- 相關(guān)推薦
物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)綠色化改革探討論文
［摘要］近幾年?yáng)|北大學(xué)在物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革中引入綠色化學(xué)思想，在滿(mǎn)足物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)大綱基本要求、保證實(shí)驗教學(xué)效果的前提下，合理選擇和設計實(shí)驗內容，采取環(huán)境友好的化學(xué)實(shí)驗新技術(shù)、新方法，盡量減少或消除對環(huán)境或人體有毒、有害的化學(xué)物質(zhì)的使用。在實(shí)驗教學(xué)方式上，注意培養學(xué)生實(shí)驗操作規范性，提高學(xué)生的綠色化意識。在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，提出了物理化學(xué)實(shí)驗綠色化教學(xué)的一些具體措施。例如，更新實(shí)驗設備、優(yōu)化實(shí)驗內容、實(shí)驗微型化小型化設計、綜合經(jīng)典實(shí)驗等。經(jīng)過(guò)長(cháng)期的努力和探索，增強了學(xué)生的綠色實(shí)驗意識和環(huán)保意識，同時(shí)也改善了實(shí)驗教學(xué)環(huán)境，基本實(shí)現物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)的綠色化。
［關(guān)鍵詞］物理化學(xué)實(shí)驗；綠色化學(xué)；教學(xué)改革
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì )的進(jìn)步，人們越來(lái)越清醒地認識到經(jīng)濟發(fā)展所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)對人類(lèi)生存和社會(huì )發(fā)展構成了巨大威脅。引起生態(tài)環(huán)境破壞的污染物中很大一部分都是在人類(lèi)自身的生產(chǎn)、生活過(guò)程中產(chǎn)生的。因此建設綠色生態(tài)環(huán)境已成為人與自然和諧發(fā)展的基本前提。綠色化學(xué)（GreenChemistry）就是近些年發(fā)展起來(lái)的與防治污染、保護生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的一門(mén)學(xué)科，目前已經(jīng)成為國際化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。綠色化學(xué)又稱(chēng)為“環(huán)境無(wú)害化學(xué)”、“環(huán)境友好化學(xué)”、“清潔化學(xué)”等。綠色化學(xué)倡導利用化學(xué)的技術(shù)和方法減少或避免在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活過(guò)程中使用、生產(chǎn)對人類(lèi)健康、社區安全、生態(tài)環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)。[1][2][3][4]高等院校中物理化學(xué)實(shí)驗的綠色化改革正是契合了綠色化學(xué)的研究發(fā)展方向，向化學(xué)實(shí)驗的無(wú)毒、無(wú)害化邁出了積極的一步。其目的是將綠色化學(xué)的研究思想傳遞給學(xué)生，使學(xué)生在今后的科學(xué)研究、生產(chǎn)、生活中也能積極主動(dòng)地踐行綠色化學(xué)觀(guān)念；其方法是將綠色化學(xué)的實(shí)驗設計理念融入基礎物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)進(jìn)程之中；其核心內容是最大限度地減少或避免使用有毒、有害的化學(xué)物質(zhì)，最大限度地減少或避免產(chǎn)生化學(xué)廢物，也無(wú)需再處理廢物，從源頭處減少或消除環(huán)境污染。
