綠色化學(xué)理念下的高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)探索

陳樹貞 喻秀蓮

摘 要：實(shí)驗(yàn)是重要的化學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)形式，與常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，微型實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便、低成本和無污染等優(yōu)勢(shì)完全符合綠色化學(xué)理念。文章基于高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論，結(jié)合實(shí)際案例闡述了綠色化學(xué)理念下的化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)的具體操作方法，提出了微型實(shí)驗(yàn)在教學(xué)、探索與實(shí)驗(yàn)三方面所具有的實(shí)際價(jià)值。

關(guān)鍵詞：綠色化學(xué);高職化學(xué);微型實(shí)驗(yàn);教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 收稿日期：2020-11-23 文章編號(hào)：1674-120X（2020）36-0089-02

化學(xué)學(xué)科揭示了很多宏觀與微觀層面的事物變化過程與變化規(guī)律，只依靠教材顯然不能讓學(xué)生達(dá)到理想的學(xué)習(xí)效果，借助實(shí)驗(yàn)才是高職化學(xué)課堂改革的可行之路。由于化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的持續(xù)革新需求，及人們對(duì)綠色化學(xué)理念的急切訴求，微型實(shí)驗(yàn)的價(jià)值日漸突顯。本文將在綠色化學(xué)理念的指引下對(duì)高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)的具體操作進(jìn)行理論與實(shí)踐探索。

一、對(duì)微型實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知

化學(xué)學(xué)科中的微型實(shí)驗(yàn)來源于對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的變革需求，在20世紀(jì)80年代有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域相關(guān)實(shí)驗(yàn)中被首先提及。1984年的美國(guó)化學(xué)年會(huì)上，第一次提出了微型實(shí)驗(yàn)的概念，不久之后，美國(guó)化學(xué)教育雜志對(duì)此做了系統(tǒng)性表述。1988年，我國(guó)的浙江省杭州師范學(xué)院第一次將微型化學(xué)概念引入國(guó)內(nèi)，逐步為國(guó)內(nèi)同仁與一線教育工作者所知曉。

微型實(shí)驗(yàn)是就其規(guī)模而言的，但與微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)又是完全不同的概念，應(yīng)當(dāng)避免二者混淆。簡(jiǎn)單地說，微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于化學(xué)試劑的數(shù)量之微，而微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)力爭(zhēng)用較少的試劑取得理想的實(shí)驗(yàn)效果，其實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)人數(shù)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間等都可以從“微”處著眼，具有省試劑、少污染以及安全、快捷等特點(diǎn)，正被越來越多的高職化學(xué)教師所青睞，因此具有更大的結(jié)合綠色化學(xué)理念的可能性。

二、高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)過程案例分析

微型實(shí)驗(yàn)雖然要求只使用少量試劑卻可以顯現(xiàn)出同常規(guī)試劑用量相同、甚至效果更明顯的現(xiàn)象，從而便于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。為此，要有與之相配合的微型儀器作為輔助，才能讓實(shí)驗(yàn)的“微型化”理想成為可能。高職化學(xué)領(lǐng)域常見的微型儀器包括點(diǎn)滴板、微型試管和微型燒杯等，這些微型儀器如果只來源于“定做”的渠道是不可能的，因此需要教師從現(xiàn)實(shí)生活出發(fā)，把一些有價(jià)值的物品引入課堂或進(jìn)行一定程度的改造，作為微型儀器。如醫(yī)院里的注射器在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用極廣，便可以將其作為實(shí)驗(yàn)中“微型儀器”的替代品，從而在相當(dāng)多的微型實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮重要的作用，除具有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的優(yōu)點(diǎn)以外，還可以規(guī)避一些常規(guī)實(shí)驗(yàn)所受到的干擾。如可將改造過的注射器用于取用液體，從而取代分液漏斗，或者通過抽動(dòng)針筒活塞的方式對(duì)裝置氣密性進(jìn)行檢查等，其效果都非常不錯(cuò)。下文以注射器的應(yīng)用為例，對(duì)高職科教專業(yè)的《普通化學(xué)》教材中所涉及的幾個(gè)重要實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行分析。

案例一：鈉和水的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，一般教材所普遍認(rèn)可的方法是：向一只盛水的燒杯內(nèi)，滴加數(shù)滴酚酞溶液（一般酚酞溶液250毫升以上），接下來把綠豆大小的金屬鈉投入燒杯中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如果基于綠色理念對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索改進(jìn)，突出微型實(shí)驗(yàn)的“微”字，便可發(fā)揮出改進(jìn)版的微型注射器的優(yōu)勢(shì)：將五分之一綠豆大小、已經(jīng)吸干表面煤油的金屬鈉材料置于容量為50mL的塑料注射器之內(nèi)，接下來多次擠壓注射器活塞，使鈉以“被壓扁”的狀態(tài)存在于注射器內(nèi)，盡量避免其中的空氣干擾，再抽取10mL水溶液（事先滴入酚酞）進(jìn)入注射器內(nèi)，便可以較清晰地看到活塞被推動(dòng)的現(xiàn)象，而注射器內(nèi)的溶液也有了明顯的顏色改變。待反應(yīng)結(jié)束之后，使注射器針頭朝向酒精燈火焰，并緩慢推動(dòng)活塞，直到有爆鳴聲出現(xiàn)。

