高中生綠色化學理念現狀的調查研究

吳晗清 侯嘉偉 穆銘

摘要 ：綠色化學是化學發展的新形態，是構建生態文明的重要保障，化學教育中滲透綠色理念是非常必要的。對北京市示范性高中的196名學生進行研究，發現其綠色化學理念的總體水平位于中等層次。具體來說，“空氣污染與防治”及“水體污染與水資源保護”掌握水平較高，“化學工業綠色化”和“化學能源的開發利用”掌握水平比較一般，而“食品安全與健康”和“化學藥品與安全操作”掌握水平最低?；诖?，本文認為化學教學中亟須普及與深化綠色化學的理念，綠色化學的學習應該與學生生活實際緊密聯系起來，讓學生在實踐活動中通過真實的體驗來達成綠色化學理念的內化。

關鍵詞：化學教學;綠色化學;調查研究

一、綠色化學理念框架

化學通過創造人類所需要的新物質，為人類文明的進步作出了偉大的貢獻。但是不可避免的，在其反應的過程之中也出現了未有效利用資源、產生大量排放物從而造成環境污染等一系列的弊端。綠色化學這一概念，由美國環保局在1984年首次提出。它利用化學的方法與技術來降低或消除那些對人類健康、社區安全、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產物、副產物等的使用或產生，從而使所設計的化學產品或過程更加節能環保。綠色化學比傳統化學層次更高，傳統化學向綠色化學的轉變可以看作是化學從“粗放型”向“集約型”的轉變[1]。

迄今為止，對綠色化學的主要研究問題分為12個方面：1.從源頭制止污染，而不是在末端治理污染;2.合成方法應具“原子經濟性”，即盡量使參加過程的原子都進入最終產物;3.在合成方法中盡量不使用和不產生對人類健康和環境有毒有害的物質;4. 設計具有高使用效益低環境毒性的化學產品;5.盡量不用溶劑等輔助物質，不得已使用時它們必須是無害的;6.生產過程應該在溫和的溫度和壓力下進行，而且能耗應最低;7.盡量采用可再生的原料，特別是用生物物質代替石油和煤等礦物原料;8.盡量減少副產品;9.使用高選擇性的催化劑;10.化學產品在使用完后應能降解成無害的物質并且能進入自然生態循環;11.發展適時分析技術以便監控有害物質的形成;12.選擇參加化學過程的物質，盡量減少發生意外事故的風險[2]。

無論是從科學、技術、經濟、社會、生存環境還是文明進步的角度，我們都有足夠的需求去發展綠色化學。然而筆者通過閱讀大量的相關文獻，發現很多研究僅僅停留在質性的層面，而缺乏具體的實證資料的支持。筆者以高中化學的核心知識為依據，對高中化學課程標準進行了深度的分析，總結出了體現綠色化學的內容主題進而編制測驗試卷，試圖揭示學生綠色化學理念的實然狀況。

二、基于理念框架的試題設計與測驗實施

1.??? 研究對象

本研究對北京市示范性中學的210名高二學生進行調查研究，回收有效問卷196份，回收率達93.3%。在對問卷的填答情況進行統計后，筆者用Excel2010對數據結果進行了處理，而且對20名學生進行了深度的半結構性訪談。

2.??? 研究工具

筆者對課程標準和教材（人教版）進行了深度的分析，發現課標和教材中體現綠色化學的內容主題如下：“二氧化硫和二氧化氮”“海水資源”“環境保護與綠色化學”“大氣污染”“水體污染與污水處理”“垃圾處理”“白色污染”“三廢處理”“合成氨工業”“煤的綜合利用”“環境中的高分子材料”“化肥與農藥”“能源”“塑料”等等。分別分布在必修一、二，選修一、二、四、五、六等七個模塊中。除了選修三《物質結構與性質》中沒有體現綠色化學之外，其他模塊均有涉及，表明綠色化學理念十分重要。

為了研究方便，在原有課標和人教版教材的基礎上打破了模塊的限制，將上述眾多的主題進行凝練，解構為七個維度，分別是：“綠色化學理念”“空氣污染與防治”“水體污染與水資源保護”“化學能源的開發利用”“化學工業綠色化”“食品安全與健康”“化學藥品與安全操作”等。每個維度對應若干問題，總分100分。本研究還根據學生綠色化學的總得分，按照高低分為高分組（100～80分）、中等組（79～60分）以及低分組（59分以下），從而考察綠色理念水平不同的學生在各個維度上的差異。

