的種類和用量都比較大，實驗過程中產(chǎn)生的“三廢”對環(huán)境也存在較大的隱患，基于這一矛盾，無機化學(xué)實驗教學(xué)改革中的“綠色化”探索勢在必行，我院結(jié)合多年實踐經(jīng)驗總結(jié)，通過教師們的座談、探討以及借鑒兄弟院校的實踐經(jīng)驗，無機化學(xué)實驗教學(xué)做了如下“綠色化”實踐。

1　從思想上培養(yǎng)學(xué)生的“綠色化”意識

在實驗教學(xué)過程中，將環(huán)境保護的知識與實驗教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系起來，使學(xué)生在把握實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容的同時也考慮到保護環(huán)境的必要性，明確化學(xué)和環(huán)境密不可分的關(guān)系，逐步培養(yǎng)學(xué)生們的環(huán)保意識。比如：我院利用網(wǎng)絡(luò)多媒體制作了實驗室安全環(huán)保題庫，上傳了系列實驗安全、環(huán)保、常見實驗污染物處理、實驗事故防范與應(yīng)急處理等方面的基礎(chǔ)知識和一些國內(nèi)外案例，圖文并茂的展現(xiàn)在學(xué)生面前，從2013級學(xué)生開始，只有實驗室安全環(huán)保測試通過才能獲得做化學(xué)實驗的資格。另外，教師在講述實驗過程中也滲透“綠色化”學(xué)的理念，傳播試劑用量過猶不及的道理，示范實驗做到規(guī)范、準(zhǔn)確，以身作則、言傳身教，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察實驗現(xiàn)象，如實做好實驗記錄，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灳窈涂茖W(xué)的實驗素養(yǎng)。實驗完畢，指導(dǎo)學(xué)生將廢液集中放置處理，不要隨意亂倒，清潔好所有儀器工具，養(yǎng)成整潔的實驗習(xí)慣。

2　科學(xué)設(shè)計實驗，優(yōu)化實驗項目，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)實驗的“綠色化”

2.1重新設(shè)計無機化學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容

2.2化學(xué)實驗微型化

微型化學(xué)實驗是一種新的具有綠色化學(xué)理念的實驗方法[5-6]，將傳統(tǒng)的化學(xué)實驗在微型的化學(xué)儀器裝置中進行，用較少的藥品和試劑進行實驗以達到應(yīng)有的實驗?zāi)康暮托Ч粌H節(jié)省了實驗時間而且很大程度上增加了化學(xué)實驗的安全性，微型化學(xué)實驗是當(dāng)今化學(xué)實驗教學(xué)改革中一種極具創(chuàng)新性的變革。

依據(jù)這一理念，我們在盡量開設(shè)小量、半微量的實驗內(nèi)容。實驗盡可能用點滴板、小試管以及表面皿等器具，點滴化完成實驗內(nèi)容。這樣的處理既減少了試劑藥品的使用量，節(jié)約了實驗成本，又降低了廢棄物的排放，一定程度的控制了化學(xué)污染的發(fā)生。但是，并不是所有實驗都適合微量化處理的，比如一些顏色變化的實驗，溶液的顏色不鮮明時微量化后溶液顏色的細(xì)微變化是很難捕捉到的。另外，微型實驗教學(xué)效果主要強調(diào)的是化學(xué)試劑用量少以及實驗裝置的微型化，因此對于學(xué)生基本操作、基本技能的訓(xùn)練實驗不適合微型化改革。所以在教學(xué)中，需根據(jù)實驗的內(nèi)容、目的、實驗現(xiàn)象和定量要求等進行合理化調(diào)整，常規(guī)實驗和微型實驗相結(jié)合，取長補短，才會發(fā)揮更好的教學(xué)效果。

2.3優(yōu)化實驗方案，實現(xiàn)多個實驗聯(lián)合完成

多個實驗聯(lián)合進行是指通過合理調(diào)整實驗教學(xué)計劃，巧妙地安排實驗項目和順序，充分地利用反應(yīng)之間的相關(guān)性，盡可能地使前一個反應(yīng)的產(chǎn)物恰好能成為下一個實驗所需的反應(yīng)原料，從而實現(xiàn)多個實驗的有機結(jié)合。這也是實現(xiàn)無機化學(xué)實驗“綠色化”的一個重要方法，它可以在一定程度上減輕了對環(huán)境的污染，有利于環(huán)境保護[7-9]。

