中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)的探究

李 英 侯麗梅

（武威第九中學(xué) 甘肅 武威 733000）

1.研究中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)的方法論的意義

化學(xué)教學(xué)論作為研究化學(xué)教學(xué)規(guī)律性和應(yīng)用性的專業(yè)課程，強(qiáng)調(diào)化學(xué)教學(xué)中有效教學(xué)的相互聯(lián)系、相互影響和統(tǒng)一。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是有機(jī)化學(xué)的一個(gè)主要學(xué)科，它有著自己的具體的研究對象和具體的理論體系。但是直到現(xiàn)在，在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的研究中，還沒有一種獨(dú)特合理的綠色設(shè)計(jì)研究方法。因此，探討和研究中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色設(shè)計(jì)的科學(xué)方法，不僅有利于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的完善，同時(shí)也能充實(shí)試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，從而使得綠色現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)理念更能融入到試驗(yàn)的實(shí)踐之中。

2.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的必要性

實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)和訓(xùn)練化學(xué)、感受化學(xué)、研究化學(xué)全過程的必要手段。根據(jù)直接化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐和使用能力。結(jié)合實(shí)際情況，逐步塑造學(xué)生的創(chuàng)新精神。雖然綠色化學(xué)理念的實(shí)施和文化教育已在全國范圍內(nèi)廣泛覆蓋，然而，在實(shí)際的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往僅側(cè)重于對學(xué)生觀察、動手和分析問題的能力的訓(xùn)練，但忽視了學(xué)生環(huán)保節(jié)能觀念的塑造。在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的同時(shí)，一些有害物質(zhì)排放到空氣中，廢水立即排入下水道，這門課程使學(xué)生無法從化學(xué)的角度培養(yǎng)環(huán)保理念，長期處于實(shí)驗(yàn)污染的模式中。但在提倡“綠色化學(xué)”的今天，綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的個(gè)人目標(biāo)和日常任務(wù)不僅可以被動地控制污染，而且可以從根本上主動減少和消除實(shí)驗(yàn)的形成和排放污染。因此，提高環(huán)保意識，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，研究新的實(shí)驗(yàn)思路，妥善處理廢棄物，是基本建設(shè)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要途徑[1]。

3.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)原則

3.1 簡約性與安全性相結(jié)合

從現(xiàn)階段中學(xué)化學(xué)課程的內(nèi)容來看，我們可以綜合考慮如何使實(shí)驗(yàn)更簡單、更安全、更少的環(huán)境污染，甚至實(shí)現(xiàn)零環(huán)境污染。要提高對實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)基本原理的認(rèn)識，就必須考慮儀器設(shè)備的各種主要用途，在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行自主創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)方法、步驟和實(shí)驗(yàn)藥物少，使用實(shí)際實(shí)驗(yàn)儀器方便，可在短時(shí)間內(nèi)完成。例如，對于HCl、AgNO3、Na2CO3和NaBr水溶液的鑒別實(shí)驗(yàn)，如果選擇基本成分實(shí)驗(yàn)方案，一般需要12個(gè)操作步驟；如果對解的性質(zhì)進(jìn)行邏輯推理，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，6個(gè)工序可以縮短。與此相反，簡單的試驗(yàn)不但能節(jié)約試驗(yàn)所需的材料，而且可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，我們必須盡量減少有毒實(shí)驗(yàn)試劑的使用，減少實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作帶來的一定風(fēng)險(xiǎn)。如果需要應(yīng)用，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中規(guī)定常見問題，以避免污染和意外傷害。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程必須符合安全要求。否則，將不利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，也無法完成綠色化。更嚴(yán)重的是，它會危害師生的生命安全。

3.2 微型性和直觀性相結(jié)合

小型有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)生和發(fā)展趨勢越來越符合社會需要，發(fā)展趨勢率不斷提高。小型有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是環(huán)境安全管理和環(huán)境污染防治的重要內(nèi)容。小規(guī)模實(shí)驗(yàn)的主要特點(diǎn)是所需的設(shè)施和設(shè)備簡單易操作，實(shí)驗(yàn)試劑用量少。這種實(shí)驗(yàn)活動被有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動所認(rèn)可，因?yàn)樗鼫p少了實(shí)驗(yàn)試劑的使用，也減少了空氣污染。同時(shí)，可以滿足實(shí)驗(yàn)安全標(biāo)準(zhǔn)等因素。隨著綠色化學(xué)的深入分析，小規(guī)模實(shí)驗(yàn)因其加熱速度快、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為加速化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)典技術(shù)。在我國，這種實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得了廣泛的市場推廣，課堂教學(xué)應(yīng)用的作用不言而喻。學(xué)員進(jìn)行的操作實(shí)驗(yàn)可按照小型實(shí)驗(yàn)活動進(jìn)行。如果不方便觀察小實(shí)驗(yàn)的實(shí)際效果，可以放大投影。

