中職化學實驗教學中培養(yǎng)學生綠色化學觀念的探究
——以香蕉油的合成為例

陳立東， 黎容武

(1.遼寧師范大學 化學化工學院， 遼寧 大連 116029；2.盤山縣教師進修學校，遼寧 盤錦 124107)

中職教育作為教育體系的重要組成部分，它的發(fā)展和教學改革引起人們的高度重視.中職化學是一門理論和實驗相結(jié)合的課程，對實現(xiàn)人才的培養(yǎng)起重要作用.中職學生對于化學這類記憶量大，理論性強的學科存在排斥心理[1].另外，受到實驗環(huán)境和條件的限制，部分中職院校存在著“重理論，輕實踐”的教學模式，導致實驗課的課時少，開展的實驗也大部分是驗證性實驗，難以激發(fā)學生學習的興趣以及建立系統(tǒng)的實驗課體系[2].中職化學實驗通過科學的實驗設計、嚴謹?shù)膶嶒炦^程和專業(yè)的實驗操作，使學生理解、掌握化學理論知識，學習相應的操作技能，將理論知識應用到實踐中，達到培養(yǎng)和發(fā)展學生的思維能力的目標[3].

隨著環(huán)境污染問題越來越受世人矚目，人類與自然和諧、與環(huán)境友好的理念逐漸深入人心，實驗教學中越來越倡導“綠色化學實驗”的理念，把綠色化學思想融入化學實驗中，強調(diào)“可持續(xù)發(fā)展觀”[4].綠色有機合成是采用無毒、無害的原料、催化劑和溶劑，選擇具有高選擇性、高轉(zhuǎn)化率、少副產(chǎn)品的對環(huán)境友好的反應進行合成的[5].香蕉油即乙酸異戊酯的合成主要是以乙酸和異戊醇為原料通過酯化反應完成的，是大學有機化學重要的合成實驗之一[6].目前，許多有機化學實驗教材都是以濃硫酸或磷酸作為催化劑來合成香蕉油的[7].使用這類液體酸，存在著副反應多，易腐蝕設備，廢水難處理，操作危險等問題.不僅對環(huán)境造成影響，還會對學生的身體產(chǎn)生危害.基于這些弊端，研究人員設計合成香蕉油的催化劑主要包括離子交換樹脂[8]、固體超強酸、負載雜多酸、有機酸和離子液體等[9]，亦有以分子篩為催化劑催化合成香蕉油的報道[10].中職化學實驗教學改革理念倡導符合環(huán)保要求的綠色化學新工藝、新技術和新型催化劑.將合成香蕉油的實驗以研究性學習活動方式引進中職學生的實驗課堂，不僅強化了學生的基礎化學知識、化工原理、實驗能力，還培養(yǎng)了學生的綠色化學觀念，能極大提高學生用所學知識解決化工生產(chǎn)中實際問題的能力.基于此，本文以中職化學益智課堂教學過程中引入的研究型實驗即香蕉油的合成為例，以β分子篩和濃硫酸作為催化劑進行對比，以實驗促教學，在化學合成實驗教學中提升中職學生的動手能力，環(huán)保意識和綠色思維能力，為中職化學實驗教學提供可行性的思路.

1 香蕉油合成實驗的綠色化設計方案

1.1 實驗藥品和儀器

異戊醇、冰醋酸、碳酸鈉和氯化鈉均為分析純，采購于薩恩化學技術(上海)有限公司，濃硫酸(天津科密歐化學試劑有限公司)，β分子篩(大連理工齊旺達化工科技有限公司).在中職化學合成實驗教學中，教師要在實驗設計環(huán)節(jié)體現(xiàn)綠化學理念，充分激發(fā)和培養(yǎng)學生的綠色思維力.存在多種可選方案時，在實驗藥品的選取、裝置的選擇、流程的設計等方面均要達到綠色化要求，盡量選取裝置簡單、條件易得、試劑無毒、過程無害、少殘留和少損耗的方案進行實驗.本實驗以乙酸和異戊醇為原料，二者均為無毒或者低毒的綠色原料，生成的產(chǎn)物具有類似于香蕉的令人心情愉悅的香味，學生在實驗過程中有從源頭到產(chǎn)物的綠色環(huán)保的深刻體會.

1.2 實驗裝置的改進

香蕉油制備的實驗原理如圖1所示.在酸的作用下，醇的羥基質(zhì)子化，易離去而生成碳正離子，進而生成乙酸異戊酯.

