基于綠色環(huán)保理念的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究*

王凱民，馬鈺璐，唐懷軍，周 強(qiáng)，汪正良，葉艷青

(1 云南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650504；2 昆明醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院暨天然藥物藥理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人們?cè)陉P(guān)注經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，也開(kāi)始逐漸重視生態(tài)文明、生態(tài)平衡和綠色環(huán)保。習(xí)近平總書(shū)記曾指出：“我們既要綠水青山，也要金山銀山?！盵1-2]?，F(xiàn)如今，綠色環(huán)保理念的建設(shè)與應(yīng)用已經(jīng)與各行各業(yè)息息相關(guān)，其不僅關(guān)系到未來(lái)社會(huì)的發(fā)展，也關(guān)系到全球人民的生活。因此，對(duì)于基礎(chǔ)領(lǐng)域的化學(xué)學(xué)科來(lái)說(shuō)，綠色化學(xué)理念的樹(shù)立對(duì)很多從業(yè)者來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)必備的要求。而作為培養(yǎng)未來(lái)人才的高等院校而言，如何將綠色環(huán)保理念貫穿于學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)生涯，讓其在進(jìn)入工作崗位前就能認(rèn)識(shí)到可持續(xù)發(fā)展的重要性，養(yǎng)成良好的行為習(xí)慣是非常重要的。

綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是高?；瘜W(xué)學(xué)科的一項(xiàng)重要組成部分，其作用擬在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和觀察創(chuàng)新能力。在過(guò)去綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中我們多關(guān)注于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)中知識(shí)的獲取情況，而未關(guān)注到實(shí)驗(yàn)中化學(xué)藥品，尤其是有機(jī)物對(duì)環(huán)境造成的污染及學(xué)生綠色環(huán)保意識(shí)的構(gòu)建與培養(yǎng)。因此，如何針對(duì)新時(shí)代對(duì)教學(xué)提出的新要求，結(jié)合綠色化學(xué)的理念，在綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中做好學(xué)生環(huán)保理念的培養(yǎng)、綠色化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綠色化優(yōu)化，教學(xué)的可持續(xù)整合優(yōu)化，是高等院校綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究的一項(xiàng)重要要求[3-4]。

1 綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中樹(shù)立綠色環(huán)保理念的必要性

綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)是我校化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與技術(shù)、藥學(xué)、制藥工程專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)必修課。這些學(xué)生畢業(yè)后多從事化學(xué)、化工相關(guān)工作，這些工作均需要同學(xué)們具備一定的環(huán)保意識(shí)，從源頭上阻止污染、從過(guò)程中防治污染，以適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需求。如果不在學(xué)生的大學(xué)階段，不在課程中潛移默化的給學(xué)生灌輸綠色環(huán)保意識(shí)，學(xué)生很難在進(jìn)入崗位的第一時(shí)間具備環(huán)保理念。因此綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有必要從觀念上及實(shí)際行動(dòng)上幫助學(xué)生樹(shù)立環(huán)保意識(shí)。

除此以外，綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常常會(huì)涉及有毒、易揮發(fā)、低沸點(diǎn)、易燃易爆、危險(xiǎn)化學(xué)試劑的使用，如三氯甲烷、乙醚、甲醇、濃硫酸、重鉻酸鉀等。隨著高等院校的不斷擴(kuò)招，每年授課的學(xué)生人數(shù)在不斷地增加，產(chǎn)生的廢氣、廢液、廢渣等也在逐年增加。實(shí)驗(yàn)室管理難度越來(lái)越大，如果學(xué)生的環(huán)保意識(shí)未及時(shí)得到培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境會(huì)逐年惡化，師生的實(shí)驗(yàn)安全性會(huì)逐漸降低，有害污染物的排放也會(huì)不斷增加，因此我們有必要對(duì)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)進(jìn)行綠色化改革。將綠色環(huán)保理念融入課程，對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)手段進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以從根源處將污染降到最低。