比如我們傳統(tǒng)硫酸亞鐵銨的制備實驗項目現(xiàn)在已被改造成多重目的的大型綜合性實驗。該實驗的原料通常是用機械加工行業(yè)產(chǎn)生的廢棄物鐵屑，經(jīng)過系列反應(yīng)后得到有用的摩爾鹽晶體，所以從環(huán)保角度上來說這屬于變廢為寶的環(huán)保型實驗[10-11]。但由于以往我們的實驗裝置為燒杯，廢鐵屑中含有的硫、磷等雜質(zhì)和硫酸反應(yīng)時會生成H2S、H3P等有毒氣體，導(dǎo)致整個實驗室都彌漫著強烈的刺激性氣體，直接危害師生的身體健康，這不符合實驗綠色化的要求。我們實驗的第一步改進是：借鑒文獻方法，將生成硫酸亞鐵的步驟采用堿性吸收液吸收反應(yīng)中產(chǎn)生的H2S、H3P等有毒氣體，實現(xiàn)零排放。

其次，收集到的產(chǎn)品硫酸亞鐵銨后，我們設(shè)計了分析化學(xué)上金屬離子含量測定的實驗內(nèi)容，用KMnO4法測定Fe2+的含量。然后，因為產(chǎn)品硫酸亞鐵銨的純度不高用途受限，所以我們可以用它來還原重鉻酸鉀，即設(shè)計出鉻元素的性質(zhì)實驗。還原后的溶液中含有 Fe3+及 Cr3+。再依據(jù)二者氫氧化物的溶度積相差較大的理論，繼而再設(shè)計驗證分步沉淀的內(nèi)容，即逐滴加入NaOH溶液先生成棕色的Fe(OH)3沉淀，離心分離后再滴加NaOH溶液又產(chǎn)生灰綠色Cr(OH)3沉淀，既驗證了分步沉淀的現(xiàn)象又達到了分離兩種離子的目的。產(chǎn)生的兩種沉淀，分別酸化后還可以用做兩種離子鑒定實驗的原料，完成鑒定實驗的目的。這樣的設(shè)計，有效地實現(xiàn)了六個實驗項目的巧妙銜接，實踐證明，它不但節(jié)省了單次實驗的準(zhǔn)備時間、原料的使用量，而且，改進后的實驗大大減少了實驗廢棄物的排放量，實現(xiàn)無機化學(xué)實驗的綠色化實踐，也由于實驗各步串聯(lián)的導(dǎo)向作用激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，促進學(xué)生對物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系的了解。

2.4利用多媒體仿真開發(fā)虛擬實驗

大一新生有很多中學(xué)中并沒接觸過化學(xué)實驗，所以他們的第一次無機化學(xué)實驗課，我們就利用多媒體清晰、明了的讓同學(xué)們看到諸如燒杯、試管、錐形瓶、量筒、移液管、鐵架臺、酒精燈、漏斗、試劑瓶等等無機化學(xué)實驗的常用儀器和使用方法演示，然后再指導(dǎo)學(xué)生進行實物使用練習(xí)。

多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展使無機化學(xué)實驗仿真模擬教學(xué)的開發(fā)成為可能，我院已經(jīng)建設(shè)了虛擬化學(xué)實驗室平臺。模擬實驗是一種化學(xué)試劑和儀器裝置“零投入”和“廢棄物零排放”的特殊實驗方式[3,8,12]，可以避免傳統(tǒng)無機化學(xué)實驗所帶來的人體健康危害和環(huán)境污染問題，從而實現(xiàn)無機化學(xué)實驗的“綠色化”。這種教學(xué)課件是通過文字、聲音、圖像以及動畫模擬，對實驗的基礎(chǔ)原理、裝置、實驗過程以及實驗注意事項等等問題進行計算機演練，讓學(xué)生在計算機屏幕上就可順利完成整個實驗操作，達到掌握實驗?zāi)康牡慕K極目標(biāo)。

無機化學(xué)實驗會涉及很大一部分元素化合物性質(zhì)的實驗，這類實驗所需藥品種類繁多，廢棄物的組成復(fù)雜且排放量大，對環(huán)境的污染相對比較嚴(yán)重。而且做這部分實驗時，因為只是簡單地滴加、混合，學(xué)生覺得單調(diào)，沒意思，反應(yīng)又瞬間完成，印象不深刻，很難達到好的教學(xué)效果。這類實驗就可以憑借多媒體技術(shù)的優(yōu)勢，讓學(xué)生在計算機上模擬仿真完成實驗內(nèi)容。另外，涉及有重金屬污染物的實驗和實驗中會放出較多有毒氣體的實驗內(nèi)容，就不可避免地產(chǎn)生污染，還會存在不安全因素，所以這類實驗也完全可以采用計算機多媒體技術(shù)模擬完成。

