綠色化學(xué)理念在化學(xué)化工教學(xué)改革中的應(yīng)用

閻 松, 孫小平

( 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部, 遼寧 撫順 113001)

綠色化學(xué)理念在化學(xué)化工教學(xué)改革中的應(yīng)用

閻 松, 孫小平

( 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部, 遼寧 撫順 113001)

首先介紹了綠色化學(xué)理念的內(nèi)涵及原則；其次對我國化學(xué)化工類教學(xué)進(jìn)行了現(xiàn)狀分析,得到了目前綠色化學(xué)理念下我國化學(xué)化工類教學(xué)中存在的不足之處；再次,分析了綠色化學(xué)理念背景下化學(xué)教學(xué)改革的必要性和方向；最后,對應(yīng)當(dāng)如何將綠色化學(xué)理念運用于此類學(xué)科教學(xué)改革中提出了建議。

綠色化學(xué)； 化學(xué)化工； 教學(xué)改革

化學(xué)作為化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科,是工業(yè)產(chǎn)業(yè)從源頭上減少環(huán)境破壞、適應(yīng)綠色生態(tài)的理念的重要突破口。綠色化學(xué)理念應(yīng)運而生,得到了廣泛關(guān)注。綠色化學(xué)理念為實現(xiàn)人與自然和諧相處的目標(biāo)提供了新的思路,引發(fā)了各國學(xué)者的積極研究,我國已深刻認(rèn)識到了其對環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要性。

1 綠色化學(xué)理念簡介

1.1 綠色化學(xué)的內(nèi)涵

綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好、環(huán)境無害、清潔化學(xué),是一門具有明確的社會需求和科學(xué)目標(biāo)的新興交叉學(xué)科[1]。綠色化學(xué)理念是無公害、對環(huán)境無破壞的清潔化學(xué)。它是指利用化學(xué)的方法和技術(shù),盡可能地減少,甚至是避免使用對人類身體健康、自然生態(tài)環(huán)境有危害的原料、催化劑、溶劑、試劑等,同時減少有害的產(chǎn)物、副產(chǎn)物的生成[2]。通過在制造和使用化學(xué)產(chǎn)品時使用對自然無危害的替代原料、及時妥善處理化學(xué)產(chǎn)品制造過程中產(chǎn)生的有害廢棄物等方法,實現(xiàn)對環(huán)境最小程度的危害,重視對自然能源的使用,以減少為環(huán)境制造壓力、避免排放有害物質(zhì)為目的,同時考慮到節(jié)能減排、節(jié)省資源、減少廢棄物排放等要求。綠色化學(xué)涉及學(xué)科廣泛,內(nèi)容豐富,最大的特色就是其采用預(yù)防污染的手段,從始端到過程,再到終端均為零污染、零排放。綠色化學(xué)的最終目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)不使用有毒、有害物質(zhì),不產(chǎn)生有害廢棄物,達(dá)到從根源上避免破壞環(huán)境,實現(xiàn)綠色環(huán)保、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類健康的目標(biāo)。

1.2 綠色化學(xué)的原則

綠色化學(xué)的原則主要包含如下幾點:

(1) 最大限度減少化學(xué)產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用的過程中產(chǎn)生對環(huán)境存在危害的物質(zhì),在保證產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上盡可能降低其毒害性；

(2) 在生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品的過程中 ,盡量不使用化學(xué)輔助劑,如果無法避免,則最好用無毒的化學(xué)物質(zhì)作為輔助劑,而且盡可能使用可以更新的原料；

(3) 應(yīng)當(dāng)重視化學(xué)產(chǎn)品使用和利用結(jié)束后的處理工作,將化學(xué)產(chǎn)品降解成無毒的物質(zhì)；

(4) 慎重選擇化學(xué)材料,以防發(fā)生化學(xué)事故。

由此可知,綠色化學(xué)對于減少工業(yè)性環(huán)境污染、轉(zhuǎn)變我國化學(xué)工業(yè)粗放式發(fā)展的現(xiàn)狀、實現(xiàn)化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。綠色化學(xué)作為新興的理念,雖然有很多學(xué)者做了深入研究,但就目前形勢看,其普及程度還有待提升。而學(xué)科教育便是促進(jìn)學(xué)生形成綠色化學(xué)理念的重要方式。

