微型化實(shí)驗(yàn)在高?；瘜W(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐與思考

王國祥 , 武 鵠

(湖南理工學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

微型化實(shí)驗(yàn)在高?；瘜W(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐與思考

王國祥 , 武 鵠

(湖南理工學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

由于微型化實(shí)驗(yàn)具有較好的教學(xué)效果及顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益, 成為當(dāng)前化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向之一. 本文通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)微型化的教學(xué)改革和實(shí)踐, 對(duì)常規(guī)化實(shí)驗(yàn)和微型化實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià), 總結(jié)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)微型化的優(yōu)勢(shì)和存在的問題.

微型化實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革; 化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

Abstract:Miniature chemical experiment has turned into one of teaching reform in chemistry experiments because of good effect of teaching and remarkable economic and social results. This paper evaluates teaching effects of general chemical experiment and miniature chemical experiment through teaching reform and practice chemical experiment microminiaturized, and summarized the superiority of miniature chemical experiment and open questions.

Key words:miniature experiment; experiment teaching reform; basic chemistry experiment teaching

隨著社會(huì)的發(fā)展, 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)出現(xiàn)了較大的變化. 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式逐步向生活化、綠色化、微型化、人性化轉(zhuǎn)變. 由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的藥品大都來自于不可再生資源, 因此實(shí)驗(yàn)過程的綠色化和微型化,不但可以減少化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染, 對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的“綠色化學(xué)”思想也有極大的作用. 微型實(shí)驗(yàn)是上個(gè)世紀(jì)80年代在美國出現(xiàn)的, 它是在綠色化學(xué)思想指導(dǎo)下, 用預(yù)防化學(xué)污染的新觀念, 對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革而發(fā)展起來的化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新方法和新技術(shù). 沈家驄院士指出: “化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微型化是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新發(fā)展. 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練, 節(jié)約試劑, 減少污染, 一舉多得, 值得推廣”. 教育部和國家環(huán)?？偩钟?005年下發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室排污管理的通知》(教技[ 2005 ] 3號(hào)), 標(biāo)志著我國對(duì)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室污染問題的重視上升到了新的高度. 微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì), 更符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和科學(xué)發(fā)展觀的要求, 因此受到國內(nèi)外化學(xué)界的青睞.

1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的必要性

微型實(shí)驗(yàn)的宗旨是以盡量少的化學(xué)原料和試劑獲得盡可能多的化學(xué)信息, 這是現(xiàn)代科學(xué)研究的重要方法之一. 湖南理工學(xué)院化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室于2006年成為湖南省基礎(chǔ)課示范實(shí)驗(yàn)室建設(shè)單位, 2009年通過湖南省教育廳驗(yàn)收. 隨著化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的進(jìn)一步深入, 實(shí)驗(yàn)的微型化也提到了議事日程, 這是因?yàn)椴粌H要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系上進(jìn)行改革, 也要在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作上及內(nèi)容上進(jìn)行改革. 常規(guī)實(shí)驗(yàn)存在著化學(xué)試劑用量偏大, 環(huán)境污染嚴(yán)重的問題. 對(duì)于普通高校來說, 隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大, 實(shí)驗(yàn)耗材的消耗量也日趨增大, 學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)的投入壓力也越來越大, 化學(xué)實(shí)驗(yàn)造成的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重, 因此, 引入微型化實(shí)驗(yàn)是大勢(shì)所趨. 采用微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)來代替常規(guī)實(shí)驗(yàn), 既可節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本, 又可相對(duì)降低實(shí)驗(yàn)室污染物的排放.

2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微型化改革

微型化實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的一項(xiàng)重要的發(fā)展與變革, 近20年來在國內(nèi)外進(jìn)展尤快. 微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法于上世紀(jì)九十年代引入我國, 經(jīng)過十幾年來的開發(fā)與推廣, 我國在微型化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn). 例如: 楊廷賢[1]乙酰水楊酸合成做了微型化設(shè)計(jì), 水楊酸的用量為0.10g, 無水碳酸鈉的用量為5mg, 乙酸酐用量為90μl, 得粗產(chǎn)品約0.11g. 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看, 實(shí)驗(yàn)所消耗的藥品數(shù)量大大減少, 水楊酸的用量?jī)H為常規(guī)實(shí)驗(yàn)藥品用量的3%, 且整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間大為縮短, 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度與舊方法無明顯差異, 收率符合要求. 霍文[2]對(duì)過二硫酸銨與碘化鉀反應(yīng)速率測(cè)定進(jìn)行微型化研究, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 實(shí)驗(yàn)中溶劑的消耗量為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的10%, 而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠, 既節(jié)約了資源, 又減少了污染物的排放. 徐軍[3]對(duì)分光光度法測(cè)鐵實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了微型化改進(jìn), 微型化后用量減少到, 得到的結(jié)果重復(fù)性好, 改進(jìn)的微型鄰菲羅啉實(shí)驗(yàn)與原來實(shí)驗(yàn)相比實(shí)驗(yàn)結(jié)果無明顯差異, 而且操作條件簡(jiǎn)單、易于記憶、環(huán)境污染少、節(jié)省開支, 結(jié)果完全可以滿足實(shí)驗(yàn)中對(duì)鐵含量精確度的要求. 經(jīng)初步估算, 以1000個(gè)學(xué)生為例, 一學(xué)期該實(shí)驗(yàn)藥品原來需消耗人民幣800元左右, 經(jīng)過改造后只消耗人民幣160元左右. 王如陽[4]對(duì)乙酸乙酯的合成進(jìn)行了微型化實(shí)驗(yàn)改造, 他采用FeCl3·6H2O做催化劑微型化合成乙酸乙醋, 效果明顯, 回流時(shí)間為1h, 產(chǎn)量可達(dá)1.1～1.5g , 實(shí)驗(yàn)時(shí)間約3.5～ 4h. 而且FeCl3·6H2O價(jià)廉、用量省、可多次重復(fù)使用, 穩(wěn)定易保存, 既節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用, 又減少對(duì)環(huán)境的污染. 該實(shí)驗(yàn)方法對(duì)加強(qiáng)學(xué)生環(huán)保意識(shí), 建立綠色化學(xué)理念, 能起到實(shí)際的教育作用, 是一種值得大力推廣的實(shí)驗(yàn)方法. 解慶范[5]對(duì)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“食用白醋中HAc濃度的測(cè)定”及“有機(jī)酸摩爾質(zhì)量的測(cè)定”進(jìn)行了微型化設(shè)計(jì)及可行性研究. 微型滴定與常量滴定相比, 試劑用量為常量法的, 不僅節(jié)約大量化學(xué)試劑, 有效降低實(shí)驗(yàn)成本, 而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能; 同時(shí)節(jié)省了時(shí)間, 提高了實(shí)驗(yàn)效率. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明, 微型實(shí)驗(yàn)的精密度與準(zhǔn)確度符合分析實(shí)驗(yàn)要求, 適合學(xué)生實(shí)驗(yàn), 且此方法可推廣到其他定量分析實(shí)驗(yàn)中.

