高校綠色分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的創(chuàng)建研究

吳鴻偉

(棗莊學(xué)院 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，山東 棗莊 277160)

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，更是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際,增強(qiáng)動(dòng)手能力的主要手段。在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，由于各種條件的限制，各實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)所用試劑統(tǒng)籌及“三廢”處理等方面做得不盡如人意。此種結(jié)果導(dǎo)致化學(xué)實(shí)驗(yàn)室就是一個(gè)潛在的污染源，對(duì)周圍環(huán)境介質(zhì)造成一定的損害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析化學(xué)常用實(shí)驗(yàn)試劑中，有毒有害物質(zhì)約占42%，腐蝕性和易燃物質(zhì)占55%，其他類型為3%。“十八大報(bào)告”明確提出要建設(shè)生態(tài)文明，打造綠水青山。因此從源頭及實(shí)驗(yàn)全過(guò)程減少甚至杜絕污染是亟待解決的難題，引起了廣大高校的高度關(guān)注[1]。

1 綠色化學(xué)內(nèi)涵和推廣必要性

1995 年，綠色化學(xué)概念首次正式被美國(guó)采用，其內(nèi)涵是指化學(xué)產(chǎn)品在制備、應(yīng)用時(shí)原料應(yīng)有效利用，規(guī)避有毒、危險(xiǎn)性試劑、消除廢物，努力達(dá)到“零排放”，搭建綠色、環(huán)境友好新工藝。把綠色化學(xué)概念貫穿于分析化學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以很大程度上縮減實(shí)驗(yàn)過(guò)程中藥品對(duì)環(huán)境造成的危害，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)學(xué)生培養(yǎng)綠色化學(xué)意識(shí)是分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的重點(diǎn)[2]。近年來(lái)，各高校實(shí)驗(yàn)室都在積極探索實(shí)驗(yàn)綠色化，并取得了明顯的成效。綠色化學(xué)理念的培養(yǎng)已成為目前我國(guó)化學(xué)教育及其他相關(guān)學(xué)科教育的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)理論研究與現(xiàn)實(shí)實(shí)踐，對(duì)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室“三廢”進(jìn)行無(wú)害化處理，減少實(shí)驗(yàn)室對(duì)周圍介質(zhì)的污染，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)綠色化，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)境保護(hù)意識(shí)，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

2 綠色化分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)安排，體現(xiàn)綠色化理念

由于歷史原因，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)高校化學(xué)安排只注重教學(xué)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)效果及學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，而對(duì)實(shí)驗(yàn)藥品的選擇、“三廢”的治理關(guān)注不夠，甚至很少去考慮。要實(shí)現(xiàn)分析化學(xué)的綠色化，必須要對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案進(jìn)行改革，妥善合理安排實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)安排首先仍然要強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)培養(yǎng)，特別是常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作(洗滌、稱量、過(guò)濾、配溶液及滴定等)、基本實(shí)驗(yàn)原理方法、重要化合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)等。同時(shí)應(yīng)該注意篩查實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，去掉實(shí)驗(yàn)原料和實(shí)驗(yàn)條件毒性大、嚴(yán)重污染環(huán)境的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]；或使用環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)原料改造計(jì)劃中原有方案，如采用穩(wěn)定性和安全性較好的硫化鈉固體代替毒性較大的硫化氫。采用水性溶劑或其他混合環(huán)境友好溶劑代替實(shí)驗(yàn)中涉及到的毒性和腐蝕性較大的有機(jī)溶劑。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件，探討添加催化劑使其在溫和反應(yīng)條件下完成。

