創新思維理念指導下的無機化學實驗教學改革

楊惠芳, 董維超, 任書霞, 郭獻章

(1. 石家莊鐵道大學 教務處, 河北 石家莊 050043； 2. 河北科技大學 電氣工程學院,河北 石家莊 050018； 3.石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院,河北 石家莊 050043；4. 東北大學秦皇島分校 實驗教育中心, 河北 秦皇島 066004)

我們生活在一個高度依賴創新的世界[1]。習近平總書記在談到什么是影響中國長遠未來的關鍵因素時說：“創新、創新、再創新”。黨的十九大報告在提到教育時也強調,“加強國家創新體系建設,強化戰略科技力量”[2]。在這樣的背景下,高校教育中的每一個環節,既應注重教育模式、教育內容的改革創新,也應注重在教學實現過程及其他培訓培養過程中對學生創新理論與創新實踐能力的培養與鍛煉[3]。“無機化學”是很多高校材料學專業新生入學后接觸到的第一門必修課,也是材料學科的重要基礎課。無機化學實驗,是相關專業學生培養計劃中必不可少的一環,是“無機化學”課程的重要組成部分,是培養學生實驗技能以及分析問題、解決問題能力的重要手段。但由于無機化學學科本身性質的特殊性,進行無機化學實驗的同時不可避免地伴隨著氣體、液體或固體廢棄物的生成,這些廢棄物若不妥善處理,必將嚴重污染實驗室環境,進而對整個社會環境都會產生嚴重破壞,這就造成了“實驗多、污染多”的矛盾。針對這一矛盾,運用“微創新”中關于“假矛盾”[4]的理論,不但能很好地解決污染問題,還可把污染解決過程變成讓學生注重環保的一個很好的實踐課。在這一過程中,把綠色化學理念融合到化學實驗教學中[5],使師生既提高了環保意識,又運用創新原理進行了創新實踐鍛煉,提高了綜合創新能力。

1 “微創新”中的“假矛盾”理論

在《微創新：5種微小改變創造偉大產品》一書中,作者把“矛盾”的類型分為“真矛盾”與“假矛盾”[4]。“真矛盾”是指形式邏輯中的矛盾,“它意味著失敗,但在真正的知識進步中,矛盾是通往成功的第一步”(阿爾弗雷德·諾斯·懷特海)。而我們生活中遇到的所謂矛盾,都是在錯誤假設上所形成的“假矛盾”,也就是說兩個命題之間的聯接,是靠不住的“弱聯接”,或者是把在某種特定時間與場景下的真矛盾無限擴大化了。這類矛盾的解決,就是要找到矛盾中兩個命題間的“弱聯接”，并進行研究與探討,運用創新思維進行分析與推理,這樣問題往往會得到順利解決,還有可能變不利為有利。

在這些矛盾的解決過程中,我們可以主動應用“微創新”中的系統創新策略。它的系統創新理論包含兩大原則、五大策略、一個主線。

兩大原則分別指“框架內思考”原則與“形式為先,功能次之”原則,前者要求我們在自己熟知的領域內尋找問題的解決辦法,后者則要求我們改變慣有的思維模式,先把問題的各部分(部件)進行各種形式的分解,然后再對重要部件進行刪除、復制、重新組合的操作,或者發現某部件的新特性,或者為某個部件增加另外的任務。這些操作分別稱為減法策略、乘法策略、除法策略、屬性依存策略、任務統籌策略,即五大策略。進行這些操作后對所形成的每一個新“產品”進行分析,找出它所具有的新特點與新用途,并進一步探討它的潛在用戶是誰。通過這樣的創新過程,一個新產品或新思路或許就會應運而生,并帶來意想不到的成功。一個主線是指把“矛盾作為創新路上的燈塔”,通過分析矛盾的兩個命題之間的“弱聯接”,運用以上的一種或幾種創新策略,在“框架內思考”,最后解決問題。

