創(chuàng)新思維理念指導下的無機化學實驗教學改革

楊惠芳, 董維超, 任書霞, 郭獻章

(1. 石家莊鐵道大學 教務(wù)處, 河北 石家莊 050043； 2. 河北科技大學 電氣工程學院,河北 石家莊 050018； 3.石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院,河北 石家莊 050043；4. 東北大學秦皇島分校 實驗教育中心, 河北 秦皇島 066004)

我們生活在一個高度依賴創(chuàng)新的世界[1]。習近平總書記在談到什么是影響中國長遠未來的關(guān)鍵因素時說：“創(chuàng)新、創(chuàng)新、再創(chuàng)新”。黨的十九大報告在提到教育時也強調(diào),“加強國家創(chuàng)新體系建設(shè),強化戰(zhàn)略科技力量”[2]。在這樣的背景下,高校教育中的每一個環(huán)節(jié),既應(yīng)注重教育模式、教育內(nèi)容的改革創(chuàng)新,也應(yīng)注重在教學實現(xiàn)過程及其他培訓培養(yǎng)過程中對學生創(chuàng)新理論與創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)與鍛煉[3]?！盁o機化學”是很多高校材料學專業(yè)新生入學后接觸到的第一門必修課,也是材料學科的重要基礎(chǔ)課。無機化學實驗,是相關(guān)專業(yè)學生培養(yǎng)計劃中必不可少的一環(huán),是“無機化學”課程的重要組成部分,是培養(yǎng)學生實驗技能以及分析問題、解決問題能力的重要手段。但由于無機化學學科本身性質(zhì)的特殊性,進行無機化學實驗的同時不可避免地伴隨著氣體、液體或固體廢棄物的生成,這些廢棄物若不妥善處理,必將嚴重污染實驗室環(huán)境,進而對整個社會環(huán)境都會產(chǎn)生嚴重破壞,這就造成了“實驗多、污染多”的矛盾。針對這一矛盾,運用“微創(chuàng)新”中關(guān)于“假矛盾”[4]的理論,不但能很好地解決污染問題,還可把污染解決過程變成讓學生注重環(huán)保的一個很好的實踐課。在這一過程中,把綠色化學理念融合到化學實驗教學中[5],使師生既提高了環(huán)保意識,又運用創(chuàng)新原理進行了創(chuàng)新實踐鍛煉,提高了綜合創(chuàng)新能力。

1 “微創(chuàng)新”中的“假矛盾”理論

在《微創(chuàng)新：5種微小改變創(chuàng)造偉大產(chǎn)品》一書中,作者把“矛盾”的類型分為“真矛盾”與“假矛盾”[4]?！罢婷堋笔侵感问竭壿嬛械拿?“它意味著失敗,但在真正的知識進步中,矛盾是通往成功的第一步”(阿爾弗雷德·諾斯·懷特海)。而我們生活中遇到的所謂矛盾,都是在錯誤假設(shè)上所形成的“假矛盾”,也就是說兩個命題之間的聯(lián)接,是靠不住的“弱聯(lián)接”,或者是把在某種特定時間與場景下的真矛盾無限擴大化了。這類矛盾的解決,就是要找到矛盾中兩個命題間的“弱聯(lián)接”，并進行研究與探討,運用創(chuàng)新思維進行分析與推理,這樣問題往往會得到順利解決,還有可能變不利為有利。

在這些矛盾的解決過程中,我們可以主動應(yīng)用“微創(chuàng)新”中的系統(tǒng)創(chuàng)新策略。它的系統(tǒng)創(chuàng)新理論包含兩大原則、五大策略、一個主線。