2 綠色化學(xué)理念下現(xiàn)階段教學(xué)存在的不足

在工業(yè)發(fā)展日趨成熟的今天,提高工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性成為需要解決的主要問題。綠色化學(xué)理念是化工企業(yè)實現(xiàn)避免環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)平衡的關(guān)鍵所在。為了使更多的人樹立綠色化學(xué)的理念,中學(xué)、高校都應(yīng)當(dāng)將綠色化學(xué)的思想融入到化學(xué)、化工專業(yè)課程的教學(xué)中。通過教學(xué)使學(xué)生理解和接受綠色化學(xué)理念,并在以后的學(xué)習(xí)、生活和研究中以綠色化學(xué)理念作為指導(dǎo)。但現(xiàn)階段,我國的中學(xué)和高校在化工教學(xué)過程中對綠色化學(xué)理念的重視和應(yīng)用程度不夠,化學(xué)化工教學(xué)在適應(yīng)綠色化學(xué)理念方面還存在一些不足。

2.1 課程內(nèi)容缺乏綠色化學(xué)理論相關(guān)內(nèi)容

綠色化學(xué)理念提出以來,關(guān)注度很高,但由于研究仍然不夠成熟和全面,所以現(xiàn)階段的中學(xué)和大學(xué)化學(xué)、化工的教材中并沒有關(guān)于綠色化學(xué)理念系統(tǒng)的理論知識,這就導(dǎo)致學(xué)校的學(xué)生,甚至是教師都沒有對綠色化學(xué)理念形成系統(tǒng)、完善的理論結(jié)構(gòu),進(jìn)而使得教學(xué)過程中綠色化學(xué)理念的踐行不是十分到位,也影響了學(xué)生綠色化學(xué)理念的形成。完善的理論知識是實踐的基礎(chǔ),只有形成科學(xué)的、完整的綠色化學(xué)理念相關(guān)理論知識,教師才能在化工實驗過程中指導(dǎo)學(xué)生運用該理念減少實驗中有危害、有毒的原料使用,避免實驗過程中有害物質(zhì)的生成和排放,達(dá)到教學(xué)過程的綠色、環(huán)保。學(xué)生才有可能真正理解和樹立綠色化學(xué)理念。

2.2 實驗教學(xué)未貫徹綠色化學(xué)理念

化學(xué)和化工等學(xué)科十分重視實驗課程的學(xué)習(xí),通過實驗課程,學(xué)生能夠?qū)⑺腊宓臅局R變得生動、形象,有利于更牢固地掌握知識,也能提高學(xué)生的動手能力和探究意識。實驗課程在化學(xué)、化工學(xué)科的教學(xué)中占有很重要的比重,在實驗課程中貫徹綠色化學(xué)理念尤為重要。在化工實驗的過程中經(jīng)常會用到醛類、烴類、酚類等對自然環(huán)境和人體健康有危害的物質(zhì),加之做實驗的學(xué)生眾多,在實驗室這一較小的空間內(nèi),會對師生的身體健康產(chǎn)生十分不利的影響[3]。此外,實驗的產(chǎn)物也經(jīng)常是對環(huán)境有危害的物質(zhì)。很多中學(xué)和高校不重視實驗產(chǎn)物排放前的處理和降解工作,直接將對環(huán)境和人體有害的物質(zhì)排放于自然中,而化學(xué)、化工實驗教學(xué)中產(chǎn)生的大量廢氣、廢渣、有機(jī)物也成為污染物產(chǎn)生的重要源頭之一。

2.3 綠色化學(xué)觀念流于表面

綠色化學(xué)的理念在中學(xué)和高校的教學(xué)過程中只是停留在不完善的概念化階段,既沒有形成完整的理論體系,也沒有在實驗課程中實際踐行綠色化學(xué)理念。綠色化學(xué)理念沒有在化學(xué)、化工類教學(xué)中得到有效的實施,不利于學(xué)生形成綠色化學(xué)理念,也不利于該理念的普及。