無機化學實驗中的“三廢”問題的解決,是上述“假矛盾”理論的應用范例,不過是從“自發”狀態演變為“自覺”狀態了。所謂“自發”狀態是指我們在解決化學實驗的“三廢”問題時,實際上已經應用了創新理論中的某些論斷,但是并不知道這個理論的存在。而當我們系統地掌握了這些有效的創新理論時,把新問題放到創新理論系統中,進行分析與處理,最后解決問題。方法可能是創新的,但原理的運用卻在我們的掌控之中。比如,對于“三廢”中的廢氣,有時被定義為“有毒有害”氣體,這實際上是“微創新”理論中所謂的“假矛盾”,因為只有當某種氣體接觸了某種其不應接觸的對象時,才是“有毒有害”的。因此問題的關鍵不是“有毒有害”,而是這個“弱聯接”被無限擴大化了。對于類似的問題,下文將一一進行分析。

2 運用“假矛盾”理論來處理無機化學中的“三廢”問題

2.1 無機化學實驗中污染物的處理現狀

以某校無機化學實驗室為例,讓師生把目前實驗污染的現狀(也即“假矛盾”)列舉出來。他們經過分析并采取“打包”式的描述如下。

無機化學實驗包括：化學反應速率和化學平衡、離解平衡、沉淀反應、氯化鈉提純、氧化還原反應、配合物形成時性質的改變、混合離子的鑒別、分離等,這些實驗教學內容中“三廢”的存在貫穿始終。

(1) 污染性氣體排放的處理現狀。無機化學實驗中產生的污染性氣體,主要為一些氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物、氯氣、氨氣和其他非金屬氫化物等。目前的處理方法是,有毒有害氣體在通風櫥內操作,通過排風扇排出室外,在可能的情況下最大限度地降低實驗室空氣污染程度,使實驗人員對有毒有害氣體吸入量達到最低。但是這種處理方法使有毒有害氣體進入到了實驗室周圍的環境中,在開設實驗班級較多、實驗量相對較大情況下,在實驗室周圍就會形成一個污染區,對大氣環境的影響也不容忽視。

(2) 液體污染物的處理現狀。對于一些觀念上認為是無毒或低毒的物質,如氯化鈉、碳酸鉀、酸類、堿類等都被認為是可直接降解為無毒物質的。目前,實驗室對這些物質不作任何處理,直接倒入水池,排入下水道。但由于很多下水道直接與河道相連,這種操作將污染地表水及地下水資源,若與城市垃圾一起處理,又會產生土地污染問題。實驗室對Cu、Pb、Ni、Ag、Zn等重金屬及其化合物只注重回收,不注重處理,實驗完成以后長期存放在實驗室。這不僅污染實驗室,也不利于實驗操作人員的身體健康。對于毒性較大的如汞及其化合物、鉻(Ⅵ)及其化合物,基本采取回避政策,能不用則不用。雖然這樣做比較安全,但是學生無法親自進行相關實驗,沒有基本的感性認識,不利于知識的掌握和能力的培養。

(3) 固體廢棄物的處理現狀。實驗室固體廢棄物主要包括一些實驗過程中破損的玻璃器皿、使用過的濾紙、火柴梗等,這些物質雖然數量不多,但是直接倒入垃圾通道,進入城市垃圾系統,也會間接影響生活環境,對人體健康產生危害。“打包”式描述,最容易掩蓋矛盾之間的“弱聯接”,同時也會造成人們的主觀臆想,給矛盾的解決造成障礙。因此,可以引導師生先運用“形式優先,功能次之”的原理,把所述的問題全部“拆解”,然后運用“五種策略”,尋求在“框架之內”的問題解決途徑,以求獲取更佳解決辦法。

2.2 運用創新策略,對“三廢”問題各個擊破

2.2.1 用“創新視角”對實驗“三廢”污染處理過程的再認識

按照以往的觀點,無機化學實驗中反應產物的處理過程,就是教學過程中的負作用,是完全有害無益的過程。但用“屬性依存”策略來分析,對這一有害過程,使用創新的理論與方法進行無害化處理的過程,正是在實踐中對學生進行創新實踐教育、綠色環保教育的過程。所以，這個教育過程既是化學實驗的環保教育過程,也是創新能力的養成教育過程,應該高度重視。要把這種教育的“自發性”,變成創新及環保教育的“自覺性”。

2.2.2 創新策略在有毒氣體的無害化處理中的應用

“有毒有害氣體”這一判句本身是一個“假矛盾”,因為只有當這種“氣體”散發到不該散發到的地方,接觸了不該接觸到的人或物,才是真的“有毒有害”。把“有毒有害”與“氣體”之間的“弱聯接”打破了,這種命題就不復存在了。具體的做法為,對產生有毒有害氣體的實驗,盡可能放在密閉的容器中進行,將實驗中產生的有毒有害氣體收集、統一處理。處理的方式主要有以下三種[6]：