該微型實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：所取鈉塊、酚酞水溶液應(yīng)當(dāng)符合“微”的原則，這樣可防止由于鈉塊過大出現(xiàn)劇烈反應(yīng)，注射器活塞沖出的問題，從而得以順利觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到結(jié)論。由此可見，該微型實(shí)驗(yàn)既驗(yàn)證了鈉與水反應(yīng)生成氫氣，又大大減少了反應(yīng)物質(zhì)的耗費(fèi)，體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任兼具的化學(xué)核心素養(yǎng)。

案例二：氯氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生分組做實(shí)驗(yàn)對(duì)氯氣性質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證是常規(guī)的做法，同樣可以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，引入注射器，顯現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)的微型化效果。

具體實(shí)驗(yàn)操作如下：實(shí)驗(yàn)者可以在兩根玻璃棒上分別粘貼濕潤(rùn)的紅紙與淀粉碘化鉀試紙（可用雙面膠），并把其置于單孔橡膠塞之內(nèi)，接下來把玻璃棒插入事先放了高錳酸鉀晶體的試管底部。然后，在橡膠塞上分別插兩個(gè)針頭，其中一個(gè)針頭連接已抽取了濃鹽酸的注射器，另一個(gè)針頭連接已抽取了氫氧化鈉的注射器，并順次完成濃鹽酸注入試管、等待完全反應(yīng)、氫氧化鈉注入試管幾個(gè)步驟。如此，在綠色化學(xué)理念的指引下改造實(shí)驗(yàn)裝置，利用一次實(shí)驗(yàn)便能夠全面觀察到濕潤(rùn)的紅紙褪色和濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙變色兩種現(xiàn)象，且保證尾氣處理的便捷度。

案例三：銅與稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

常規(guī)的銅與稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，一般是把銅片放在試管底部，再加入稀硝酸，然后讓生成的氣體通入集氣瓶得以收集。

當(dāng)引入微型實(shí)驗(yàn)的概念之后，可作如下改進(jìn)：將兩小塊銅塊置于干燥管之內(nèi)，并在粗口端插入玻璃導(dǎo)管，再以單孔橡膠塞塞緊，將導(dǎo)管的另一端同橡膠管（帶止水夾）相連，把細(xì)口端插入燒杯之內(nèi)（燒杯內(nèi)有稀硝酸），與此同時(shí)，橡膠管同注射器相連，然后在打開止水夾的情況下拉動(dòng)注射器。當(dāng)稀硝酸在干燥管內(nèi)充滿之后，完成關(guān)止水夾與拔注射器的動(dòng)作。這樣改造后的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虮阌趯o色氣體排出干燥管內(nèi)。而接下來將注射器同橡膠管相連，并在打開止水夾的情況下抽取干燥管內(nèi)氣體等操作后，又可以使實(shí)驗(yàn)者看到氣體自無色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色等，得以順利完成實(shí)驗(yàn)。

需要說明：用注射器對(duì)稀硝酸進(jìn)行抽取，目的在于取得真空狀態(tài)，防止實(shí)驗(yàn)裝置中的空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物及驗(yàn)證結(jié)果產(chǎn)生不利影響。 而注射器的合理應(yīng)用，恰好可以滿足取得真空狀態(tài)的理想要求，還可以有效防止一氧化氮泄露造成的空氣污染等問題，將綠色化理念淋漓盡致地體現(xiàn)出來。

三、綠色化學(xué)理念下的高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)的價(jià)值說明

通過上面三個(gè)案例，可以見得高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)與綠色化學(xué)理念的高度契合性，同時(shí)展現(xiàn)出其無與倫比的價(jià)值：

（一）教學(xué)價(jià)值

高職化學(xué)課堂對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、觀察能力、操作能力和創(chuàng)新能力等一直比較關(guān)注，然而常規(guī)實(shí)驗(yàn)步驟之煩瑣，操作之嚴(yán)格，對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)工作的順利進(jìn)行造成影響。此時(shí)，以綠色化學(xué)理念為依托的微型實(shí)驗(yàn)恰恰可以使這一不利局面得到化解，讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升成為可能。具體來說，以“微型化”為理念的實(shí)驗(yàn)，一般在器械和試劑的使用上既簡(jiǎn)便又安全，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)效果上既明顯又直觀，教師和學(xué)生對(duì)某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行研究時(shí)，可以使大家都有實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)，甚至達(dá)到人手配備一套實(shí)驗(yàn)儀器的狀態(tài)，這樣學(xué)生便可以邊聽講解、邊完成操作，從根本上解決實(shí)驗(yàn)儀器不足、實(shí)踐操作等能力不過關(guān)等問題。例如，在涉及對(duì)氫氧燃料電池的研究時(shí)，如果采取常規(guī)實(shí)驗(yàn)策略，不但器材難得，而且失敗的可能性很大，而若引入綠色理念下的微型實(shí)驗(yàn)策略，師生可以將六孔井穴板、滴管、帶玻璃管石墨電極的作用發(fā)揮出來，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作的目標(biāo)。