兩大原則分別指“框架內(nèi)思考”原則與“形式為先,功能次之”原則,前者要求我們在自己熟知的領(lǐng)域內(nèi)尋找問題的解決辦法,后者則要求我們改變慣有的思維模式,先把問題的各部分(部件)進行各種形式的分解,然后再對重要部件進行刪除、復(fù)制、重新組合的操作,或者發(fā)現(xiàn)某部件的新特性,或者為某個部件增加另外的任務(wù)。這些操作分別稱為減法策略、乘法策略、除法策略、屬性依存策略、任務(wù)統(tǒng)籌策略,即五大策略。進行這些操作后對所形成的每一個新“產(chǎn)品”進行分析,找出它所具有的新特點與新用途,并進一步探討它的潛在用戶是誰。通過這樣的創(chuàng)新過程,一個新產(chǎn)品或新思路或許就會應(yīng)運而生,并帶來意想不到的成功。一個主線是指把“矛盾作為創(chuàng)新路上的燈塔”,通過分析矛盾的兩個命題之間的“弱聯(lián)接”,運用以上的一種或幾種創(chuàng)新策略,在“框架內(nèi)思考”,最后解決問題。

無機化學實驗中的“三廢”問題的解決,是上述“假矛盾”理論的應(yīng)用范例,不過是從“自發(fā)”狀態(tài)演變?yōu)椤白杂X”狀態(tài)了。所謂“自發(fā)”狀態(tài)是指我們在解決化學實驗的“三廢”問題時,實際上已經(jīng)應(yīng)用了創(chuàng)新理論中的某些論斷,但是并不知道這個理論的存在。而當我們系統(tǒng)地掌握了這些有效的創(chuàng)新理論時,把新問題放到創(chuàng)新理論系統(tǒng)中,進行分析與處理,最后解決問題。方法可能是創(chuàng)新的,但原理的運用卻在我們的掌控之中。比如,對于“三廢”中的廢氣,有時被定義為“有毒有害”氣體,這實際上是“微創(chuàng)新”理論中所謂的“假矛盾”,因為只有當某種氣體接觸了某種其不應(yīng)接觸的對象時,才是“有毒有害”的。因此問題的關(guān)鍵不是“有毒有害”,而是這個“弱聯(lián)接”被無限擴大化了。對于類似的問題,下文將一一進行分析。

2 運用“假矛盾”理論來處理無機化學中的“三廢”問題

2.1 無機化學實驗中污染物的處理現(xiàn)狀

以某校無機化學實驗室為例,讓師生把目前實驗污染的現(xiàn)狀(也即“假矛盾”)列舉出來。他們經(jīng)過分析并采取“打包”式的描述如下。

無機化學實驗包括：化學反應(yīng)速率和化學平衡、離解平衡、沉淀反應(yīng)、氯化鈉提純、氧化還原反應(yīng)、配合物形成時性質(zhì)的改變、混合離子的鑒別、分離等,這些實驗教學內(nèi)容中“三廢”的存在貫穿始終。

(1) 污染性氣體排放的處理現(xiàn)狀。無機化學實驗中產(chǎn)生的污染性氣體,主要為一些氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物、氯氣、氨氣和其他非金屬氫化物等。目前的處理方法是,有毒有害氣體在通風櫥內(nèi)操作,通過排風扇排出室外,在可能的情況下最大限度地降低實驗室空氣污染程度,使實驗人員對有毒有害氣體吸入量達到最低。但是這種處理方法使有毒有害氣體進入到了實驗室周圍的環(huán)境中,在開設(shè)實驗班級較多、實驗量相對較大情況下,在實驗室周圍就會形成一個污染區(qū),對大氣環(huán)境的影響也不容忽視。

(2) 液體污染物的處理現(xiàn)狀。對于一些觀念上認為是無毒或低毒的物質(zhì),如氯化鈉、碳酸鉀、酸類、堿類等都被認為是可直接降解為無毒物質(zhì)的。目前,實驗室對這些物質(zhì)不作任何處理,直接倒入水池,排入下水道。但由于很多下水道直接與河道相連,這種操作將污染地表水及地下水資源,若與城市垃圾一起處理,又會產(chǎn)生土地污染問題。實驗室對Cu、Pb、Ni、Ag、Zn等重金屬及其化合物只注重回收,不注重處理,實驗完成以后長期存放在實驗室。這不僅污染實驗室,也不利于實驗操作人員的身體健康。對于毒性較大的如汞及其化合物、鉻(Ⅵ)及其化合物,基本采取回避政策,能不用則不用。雖然這樣做比較安全,但是學生無法親自進行相關(guān)實驗,沒有基本的感性認識,不利于知識的掌握和能力的培養(yǎng)。