2 綠色化綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革探索

2.1 深挖課程，傳輸綠色化知識(shí)，多方面培養(yǎng)綠色環(huán)保理念

首先，深挖課程，從綠色化角度改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)及材料化學(xué)理論課的延伸，其內(nèi)容常常是一些重要反應(yīng)、重要現(xiàn)象及鑒定手段的驗(yàn)證，同時(shí)也涉及合成、提取、分離、純化、理化性質(zhì)、定性定量檢測(cè)的技能培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容成熟，覆蓋面廣，但未從環(huán)保方面來(lái)選擇實(shí)驗(yàn)。而上述化學(xué)課程中很多知識(shí)都與綠色環(huán)保相關(guān)。例如，在合成化合物時(shí)，合成路線、反應(yīng)原料、溶劑、溫度、催化劑的不同會(huì)關(guān)系到反應(yīng)的時(shí)間、副產(chǎn)物、產(chǎn)率、三廢(廢氣、廢水、廢渣)的不同；在分離提取實(shí)驗(yàn)中有機(jī)溶劑的選擇面臨同樣的問(wèn)題。因此，如何選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是我們需要研究的。我們應(yīng)從相關(guān)化學(xué)理論課本出發(fā)，結(jié)合綠色化學(xué)中不用危險(xiǎn)品(reject)、再回收(reuse)、減量化(reduce)、再循環(huán)(recycle)、再生化(regeneration)的理念[5-6]，選擇出最合適的物質(zhì)及條件來(lái)實(shí)現(xiàn)高效、低污染的實(shí)驗(yàn)操作。例如，將有效氯含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)換為水硬度的測(cè)定，以避免重鉻酸鉀造成的污染；在發(fā)光材料的合成中，將稀土配合物的合成改為Zn2+配合物的合成，以減少重金屬污染；安息香縮合反應(yīng)中，將毒性大的NaCN改為維生素B1，以實(shí)現(xiàn)條件溫和、無(wú)毒、高產(chǎn)率的合成；在乙酰水楊酸的制備過(guò)程中，將濃硫酸，改為濃磷酸，以在保證產(chǎn)率的同時(shí)提供給更安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；在青蒿素的提取實(shí)驗(yàn)中將易燃易爆溶劑乙醚，改為汽油同樣可以在保證實(shí)驗(yàn)效果的同時(shí)，大大降低危險(xiǎn)的發(fā)生，減少對(duì)環(huán)境的污染。

其次，利用系統(tǒng)教授、反復(fù)強(qiáng)調(diào)、加強(qiáng)監(jiān)管及考核等方式不斷向?qū)W生灌輸、培養(yǎng)環(huán)保意識(shí)。一方面，加強(qiáng)教師綠色環(huán)保理念的樹(shù)立，在授課前統(tǒng)一對(duì)教師進(jìn)行綠色化學(xué)知識(shí)的培訓(xùn)，讓教師熟悉不同廢棄物的處理方法，嚴(yán)格要求、統(tǒng)一規(guī)范授課時(shí)的操作及其對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)。另一方面，在教學(xué)前，先利用網(wǎng)絡(luò)視頻對(duì)學(xué)生進(jìn)行三廢處理、綠色化學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)室安全的講授，讓學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前就具備一定的意識(shí)；而后利用測(cè)試鞏固知識(shí)；最后在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中教師利用各個(gè)有利時(shí)機(jī)不斷向?qū)W生灌輸環(huán)保理念，通過(guò)反復(fù)提醒、不斷強(qiáng)調(diào)、嚴(yán)格管理、及時(shí)糾正等手段逐步培養(yǎng)學(xué)生減少浪費(fèi)、減少污染、愛(ài)護(hù)環(huán)境等良好的行為習(xí)慣，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生綠色環(huán)保理念的構(gòu)建。

2.2 優(yōu)化整合實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化

(1)科學(xué)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，從源頭上減少實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染。為實(shí)現(xiàn)綠色化綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，我們從原有的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容出發(fā)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中所涉及的各項(xiàng)化學(xué)試劑、實(shí)驗(yàn)操作流程、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等進(jìn)行梳理優(yōu)化。

一方面，更新、精簡(jiǎn)、調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將耗時(shí)較長(zhǎng)、耗資較多、污染較大、毒性較大、危險(xiǎn)性較大的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行刪除或者替換。充分融入綠色化學(xué)的理念和成果，引入污染更小、耗資小，但仍能保證學(xué)生掌握基本操作技能和基本原理的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)結(jié)合本地特色、學(xué)校特色、民族特色及學(xué)科前沿，開(kāi)設(shè)具有實(shí)際意義，實(shí)用性更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)。