3 教學(xué)改革的必要性及改革方向

3.1 教學(xué)改革的必要性

教學(xué)過程是培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念的重要途徑,通過教學(xué)使綠色化學(xué)理念得到普及,可以讓更多的人投入到綠色化學(xué)的實踐中,減少教學(xué)過程中對環(huán)境的危害。同時,也使得學(xué)生深入地了解到綠色化學(xué)理念對改變教學(xué)和化學(xué)工業(yè)粗放式發(fā)展現(xiàn)狀的作用,提升學(xué)生將綠色化學(xué)理念作為以后學(xué)習(xí)和科研的指導(dǎo),使學(xué)生主動致力于綠色化學(xué)理論和實踐的研究,為綠色化學(xué)理論的進(jìn)一步發(fā)展和深入實踐提供思路。

3.2 教學(xué)改革的方向

為了使學(xué)生深入地學(xué)習(xí)綠色化學(xué)理念,教學(xué)必須增加對其的重視度。首先,教師應(yīng)當(dāng)梳理國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于綠色化學(xué)的研究成果,完善與綠色化學(xué)有關(guān)的理論體系,并對高校和中學(xué)所使用的化學(xué)、化工專業(yè)書籍進(jìn)行改編,在其中加入與綠色化學(xué)理念相關(guān)的章節(jié)；其次,在化學(xué)、化工實驗的過程中,應(yīng)當(dāng)注意對綠色化學(xué)理念的實施,重視實驗原料選取、化學(xué)產(chǎn)品和副產(chǎn)品的降解處理以及實驗廢棄物的處理,爭取做到實驗全流程綠色化、環(huán)?；痆4]；最后,應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生發(fā)揮主觀能動性,在學(xué)習(xí)和研究的過程中注重綠色化學(xué)相關(guān)的創(chuàng)新。只有對化工教學(xué)理論和實驗課程同時進(jìn)行改革,才能使學(xué)生真正接受綠色化學(xué)理念,并體會到其對環(huán)境保護(hù)的重要作用,進(jìn)而主動踐行該理念。

4 綠色化學(xué)理念在化學(xué)化工教學(xué)中的應(yīng)用

化學(xué)、化工教學(xué)分為理論學(xué)習(xí)和實驗教學(xué)2個部分,這2個部分在適應(yīng)綠色化學(xué)理念上都存在不足之處[5]。

4.1 理論課中引入綠色化學(xué)理念

理論課程是化工課程的基礎(chǔ),通過理論課程的學(xué)習(xí),學(xué)生能夠明確綠色化學(xué)的最終目標(biāo)是什么,使他們調(diào)動自己課程學(xué)習(xí)的積極性和自主性,激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣。理論課具有概念性和方向性2大特點。一方面,理論課的學(xué)習(xí)應(yīng)該明確什么是綠色化學(xué),界定清楚綠色化學(xué)的定義和內(nèi)涵,為學(xué)生介紹綠色化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展；另一方面,理論課程的學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)給學(xué)生指出綠色化學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展的方向,幫助學(xué)生明確想要進(jìn)行這個方向的學(xué)習(xí)需要具備什么樣的知識結(jié)構(gòu)和技能。

首先,可以通過對綠色化學(xué)相關(guān)的化學(xué)家事跡、化學(xué)實驗、化工企業(yè)的發(fā)展等的講述,描述綠色化學(xué)理念的產(chǎn)生對于化學(xué)學(xué)科和化工企業(yè)的重要意義；其次,再向?qū)W生介紹綠色化學(xué)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,尤其是要向?qū)W生介紹綠色化學(xué)技術(shù)普及程度高的國家的綠色化學(xué)理論及實施現(xiàn)狀,使學(xué)生意識到綠色化學(xué)對污染物的源頭控制作用。

4.2 實驗教學(xué)中綠色化學(xué)理念的應(yīng)用

4.2.1 慎重選擇實驗內(nèi)容,改進(jìn)實驗項目

實驗的目的是使學(xué)生更好地掌握理論知識,因此,傳統(tǒng)的化學(xué)化工實驗往往只考慮化學(xué)實驗的典型性、可操作性等要求,通常選擇實驗結(jié)果明顯、操作性強的實驗,這樣有助于提升學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力,使其更好地吸收課本知識。但在綠色化學(xué)的理念下,這種只注重實驗效果而不考慮實驗過程中對環(huán)境的破壞和污染的行為是不可取的?；瘜W(xué)實驗的綠色化要求化學(xué)反應(yīng)的原料、反應(yīng)的條件、反應(yīng)的過程和反應(yīng)所產(chǎn)生的產(chǎn)物都要綠色化,力求達(dá)到實驗內(nèi)容的綠色化和教學(xué)目的相協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。