(3) 固體廢棄物的處理現(xiàn)狀。實驗室固體廢棄物主要包括一些實驗過程中破損的玻璃器皿、使用過的濾紙、火柴梗等,這些物質(zhì)雖然數(shù)量不多,但是直接倒入垃圾通道,進入城市垃圾系統(tǒng),也會間接影響生活環(huán)境,對人體健康產(chǎn)生危害?！按虬笔矫枋?最容易掩蓋矛盾之間的“弱聯(lián)接”,同時也會造成人們的主觀臆想,給矛盾的解決造成障礙。因此,可以引導師生先運用“形式優(yōu)先,功能次之”的原理,把所述的問題全部“拆解”,然后運用“五種策略”,尋求在“框架之內(nèi)”的問題解決途徑,以求獲取更佳解決辦法。

2.2 運用創(chuàng)新策略,對“三廢”問題各個擊破

2.2.1 用“創(chuàng)新視角”對實驗“三廢”污染處理過程的再認識

按照以往的觀點,無機化學實驗中反應(yīng)產(chǎn)物的處理過程,就是教學過程中的負作用,是完全有害無益的過程。但用“屬性依存”策略來分析,對這一有害過程,使用創(chuàng)新的理論與方法進行無害化處理的過程,正是在實踐中對學生進行創(chuàng)新實踐教育、綠色環(huán)保教育的過程。所以，這個教育過程既是化學實驗的環(huán)保教育過程,也是創(chuàng)新能力的養(yǎng)成教育過程,應(yīng)該高度重視。要把這種教育的“自發(fā)性”,變成創(chuàng)新及環(huán)保教育的“自覺性”。

2.2.2 創(chuàng)新策略在有毒氣體的無害化處理中的應(yīng)用

“有毒有害氣體”這一判句本身是一個“假矛盾”,因為只有當這種“氣體”散發(fā)到不該散發(fā)到的地方,接觸了不該接觸到的人或物,才是真的“有毒有害”。把“有毒有害”與“氣體”之間的“弱聯(lián)接”打破了,這種命題就不復(fù)存在了。具體的做法為,對產(chǎn)生有毒有害氣體的實驗,盡可能放在密閉的容器中進行,將實驗中產(chǎn)生的有毒有害氣體收集、統(tǒng)一處理。處理的方式主要有以下三種[6]：

(1) 吸附：在通風櫥內(nèi)及氣體出口處添加吸附性物質(zhì),將有害物質(zhì)吸附在固體表面,避免有毒有害氣體直接進入空氣中。

(2) 轉(zhuǎn)化：對于CO氣體,通過氧化燃燒生成CO2排出。

(3) 吸收：對于SO2、Cl2、H2S、NO、NO2等氣體, 可以用NaOH溶液加以吸收(氣體產(chǎn)物可直接通入NaOH溶液或用浸有NaOH溶液的棉花球吸附),使之轉(zhuǎn)化為無毒的物質(zhì)。

2.2.3 創(chuàng)新策略在液體廢棄物的環(huán)保綠色處理中的應(yīng)用

廢液是無機化學實驗的“三廢”中最主要的部分,其中可能含有酸堿、重金屬離子及其化合物。這些液體廢棄物必須科學處理,才能使我們的生存環(huán)境得到有效保護。在處理過程中,針對不同的實驗,采取不同的創(chuàng)新策略,使問題均得到有效解決。

2.2.3.1 采用除法策略,合理組合,優(yōu)化實驗內(nèi)容

一般工科院校中,無機化學實驗都包含沉淀實驗和配合物性質(zhì)實驗兩類。沉淀實驗中有銀離子與鹵離子的反應(yīng),不可避免地會產(chǎn)生AgCl、AgBr、AgI重金屬沉淀廢棄物。這些廢棄物的存在會對環(huán)境產(chǎn)生影響。配合物性質(zhì)實驗需要先生成AgCl、AgBr、AgI沉淀,再加入配位劑NH3?H2O、Na2S2O3、KI,使其生成配合物,觀察沉淀溶解過程,同樣有相關(guān)Ag+及其沉淀和配合物的殘液生成。

