普通高等院校化學(xué)實(shí)驗(yàn)微型化的研究與實(shí)踐

王軍 楊冬梅 張麗君

[摘 要]高等院校廣泛開展的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在幫助學(xué)生提升科學(xué)素質(zhì)的同時(shí)也帶來了一定程度的環(huán)境污染問題。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外高校普遍接受并廣泛開展。文章介紹了兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的微型化、小型化設(shè)計(jì)思路以及實(shí)施效果。教學(xué)實(shí)踐研究結(jié)果說明，只要我們無懼困難，肯于研究，推行微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是可行的，而且應(yīng)持久開展下去。同時(shí)，微型、小型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的廣泛開展對(duì)提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感都有積極的作用。

[關(guān)鍵詞]素質(zhì)教育；環(huán)境保護(hù)；高等教育；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；微型化

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）05-0065-03

大學(xué)生綜合素質(zhì)是科學(xué)研究素質(zhì)、思想道德素質(zhì)、身體素質(zhì)和心理素質(zhì)的集中體現(xiàn)。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，全面提高大學(xué)生綜合素質(zhì)成為高等教育改革的一個(gè)重要目標(biāo)。大學(xué)生素質(zhì)教育在強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)卓越人才的同時(shí)，也應(yīng)更加注重培養(yǎng)學(xué)生將科學(xué)知識(shí)服務(wù)于社會(huì)的意識(shí)。東北大學(xué)人才培養(yǎng)總目標(biāo)中明確要求，應(yīng)堅(jiān)持立德樹人，加強(qiáng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀教育，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。社會(huì)責(zé)任感包含的內(nèi)容極其廣泛，其中之一就是珍惜資源、愛護(hù)環(huán)境的責(zé)任意識(shí)。增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，使其在今后的職業(yè)生涯中，既能成為一名社會(huì)的建設(shè)者，也能成為一名自然環(huán)境的護(hù)衛(wèi)者，這并非一蹴而就的事情，而是需要在教學(xué)過程中進(jìn)行持續(xù)的熏陶和培養(yǎng)[1， 2]。在這樣的背景下，如何才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)人才培養(yǎng)目標(biāo)值得廣大教育工作者深入思考。

筆者多年來一直在高等院校從事物理化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)工作。在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐過程中筆者切身體會(huì)到，對(duì)于正處在科學(xué)觀和價(jià)值觀形成階段的學(xué)生而言，將先進(jìn)的教育理念充分體現(xiàn)在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)之中是非常重要的，因?yàn)檫@樣會(huì)對(duì)學(xué)生未來的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響?；瘜W(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，其學(xué)科特征就是理論和實(shí)驗(yàn)相輔相成。因此在進(jìn)行理論課教學(xué)的同時(shí)，還需充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)理論教學(xué)的補(bǔ)充功能，不僅要向?qū)W生介紹先進(jìn)的科學(xué)研究方法，還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)、責(zé)任意識(shí)，致力于提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

一、高等院?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)面臨的新問題

在高等院校各種理科和工科專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是其中的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐能力的基礎(chǔ)課程。近年來，由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐技能的培養(yǎng)和科研素質(zhì)的提升起到關(guān)鍵的作用，因此有越來越多學(xué)科和專業(yè)的學(xué)生在大學(xué)期間修學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程[3， 4]。在東北大學(xué)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程面向全校的冶金工程、環(huán)境科學(xué)、采礦工程、材料科學(xué)、安全工程、應(yīng)用化學(xué)等14個(gè)理工科專業(yè)、140多個(gè)班次開設(shè)。每年有4000余人次的學(xué)生接受化學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，約占東北大學(xué)每年本科招生總?cè)藬?shù)的80%。

另外，如果學(xué)生主修的專業(yè)不同，其學(xué)習(xí)目的和需求的差別也較大[5， 6]?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果直接影響到后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)，因此不同專業(yè)的學(xué)生希望根據(jù)自己專業(yè)的特點(diǎn)有針對(duì)性地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技能。例如，冶金工程、環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)、生物工程、材料科學(xué)等專業(yè)的學(xué)生想了解本專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)之間的密切關(guān)聯(lián)。而應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生則對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度和廣度有更高要求。由于修學(xué)的學(xué)生眾多，不同專業(yè)的學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程無論是深度還是廣度的要求，其差別無疑是巨大的，從而導(dǎo)致化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的復(fù)雜多樣。按東北大學(xué)近五年化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱統(tǒng)計(jì)，全校每年開展的化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)百余種[7]。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程除具備如上所述的課程特征之外，在近些年高等院校持續(xù)擴(kuò)大招生規(guī)模和強(qiáng)調(diào)素質(zhì)教育理念的雙重背景下，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展又出現(xiàn)了新的問題，即實(shí)驗(yàn)材料費(fèi)用迅速攀升和實(shí)驗(yàn)試劑、實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物對(duì)環(huán)境造成污染。

