綠色化學(xué)理念指導(dǎo)下的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑

在當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展背景下，環(huán)境問題成為各界關(guān)注的焦點(diǎn)。高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)教育的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)綜合素養(yǎng)的有效載體，但存在試劑浪費(fèi)、廢棄物處理不當(dāng)?shù)葐栴}，不僅不利于學(xué)生綜合素養(yǎng)的發(fā)展，還與環(huán)保理念背道而馳。綠色化學(xué)理念強(qiáng)調(diào)從源頭上減少或消除化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感具有重要意義。如何將綠色化學(xué)理念融入高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為教師關(guān)注的主要問題。

一、綠色化學(xué)理念概述

綠色化學(xué)理念，又稱可持續(xù)化學(xué)或環(huán)境友好化學(xué)理念，是當(dāng)今化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的重要指導(dǎo)思想，其核心目標(biāo)是從源頭上減少或消除化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及應(yīng)用過程中對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境有害的物質(zhì)使用與產(chǎn)生，最大限度地提高資源利用效率，實(shí)現(xiàn)化學(xué)過程與生態(tài)環(huán)境的和諧共生。

在原料選擇方面，綠色化學(xué)理念倡導(dǎo)優(yōu)先使用可再生資源，盡可能避免使用有毒、有害及稀缺原料，從而降低對(duì)自然資源的過度依賴和開采，減少因原料獲取和加工帶來的環(huán)境破壞與資源耗竭風(fēng)險(xiǎn)。化學(xué)反應(yīng)過程中，綠色化學(xué)理念追求原子經(jīng)濟(jì)性，即盡可能使原料中的原子全部轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物中的原子，減少副產(chǎn)物的生成，降低廢棄物的排放和處理成本。在溶劑的選擇和使用方面，綠色化學(xué)理念鼓勵(lì)使用無毒、無害、易回收且揮發(fā)性低的溶劑，如水、超臨界流體或離子液體等，替代傳統(tǒng)的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）溶劑，從而減少溶劑揮發(fā)對(duì)大氣環(huán)境造成的污染以及溶劑回收處理過程中的能源消耗和環(huán)境污染問題。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，綠色化學(xué)理念強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品不僅要滿足其基本的使用性能要求，還應(yīng)考慮在其整個(gè)生命周期內(nèi)，包括生產(chǎn)、使用、廢棄后的處置等各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)環(huán)境和人類健康的影響最小化，具備易于降解、可回收利用等環(huán)境友好特性，降低產(chǎn)品使用后對(duì)環(huán)境造成的長期負(fù)擔(dān)[2]。

總之，綠色化學(xué)理念貫穿于化學(xué)研究、化工生產(chǎn)以及化學(xué)教育等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于推動(dòng)化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、培養(yǎng)新一代具有環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感的化學(xué)人才具有不可替代的重要作用。

二、《金屬材料》的基本內(nèi)容及相關(guān)實(shí)驗(yàn)介紹

《金屬材料》一章節(jié)主要介紹了鐵合金、鋁合金、新型合金等多種金屬材料的性質(zhì)、用途，還介紹了物質(zhì)的量在化學(xué)方程式計(jì)算中的應(yīng)用，這對(duì)于理解金屬材料相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的定量關(guān)系具有重要意義。在教材中，針對(duì)金屬材料設(shè)置了一些實(shí)驗(yàn)，包括鋁和鹽酸溶液的反應(yīng)，鋁、氧化鋁與氫氧化鈉等溶液的反應(yīng)，這些實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生探究鋁及其化合物的兩性性質(zhì)，進(jìn)一步深化對(duì)金屬材料化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