(1) 吸附：在通風櫥內及氣體出口處添加吸附性物質,將有害物質吸附在固體表面,避免有毒有害氣體直接進入空氣中。

(2) 轉化：對于CO氣體,通過氧化燃燒生成CO2排出。

(3) 吸收：對于SO2、Cl2、H2S、NO、NO2等氣體, 可以用NaOH溶液加以吸收(氣體產物可直接通入NaOH溶液或用浸有NaOH溶液的棉花球吸附),使之轉化為無毒的物質。

2.2.3 創新策略在液體廢棄物的環保綠色處理中的應用

廢液是無機化學實驗的“三廢”中最主要的部分,其中可能含有酸堿、重金屬離子及其化合物。這些液體廢棄物必須科學處理,才能使我們的生存環境得到有效保護。在處理過程中,針對不同的實驗,采取不同的創新策略,使問題均得到有效解決。

2.2.3.1 采用除法策略,合理組合,優化實驗內容

一般工科院校中,無機化學實驗都包含沉淀實驗和配合物性質實驗兩類。沉淀實驗中有銀離子與鹵離子的反應,不可避免地會產生AgCl、AgBr、AgI重金屬沉淀廢棄物。這些廢棄物的存在會對環境產生影響。配合物性質實驗需要先生成AgCl、AgBr、AgI沉淀,再加入配位劑NH3?H2O、Na2S2O3、KI,使其生成配合物,觀察沉淀溶解過程,同樣有相關Ag+及其沉淀和配合物的殘液生成。

在常規實驗過程中,沉淀反應實驗與配合物性質實驗是分別進行的,兩個實驗產生兩次污染廢棄物。

針對以上問題,采取“微創新”中的除法策略,把以上兩個實驗過程中的各個步驟先分開來,然后進行組合,優化實驗內容,如圖1所示。

圖1 沉淀反應與配合物實驗的優化組合

通過“除法策略”的運用,將沉淀實驗和配合物性質實驗通過優化組合予以改進,學生既可清楚地觀察到沉淀的每一步生成過程、溶度積對沉淀的影響、沉淀的轉化,以及配合物形成和配合平衡與沉淀平衡的轉化,同時簡化了實驗步驟,減少了試劑用量,使廢液污染量大大降低。

2.2.3.2 運用“屬性依存”與“減法策略”,對反應物科學處理、重復使用

實驗生成物,既是“廢棄物”,也是有再利用價值的“材料”。通過仔細分析,發現很多實驗中的化學成份都有“多面”屬性,這就為“屬性依存策略”的應用提供了很好的場景。

在沉淀生成實驗中的Pb2+性質實驗,所生成的PbI2、PbS、PbCrO4毒性較大,不能直接排入下水道,是必須處理的重金屬殘液。

對于溶度積較大的PbI2,可先轉化為PbS,再與PbS一起處理。

對于收集完成后的PbS,可摻入HNO3溶液,通過兩者之間的如下反應過程除去： 3PbS+8HNO3=3S+3Pb(NO3)2+2NO(氣體)+4H2O。其中,Pb2+溶液可以重復利用,污染性氣體NO在空氣中就很容易氧化為NO2,再用氫氧化鈉溶液吸收。

對于收集完成后的PbCrO4,可摻入NaOH溶液,通過兩者之間的如下反應除去：PbCrO4+ 2NaOH = Pb(OH)2(沉淀)+Na2CrO4。其中,對于Na2CrO4物質,通過調整pH值配置鉻酸洗液,用于實驗室玻璃器皿的洗滌,Pb(OH)2沉淀提取后，可用硝酸或醋酸溶解,生成的Pb2+可用于沉淀反應重復使用。

以上解決方法,都是應用反應生成物的不同“屬性”,變廢為寶,重復利用。

2.2.3.3 運用“保留型除法策略”,推廣微型實驗,最大限度地降低殘液量

“保留型除法策略”[4]是指縮小原產品,但依然保留原產品的功能與特性,卻能為用戶帶來不一樣的體驗,就像用U盤代替移動硬盤。而在我們的化學實驗中,微型實驗[10]就具備這一優良特性。