慎重選擇實驗內(nèi)容、優(yōu)化改進(jìn)實驗項目,要遵循環(huán)境友好、低能耗、經(jīng)濟(jì)性、安全性和多樣化的原則。首先,實驗中使用的反應(yīng)原料和產(chǎn)物都應(yīng)該是對環(huán)境和人的健康沒有毒害的；其次,實驗條件應(yīng)當(dāng)考慮減少能源消耗,盡可能地選擇在常溫常壓下便可進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)；再次,實驗要考慮安全性,防止化工實驗過程中發(fā)生爆炸、火災(zāi)等事故；最后,實驗內(nèi)容應(yīng)當(dāng)多樣化,各高?？梢栽诳紤]本校實驗資源的情況下依據(jù)具體情況自主選擇實驗內(nèi)容和項目[6]。

4.2.2 構(gòu)建串聯(lián)組合實驗體系

串聯(lián)組合實驗是將多個化學(xué)實驗串聯(lián)起來的綜合實驗,是以上一個實驗的產(chǎn)物作為下一個實驗的原料的一種實驗方法。這樣不僅可以縮短實驗時間、節(jié)省試劑,還能減少三廢的排放[7]。串聯(lián)組合實驗打破了學(xué)科邊界、實驗邊界,使化工實驗實現(xiàn)綠色化。串聯(lián)組合實驗已經(jīng)在我國的部分高校有了成功的案例。例如將苯甲酸制取實驗和熔點測定串聯(lián)、將無機(jī)化學(xué)實驗中的溶液配制和分析化學(xué)中酸堿中和滴定實驗串聯(lián)、將無機(jī)化學(xué)中硫代硫酸鈉制備和分析化學(xué)中質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定機(jī)韓鉻離子的廢液處理和檢測實驗串聯(lián)。

通過串聯(lián)組合實驗的思想,梳理各個學(xué)習(xí)階段需要進(jìn)行的實驗,將它們合理地組合在一起,構(gòu)建串聯(lián)組合實驗體系。甚至可以通過學(xué)科之間的聯(lián)合實驗來擴(kuò)大串聯(lián)組合實驗的范圍,以取得更大程度的資源節(jié)約和更好的環(huán)保效果。

4.2.3 促進(jìn)微型實驗的推廣

微型實驗是對傳統(tǒng)實驗的另一種改良方式。主要思想是通過將實驗固定在微型化的儀器裝置中,以盡量少的化學(xué)試劑用量得到較為明顯的實驗結(jié)果,是能夠適應(yīng)綠色化學(xué)理念的新技術(shù)、新方法。微型實驗具有使用原料少、操作簡單快捷、環(huán)境污染小等優(yōu)勢,是促進(jìn)實驗的綠色化可以借鑒的方式。因此,高校在化工教學(xué)實驗過程中應(yīng)當(dāng)加快促進(jìn)微型化學(xué)實驗的推廣進(jìn)程,對于無法避免會使用對環(huán)境有害的物質(zhì)或可能生成對自然有害的產(chǎn)物的實驗,就可以采用這種微型實驗的方式進(jìn)行,這樣既可以保證實驗效果、達(dá)到教學(xué)目的,也能夠盡可能減少環(huán)境破壞,有助于實驗教學(xué)進(jìn)一步實現(xiàn)綠色化[8]。此外,微型實驗也具有降低實驗經(jīng)費、提高學(xué)生動手能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、強化師生環(huán)保意識的作用。

4.2.4 恰當(dāng)使用微波技術(shù)