然而，從綠色化學(xué)理念的角度審視相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)中仍存在著一些不符合理念的問題。第一，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，試劑的使用量缺乏精準(zhǔn)控制，通常會(huì)按照教材給定的常規(guī)用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，容易因過量使用實(shí)驗(yàn)試劑，造成資源的浪費(fèi)；而且一些實(shí)驗(yàn)通常用適量、適度、少量、一定量等詞，模糊概括實(shí)驗(yàn)試劑用量（如教材中提到了“在兩支試管中分別加入少量的氫氧化鈉溶液”），加之一些實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)學(xué)生的操作要求較高，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中隨意添加藥品用量，造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、安全隱患等問題。第二，部分教師在搭建實(shí)驗(yàn)裝置和演示操作過程中，未充分考慮能源的有效利用，可能會(huì)因加熱設(shè)備的熱效率低或熱量散失嚴(yán)重，造成能源的不必要消耗。第三，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢棄物質(zhì)，如未反應(yīng)完的金屬鋁片、生成的氫氣以及反應(yīng)后的溶液等，可能會(huì)被隨意排放或丟棄，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。第四，本章節(jié)的實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，易于操作，但部分教師為了保證每個(gè)學(xué)生都能掌握相關(guān)概念，會(huì)組織大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，從而浪費(fèi)過多的資源。

三、綠色化學(xué)理念指導(dǎo)下的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑

（一）緊密聯(lián)系生活，滲透綠色理念

化學(xué)學(xué)科本就與生活和生產(chǎn)實(shí)踐緊密相關(guān)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，教師應(yīng)充分挖掘生活中的化學(xué)素材，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)與生活息息相關(guān)，且綠色化學(xué)理念在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)，讓學(xué)生在生活情境中初步構(gòu)建綠色化學(xué)思維框架，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)探究中更好地理解和踐行綠色化學(xué)理念奠定基礎(chǔ)[3]。

以人教版高中化學(xué)必修第一冊(cè)第三章第二節(jié)《金屬材料》為例（下同），教師可以從鋁合金門窗、不銹鋼餐具等日常金屬制品入手，介紹這些金屬材料的廣泛應(yīng)用及其性能特點(diǎn)，然后引出“鋁制品表面氧化膜的形成”這一現(xiàn)象，讓學(xué)生思考“如何利用這一性質(zhì)減少鋁的損耗和對(duì)環(huán)境的潛在影響”，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到在實(shí)驗(yàn)中控制試劑用量、避免過度反應(yīng)的重要性。在介紹鐵合金時(shí)，教師可以介紹鋼鐵生銹對(duì)金屬資源的影響以及其他潛在影響（如橋梁、建筑因生銹而損壞需要頻繁維修和更換，會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，還會(huì)產(chǎn)生許多廢棄的金屬材料），由此引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注金屬的保護(hù)和合理利用，并思考如何減少鐵的不必要損耗，從而使學(xué)生意識(shí)到綠色化學(xué)理念在節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境方面的實(shí)際意義，將綠色化學(xué)的種子悄然種在學(xué)生的心中，使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)操作中自覺遵循綠色化學(xué)理念。

（二）借助信息技術(shù)，開展演示實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)是教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，通過實(shí)際操作向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象的一種教學(xué)方式，主要用于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并為學(xué)生示范規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作技巧和步驟以及儀器使用方法，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義重大。在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，各種數(shù)字化工具成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力輔助工具。教師不妨利用數(shù)字化工具開展演示實(shí)驗(yàn)，有效減少對(duì)實(shí)驗(yàn)器材和試劑的使用，并通過精準(zhǔn)調(diào)控反應(yīng)條件和試劑用量，為學(xué)生呈現(xiàn)出理想的實(shí)驗(yàn)效果，讓學(xué)生更清晰、直觀地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和反應(yīng)過程[4]。