一、物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)綠色化的總體設想
物理化學(xué)是東北大學(xué)應用化學(xué)、生物工程、材料科學(xué)、冶金工程、環(huán)境科學(xué)、資源與礦物等專(zhuān)業(yè)的基礎課程之一。而物理化學(xué)實(shí)驗是物理化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，是培養學(xué)生實(shí)踐能力和科研能力的重要教學(xué)環(huán)節。[5]學(xué)校的化學(xué)實(shí)驗中心每年為全校12個(gè)專(zhuān)業(yè)的近1200名學(xué)生開(kāi)設數十個(gè)不同的物理化學(xué)實(shí)驗項目。其中的“液體飽和蒸氣壓的測定”、“酸堿中和反應熱效應的測定”、“鉍－錫二元相圖的繪制”等這些我們耳熟能詳的、經(jīng)典的物理化學(xué)實(shí)驗項目曾經(jīng)見(jiàn)證過(guò)幾代學(xué)子的成長(cháng)。毋庸置疑，這些實(shí)驗設計得簡(jiǎn)單易行。通過(guò)實(shí)際的操作，實(shí)驗者很容易理解其中蘊含的物理化學(xué)原理。然而，這些實(shí)驗過(guò)程中都不可避免地會(huì )使用或產(chǎn)生某些有毒、有害的物質(zhì)。如果不對這些物質(zhì)進(jìn)行無(wú)害化處理而直接排放，日積月累，不僅會(huì )影響師生的身體健康，還會(huì )污染周?chē)h(huán)境。因此，物理化學(xué)實(shí)驗綠色化是化學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革發(fā)展的必然趨勢。在長(cháng)期的物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革過(guò)程中，我�；瘜W(xué)實(shí)驗中心高度重視貫徹綠色化學(xué)的教學(xué)理念，將綠色化學(xué)作為實(shí)驗教學(xué)改革的重要組成部分。在對物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)進(jìn)行綠色化改革的進(jìn)程中，我們從實(shí)驗內容、實(shí)驗設計、實(shí)驗設備、經(jīng)典實(shí)驗項目整合、教學(xué)方法和教學(xué)理念等方面進(jìn)行了積極的研究和探索，并取得了一定的效果。
二、物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)綠色化的實(shí)踐
�。ㄒ唬⿲�(shí)驗內容的綠色化
在實(shí)驗項目的選擇和實(shí)驗內容的調整方面，盡量排除或減少對環(huán)境污染大、對人體毒性大的實(shí)驗項目。在不影響實(shí)驗效果的前提下，選用環(huán)境友好的試劑替代有毒或后處理困難的試劑，從而實(shí)現物理化學(xué)實(shí)驗的綠色化。例如，“弛豫法測定鉻酸根－重鉻酸根離子反應速率常數”是以往我校應用化學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一個(gè)化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗項目。這個(gè)實(shí)驗過(guò)程中需要使用的主要化學(xué)試劑是重鉻酸鉀。然而，通過(guò)對重鉻酸鉀性質(zhì)的學(xué)習不難知道，它不僅有化學(xué)毒性和致癌性，而且還是一種強氧化劑，長(cháng)期吸入，能破壞鼻粘膜，引起鼻膜炎和鼻中隔軟骨穿孔，使呼吸器官受到損傷，甚至造成肺硬化。皮膚接觸重鉻酸鉀溶液時(shí)易引起鉻瘡和皮炎。不僅如此，化學(xué)實(shí)驗中心每年還需要投入高昂的實(shí)驗經(jīng)費用于處理由此產(chǎn)生的鉻酸廢液。