三、測驗結果分析

1.總體來看高中生綠色化學理念的水平位于中等層次

通過對196份問卷的數據進行統計分析，筆者計算出196名學生的整體平均得分為73分，總體情況相對較好，但沒有達到80分，因此距離優秀還有一定差距。為了得到更進一步的深層次分析資料，筆者按照既定的研究方法對數據樣本又進行了細化和處理，得到了高中綠色化學七個維度總體情況的相關資料（見表1）。

從表1 中可以看出，學生掌握情況較好的前三個維度為“水體污染與水資源保護”“空氣污染與防治”“綠色化學理念”，掌握不好的三個維度為“化學工業綠色化”“食品安全與健康”“化學藥品與安全操作”。

為了對結果進行更好的解釋，筆者在量化研究之后也對部分學生進行了半結構性的訪談。在訪談過程中，當被問及有關空氣污染和水體污染，以及綠色化學理念的問題時，學生的反應較快，并且能夠清楚、正確地說出相關知識;提到化學工業、食品安全和化學實驗操作等話題時，學生的回答有延遲，需要進行一定時間的考慮后才能作答，并且給出的答案會出現錯誤。而在被問及平時教師授課更側重于哪些方面時，不少學生表示由于高考指揮棒的影響，有關水體和大氣污染的話題，以及綠色化學概念的相關知識是教師強調的重點。相比之下，食品安全的考察頻率過小，化學工業距離現實生活較遠，實驗操作難度系數較大，因此這三個方面便成為了教師授課的盲點或學生的易錯點。

2.三個層次的學生在七個維度上均存在差異，但與總體趨勢相吻合

除了從整體上進行解釋，還對高分組、中等組、低分組三個層次在每個維度上的得分進行了逐一統計分析（見圖1）。

從圖1 中可以看出，不論是高分組、中等組還是低分組，在總體趨勢和走向上都與整體情況相符合，但是在某些維度內部與各個維度之間依舊存在著差異。例如，在得分最高的“水體污染與水資源保護”維度上，三個層次的學生均能達到滿分。而在得分第二的“空氣污染與防治”維度上，不同層次的學生開始出現差異，高分組依舊能得到滿分，但中等組就降低到90分，而低分組則更加明顯，滑落到了83分。在得分第三的“綠色化學理念”維度上，三個層次的差距越發明顯，高分組平均分滿分，中等組只得到了85分，而低分組就只有50分了。再到后面幾個模塊，雖然三個層次的學生的掌握水平都開始下滑，但它們之間的差距卻是固定的，即高分組比中等組高出10多分，比低分組高出30～40分。

為什么不同層次的學生存在著如此大的差距呢？為什么學生對于水資源和大氣污染，以及綠色化學理念的部分就能很好掌握，而對于食品安全，實驗操作等方面就明顯欠缺呢？為了得到答案，筆者在后面的分析中，結合典型例題以及深層次的訪談進行了探討。

3“.綠色化學理念”“空氣污染與防治”及“水體污染與水資源保護”掌握水平較高

（1）???? 綠色化學理念

我們改變了原來直接問概念的方式，而是巧妙地考察了原子經濟性的概念，把落腳點放在了理解與運用上。比如考查“乙烯與氧氣在銀催化作用下生成環氧乙烷，乙烷與氯氣反應制備氯乙烷，苯與乙醇在一定條件下生產乙苯，乙醇與濃硫酸共熱制備乙烯這四個反應中，哪一項最符合原子經濟性，理由是什么”。這些都是高中有機化學的基本反應，基礎性較強，考察學生的基本功。在與學生的溝通過程中，筆者發現學生對于基本反應的掌握程度很好，從學習的層面上講達到“了解”是絕對沒問題的。再加上教師對于綠色化學理念的著重強調，使得學生有了較為深刻的印象，因此得分率在三個水平上都是最高的。

（2）???? 空氣污染與防治

讓學生判斷“①對燃煤進行脫硫;②對含SO2、NO2等工業廢氣進行無害處理后，再排放到大氣中;③人工收集雷電作用所產生的氮的氧化物;④飛機、汽車等交通工具采用清潔燃料，如天然氣、甲醇等，這四項中哪些是減少或者防止酸雨形成的可行措施，為什么”。學生能很好地回答，知道③是不可行，并分析了原因。訪談得知由于近年來空氣質量逐漸下降，霧霾天數越來越多，高考的關注重點也集中到了大氣污染上，從而教師在平時的授課中也著重進行了滲透，強化了學生的知識基礎，提高了對于空氣污染的防治認識。