4.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)途徑

4.1 原料的綠色化

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中，我們將從根本上減少實(shí)驗(yàn)的環(huán)境污染與實(shí)驗(yàn)結(jié)束后解決環(huán)境污染進(jìn)行了比較，不僅節(jié)能、環(huán)保、同時(shí)，該試驗(yàn)對教師和學(xué)生的人身損害也很少。所以，對試驗(yàn)材料的選用要考慮：一是要按照試驗(yàn)的特性選用不同的試驗(yàn)材料，避免繁瑣。例如，在具有一定濃度值的水溶液構(gòu)型實(shí)驗(yàn)中，在選擇實(shí)驗(yàn)試劑時(shí)應(yīng)考慮原料的綠色化?？蛇x擇氧化鈉。中性物質(zhì)沒有有害物質(zhì)，價(jià)格低廉。其次，盡量避免導(dǎo)致更多不良反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法。最后，盡量避免使用有毒或難以處理的實(shí)驗(yàn)試劑。

4.2 通過計(jì)算機(jī)輔助與多媒體仿真實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化

在高中的一些化學(xué)試驗(yàn)中，一些試驗(yàn)具有較高的危險(xiǎn)性，并且極易發(fā)生爆炸。例如，如果乙醚中的氯丁二烯爆炸，可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生們在電腦前做實(shí)驗(yàn)。他們在這方面有一些經(jīng)驗(yàn)，但要避免風(fēng)險(xiǎn)。另一個(gè)例子是NH3生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。教師專門指導(dǎo)學(xué)生使用軟件現(xiàn)代信息技術(shù)模擬NH3的生產(chǎn)。為了消化和吸收不必要的NH3，學(xué)生們不記得連接倒置的布氏漏斗并直接將軟管插入水中。這時(shí)，我們可以讓計(jì)算機(jī)模擬這個(gè)錯(cuò)誤的實(shí)際操作。我們會注意到燒瓶中的水會產(chǎn)生反向吸收，從而導(dǎo)致試管爆炸。這將給學(xué)生留下深刻的印象，取得更好的教學(xué)實(shí)踐效果，實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)[2]。

在一些實(shí)驗(yàn)中，有毒有害的藥物需要全程使用，或者在實(shí)驗(yàn)中形成大量有毒有害的廢氣、廢水造成環(huán)境污染，也會危害師生的健康。依靠上述方法是不可能實(shí)現(xiàn)綠色化的。對于這類實(shí)驗(yàn)，我們可以利用模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，即利用現(xiàn)代信息技術(shù)對實(shí)驗(yàn)的全過程、狀態(tài)和結(jié)論進(jìn)行模擬仿真。這樣，顯然不容易對學(xué)生和自然環(huán)境造成環(huán)境污染。同時(shí)，學(xué)生不僅觀察實(shí)驗(yàn)條件和操作步驟，它不但可以使同學(xué)們能夠體會并加深印象，進(jìn)而使他們對化學(xué)試驗(yàn)有更多的了解和培養(yǎng)。例如：高二分析化學(xué)第5章的石油蒸汽蒸發(fā)及制取溴苯，充分考慮到石油水蒸氣蒸餾實(shí)際操作的復(fù)雜性和溴苯制備全過程的嚴(yán)重環(huán)境污染，我們可以借助現(xiàn)代信息技術(shù)指導(dǎo)學(xué)生用動畫模擬這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，具有良好的學(xué)習(xí)效果。

4.3 建立低規(guī)格化學(xué)品的流通機(jī)制

通過科學(xué)研究，我們發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)課程內(nèi)容中的許多實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品都是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)試劑，中學(xué)化學(xué)中的一些產(chǎn)品也可以在高?；A(chǔ)課內(nèi)容實(shí)驗(yàn)中作為中和劑使，當(dāng)然，有必要建立一種適當(dāng)?shù)闹贫群头绞絹韺?shí)現(xiàn)這類物品的流通。學(xué)生實(shí)驗(yàn)的目的取決于再現(xiàn)一些實(shí)驗(yàn)條件或驗(yàn)證一些結(jié)果。因此，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)用品、回收的有機(jī)溶劑和儲存的試劑都是含量很高的化學(xué)品。如果情況允許，為需要的人創(chuàng)建營銷渠道。這樣，“廢物”的“回收”目標(biāo)就完成了。在某種程度上，它也可以被描述為“零排放”的另一種方式。