二、化學(xué)實(shí)驗(yàn)微型化的必要性

上述原因?qū)е禄瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)中被使用的試劑和低值易耗品種類繁多、數(shù)量巨大，因此實(shí)驗(yàn)材料的耗費(fèi)量十分驚人。與此同時(shí)，還需要耗費(fèi)大量資金對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢液和廢渣進(jìn)行無害化處理。假若直接排放未經(jīng)處理的實(shí)驗(yàn)廢棄物，就會(huì)既與環(huán)境保護(hù)的理念和建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的國(guó)家戰(zhàn)略相悖，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的綠色實(shí)驗(yàn)觀念和環(huán)境保護(hù)意識(shí)[8， 9]。因此，近些年我們?cè)谧⒅嘏囵B(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐能力的同時(shí)，針對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)廣泛開展所帶來的愈來愈嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和資源浪費(fèi)現(xiàn)象，大膽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，逐步加快了化學(xué)實(shí)驗(yàn)微型化進(jìn)程。

所謂微型實(shí)驗(yàn)是指在微型的儀器設(shè)備中，用盡可能少的試劑獲取所需的化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)方法。微型實(shí)驗(yàn)不僅與常規(guī)實(shí)驗(yàn)等效，而且還具有節(jié)約藥品、減少儀器損耗、節(jié)省時(shí)間、提高實(shí)驗(yàn)安全程度等優(yōu)點(diǎn)。由于微型實(shí)驗(yàn)消耗試劑較少，產(chǎn)生的有害物質(zhì)少，利于環(huán)境保護(hù)，因此微型實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益都是顯而易見的。

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在20世紀(jì)80年代問世以后，在大學(xué)及中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的推廣使用已經(jīng)受到國(guó)際化學(xué)界的高度重視，許多發(fā)達(dá)國(guó)家積極響應(yīng)。在我國(guó)，經(jīng)教育部和高等化學(xué)研究中心批準(zhǔn)成立的“全國(guó)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中心”已面向國(guó)內(nèi)開展了二十余年的微型化學(xué)研究與推廣工作。目前，我國(guó)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微型化程度較高，但普通高等院校的依然較低。這一方面是由于大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于中學(xué)的，開展微型化實(shí)驗(yàn)難度較大，另一方面也是由于人們開展微型化實(shí)驗(yàn)的意識(shí)不強(qiáng)。

作為教育工作者，我們需要牢固樹立教書不忘育人的教育理念，從自身做起，從身邊事情做起[10]；發(fā)揚(yáng)克難奮進(jìn)、持之以恒的精神，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與探索，以達(dá)到用盡可能少的試劑和儀器耗費(fèi)來獲取盡可能多的化學(xué)信息的目的；在注重學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的同時(shí)，努力提升學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

三、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)示例

在長(zhǎng)期的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，在保證實(shí)驗(yàn)方案合理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)效果顯著的前提下，我們致力于對(duì)現(xiàn)有化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)[9]。此外，由于高等院校所開展的化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于中學(xué)化學(xué)教育且與其有著截然不同的特點(diǎn)，因此目前也有一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目尚未能夠?qū)崿F(xiàn)微型化。對(duì)這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目我們也進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，減少試劑的使用量，致力于將化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的危害降至最低。下面以“化合物的差熱—熱重分析”和“熱分析法繪制鉍—錫二組分體系固—液相圖”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例具體說明。

（一）微型化實(shí)驗(yàn)示例——“化合物的差熱—熱重分析”實(shí)驗(yàn)

差熱—熱重分析方法是一種重要的科學(xué)研究方法，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、材料、環(huán)境等學(xué)科領(lǐng)域。“化合物的差熱—熱重分析”實(shí)驗(yàn)開展的目的是幫助學(xué)生掌握差熱—熱重分析方法的原理及其應(yīng)用，學(xué)會(huì)定性地解釋差熱—熱重圖，并對(duì)影響測(cè)量準(zhǔn)確性的因素進(jìn)行初步分析。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅更容易理解熱力學(xué)的基本原理，而且還掌握了一種測(cè)定其物理化學(xué)性質(zhì)的常用方法。