（3）???? 水體污染與水資源保護

考查學生“①生活污水的任意排放;②海上油輪的原油泄漏;③水力發電;④農藥化肥的不合理使用;⑤使用無磷洗衣粉，這五項中哪些能造成水質嚴重污染，理由是什么”。從多個角度來考察學生，覆蓋了與水資源相關的農業與工業、生產與生活。雖然學生的作答情況比之前兩個維度稍有差距，但學生的掌握情況還是比較良好的。通過訪談了解到與大氣污染一樣，水資源的保護也由于是高考的熱點而受到教師們的重點關注，從而這一維度學生的得分相對較高。

4“.化學工業綠色化”和“化學能源的開發利用”掌握水平比較一般

（1）???? 化學工業綠色化

我們以接觸法生產硫酸為具體知識載體，對于學生的綠色化學工業內容進行考察。比如讓學生評判“①尾氣用氨水處理;②污水用石灰乳處理;③廢渣用來造水泥、煉鐵;④設置廢熱鍋爐產生蒸汽用來供熱或發電，這四項分別處理接觸法生產H2SO4過程中產生的廢氣、廢水、廢渣的可能性及科學性”。和化學能源的開發利用一樣，化學工業的綠色化距離學生的實際生活相對較遠，加上對于“接觸法”本身的困惑，導致很多學生對于這部分內容并沒有非常直接的認識。在后期的訪談中，筆者發現很多學生對于工業流程并不清楚，學校遠離工業生產基地，再加上知識本身相對生僻，增加了判斷難度。

（2）???? 化學能源的開發利用

我們以煤的氣化為具體知識載體，通過選修四的熱化學方程式書寫和勒夏特列原理進行滲透，綜合考察學生的掌握水平。比如考查“在已知煤的氣化的三個方程式（如下①②③）的基礎上，評述水煤氣的用料、水煤氣作為二級能源比煤直接燃燒的利弊;然后計算等質量的CO和H2完全燃燒時，放熱分別為多少;考查燃燒熱的理解”?；瘜W能源的利用也離學生生活實際較遠，對“水煤氣”、二級能源、燃燒熱等名詞不理解，學生的作答情況就比較一般。在訪談中注意到學生對于“化學能源”本身存在畏難情緒，加之生活經驗的匱乏，使此類問題難以系統回答。

①C（s）+H2O（g）=CO（g）+H（2g）

ΔH1=+131.3kJ/mol

②2CO（g）+O（2g）=2CO（2g）ΔH2=-566.0kJ/mol

③2H（2g）+O（2g）=2H2O（g）ΔH3=-483.6kJ/mol

5“.食品安全與健康”和“化學藥品與安全操作”掌握水平最低

（1）食品安全與健康

我們選擇了高分子合成材料作為核心考點，這塊知識看似來源于生活經驗，但仔細分析就會發現所涉及的知識都是有一定難度的有機化學基本反應。比如讓學生判斷“PE（聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）是否都屬于鏈狀高分子化合物、受熱易熔化;PE、PVC的單體是否都是不飽和烴、能使溴水褪色;焚燒PVC保鮮膜是否會放出有毒氣體HCl;廢棄的PE、PVC是否均可回收利用以減少污染等等，理由是什么”。從問題的角度上來講，以符號和漢字表示每個高分子聚合物，沒有給出具體的結構簡式，這在無形中提高了學生的作答難度，再加上考察了多個有機化學中的基本反應如加成、加聚及氧化等，學生解決起來就非常困難。雖然這些是常見的生活中的問題，但是學生基本沒有以化學學科的視角去關注，導致學習和生活彼此割裂。

（2）???? 化學藥品與安全操作

考查學生“制取蒸餾水時，為防止燒瓶內產生暴沸，如何處理;制取氯氣及檢驗時，尾氣污染空氣，如何處理;加熱高錳酸鉀制取的氧氣中帶有紫色，如何解決;用電石制乙炔，產生氣體過快，應如何解決，理由分別是什么”。在日常的化學教學中，化學實驗操作就是一個難點。此處考察了氣體的制取、檢驗及尾氣處理，涉及多個實驗內容，在知識和操作技術兩個層面上的要求都較高，學生尤其學困生束手無策。訪談得知提到化學實驗，學生普遍“談虎色變”，原因是除了知識外，實驗的注意事項較多，實驗的誤差分析太難。