（二）探索價(jià)值

在高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)支持下，學(xué)習(xí)者可有意識(shí)地從探究式學(xué)習(xí)中獲取實(shí)踐探究的靈感和機(jī)會(huì)。反觀傳統(tǒng)的高職化學(xué)灌輸式教學(xué)策略，教師取代學(xué)生進(jìn)行思考、探究的情況比比皆是，長(zhǎng)期如此，學(xué)生則會(huì)因?yàn)檫^于被動(dòng)地接受知識(shí)，無法發(fā)揮出其學(xué)習(xí)潛能，探索能力更將無法得到培養(yǎng)。與之相對(duì)比，綠色化學(xué)理念下的高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)之所以受到重視，正是因?yàn)槠渚哂休^強(qiáng)的探究性，該模式一方面可以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者將被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，另一方面還會(huì)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的“微型化”“綠色化”，更積極地投入化學(xué)探究的氛圍中來，使自身以探究為核心的各項(xiàng)能力得到培養(yǎng)與提升，為其未來的深入學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的思維能力基礎(chǔ)。舉例而言，高職化學(xué)教師可以給學(xué)生提供規(guī)范化的指導(dǎo)，讓大家有機(jī)會(huì)親自動(dòng)手操作，把堿溶液與葡萄糖置于亞甲基藍(lán)內(nèi)，依序觀察溶液從藍(lán)色到無色再到藍(lán)色的過程。在整個(gè)過程中，高職學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下，分小組對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合作探究與思考，分析是什么原因?qū)е律鲜龇N種反應(yīng)的發(fā)生?？偠灾?，這種促化學(xué)實(shí)驗(yàn)微型化的做法，對(duì)化學(xué)探究式學(xué)習(xí)的開展是非常有價(jià)值的，培養(yǎng)了學(xué)生的合作學(xué)習(xí)、自主探究的精神，從而培養(yǎng)了以科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)為核心的化學(xué)核心素養(yǎng)。

（三）實(shí)驗(yàn)價(jià)值

綠色化學(xué)理念下高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)的價(jià)值還體現(xiàn)在對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的促進(jìn)。在高職化學(xué)課程體系中，實(shí)驗(yàn)的重要性非常突出，是化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力等的要求較高，教師必須勇于、善于摒除常規(guī)的教學(xué)策略，將綠色化學(xué)理念支持的微型化實(shí)驗(yàn)方式引入其中，只有這樣才能保證學(xué)生接近實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)儀器及試劑、實(shí)驗(yàn)過程等多個(gè)角度感受到化學(xué)的魅力。因此師生可一起制作以微型實(shí)驗(yàn)為目標(biāo)的儀器或試劑，尋找實(shí)驗(yàn)儀器的替代品，如通過改裝藥劑瓶當(dāng)作微型酒精燈，將滴管當(dāng)作反應(yīng)器等，這些都能夠?qū)W(xué)生的實(shí)驗(yàn)起到較大的幫助作用，讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維得到合理延伸。而筆者在大量實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：經(jīng)常投入微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)探索中的學(xué)生，確實(shí)會(huì)在實(shí)驗(yàn)認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ雀鱾€(gè)方面取得非常明顯的進(jìn)步。

綠色化學(xué)理念強(qiáng)調(diào)了在對(duì)環(huán)境無害的前提下化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在和發(fā)展的方向。教學(xué)與實(shí)驗(yàn)應(yīng)突出綠色化學(xué)理念，這對(duì)學(xué)生形成自主探究意識(shí)、環(huán)境保護(hù)意識(shí)等均有很大益處。因此高職教師要從實(shí)驗(yàn)的綠色化學(xué)理念和調(diào)整改進(jìn)著手，在保證實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范化的前提下，極力避免化學(xué)實(shí)驗(yàn)與環(huán)境保護(hù)間產(chǎn)生矛盾。化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，正可以滿足這一要求，本文在進(jìn)行了大量的案例分析后，總結(jié)了綠色化學(xué)理念下的高職化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)在教學(xué)、探索與實(shí)驗(yàn)等三個(gè)方面的重要價(jià)值，希望可以使教學(xué)效果與綠色化學(xué)理念共同進(jìn)步。

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