微波化學(xué)作為化學(xué)領(lǐng)域中的新興學(xué)科在國外的研究十分活躍,微波化學(xué)反應(yīng)因其高效、節(jié)能、無污染,屬于綠色化學(xué)的范疇[9]。通過利用微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)可以達(dá)到改變化學(xué)反應(yīng)速率的效果,甚至可以改變化學(xué)反應(yīng)的路徑。微波技術(shù)能夠使得有機(jī)合成反應(yīng)更加快速、高產(chǎn),形成很好的重復(fù)性。恰當(dāng)?shù)貙⑽⒉夹g(shù)運用到化學(xué)實驗的設(shè)計中,也可以幫助實驗實現(xiàn)綠色化,化學(xué)實驗中微波技術(shù)的應(yīng)用具有很好的發(fā)展前景。

4.2.5 充分利用計算機(jī)仿真技術(shù)

在慎重選擇實驗內(nèi)容、改進(jìn)實驗設(shè)計、盡量選擇符合綠色化學(xué)理念的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行實驗的基礎(chǔ)上,由于綠色化學(xué)研究現(xiàn)狀的限制,可能還有一些實驗項目無法滿足綠色化學(xué)理念的要求,但為了完成教學(xué)目標(biāo),必須要進(jìn)行。計算機(jī)多媒體仿真技術(shù),為這些實驗提供了新的替代方法[10]。

計算機(jī)仿真實驗是依靠計算機(jī)創(chuàng)造的一個可視的實驗操作環(huán)境,實驗儀器和設(shè)備用仿真物體來代替,學(xué)生通過操作這些仿真的設(shè)備便可以進(jìn)行各種化學(xué)、化工實驗,整個實驗過程都可以在計算機(jī)上完成[11]。計算機(jī)仿真實驗引進(jìn)來先進(jìn)的現(xiàn)代化多媒體實驗教學(xué)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生的參與性要求,并具有直觀、開放的特點。學(xué)生可以在計算機(jī)仿真實驗系統(tǒng)中完成實驗教學(xué)的預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、模擬實驗、復(fù)習(xí)實驗等全套學(xué)習(xí)過程,非常適合那類對環(huán)境和人體危害大、危險系數(shù)高的實驗的操作。計算機(jī)仿真實驗系統(tǒng)還可以與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,從而打破時空限制,使學(xué)生享受到開放的實驗教學(xué)資源系統(tǒng),增加了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性,不同層次學(xué)生可以依據(jù)自身愛好,滿足自身的學(xué)習(xí)需求[12]。

5 結(jié)語

綠色化學(xué)理念是化學(xué)學(xué)科適應(yīng)生態(tài)環(huán)境理念的體現(xiàn),是化學(xué)學(xué)科發(fā)展的必然趨勢,對化學(xué)、化工教學(xué)和化學(xué)工業(yè)的綠色化有重要意義。但是綠色化學(xué)作為一種先進(jìn)的理念,還沒有得到人們的廣泛認(rèn)可,其普及需要通過教學(xué)來實現(xiàn)?，F(xiàn)階段我國化學(xué)、化工教學(xué)對綠色化學(xué)的重視程度還不夠,缺少完整的理論體系及深入踐行,教學(xué)改革仍須深入。分析了化學(xué)化工教學(xué)改革的必要性和改革方向,并對應(yīng)當(dāng)如何將綠色化學(xué)理念運用于該教學(xué)改革中提出了建議。

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Application of green chemistry concept in chemistry and chemical engineering teaching reform

Yan Song, Sun Xiaoping

(Faculty of Chemistry, Chemical Engineering and Environment, Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology, Fushun 113001, China)

First of all, this paper introduces the connotation and principle of the green chemistry concept, and secondly analyzes the current situation of the chemistry and chemical engineering teaching in China so as to find the deficiencies of such teaching under the green chemistry concept. Thirdly, the necessity and direction of the chemical teaching reform under the background of green chemistry concept are analyzed. Finally, the suggestions on how to apply the green chemistry concept in the teaching reform of such disciplines are put forward.

green chemistry; chemistry and chemical engineering; teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.048

2017-06-27

遼寧省教育廳2016年科學(xué)研究一般項目(L2016023)

閻松(1978—),男,遼寧營口,碩士,實驗師,主研方向為綠色化學(xué)與催化.

E-mail：yansong5859@sina.com

G642.0

B

1002-4956(2017)12-0200-03