另一方面，在保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí)，將有毒有害物質(zhì)替換為毒性較小甚至是綠色環(huán)保的無(wú)毒無(wú)害物質(zhì)。在優(yōu)化中應(yīng)避免含重金屬的物質(zhì)，避免腐蝕性較強(qiáng)的強(qiáng)酸堿的使用。盡可能選擇能使用綠色環(huán)保溶劑的實(shí)驗(yàn)。例如能用水做溶劑的盡可能用水做溶劑；對(duì)于能將毒性較大、危險(xiǎn)性較大的甲醇、乙醚等換為的更安全環(huán)保、耗資更少的溶劑如乙醇等的實(shí)驗(yàn)則進(jìn)行跟換。盡可能選擇原料本身污染性不大，產(chǎn)物對(duì)環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)，例如引入青蒿素的提取、分離、純化實(shí)驗(yàn)，原料環(huán)保，產(chǎn)物也有可再利用價(jià)值。

此外，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)裝置，合理提高實(shí)驗(yàn)的效率，加強(qiáng)操作安全性。例如在部分合成及提取實(shí)驗(yàn)中，將電爐改為水浴可以提升實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全性；在教授學(xué)生傳統(tǒng)減壓蒸餾裝置搭建及使用的同時(shí)，引入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，不僅可以提升實(shí)驗(yàn)效率，還可以幫助學(xué)生更貼近、更了解科研或生產(chǎn)中的實(shí)際情況；在結(jié)晶時(shí)引入冰浴，調(diào)整良性和不良溶劑的比例，同樣可在不影響結(jié)果的同時(shí)大大提高實(shí)驗(yàn)效率，減少時(shí)間成本。

(2)合理整合實(shí)驗(yàn)，充分利用實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)資源。曾經(jīng)的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為獨(dú)立，例如在基本操作板塊單獨(dú)進(jìn)行滴定實(shí)驗(yàn)、熔沸點(diǎn)測(cè)定、減壓蒸餾、重結(jié)晶、柱色譜、薄層色譜的操作訓(xùn)練；在化合物性質(zhì)板塊單獨(dú)進(jìn)行各類物質(zhì)的性質(zhì)驗(yàn)證；在合成板塊又僅是單獨(dú)的進(jìn)行合成制備訓(xùn)練，教學(xué)較為分散，重復(fù)性太大，沒(méi)有合理的實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)或重復(fù)利用，也沒(méi)有給學(xué)生樹(shù)立一個(gè)整體的思想。通過(guò)合理的整合實(shí)驗(yàn)，可以有效改善以上不足。

一方面，設(shè)計(jì)并加強(qiáng)綜合性實(shí)驗(yàn)的比例。將各板塊內(nèi)容進(jìn)行整合，將基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)合理融合，減少實(shí)驗(yàn)的重復(fù)率。例如，在乙酰水楊酸的合成實(shí)驗(yàn)中，不僅讓學(xué)生進(jìn)行單純的合成操作，還要融合進(jìn)重結(jié)晶、減壓抽濾、酚類化合物性質(zhì)研究等基本操作。再如，我們?cè)O(shè)計(jì)的青蒿素系列提取實(shí)驗(yàn)中，不僅包含天然產(chǎn)物提取的基本操作，還引入了減壓蒸餾、柱色譜分離純化、薄層色譜鑒定、重結(jié)晶、熔點(diǎn)測(cè)定這些化學(xué)研究中必須掌握的基本技能(如圖1所示)。綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)立在教會(huì)學(xué)生知識(shí)技能的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的整體科研思維，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了試劑、藥品、產(chǎn)物的合理使用，減少了浪費(fèi)，符合綠色環(huán)保的理念。

圖1 青蒿素提取實(shí)驗(yàn)流程圖

一方面，加強(qiáng)各學(xué)科的資源整合，充分協(xié)調(diào)、利用各學(xué)科及科研實(shí)驗(yàn)的資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物及資源的最大化、循環(huán)化利用。例如，可以將該實(shí)驗(yàn)課得到的茶葉提取物咖啡，利用到儀器分析實(shí)驗(yàn)課中，讓其作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照品，同時(shí)可將剩余的茶葉作為實(shí)驗(yàn)樣品。再如合成實(shí)驗(yàn)可以多設(shè)計(jì)為合成藥物的實(shí)驗(yàn)，如阿司匹林(乙酰水楊酸)的合成、香豆素(1,2-苯并吡喃-2-酮)的合成，這可以讓學(xué)生提前感知藥物化學(xué)的魅力；同時(shí)可與藥化教研組協(xié)調(diào)進(jìn)度讓其減少相同實(shí)驗(yàn)的占比，也可將產(chǎn)物提供給藥理教研組進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)，最終便可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的最優(yōu)化利用，貫徹落實(shí)再循環(huán)、再使用的環(huán)保理念。