以鋁、氧化鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)為例，教師可以先在虛擬實(shí)驗(yàn)軟件中構(gòu)建鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)以及氧化鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，精確設(shè)置反應(yīng)體系中的各種參數(shù)，如鋁片的質(zhì)量、氫氧化鈉溶液的濃度和體積等，模擬不同條件下的反應(yīng)過程，并通過軟件的可視化功能展示反應(yīng)中物質(zhì)的變化、熱量的傳遞以及氣體的產(chǎn)生等現(xiàn)象。在開展演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師通過多媒體設(shè)備，演示虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察鋁和氧化鋁在不同濃度氫氧化鈉溶液中的反應(yīng)程度差異，以及反應(yīng)過程中物質(zhì)顏色、狀態(tài)的變化等細(xì)節(jié)。同時(shí)，教師可以暫停、回放實(shí)驗(yàn)過程，詳細(xì)講解其中關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和反應(yīng)節(jié)點(diǎn)，幫助學(xué)生更好地理解反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律。例如，在講解鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)時(shí)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)展示鋁原子失去電子變成鋁離子進(jìn)入溶液，溶液中的氫離子得到電子生成氫氣的微觀過程，讓學(xué)生更直觀地理解氧化還原反應(yīng)的原理，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)。此外，教師可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的交互功能，讓學(xué)生自主改變實(shí)驗(yàn)條件，如調(diào)整氫氧化鈉溶液的濃度、溫度等參數(shù)，觀察反應(yīng)現(xiàn)象的變化，以便讓學(xué)生更順暢地開展實(shí)驗(yàn)探究。

（三）劃分學(xué)習(xí)小組，縮小實(shí)驗(yàn)規(guī)模

在綠色化學(xué)理念的指導(dǎo)下，教師可以合理劃分實(shí)驗(yàn)探究小組，縮小實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)模，從而有效節(jié)約時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，還能在減少化學(xué)試劑和實(shí)驗(yàn)器材使用量的同時(shí)，避免因大規(guī)模實(shí)驗(yàn)操作而造成的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，最終為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究體驗(yàn)。

仍以鋁、氧化鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)為例，教師應(yīng)依據(jù)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)能力、性格特點(diǎn)和知識(shí)基礎(chǔ)等因素，將學(xué)生科學(xué)地劃分為多個(gè)學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，確保每個(gè)團(tuán)隊(duì)內(nèi)成員能力互補(bǔ)，能夠協(xié)同合作完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。對(duì)于鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，教師可安排每個(gè)小組負(fù)責(zé)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如，有的小組負(fù)責(zé)探究不同濃度氫氧化鈉溶液對(duì)鋁反應(yīng)速率的影響，通過精確量取少量的不同濃度氫氧化鈉溶液以及等質(zhì)量的鋁片，觀察并記錄產(chǎn)生氣泡的快慢、反應(yīng)體系溫度的變化等現(xiàn)象；有的小組則專注于研究鋁片的表面積對(duì)反應(yīng)的作用，通過將鋁片剪成不同形狀和大小開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，記錄反應(yīng)過程中的各種數(shù)據(jù)和現(xiàn)象變化。

在氧化鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的探究中，教師可以讓部分小組重復(fù)同一實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。各小組仔細(xì)控制氧化鋁的用量，采用少量的氧化鋁粉末與適量氫氧化鈉溶液，觀察固體溶解情況以及溶液顏色、酸堿度等變化，并與其他小組交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，共同探討實(shí)驗(yàn)中的異?，F(xiàn)象和可能存在的誤差因素，從而深入理解氧化鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)在各小組之間巡回指導(dǎo)，及時(shí)糾正學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中的不規(guī)范行為，解答學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，確保每個(gè)小組順利、安全、高效地推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在小組合作實(shí)驗(yàn)中不僅能夠掌握化學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，還能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，更能深刻理解并踐行綠色化學(xué)理念。

（四）實(shí)施微型實(shí)驗(yàn)，提升綠色觀念

教師作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的組織者和引導(dǎo)者，應(yīng)該深入探究每個(gè)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)機(jī)理，充分了解反應(yīng)過程中各物質(zhì)的作用及用量需求，從而在確保實(shí)驗(yàn)效果不受影響的基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)地將所需藥品或試劑的用量降低到最低限度。同時(shí)，教師要積極搜尋并推廣使用那些體積小巧、操作便捷的實(shí)驗(yàn)儀器，幫助學(xué)生精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)條件的同時(shí)，大幅減少試劑在轉(zhuǎn)移、添加等過程中的損耗，而這也正體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念[5]。