在常規(guī)實驗過程中,沉淀反應(yīng)實驗與配合物性質(zhì)實驗是分別進行的,兩個實驗產(chǎn)生兩次污染廢棄物。

針對以上問題,采取“微創(chuàng)新”中的除法策略,把以上兩個實驗過程中的各個步驟先分開來,然后進行組合,優(yōu)化實驗內(nèi)容,如圖1所示。

圖1 沉淀反應(yīng)與配合物實驗的優(yōu)化組合

通過“除法策略”的運用,將沉淀實驗和配合物性質(zhì)實驗通過優(yōu)化組合予以改進,學生既可清楚地觀察到沉淀的每一步生成過程、溶度積對沉淀的影響、沉淀的轉(zhuǎn)化,以及配合物形成和配合平衡與沉淀平衡的轉(zhuǎn)化,同時簡化了實驗步驟,減少了試劑用量,使廢液污染量大大降低。

2.2.3.2 運用“屬性依存”與“減法策略”,對反應(yīng)物科學處理、重復(fù)使用

實驗生成物,既是“廢棄物”,也是有再利用價值的“材料”。通過仔細分析,發(fā)現(xiàn)很多實驗中的化學成份都有“多面”屬性,這就為“屬性依存策略”的應(yīng)用提供了很好的場景。

在沉淀生成實驗中的Pb2+性質(zhì)實驗,所生成的PbI2、PbS、PbCrO4毒性較大,不能直接排入下水道,是必須處理的重金屬殘液。

對于溶度積較大的PbI2,可先轉(zhuǎn)化為PbS,再與PbS一起處理。

對于收集完成后的PbS,可摻入HNO3溶液,通過兩者之間的如下反應(yīng)過程除去： 3PbS+8HNO3=3S+3Pb(NO3)2+2NO(氣體)+4H2O。其中,Pb2+溶液可以重復(fù)利用,污染性氣體NO在空氣中就很容易氧化為NO2,再用氫氧化鈉溶液吸收。

對于收集完成后的PbCrO4,可摻入NaOH溶液,通過兩者之間的如下反應(yīng)除去：PbCrO4+ 2NaOH = Pb(OH)2(沉淀)+Na2CrO4。其中,對于Na2CrO4物質(zhì),通過調(diào)整pH值配置鉻酸洗液,用于實驗室玻璃器皿的洗滌,Pb(OH)2沉淀提取后，可用硝酸或醋酸溶解,生成的Pb2+可用于沉淀反應(yīng)重復(fù)使用。

以上解決方法,都是應(yīng)用反應(yīng)生成物的不同“屬性”,變廢為寶,重復(fù)利用。

2.2.3.3 運用“保留型除法策略”,推廣微型實驗,最大限度地降低殘液量

“保留型除法策略”[4]是指縮小原產(chǎn)品,但依然保留原產(chǎn)品的功能與特性,卻能為用戶帶來不一樣的體驗,就像用U盤代替移動硬盤。而在我們的化學實驗中,微型實驗[10]就具備這一優(yōu)良特性。

微型化學實驗[10]是指用微小量的化學試劑在微型化學儀器裝置中進行的化學實驗。雖然它的化學試劑用量一般只為常規(guī)實驗用量的幾十分之一乃至幾千分之一, 但其實驗效果卻可以達到準確、明顯、安全、方便和防止環(huán)境污染等目的。微型實驗適用于一些毒性較大、藥品昂貴、消耗量大、污染嚴重、操作復(fù)雜的化學實驗。如硫化汞的生成和溶解,此實驗中Hg2+化合物及其沉淀、配合物的毒性極大,若改成微型實驗,或?qū)嶒炄萜饔稍嚬芨臑樵邳c滴板上進行,既可大大減少毒性試劑用量,將污染程度降到最低,又能讓學生親自動手進行實驗,加深印象,有利于他們更好地了解物質(zhì)的性質(zhì)。

2.2.3.4 多媒體模擬實驗是“減法策略”的典型應(yīng)用[11]