因此，為保證實(shí)驗教師和學(xué)生的身體免受危害，現已將其改為另一動(dòng)力學(xué)實(shí)驗“旋光光度法測定蔗糖水解反應的速率常數”，實(shí)驗中用到的原料蔗糖無(wú)毒，而且使學(xué)生有機會(huì )學(xué)習旋光儀的使用方法。又如，在“氣泡最大壓力法測定溶液的表面張力”實(shí)驗中，原來(lái)所使用正丁醇水溶液的最大濃度達到了0．35moldm－3。為了降低正丁醇使用濃度，我們曾對實(shí)驗方案和實(shí)驗裝置進(jìn)行了多次改進(jìn)，使正丁醇的最大濃度降至0．1moldm－3。而且，實(shí)驗操作也更加簡(jiǎn)便易行，實(shí)驗中氣泡的逸出平穩、連續。上述改進(jìn)已經(jīng)過(guò)多次教學(xué)實(shí)踐檢驗，結果表明，正丁醇濃度的降低不僅節約了實(shí)驗藥品，而且低濃度正丁醇水溶液的表面吸附量隨濃度的變化規律更符合吉布斯吸附等溫式，有利于得出好的實(shí)驗結果。
�。ǘ⿲�(shí)驗微型化、小型化設計，減少藥品用量
所謂微型化實(shí)驗是指在微型的儀器設備中，用盡可能少的試劑獲取所需的化學(xué)信息的實(shí)驗方法。在保證可觀(guān)測到與普通實(shí)驗相同的實(shí)驗現象的前提下，微型化實(shí)驗還具有節約實(shí)驗材料和時(shí)間、減少環(huán)境污染、操作安全等優(yōu)點(diǎn)。所以，開(kāi)展微型化實(shí)驗是實(shí)現化學(xué)實(shí)驗綠色化的好方法。在長(cháng)期的物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中，在保證實(shí)驗方案合理、實(shí)驗結果穩定、實(shí)驗效果顯著(zhù)的前提下，我們積極推行實(shí)驗的微型化、小型化設計。例如，在“差熱分析”實(shí)驗中采用微型化實(shí)驗樣品管后，每份CaC2O4樣品使用量減少到不超過(guò)0．05克，每學(xué)期僅CaC2O4試劑的使用量就減少到原來(lái)的十分之一。對于目前尚無(wú)法實(shí)現微型化的實(shí)驗項目，我們采取了小型化設計或減少化學(xué)試劑使用量等方法，以期將物理化學(xué)實(shí)驗對環(huán)境的污染降至最低。例如，在“金屬二元相圖的繪制”實(shí)驗中，由于金屬鉍和錫具有熔點(diǎn)低、化學(xué)穩定性好、數據重現性好、原料易得、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，所以，鉍－錫二元系統一直以來(lái)都是我們進(jìn)行此項實(shí)驗教學(xué)的首選系統。若使用以往的實(shí)驗設備，在實(shí)驗過(guò)程中，以各種比例混合的金屬鉍和金屬錫試樣被放置在瓷坩堝中，上面覆蓋一層硅油，以防止加熱過(guò)程中金屬樣品被氧化。但是，通過(guò)查閱相關(guān)化學(xué)數據手冊可知，金屬鉍的熔點(diǎn)為271℃，而硅油的燃點(diǎn)為320℃，僅僅比鉍的熔點(diǎn)高約50℃。這意味著(zhù)，在加熱純鉍試樣時(shí)，若操作者沒(méi)有控制好升溫速率而導致系統溫度上升過(guò)快，那么樣品溫度很容易沖高至硅油燃點(diǎn)而引燃硅油。這不僅會(huì )造成大量硅油的損耗，容易引起教學(xué)事故，而且硅油高溫揮發(fā)及不完全燃燒的產(chǎn)物還會(huì )污染空氣。為此，我們放棄使用瓷坩堝而改用金屬樣品管盛裝樣品。這樣不僅使單個(gè)樣品的質(zhì)量從過(guò)去的120克減少到幾克，而且使用時(shí)很容易將金屬樣品管抽真空后密封，并循環(huán)使用。這種全封閉的手段有效避免了大量使用硅油作為樣品保護層所帶來(lái)的空氣污染問(wèn)題的發(fā)生。又如，在“酸堿中和反應熱效應的測定”實(shí)驗中，我們更換了體積更小的杜瓦瓶，使氫氧化鈉和鹽酸的用量減少到原來(lái)的四分之一。減少試劑用量后的中和反應系統由于溶液體積大幅減少，攪拌效率更高，系統各處的溫度更趨一致，對溫度變化的監測更容易，溫度數據也更準確。除此之外，我們對“凝固點(diǎn)降低法測定分子量”、“乙酸乙酯皂化反應速率常數的測定”等實(shí)驗項目也進(jìn)行了小型化改進(jìn)，不同程度地減少了化學(xué)試劑使用量，顯著(zhù)降低了實(shí)驗成本，改善了實(shí)驗環(huán)境。實(shí)踐證明，物理化學(xué)實(shí)驗的微型化、小型化設計不但可以達到與常規實(shí)驗相同的實(shí)驗目的和效果，而且可以大幅減少試劑用量、不同程度地減少實(shí)驗過(guò)程中產(chǎn)生的化學(xué)廢棄物、節約后處理費用、減少污染、改善實(shí)驗環(huán)境，因此，此舉已經(jīng)成為物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革的一個(gè)重要發(fā)展趨勢。