四、結論與啟示

1.??? 綠色化學理念應在化學教學中普及與深化

教師是教學活動的主導，作為思想的傳播者、知識的傳授者、方法的引導者，其本身綠色化學理念的水平層次，對于學生掌握綠色化學理念有著至關重要的作用。在調查與訪談中，很多學生都表示他們的知識水平受老師的影響很大，平時老師關注得多的地方他們掌握得就好;相反，教師語焉不詳或者輕描淡寫的地方，學生就不會注意，一帶而過，掌握就不如人意。因此，要想提升學生的綠色化學理念，教師應當以身作則，關注化學前沿的發展，比如在教學中有化學實驗微型化的意識，在實驗中體現“原子經濟性”的思想，實驗教學中合理處理廢水、廢氣和廢渣，從細微處入手，杜絕污染環境的源頭。另外教材作為最重要的教學媒介，在編寫的過程中也一定要著力于綠色化學的滲透，在內容選擇、設計等方面要充分體現綠色化學的理念。目前教材中雖然相關內容也較為豐富，但編排比較分散，應當進一步加強整合，使得綠色化學在教材中自成體系。

2.??? 綠色化學學習應與學生的生活實際緊密結合

問卷測試與學生訪談的結果顯示，學生綠色化學掌握水平不理想的原因之一就是學習過程不能與生活實際有效結合。將綠色化學與學生的日常生活相結合最主要的途徑有三個方面：在教學內容上，強調授課應該聯系學生的生活經驗和社會實際，比如在有機化學反應的教學中要多介紹塑料、橡膠、新型材料等高分子化合物的應用等等;在教學方法上，強調讓學生在原有認知基礎上進行理解、體驗、感悟和實踐，比如參觀硫酸工廠、合成氨工業場所等等;在教學目的上，教師不應該只關注分數，而是應該注重培養學生的實際應用能力，比如利用廢棄物組裝實驗裝置等等[3]。教師可以將課程資源的開發作為專業發展的突破口，不斷挖掘與學生生活實際緊密相連的課程內容。比如從化學的視角如何解決霧霾問題、揭露不法商家制造毒奶粉的深度原因、高效抗癌藥物的合成等等。這樣就會激發學生的學習興趣，將遠離生活經驗的學科知識，用學生喜聞樂見的方式輕松掌握，同時極大地提高了學生對于化學學習的現實價值感，覺得化學能學以致用，對社會生活有意義。

3.??? 綠色化學理念應在實踐活動中達成

除了學生學習與生活實際相脫節外，造成其綠色化學水平不高的另一原因就是實踐活動的缺乏?；瘜W學科實踐活動的開發，主要可以從四個維度展開，分別是化學的發展歷史以及前沿、化學實驗、化學知識結構以及化學與社會生活的緊密聯系。以圍繞化學實驗展開的探究性活動來說，它包含課內限定式探究性實驗的挖掘、課內生成式探究性實驗的利用以及課外體驗式探究性實驗的開發[4]。一是課內限定式。如鋁熱反應，課本上的實驗要消耗較多量的氯酸鉀、鎂條等藥品，并且試驗后的部分未反應藥品還會造成浪費。若開展“粉筆上的奇葩”實驗活動，將鋁熱反應的發生裝置設計在挖于粉筆的凹槽中，活動趣味化且節約藥品，滲透了綠色化學的思想。二是課內生成式。如在制取氫氧化亞鐵時，沉淀呈現灰綠色，之后便為紅褐色，并沒有得到白色沉淀。分析發現實驗設計和操作均存在不規范的問題，以此為契機師生共同來討論解決這個問題，自然而然地就感受到了綠色理念中所強調的實驗規范化。三是課外體驗式。在課外利用家庭生活中和實驗室已有的藥品和設備，對某些特定的化學工業進行模擬，讓學生切實體會到工業生產的流程與操作。如以酯化反應為載體，設計學生自己做肥皂的活動，不僅扎實地掌握了皂化反應的原理，而且對化學工業的綠色化有了深刻的認知。

參考文獻：

[1]朱清時.綠色化學[J].化學進展，2000（04）.

[2]?? 高鵬.綠色化學與可持續發展[J].北方環境，2011（09）.

[3]?? 吳晗清，肖美超.聯系生活的化學教學研究[J].化學教學，2016（04）.

[4]?? 吳晗清，韓蓉，趙冬青.化學探究性實驗教學的困境與突破[J].教學與管理，2016（34）.

[作者：吳晗清（1981-），男，安徽宿松人，首都師范大學教師教育學院，副教授，北京師范大學教育學部，兼職教授，教育學博士，心理學博士后;侯嘉偉（1993-），男，北京人，首都師范大學教師教育學院，碩士研究生;穆銘（1994-），女，黑龍江伊春人，首都師范大學教師教育學院，碩士研究生。]

【責任編輯 郭振玲】