圖1 實驗原理Fig.1 Theroretical Background

從這個過程可以看出，該反應為可逆反應，反應產(chǎn)物有水生成.在實踐中引導學生利用化學平衡移動原理來增加目標產(chǎn)物香蕉油的產(chǎn)率.教學中啟發(fā)學生通過以下兩種思路來解決：(1)增加原料乙酸或者異戊醇的濃度，由于該反應所用原料異戊醇的沸點接近于目的產(chǎn)物香蕉油，且在反應后不易除去，因而選用原料冰醋酸過量，并且反應后未參與反應的冰醋酸可通過堿洗及水洗去除；(2)移除產(chǎn)物中生成的水.因乙酸和水沸點相差約18 ℃，可通過分餾的辦法實現(xiàn)水和原料冰醋酸的分離.分餾過程中原料乙酸和水同時蒸出，改進前后的反應裝置如圖2所示.實踐中分餾反應裝置的使用，鞏固了學生對于影響分餾效率的因素的理解并且提升了實驗操作能力.

圖2 (a)改進前的反應裝置，(b)改進后的反應裝置，(c)蒸餾裝置Fig.2 (a) Reaction device before improvement, (b) Reaction device after improvement,(c) Distillation unit

2 在合成過程中培養(yǎng)學生的綠色化學觀念

綠色化學是指設計沒有或者只有盡可能小的環(huán)境負作用，并在技術上和經(jīng)濟上都有利的化學品和化學過程.化學實驗綠色化的核心要求就是在能達到實驗教學目的的前提下，實驗教學中盡量減少或徹底避免使用和產(chǎn)生有毒物質(zhì)，減少化學實驗對環(huán)境的污染.用于課程教學的綠色化學反應應具有反應試劑綠色、廉價和反應時間短等特征[11].言傳不如身教，化學教師在實驗課堂中時時處處踐行綠色化學理念，不僅能夠讓綠色化學的思想深入學生腦海，還能激發(fā)學生愛護環(huán)境、保護環(huán)境的積極性和強烈社會責任感.

2.1 綠色化學合成實驗的設計思路

在化學實驗綠色化教學過程中，教師首先提出本實驗的目標產(chǎn)物所具有的化工價值及應用前景，再讓學生根據(jù)原子經(jīng)濟[12]的觀點探討反應所需的原料、催化劑以及反應條件是否安全合理，然后展開綠色反應設計，探索反應歷程，開啟實驗操作并對實驗結(jié)果進行評價和表征，在條件允許的情況下，教師可安排學生進行相關文獻的查閱以提高學生的創(chuàng)造能力和信息整合能力.

2.2 香蕉油合成實驗課程設計及其綠色化

2.2.1 實驗設計思路

采用面向過程的指導型探究學習(Process Oriented Guided Inquiry Learning)教學模式[13]，在課前提前布置香蕉油的合成任務，要求學生根據(jù)已有的理論知識設計實驗方案，教師審核學生的實驗方案的可行性.在實驗展示環(huán)節(jié)，教師講解幾組具有代表性的設計方案，引導學生進行討論和思考，最后對方案的可取和不足之處進行總結(jié).同時通過講解和提問的形式，引導學生思考如何優(yōu)化實驗設計.例如，濃硫酸作為催化劑的缺點有哪些？傳統(tǒng)方法合成過程是否符合綠色化學要求？如何進行改進？改進后有哪些優(yōu)點，是否有更好的實驗方案？這種問題導向式的教學方法，可以充分調(diào)動學生的探索欲望，運用已有的知識來解決問題，提高了學習的效率.該教學模式充分踐行了以學生為主體，教師作為學習的組織者、促進者和引導者的要求，使學生積極的參與到學習過程中，通過自我建構(gòu)知識來掌握實驗內(nèi)容，對學習技能如小組合作能力、解決問題的能力以及元認知和評價能力的提高都有很大的幫助，使學生在探究的過程中獲得了新知識，豐富了已有知識體系.

基于綠色化學貫穿整個實驗過程的思想[14]，選擇更加環(huán)保的β分子篩作為催化劑，并與以濃硫酸為催化劑的傳統(tǒng)合成過程進行對比.在此過程中使學生了解目前合成方法的不足并認識分子篩這一新型催化劑，培養(yǎng)學生的綠色化學觀念和動手能力.