微型化學實驗[10]是指用微小量的化學試劑在微型化學儀器裝置中進行的化學實驗。雖然它的化學試劑用量一般只為常規實驗用量的幾十分之一乃至幾千分之一, 但其實驗效果卻可以達到準確、明顯、安全、方便和防止環境污染等目的。微型實驗適用于一些毒性較大、藥品昂貴、消耗量大、污染嚴重、操作復雜的化學實驗。如硫化汞的生成和溶解,此實驗中Hg2+化合物及其沉淀、配合物的毒性極大,若改成微型實驗,或將實驗容器由試管改為在點滴板上進行,既可大大減少毒性試劑用量,將污染程度降到最低,又能讓學生親自動手進行實驗,加深印象,有利于他們更好地了解物質的性質。

2.2.3.4 多媒體模擬實驗是“減法策略”的典型應用[11]

“減法策略”是“微創新”理念體系中的重中之重,它是指把一個產品中的核心部件去掉,不找替代物,或從框架內找一個替代物,從而生成一個新的產品,而這一新產品卻具有特殊的用途,能達到意想不到的效果。在實驗教學中減去“實驗”,還能達到實驗的效果,卻沒有了實驗所帶來的負面影響與產物。這就是現在多媒體教學的應用,包括數值模擬實驗的應用和VR視頻技術的應用等。

現代多媒體教學手段生動傳神,其特有的動畫、視頻效果能形象直觀地展示實驗內容,全方位、立體化地說明每一個實驗結果,對于毒性大、耗時長的實驗尤其適合。比如在氧化還原反應中氧化劑濃度對反應速率的影響實驗,用不同濃度的Pb(NO3)2溶液在HAc溶液的存在下加入Na2SiO3,觀察“鉛樹”生長的速率,從而驗證反應物濃度與反應速率的關系。在此過程中,不僅要使用重金屬Pb2+進行實驗,存在污染問題,而且“鉛樹”生長極其緩慢,通常需要十幾個小時才能完成。若教師將此實驗過程制作成多媒體實驗錄像,不僅能將實驗過程、實驗現象、實驗中要注意的內容生動傳神地展示出來,而且能降低實驗成本，實現環保綠色,多媒體的視頻、音頻效果還能大大提高學生的學習興趣。

2.2.4 固體廢棄物的綠色化處理是“假矛盾”處理的典型

固體廢棄物雖然量小、影響小,但直接丟棄也會污染環境,而全由學校實驗室直接進行處理,則會產生很高的費用。運用框架內思維對矛盾進行分析,發現去掉矛盾的定語“學校實驗室自己處理”,則問題就好解決了,因為專業公司具有規模效應,可把收集來的重金屬等在國家規范允許的范圍內進行處理或變廢為寶。

目前處理無機實驗中產生的固體廢棄物的主要做法是分類存放,破損的玻璃器皿、使用過的濾紙等，要根據不同的實驗內容用化學的方法洗滌，去除重金屬及有毒物質,或交由專業處理企業進行進一步處理。

3 結語

化學工業的發展的確給我們的生活帶來了極大的方便與舒適。徐光憲院士說過：“化學是不斷發明和制造對人類更有用的新物質的科學。化學科學是現代科學技術發展的重要基礎學科。”但是化學品的污染同樣也對我們的生存和健康帶來了極大的隱患,甚至有些已經產生了極大的危害。在當前環境問題日益嚴重的境況下,化學污染與環境保護已引起了人們的廣泛關注,探討和推行實驗綠色化已成為高校化學實驗教學改革的必然趨勢,勢在必行。無機化學實驗教學與實驗污染這一對矛盾的解決,有著重要的現實意義與理論探討價值。因此,在保障化學實驗教學效果的前提下,運用創新理論與方法,針對不同的實驗中所呈現出的問題,一一克服,減少實驗污染,實現無機化學實驗課程的科學化、綠色化,提高學生的環保責任意識,增強創新理論水平與實踐能力。這樣的教學模式具有一定的推廣參考價值。

“大眾創業,萬眾創新”,已經成為時代的共識。創新已經與大眾生活密不可分。作為大學教育的參與者、親歷者,教師應該走在創新的第一線,把自己的課堂教學和實驗教學變成學生學習創新理論和進行創新實踐的場所。結合實驗教學,搞好創新教育,既在實驗中達到專業培養目標,又實現實驗教學內容與形式的改進與優化,師生的創新能力與熱情也得到提升。