以鋁與鹽酸反應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)為例，教師應(yīng)提前通過多次預(yù)實(shí)驗(yàn)，明確鋁與鹽酸反應(yīng)的物質(zhì)的量比例關(guān)系以及影響反應(yīng)速率的因素，如溫度、鋁的純度和鹽酸的濃度等。在確定合適的試劑用量后，教師應(yīng)將其標(biāo)注在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中，確保學(xué)生嚴(yán)格按照要求展開探究實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，教師可以使用微量移液器精確量取極少量的鹽酸溶液（例如，常規(guī)實(shí)驗(yàn)用量的十分之一甚至更少），將其加入微型試管中。隨后，準(zhǔn)確稱取適量的鋁片（確保其表面積足以與鹽酸充分接觸，但質(zhì)量遠(yuǎn)小于常規(guī)實(shí)驗(yàn)），小心放入裝有鹽酸的微型試管中，迅速觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如氣泡產(chǎn)生的速率、試管內(nèi)溫度的變化以及溶液顏色的改變等。

在實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察微型實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)現(xiàn)象的細(xì)微變化，并與常規(guī)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到微型實(shí)驗(yàn)在減少資源消耗等方面的巨大優(yōu)勢(shì)，從而在潛移默化中提升學(xué)生的綠色化學(xué)觀念，讓他們?cè)诮窈蟮幕瘜W(xué)學(xué)習(xí)和生活中都能夠自覺地踐行綠色化學(xué)理念。

（五）綠色處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)廢棄物質(zhì)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)往往會(huì)產(chǎn)生各種廢棄物，包括廢液、廢氣和廢渣，如果處理不當(dāng)，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還可能危害師生的健康。因此，教師需要在教學(xué)過程中積極貫徹綠色化學(xué)理念，利用科學(xué)合理的廢棄物質(zhì)處理方法，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)“掃尾”，同步增強(qiáng)學(xué)生環(huán)保意識(shí)和責(zé)任感。

在鋁與鹽酸反應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)明確該實(shí)驗(yàn)可能產(chǎn)生的廢棄物質(zhì)，并針對(duì)不同類型的廢棄物制定相應(yīng)的處理策略。例如，鋁與鹽酸反應(yīng)后的溶液中含有未反應(yīng)完的鹽酸以及生成的氯化鋁等物質(zhì)，教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生使用適量的氫氧化鈉溶液緩慢滴加到反應(yīng)后的廢液中，同時(shí)用pH試紙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液的酸堿度，直至溶液的pH值接近中性的范圍（一般為6一8），有效中和廢液中的酸性物質(zhì)，降低其對(duì)環(huán)境的腐蝕性。在此過程中，教師要向?qū)W生詳細(xì)講解中和反應(yīng)的原理以及中和處理廢液的重要性。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的氫氣，雖然氫氣本身無毒，但大量逸散到空氣中不僅造成資源浪費(fèi)，還存在一定的安全隱患。教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的氫氣收集裝置，如利用排水法將氫氣收集在集氣瓶中，使氫氣得到充分利用。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的鋁殘?jiān)葟U渣，教師要將其集中收集，使其重新進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)或探究實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。在整個(gè)廢棄物質(zhì)的處理過程中，教師要始終讓學(xué)生參與其中，并給予學(xué)生詳細(xì)的指導(dǎo)和講解，使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到綠色處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)廢棄物質(zhì)的必要性和可行性。

結(jié)束語

綜上所述，在綠色化學(xué)理念的指導(dǎo)下，優(yōu)化高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑是化學(xué)教學(xué)的必然選擇。通過緊密聯(lián)系生活、借助信息技術(shù)、搭建學(xué)習(xí)小組、實(shí)施微型實(shí)驗(yàn)以及綠色處理廢棄物等策略，能夠?qū)⒕G色化學(xué)理念融入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)的效能。教師應(yīng)該認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不斷創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以確保綠色化學(xué)理念在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的落地，為培養(yǎng)具有環(huán)保意識(shí)和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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