“減法策略”是“微創(chuàng)新”理念體系中的重中之重,它是指把一個產(chǎn)品中的核心部件去掉,不找替代物,或從框架內(nèi)找一個替代物,從而生成一個新的產(chǎn)品,而這一新產(chǎn)品卻具有特殊的用途,能達到意想不到的效果。在實驗教學中減去“實驗”,還能達到實驗的效果,卻沒有了實驗所帶來的負面影響與產(chǎn)物。這就是現(xiàn)在多媒體教學的應(yīng)用,包括數(shù)值模擬實驗的應(yīng)用和VR視頻技術(shù)的應(yīng)用等。

現(xiàn)代多媒體教學手段生動傳神,其特有的動畫、視頻效果能形象直觀地展示實驗內(nèi)容,全方位、立體化地說明每一個實驗結(jié)果,對于毒性大、耗時長的實驗尤其適合。比如在氧化還原反應(yīng)中氧化劑濃度對反應(yīng)速率的影響實驗,用不同濃度的Pb(NO3)2溶液在HAc溶液的存在下加入Na2SiO3,觀察“鉛樹”生長的速率,從而驗證反應(yīng)物濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系。在此過程中,不僅要使用重金屬Pb2+進行實驗,存在污染問題,而且“鉛樹”生長極其緩慢,通常需要十幾個小時才能完成。若教師將此實驗過程制作成多媒體實驗錄像,不僅能將實驗過程、實驗現(xiàn)象、實驗中要注意的內(nèi)容生動傳神地展示出來,而且能降低實驗成本，實現(xiàn)環(huán)保綠色,多媒體的視頻、音頻效果還能大大提高學生的學習興趣。

2.2.4 固體廢棄物的綠色化處理是“假矛盾”處理的典型

固體廢棄物雖然量小、影響小,但直接丟棄也會污染環(huán)境,而全由學校實驗室直接進行處理,則會產(chǎn)生很高的費用。運用框架內(nèi)思維對矛盾進行分析,發(fā)現(xiàn)去掉矛盾的定語“學校實驗室自己處理”,則問題就好解決了,因為專業(yè)公司具有規(guī)模效應(yīng),可把收集來的重金屬等在國家規(guī)范允許的范圍內(nèi)進行處理或變廢為寶。

目前處理無機實驗中產(chǎn)生的固體廢棄物的主要做法是分類存放,破損的玻璃器皿、使用過的濾紙等，要根據(jù)不同的實驗內(nèi)容用化學的方法洗滌，去除重金屬及有毒物質(zhì),或交由專業(yè)處理企業(yè)進行進一步處理。

3 結(jié)語

化學工業(yè)的發(fā)展的確給我們的生活帶來了極大的方便與舒適。徐光憲院士說過：“化學是不斷發(fā)明和制造對人類更有用的新物質(zhì)的科學?；瘜W科學是現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)學科?！钡腔瘜W品的污染同樣也對我們的生存和健康帶來了極大的隱患,甚至有些已經(jīng)產(chǎn)生了極大的危害。在當前環(huán)境問題日益嚴重的境況下,化學污染與環(huán)境保護已引起了人們的廣泛關(guān)注,探討和推行實驗綠色化已成為高校化學實驗教學改革的必然趨勢,勢在必行。無機化學實驗教學與實驗污染這一對矛盾的解決,有著重要的現(xiàn)實意義與理論探討價值。因此,在保障化學實驗教學效果的前提下,運用創(chuàng)新理論與方法,針對不同的實驗中所呈現(xiàn)出的問題,一一克服,減少實驗污染,實現(xiàn)無機化學實驗課程的科學化、綠色化,提高學生的環(huán)保責任意識,增強創(chuàng)新理論水平與實踐能力。這樣的教學模式具有一定的推廣參考價值。

“大眾創(chuàng)業(yè),萬眾創(chuàng)新”,已經(jīng)成為時代的共識。創(chuàng)新已經(jīng)與大眾生活密不可分。作為大學教育的參與者、親歷者,教師應(yīng)該走在創(chuàng)新的第一線,把自己的課堂教學和實驗教學變成學生學習創(chuàng)新理論和進行創(chuàng)新實踐的場所。結(jié)合實驗教學,搞好創(chuàng)新教育,既在實驗中達到專業(yè)培養(yǎng)目標,又實現(xiàn)實驗教學內(nèi)容與形式的改進與優(yōu)化,師生的創(chuàng)新能力與熱情也得到提升。