“化合物的差熱—熱重分析”實(shí)驗(yàn)是許多高等院校物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不同高校的實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)試樣品種類可能不同，但是基本原理相同。這是一個(gè)基于物質(zhì)在變溫過程中所發(fā)生的相變而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。即當(dāng)物質(zhì)在加熱或冷卻過程中發(fā)生熔化、升華、汽化、凝固、分解、化合、晶型轉(zhuǎn)變、脫水、吸附、脫附等物理和化學(xué)變化時(shí)，經(jīng)常伴隨著吸熱或放熱、失重或增重等現(xiàn)象。相應(yīng)地，體系溫度隨時(shí)間變化曲線上就會(huì)發(fā)生停頓或轉(zhuǎn)折，體系質(zhì)量隨溫度變化曲線上就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)折或突躍。在通常情況下，由相變產(chǎn)生的熱效應(yīng)相當(dāng)小，或者某些化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)不顯著，這些情況都不足以引起體系溫度發(fā)生明顯的變化，也就是說體系溫度隨時(shí)間變化曲線上的頓、折并不顯著，甚至根本顯示不出來。因此，在進(jìn)行差熱分析時(shí)，常常將待測(cè)樣品與熱穩(wěn)定性良好的參比物（要求是在實(shí)驗(yàn)溫度變化的過程中不發(fā)生任何物理變化和化學(xué)變化的物質(zhì)，不產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，例如Al2O3、SiO2等）同置于加熱爐中，使加熱爐保持一定的升溫速率，記錄升溫過程中試樣與參比物的溫度差，將此溫度差對(duì)升溫時(shí)間作圖或?qū)?shí)時(shí)溫度作圖，即可得到待測(cè)樣品的差熱曲線。與此同時(shí)，記錄升溫過程中試樣質(zhì)量變化，并對(duì)升溫時(shí)間作圖或?qū)?shí)時(shí)溫度作圖，即可得到待測(cè)樣品的熱重曲線。

在我們以往的“化合物的差熱—熱重分析”實(shí)驗(yàn)中，每次測(cè)試所使用的CaC2O4·2H2O樣品量為0.5克。雖然從單次測(cè)試所使用的樣品量來看并不算太多，然而學(xué)生的基數(shù)很大，每人測(cè)試一次是0.5克，每年有數(shù)以千計(jì)的學(xué)生進(jìn)行每人多次的測(cè)試，其樣品的使用數(shù)量大，且樣品焚燒后的產(chǎn)物之一CO2直接排放到空氣中。另外，由于測(cè)試時(shí)使用樣品較多、體積較大，因此很難保證樣品室內(nèi)的溫場(chǎng)均衡，這也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。為了解決上述問題，在經(jīng)過大量教學(xué)研究和理論推演后，我們重新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，配置了差熱天平、微機(jī)差熱儀等新的儀器設(shè)備。在新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中使用了微型樣品管，使每份CaC2O4樣品的使用量減少為原來的十分之一，即不超過0.05克。

教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，“化合物的差熱—熱重分析”實(shí)驗(yàn)微型化后有許多好處。其一，在大幅度削減化學(xué)藥品使用量的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度環(huán)境得到明顯改善。以往在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，由于樣品室較大，爐體的體積也較大，升溫過程中爐體散熱量非常大。如果8套儀器同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，50平方米的實(shí)驗(yàn)室其溫度會(huì)升高8攝氏度左右。但在使用微量樣品室以后，實(shí)驗(yàn)室溫的度升高值不超過4攝氏度。其二，由于微量樣品室中溫度分布更均勻，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際值，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)偏差也更小。其三，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)與以往不同。采用新的微型化實(shí)驗(yàn)方案以后，很多學(xué)生對(duì)采用如此微量的樣品就能獲得大量的關(guān)于化合物物理化學(xué)性質(zhì)的信息感到非常驚奇。這也達(dá)到了我們努力為學(xué)生開設(shè)各種類型的實(shí)驗(yàn)，逐步引導(dǎo)學(xué)生不僅學(xué)會(huì)做實(shí)驗(yàn)而且學(xué)會(huì)深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的目的。

（二）小型化實(shí)驗(yàn)示例——“熱分析法繪制鉍—錫二組分體系固—液相圖”實(shí)驗(yàn)