4.4 節(jié)約試劑用量,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的微型化

在保證重要條件的前提下，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行小規(guī)模定量分析或小規(guī)模改進(jìn)，是減少化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境污染的有效途徑。前者用量為常規(guī)用量的50%～25%，后者減至前一用量的10%～1%。如果將兩者結(jié)合起來，可以取得一定的實(shí)際效果。近年來，小規(guī)模實(shí)驗(yàn)課題研究已納入我國化學(xué)教育研究院總體科研規(guī)劃，國內(nèi)化學(xué)學(xué)會還舉辦了“小規(guī)模實(shí)驗(yàn)研討會”，探討國內(nèi)小規(guī)模化學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，小型化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有使用方便、實(shí)驗(yàn)可靠、形勢顯著、節(jié)約資源、節(jié)省實(shí)驗(yàn)試劑、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

5.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色理念建設(shè)的具體措施

5.1 教師先要樹立中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色理念

教師作為教學(xué)過程中的實(shí)施者，首先要在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中塑造“綠色”的核心概念，以身作則，在實(shí)踐過程中幫助學(xué)生在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造“綠色”的核心概念，以提高學(xué)生的環(huán)保觀。在實(shí)施之前，應(yīng)提前與學(xué)生溝通所有常見問題，防止學(xué)生受到傷害，并教育學(xué)生學(xué)會如何保護(hù)環(huán)境。讓學(xué)生了解廢物的危害性，也讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)廢物不合理排放造成的事故，讓許多人親身感受到空氣污染的危害性，塑造他們的環(huán)保理念，提高他們保護(hù)環(huán)境的使命感。

5.2 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)

在化學(xué)教學(xué)中，有些實(shí)驗(yàn)在某些情況下是可以替代的。此時(shí)，教師應(yīng)充分發(fā)揮創(chuàng)造力，通過改進(jìn)教學(xué)計(jì)劃設(shè)計(jì)，減少或防止環(huán)境污染。例如，對于毒性大、危險(xiǎn)因素高、化學(xué)試劑價(jià)格高、實(shí)驗(yàn)試劑儲存困難的實(shí)驗(yàn)，可以利用多媒體系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M；對于一些普通實(shí)驗(yàn)，通過對化學(xué)藥劑的使用進(jìn)行嚴(yán)格的控制，實(shí)現(xiàn)對高中化學(xué)試驗(yàn)的環(huán)保要求。不管是老師在教學(xué)中，還是在實(shí)踐中，都要按照“節(jié)約能源、降低環(huán)境污染”為原則，在藥劑上明確標(biāo)注的用量，以達(dá)到限定用量的作用。該方法既能降低化學(xué)藥劑使用、縮短試驗(yàn)周期、降低大氣環(huán)境的影響，又能使中學(xué)生在高中化學(xué)試驗(yàn)過程中培養(yǎng)綠色思想，提高環(huán)境保護(hù)意識。

5.3 進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)廢棄物處理

在一定程度上，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程就是創(chuàng)造廢物的整個(gè)過程。高校的許多實(shí)驗(yàn)室，和小型加工廠，每天都需要排放大量廢物。其中一些化學(xué)物質(zhì)蒸發(fā)到空氣中，另一些則倒入下水道，滲入水和土地資源，造成環(huán)境污染。事實(shí)上，一些實(shí)驗(yàn)試劑和產(chǎn)品可以回收利用。對于這些不可回收的廢物，教師還需要做好分類工作，并按照有機(jī)廢氣、廢液、毒副作用等的分類進(jìn)行解決。在做完實(shí)驗(yàn)后，要教授學(xué)生如何進(jìn)行垃圾處置，使學(xué)生不僅能夠解決有機(jī)廢氣、廢液等廢物，而且能夠?qū)W會解決廢物的方法，成為敢于承擔(dān)責(zé)任、敢于處理問題、敢于解決困難的人，培養(yǎng)中學(xué)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心理念，促進(jìn)學(xué)生全方面綜合性水平的提高。

結(jié)論

作為一名中學(xué)化學(xué)教育者，將實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)有機(jī)化學(xué)相結(jié)合，這是每個(gè)有機(jī)化學(xué)家的職責(zé)。我們在這一領(lǐng)域邁出了一大步。這是一個(gè)全新的開端，但是在很多地方仍然不盡如人意。我們相信，經(jīng)過我們的共同奮斗，我們很快就能實(shí)現(xiàn)中學(xué)的綠色化學(xué)試驗(yàn)。