通過對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)與微型實(shí)驗(yàn)的對(duì)比, 我們可以看出微型實(shí)驗(yàn)的諸多優(yōu)點(diǎn): (1)較大程度地節(jié)約了化學(xué)試劑和溶劑用量, 一般僅為常規(guī)實(shí)驗(yàn)用量的～. 由于試劑量小, 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中必須認(rèn)真操作, 才能減少各反應(yīng)步驟的藥品損失, 有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng), 還可以激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的興趣、強(qiáng)化動(dòng)手能力的訓(xùn)練, 培養(yǎng)創(chuàng)新思維; (2)由于有機(jī)溶劑以及化學(xué)試劑的消耗量明顯地減少, 從而改善了實(shí)驗(yàn)環(huán)境, 又保障了操作安全; (3)大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間. 由于實(shí)驗(yàn)的時(shí)間縮短了, 學(xué)生有更多的時(shí)間思考問題, 有利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理, 掌握實(shí)驗(yàn)方法. 而從培養(yǎng)計(jì)劃上來看, 可以節(jié)約一定的課時(shí), 用于增加專業(yè)課程的時(shí)數(shù); (4)由于試劑用量少, 配套儀器小, 使過去因試劑用量大、原料貴、條件苛刻、溶劑處理不安全等多種因素而不能開設(shè)的近代新反應(yīng)、新方法, 現(xiàn)在均可由學(xué)生在課堂順利完成, 促進(jìn)了教學(xué)內(nèi)容更新.

3 目前存在的問題及解決辦法

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)雖然有很多優(yōu)點(diǎn), 但目前仍然難以大面積推廣. 這是因?yàn)? (1)缺乏相關(guān)配套教材. 現(xiàn)有教材與學(xué)校目前所開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不配套, 有一些試驗(yàn)項(xiàng)目需要學(xué)校組織相關(guān)人員進(jìn)行研究, 這樣勢(shì)必實(shí)驗(yàn)成本相對(duì)較高; (2) 微型化實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)中跑、冒、滴、漏比例相對(duì)較大, 需要學(xué)生在操作過程中有相當(dāng)高的操作水平, 否則實(shí)驗(yàn)誤差會(huì)相對(duì)較大. (3)每一個(gè)微型化實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的要求比較高, 需要學(xué)校進(jìn)行專門培訓(xùn).

針對(duì)目前微型化實(shí)驗(yàn)存在的問題, 我們認(rèn)為應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn): (1) 提高認(rèn)識(shí), 要認(rèn)識(shí)到微型化實(shí)驗(yàn)是今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的發(fā)展方向, 對(duì)微型化實(shí)驗(yàn)在人才培養(yǎng)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益方面有一個(gè)全面認(rèn)識(shí); (2) 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中, 培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真、科學(xué)、一絲不茍的實(shí)驗(yàn)態(tài)度; (3)對(duì)于學(xué)校來說, 加大對(duì)相關(guān)教學(xué)人員的培訓(xùn).

[1] 楊廷賢, 黎厚斌, 蔣素芳, 等. 乙酰水楊酸合成的微型化設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003,18(5): 405～406

[2] 霍 文, 段漓童, 劉正猛. 過二硫酸銨與碘化鉀反應(yīng)速率測(cè)定的微型化實(shí)驗(yàn)[J]. 華北煤炭醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 9(5): 649～650

[3] 徐 軍, 王春燕, 劉瑞斌. 分光光度法測(cè)鐵實(shí)驗(yàn)的微型化改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2007, (2): 58～59

[4] 王如陽, 王 泓, 劉曉芳, 等. 微型化合成乙酸乙酯的實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2004(3): 64～65

[5] 解慶范, 黃漢杰, 鄭志福, 等. 酸堿滴定分析微型實(shí)驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 19(1): 44～46

Consideration and Practice of Miniature Experiment in Basic Chemistry Experiment Teaching

WANG Guo-Xiang, WU Hu
(Faculty of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Science and Technology; Yueyang 414006, China)

G642.423

A

1672-5298(2010)03-0092-03

2009-12-18

湖南省普通高等學(xué)?；A(chǔ)課示范實(shí)驗(yàn)室建設(shè)單位(湘教通[2006]149號(hào)); 湖南理工學(xué)院教研教改自主課題(2009B02)

王國祥(1968- ), 男, 江蘇楊州人, 湖南理工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院副教授. 主要研究方向: 高分子材料合成