“熱分析法繪制鉍—錫二組分體系固—液相圖”實(shí)驗(yàn)是我國(guó)很多普通高等院校理工科專業(yè)為學(xué)生設(shè)置的另一個(gè)經(jīng)典的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其開設(shè)的目的是幫助學(xué)生了解熱分析的方法，學(xué)會(huì)采用熱分析的方法繪制可生成合金的鉍—錫二組分體系固—液相圖，了解熱電偶的測(cè)溫原理和校正方法。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更清晰地觀察到物態(tài)的變化以及物態(tài)變化所伴隨著的體系溫度變化。

熱分析方法是分析材料物理化學(xué)性質(zhì)的一個(gè)基本的也是重要的方法，是根據(jù)體系在加熱或冷卻過程中發(fā)生相變時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度來確定體系狀態(tài)的一種方法。對(duì)于透明體系且溫度不太高時(shí)，可用肉眼觀察某相的析出或消失；對(duì)于高溫且不透明體系，一般可通過冷卻曲線找出相變溫度。所謂冷卻曲線，也稱為步冷曲線，即熔融體系冷卻時(shí)的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。一個(gè)熔融體系均勻冷卻過程中若無相的轉(zhuǎn)變，則體系的溫度將連續(xù)均勻地下降，得到一條平滑的冷卻曲線；若冷卻過程中發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，則由于相變潛熱的影響，會(huì)使體系溫度的下降速度發(fā)生明顯變化，在相變發(fā)生時(shí)段冷卻曲線會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)或者水平線段。因此，觀察冷卻曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)或水平段對(duì)應(yīng)的溫度就可以得知體系發(fā)生相變時(shí)的溫度。我們?cè)O(shè)計(jì)的二組分體系固—液相圖的繪制實(shí)驗(yàn)所采用的熱分析對(duì)象是鉍—錫二組分體系，該體系屬于有最低共熔點(diǎn)的有限固熔體體系。在測(cè)定得到一系列由不同含量鉍和錫組成的體系的冷卻曲線后，分析曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)及水平段對(duì)應(yīng)溫度并結(jié)合相律，便可了解到冷卻過程中體系的變化，從而繪制出體系的固—液相圖。

在以往的實(shí)驗(yàn)過程中，我們是將一定配比的鉍和錫混合樣品放在坩堝中，并在其表面淋上一層硅油，之后加熱熔融。加入硅油的目的是防止加熱過程中金屬的揮發(fā)及氧化。通過文獻(xiàn)查閱不難發(fā)現(xiàn)，硅油的燃點(diǎn)為320℃，僅比鉍的熔點(diǎn)（271℃）高49℃。在加熱試樣時(shí)，隨著溫度的升高，硅油會(huì)大量揮發(fā)。而且，若實(shí)驗(yàn)時(shí)升溫速率太快，熔體溫度過高，那么浮在金屬熔體表面的硅油會(huì)被引燃。這樣不僅會(huì)消耗大量硅油，其高溫?fù)]發(fā)及不完全燃燒的產(chǎn)物還會(huì)污染空氣。為此，我們更新了實(shí)驗(yàn)裝置，采用金屬樣品管盛裝樣品，單支樣品的用量從過去的120克減少到幾克。與此同時(shí)，我們不再使用硅油覆蓋，而是采用給樣品管抽真空的辦法來避免金屬熔體與空氣接觸。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，對(duì)“熱分析法繪制鉍—錫二組分體系固—液相圖”實(shí)驗(yàn)的小型化設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)藥品，而且也從根本上解決了實(shí)驗(yàn)過程中的空氣污染問題。

四、結(jié)論

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)所具有的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被越來越多的人所認(rèn)可。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外高等院校的教學(xué)與科學(xué)研究中也愈來愈受到廣泛的重視。進(jìn)一步推廣微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)符合時(shí)代發(fā)展的需求，同時(shí)對(duì)改變學(xué)生科學(xué)研究觀、提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保理念、增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感都是十分重要的。隨著微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，不可避免地會(huì)遇到一些困難和問題。對(duì)那些由于種種原因?qū)е聼o法實(shí)現(xiàn)微型化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也應(yīng)力求將實(shí)驗(yàn)樣品使用數(shù)量降至最小。只要我們肯于潛心研究、克難奮進(jìn)，不斷地更新教學(xué)理念，拓展教學(xué)改革思路，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，化學(xué)實(shí)驗(yàn)微型化目標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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