2.2.2 實驗操作過程

在圓底燒瓶中分別加入10.0 mL異戊醇，14.0 mL冰醋酸，濃硫酸或者β分子篩催化劑，因含氧有機物在濃硫酸的作用下會碳化進而放出大量的熱，因此在原料混合過程中需要注意緩慢滴加和及時冷卻，以防止原料有機物的揮發(fā)和硫酸的飛濺.另外，實驗過程中聚乙烯(PE)手套的使用有效防止了學生燒手、燒衣服等事故的發(fā)生，充分保證了實驗的安全性.在一定溫度下進行回流反應，回流加熱約1.5 h(以濃硫酸作為催化劑直接按裝置2(a)回流1.5 h)，控制餾出液溫度低于102 ℃，至無水分流出，反應即完成，冷卻至室溫后，加入10.0 mL蒸餾水洗滌圓底燒瓶并將洗滌液一同轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，分離掉下層的水，保留油層，并經(jīng)飽和碳酸鈉水溶液、飽和食鹽水將溶液洗至中性.加入4 A分子篩干燥劑，干燥5～10 min至溶液澄清后，將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至蒸餾裝置進行蒸餾操作，收集138～140 ℃的餾分.在以β分子篩為催化劑的反應中，飽和碳酸鈉水溶液、飽和食鹽水洗滌的過程可以省略，既節(jié)省了時間又減少了試劑的浪費，符合綠色化學觀念要求.

2.2.3 綠色化學觀念培養(yǎng)

在整個實驗過程中，實現(xiàn)了以下3個層面的“綠色化”：

實驗試劑的“綠色化”：使用更加環(huán)保的β分子篩作為催化劑.環(huán)保型試劑的使用不僅有利于師生的身體健康，還可以幫助學生加深理解綠色化學觀念，培養(yǎng)環(huán)保意識，符合綠色化學的指導思想[15].

實驗產(chǎn)品的“綠色化”：實驗結(jié)束后所得到的產(chǎn)物被利用的幾率低，長時間儲存于實驗室內(nèi)會產(chǎn)生一定的安全隱患，與“綠色化學”的理念相違背.因此，將獨立的實驗連接起來，令一個實驗的產(chǎn)物成為以后實驗如皂化反應的原料，既降低了長時間存儲帶來的安全隱患，也在很大程度上使實驗具有綠色環(huán)保的特點[16].

評價模式的“綠色化”：成績的評定不僅由出勤率和實驗過程來確定，還包括“綠色化學”實踐考查，同時將學生的文獻查詢和整理能力，表達能力以及團隊合作能力也納入考核標準中，多指標評價使學生全面提升理論知識和實驗操作能力.

2.3 實驗結(jié)果比較

表1給出了在濃硫酸用量為1.0 mL，β分子篩用量為2.0 g時，在其他反應條件相同的情況下，催化劑種類對于實驗結(jié)果的影響.從中可以看出：與強酸性的濃硫酸相比，較弱酸性的固體酸β分子篩在反應過程中為多相，催化劑不溶于反應體系中，在同等溫度的條件下，其酯化反應活性低于濃硫酸.欲使β分子篩固體酸的活性達到濃硫酸的反應活性，應使β分子篩催化本反應的加熱溫度要高于濃硫酸40～50 ℃，即提高加熱溫度至170～180 ℃時，二者生成香蕉油的反應活性接近.實驗測定生成物的沸點低于濃硫酸做催化劑時產(chǎn)物的沸點3～5 ℃.分析原因可能在于未反應的異戊醇經(jīng)水洗、堿洗和鹽洗后去除不完全，和目的產(chǎn)物香蕉油混合后難于除去.此處通過引導式教學，發(fā)揮中職學生的想象力.通過設問的方式結(jié)合學生所學過的知識，將移除反應后生成的水分子，平衡即向生成目的產(chǎn)物方向移動.并在反應中使用改進的加分餾柱的反應裝置，選用理論塔板數(shù)多的分餾柱，可以把水分子、乙酸和異戊醇有效分開.通過除水能夠有效地提高目的產(chǎn)物的產(chǎn)率，并能提高其純度.