2.2 加強(qiáng)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微型化

分析化學(xué)的實(shí)驗(yàn)微型化是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中貫穿綠色化學(xué)指導(dǎo)思想，使用減少污染的新技術(shù)、新方法對(duì)常規(guī)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)新的必然結(jié)果?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)微型化是上世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的重要組成部分。微型化得主要意義在于使用較少的實(shí)驗(yàn)原料、試劑，獲得和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)微型化過(guò)程中，由于化學(xué)原料試劑用量大大縮減，由此產(chǎn)生的“三廢”數(shù)量也會(huì)降低，達(dá)到實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、減小污染的目的。同時(shí)，由于用量減少，實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間相應(yīng)縮短，增加了實(shí)驗(yàn)安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，微型化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，試劑用量和反應(yīng)時(shí)間能減少40%～50%，顯著的提高了工作效率，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。目前，分析化學(xué)的實(shí)驗(yàn)微型化已經(jīng)作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的一種有效途徑和技術(shù)，在各高校實(shí)驗(yàn)室得到推廣和應(yīng)用。

另外，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的微型化教學(xué)對(duì)化學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)有重要的意義。分析化學(xué)中一個(gè)重要的概念是“量”，用量的改變有利于引導(dǎo)學(xué)生更深層次的理解實(shí)驗(yàn)原理，利用現(xiàn)有儀器和試劑重新構(gòu)建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新思維，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識(shí)。在傳統(tǒng)化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排中大約有3/4的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是滴定實(shí)驗(yàn)，大量的滴定實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生基本動(dòng)手能力和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。滴定實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的酸式和堿式滴定管是50 mL，一人一組，會(huì)耗費(fèi)大量的實(shí)驗(yàn)試劑。若能將滴定管改為25 mL，待測(cè)溶液用量也能縮減一半，相應(yīng)的操作時(shí)間也會(huì)縮減。實(shí)驗(yàn)要求的基本操作不變，同樣可以得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一學(xué)期大約有100～200人進(jìn)行分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)，這樣就可以節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)試劑，廢水量也會(huì)相應(yīng)的縮減。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的工作量也會(huì)大大縮減，可以將更多的精力放在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)上。

2.3 加大仿真實(shí)驗(yàn)比例

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，仿真實(shí)驗(yàn)逐步走入普通高校的課堂。仿真實(shí)驗(yàn)是以多媒體系統(tǒng)為媒介，利用圖像、聲音、動(dòng)畫(huà)及文字在不同的界面上流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)、基本原理、操作、故障排除等方面的現(xiàn)場(chǎng)模擬，讓學(xué)生能夠在計(jì)算機(jī)上對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象有全方位的了解和把握。以高效液相色譜為例，仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了液相色譜結(jié)構(gòu)的展示和介紹，色譜的操作及處理數(shù)據(jù)等模塊。同時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生自己動(dòng)手搭建、調(diào)試和操作液相色譜，并可以實(shí)時(shí)出圖。學(xué)生可以根據(jù)出峰情況調(diào)整虛擬儀器的流動(dòng)項(xiàng)組成種類，比例，流速、柱溫等條件來(lái)獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外，部分仿真實(shí)驗(yàn)增加了儀器維修保養(yǎng)模塊，學(xué)生可以聯(lián)系處理常見(jiàn)儀器故障，大大突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，激發(fā)學(xué)生的興趣，拓展了學(xué)生的視野。仿真實(shí)驗(yàn)不僅體現(xiàn)了教育技術(shù)的進(jìn)步，也是分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化重要手段。它可以突破實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)材料、儀器設(shè)備的局限，學(xué)生可以自主選擇，進(jìn)行多次重復(fù)聯(lián)系，無(wú)浪費(fèi)、不產(chǎn)生“三廢”。違規(guī)或錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)操作也可以在仿真實(shí)驗(yàn)里得到實(shí)現(xiàn)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以將錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的嚴(yán)重后果展現(xiàn)給學(xué)生，讓他們更直觀的認(rèn)識(shí)到按照程序操作的重要性，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范的重視。在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仿真實(shí)驗(yàn)起到的作用越來(lái)越大，已成為實(shí)驗(yàn)綠色化的重要途徑。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)行分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化改革是分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展方向，是培養(yǎng)化學(xué)化工人才的重要理念和途徑。實(shí)踐證明，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化，有利于提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，有利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面。同時(shí)，需要值得注意的是，綠色化學(xué)改革對(duì)教師本身也是很大的促進(jìn)，提升和擴(kuò)展了教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)教師專業(yè)素質(zhì)的提高具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。