另外，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中三廢的合理利用，加大實(shí)驗(yàn)再回收率。首先加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)溶劑的再回收利用，將使用過(guò)的溶劑分類統(tǒng)一回收，減壓蒸餾后，重新分裝供后期實(shí)驗(yàn)使用。其次將每屆學(xué)生分離純化后的固體進(jìn)行統(tǒng)一回收儲(chǔ)藏，以供下一屆學(xué)生進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定。對(duì)于無(wú)法回收的實(shí)驗(yàn)廢棄物，應(yīng)加強(qiáng)過(guò)程管理，防止隨意傾倒，分類收集，統(tǒng)一處理。

2.3 探索新型綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)模式，多方位提升教學(xué)方法

(1)充分利用混合課堂教學(xué)模式，引入現(xiàn)代化手段，提升教學(xué)質(zhì)量，鞏固綠色化理念的深入。傳統(tǒng)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為教師講、學(xué)生聽(tīng)、動(dòng)手做的模式。由于學(xué)生理解和動(dòng)手能力的不同，常常會(huì)因?yàn)閷?duì)實(shí)驗(yàn)操作的不熟系，導(dǎo)致試劑的浪費(fèi)、耗材的損耗以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間的消耗。充分發(fā)掘網(wǎng)絡(luò)資源，分別錄制原理及實(shí)驗(yàn)操作部分的微課；利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，將視頻資源提前提供給學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)；除此以外，開(kāi)發(fā)購(gòu)買仿真實(shí)驗(yàn)資源，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生提前模擬實(shí)驗(yàn)。進(jìn)入課堂以“提問(wèn)+學(xué)生演示/回答+糾正/討論”開(kāi)始，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作及注意事項(xiàng)的理解，然后再動(dòng)手操作。此教學(xué)方式，不僅提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手及思考能力，還大大降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的盲目性，減少了實(shí)驗(yàn)失誤的發(fā)生，降低了試劑、儀器的損耗，也提高了實(shí)驗(yàn)效率，真正發(fā)揮了綠色綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)意義。

(2)加強(qiáng)微型實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，從源頭上減少綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染。實(shí)驗(yàn)中后期，在學(xué)生掌握了一定基本操作的基礎(chǔ)上，引入微型實(shí)驗(yàn)。在保證實(shí)驗(yàn)效果的同時(shí)，使用小型儀器、大大減少了化學(xué)試劑的用量，可以從根源上有效地節(jié)約資源、減少三廢的產(chǎn)生、降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)、性有害性，并能節(jié)約時(shí)間[7]。例如，我們?cè)谝阴Ｋ畻钏岬暮铣蓪?shí)驗(yàn)中引入了微型實(shí)驗(yàn)，從合成、抽濾裝置，到重結(jié)晶裝置，再到純度檢查裝置，所有儀器微型化，所有藥品的使用量?jī)H為原來(lái)的1/25。另外，由于微型實(shí)驗(yàn)本身誤差比常規(guī)實(shí)驗(yàn)大，因此其對(duì)操作規(guī)范性的要求更高，微小的操作不規(guī)范會(huì)直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，其需要學(xué)生更為細(xì)心專注。因此我們?cè)诮虒W(xué)的中后期引入微型實(shí)驗(yàn)，還可以作為一種學(xué)生操作準(zhǔn)確性的有效考核及監(jiān)管方式，便于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)糾正，真正實(shí)現(xiàn)更好的訓(xùn)練學(xué)生、提升學(xué)生的動(dòng)手能力。由上可見(jiàn)，微型實(shí)驗(yàn)不僅是綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)好幫手，也是綠色化學(xué)的好推手。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述探索和研究可以看出，在綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中構(gòu)建綠色環(huán)保理念，推行實(shí)驗(yàn)綠色化改革，不僅可以實(shí)現(xiàn)從根源上降低課程對(duì)環(huán)境造成的污染、減少對(duì)師生的危害，還有利于潛移默化地培養(yǎng)師生環(huán)保意識(shí)，為今后的環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。目前我校綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化改革已在開(kāi)展，實(shí)踐結(jié)果表明，此項(xiàng)改革已展現(xiàn)出了其在實(shí)驗(yàn)環(huán)境改善，學(xué)生意識(shí)提高上的優(yōu)勢(shì)。環(huán)境保護(hù)是每個(gè)人的義務(wù)，始終將綠色環(huán)保理念貫穿在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是高等院校的責(zé)任，雖負(fù)重致遠(yuǎn)，但只有不斷探索、不斷實(shí)踐、全力以赴才能為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。