表1 不同催化劑對實驗的影響Table 1 Influence of different catalysts on the experiments

β分子篩催化劑具有適宜的酸度，從而具有較高的催化活性.而濃硫酸雖然具有較高的酸強度，但在反應過程中容易被還原產(chǎn)生二氧化硫和炭渣，在污染環(huán)境的同時，反應后圓底燒瓶很難清洗干凈.另外，在實驗過程中偶爾有學生燒手，衣服等酸蝕現(xiàn)象發(fā)生.以β分子篩催化本反應則完全避免上述事故的發(fā)生，使學生能夠身心愉悅的完成實驗，充分體會到綠色化實驗帶來的樂趣，并能激發(fā)中職學生學習化學的積極性.

2.4 綠色思維培養(yǎng)

在上述實驗的過程中及實驗結(jié)束后，師生都需要依據(jù)真實的實驗過程、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)等，針對具體過程提出系列問題并進行分析：操作是否正確？現(xiàn)象是否明顯？數(shù)據(jù)是否合理？在對這些問題進行一系列分析和探究的過程中，利用設疑、激趣、引思的過程，引導學生生疑、達趣、思考，特別是要結(jié)合本次實驗是否存在綠色化缺陷？如何證明？有沒有什么改進的辦法？能否提出更綠色化的實驗替代方案？不斷在實驗結(jié)果探究過程中進行有效性的提問、思考和釋疑，以此來實現(xiàn)學生綠色化學觀念的不斷提升.

3 中職學校推廣的可行性分析

中職教育是在中等教育高級階段進行的職業(yè)教育，是我國職業(yè)教育的主體，以為社會培養(yǎng)技術性和應用型人才為宗旨.因此在中職教育過程中化學實驗課程是不可缺少的一部分，對于學生熟練掌握化學概念和原理都具有重要作用.

3.1 學生實驗意識的培養(yǎng)

本實驗對于學生實驗意識的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在以下三個方面：(1)培養(yǎng)課前預習意識，提高實驗操作過程的完成效率.課前老師布置任務后由學生獨立完成資料查找和合成過程設計，極大的提升了學生的自主學習能力同時保證了課堂上實驗完成的熟練程度；(2)培養(yǎng)安全正確操作意識，提高實驗操作過程的準確性.實驗中使用安全環(huán)保的β分子篩保證了實驗的安全性，學生自主操作確保了理論聯(lián)系實際的教育目標；(3)培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造意識，提高化學實驗操作的延展性[17].綠色環(huán)保型分子篩的引入及實驗路線的自主設計過程都極大的豐富了學生的創(chuàng)新意識.

3.2 實驗推廣可行性分析

根據(jù)新課程改革所倡導的理念，中職學校的化學實驗教學不僅要使學生掌握基礎理論知識，也要注重對學生實踐動手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[18].該實驗所用試劑為乙酸和異戊醇，都是中職學生所熟悉的，其官能團之間的酯化反應的實驗原理和操作也都是中職學生需要重點掌握的化工基礎知識，而該反應中實驗裝置的改進，是利用學生已知的化學平衡移動原理來解決有機化工工業(yè)中提高產(chǎn)率的現(xiàn)實案例，因此該實驗滿足在中職化學益智課堂的教學過程中應用的條件.考慮到中職學生本身的知識基礎及學習能力，本實驗適合采用邊講解邊實驗模式[19]即按照：明確問題→學生實驗→啟發(fā)講授→獲得結(jié)論這一過程完成實驗的教學.教學實踐結(jié)果表明：選取β分子篩催化生成香蕉油的研究型實驗是完全可行的.考慮到每100次實驗β分子篩催化劑的成本不高于5元，而濃硫酸的成本約在3～4元左右，其經(jīng)濟成本于中職學校也是容易接受的.然而濃硫酸屬于易制毒試劑、使用購買存在諸多不便.選擇β分子篩催化劑催化該反應，具有副產(chǎn)物少，操作簡單等優(yōu)勢.更加值得注意的是，以β分子篩代替濃硫酸可以將綠色化學思想融入化學教學實踐中，實現(xiàn)中職化學益智課堂教學綠色化學觀念的提升，具有良好的推廣性.

4 結(jié) 論

將合成香蕉油的實驗以研究型學習活動的方式引進中職學生的化學實驗課堂教學中，教學實踐結(jié)果表明，使用β分子篩代替濃硫酸作為催化劑催化合成香蕉油，有效減少了副產(chǎn)物的生成，解決了濃硫酸作為催化劑帶來的環(huán)境污染問題，同時將綠色化學的理念有效貫穿在整個教學過程中，提高了學生的動手操作能力，取得了良好的教學效果，為研究型中職化學實驗的教學提供可借鑒的經(jīng)驗.