例如水銀溫度計跌破后散落的水銀會導(dǎo)致中毒，學(xué)生模擬水銀溫度計跌破后散落水銀的場景，虛擬實踐灑硫磺處理的過程。另外，鉻配合物的制備實驗會出現(xiàn)有毒的重金屬污染物，所以我們將這個實驗設(shè)計成仿真實驗，學(xué)生自主模擬安裝實驗裝置、添加藥品進行反應(yīng)操作，實驗現(xiàn)象逼真、實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。這種動畫技術(shù)不但可以使學(xué)生有一種身臨其境的教學(xué)效果，將復(fù)雜的原理形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，而且自始至終沒有實際實驗藥品的使用，真正實現(xiàn)了化學(xué)實驗污染物的零排放、零污染。

3　實驗室廢棄物的處理

無機化學(xué)實驗結(jié)束后會產(chǎn)生大量的廢棄物，如果隨意排放，不僅會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，也會淡化學(xué)生的環(huán)保意識，養(yǎng)成不良的實驗習(xí)慣。因此，在實驗教學(xué)過程中，言傳身教，讓學(xué)生了解常見的實驗室廢棄物對環(huán)境的危害也是實踐實驗“綠色化”的重要舉措。

實驗室廢棄物的回收利用是實現(xiàn)無機化學(xué)實驗“綠色化”的最有效手段之一[13]。我們的串聯(lián)實驗改革，把實驗產(chǎn)品回收利用，作為下一個實驗項目的原料就是很好的實例。這樣的結(jié)果不但節(jié)約了實驗藥品，更主要的是減少了實驗廢棄物的排放量，將廢棄物對環(huán)境的污染降到最低，從而有效地實現(xiàn)了無機化學(xué)實驗的“綠色化”。

對于實驗室不能有效利用的實驗廢棄物，我們進行集中分類處理，盡可能將污染降到最低。實際上實驗室中的化學(xué)藥品種類繁多，因此處理起來也相當(dāng)麻煩。首先，對于廢液我們先經(jīng)過過濾、酸堿中和等方法處理達標(biāo)后才排放。另外，實驗產(chǎn)生的廢酸溶液有時我們也回收用作廁所的清潔劑。在實驗內(nèi)容設(shè)計上盡可能的回避或替換了有毒的重金屬離子，所以含有重金屬的廢液幾乎沒有。其次，對于有害的固體廢棄物進行無害化處理后收集在一起，每周進行一次深埋處理。總之，經(jīng)過回收利用、分類處理等一系列的物理和化學(xué)方法處理后，我們實驗室的廢棄物基本實現(xiàn)了“綠色化”處理。

4　結(jié)　語

實現(xiàn)無機化學(xué)實驗的“綠色化”改革是新時期教育教學(xué)發(fā)展的要求，在基礎(chǔ)無機化學(xué)實驗教學(xué)中將“綠色化”的理念推行下去，尋找可以替代的試劑；開展微型化實驗內(nèi)容；優(yōu)化實驗方案，實現(xiàn)多個實驗聯(lián)合完成；用多媒體技術(shù)手段實現(xiàn)模擬仿真實驗開發(fā)等，有效地降低了無機化學(xué)實驗對環(huán)境的污染，而且建立并強化了學(xué)生的環(huán)保意識和實驗的“綠色化”意識，提高了學(xué)生節(jié)能減排的責(zé)任感，也激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣和創(chuàng)新實驗?zāi)芰Α?/p>

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“Green” Practices in the Reform of Inorganic Chemistry Experiment Teaching*

YE Jie-hui, WANG Wei, JI Li-chun, GUO Jun-wen

(College of Chemical Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Inner Mongolia Hohhot 010051, China)

According the principle of “green” design about chemistry experiment, study on how to bring about a “green” reform of Inorganic Chemistry experiment was carried out in our college. Combined with the teaching experience, some measures on “green” practice of Inorganic Chemistry experiment were carried out, such as looking for substitute, practicing mini-experiment, developing series experiment and developing simulation experiment. These measures had achieved good effect, not only reduced the pollution of the environment but also established and strengthened the students′ consciousness of environmental protection and the experiment of “green”. Furthermore, the students′ sense of responsibility of energy conservation and emissions reduction was improved, and the students’ interest in experiment and the ability in innovative experiment were stimulated.

Inorganic Chemistry experiment; green chemistry; teaching reform

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教改項目(2015212)。

冶杰慧，女，副教授，主要從事無機化學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作。

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1001-9677(2016)014-0184-03