�。ㄈ⿲�(shí)驗儀器和設備的選擇
與其他化學(xué)分支學(xué)科的基礎實(shí)驗相比，物理化學(xué)實(shí)驗需要的中、小型實(shí)驗儀器設備種類(lèi)較多。其中多個(gè)實(shí)驗需要測定溫度和壓力。傳統的測溫、測壓裝置都是含汞的，不但操作步驟繁瑣復雜，而且易造成實(shí)驗室汞污染，危及教師及學(xué)生的身體健康。例如，在“液體飽和蒸氣壓測定”實(shí)驗中，過(guò)去常用U型水銀壓力計測定系統壓力差。此種壓力計中需要使用大量的金屬汞，汞面用水液封。然而，由于此裝有汞的U型玻璃管不宜經(jīng)常清洗，所以管壁會(huì )吸附環(huán)境中的氣體分子及塵埃等顆粒物。而在實(shí)驗過(guò)程中U型管內汞液面會(huì )不斷變化，會(huì )有少量汞由于與管壁上的吸附物作用而產(chǎn)生掛壁現象，從而使汞暴露于空氣中并揮發(fā)為汞蒸氣，這會(huì )對人體產(chǎn)生極大危害。目前，我們物理化學(xué)實(shí)驗室中全部的測壓裝置均用數字式低真空測壓儀替代水銀壓力計，從根本上消除了汞蒸氣可能對教師和學(xué)生產(chǎn)生的危害。又如，在“凝固點(diǎn)降低法測定物質(zhì)的摩爾質(zhì)量”、“酸堿中和反應熱效應的測定”及“燃燒熱的測定”等熱力學(xué)實(shí)驗中，過(guò)去一直使用貝克曼溫度計來(lái)監測實(shí)驗體系溫度的變化。貝克曼溫度計雖然測量精密度高，但在實(shí)際使用時(shí)，存在操作繁瑣且易碎等缺點(diǎn)。目前我們用數字式溫度溫差測量?jì)x替代貝克曼溫度計，不僅使實(shí)驗操作難度降低，實(shí)驗過(guò)程簡(jiǎn)化，而且也規避了由于操作不當造成溫度計破裂而引起環(huán)境污染的風(fēng)險。上述實(shí)驗儀器設備的替換無(wú)疑使物理化學(xué)實(shí)驗的測溫測壓手段更安全、更方便。
�。ㄋ模┚C合經(jīng)典實(shí)驗內容
通過(guò)長(cháng)期的教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)研究我們發(fā)現，傳統的物理化學(xué)實(shí)驗門(mén)類(lèi)齊全、架構完整，大量的基礎實(shí)驗內容至今仍值得我們繼承和發(fā)展。但囿于當時(shí)實(shí)驗條件的限制，導致許多簡(jiǎn)單的實(shí)驗耗時(shí)費力。因此，我們在保留經(jīng)典實(shí)驗內容的前提下，致力于整合實(shí)驗方案，不僅大幅減少了試劑用量，有效降低了環(huán)境污染風(fēng)險，而且還提升了學(xué)生綜合分析實(shí)驗結果的能力。例如，“原電池電動(dòng)勢的測定”、“電解質(zhì)溶液電導率的測定”及“原電池溫度系數的測定”這三個(gè)實(shí)驗同屬于電化學(xué)基礎實(shí)驗，內容相對簡(jiǎn)單。但是在過(guò)去，由于實(shí)驗設備和實(shí)驗手段的落后，完成這三個(gè)實(shí)驗中的任何一個(gè)都需要很長(cháng)時(shí)間，所以每一個(gè)都被設計為一個(gè)相對獨立的實(shí)驗項目，而這顯然不利于學(xué)生將所學(xué)到的電化學(xué)基礎知識融會(huì )貫通。通過(guò)認真分析、研究這三個(gè)實(shí)驗的目的及內容，我們將它們融合并設計成了一個(gè)新的電化學(xué)綜合實(shí)驗。經(jīng)過(guò)精心的實(shí)驗方案設計和內容的整合，這個(gè)新的綜合實(shí)驗得到了學(xué)生和教師的廣泛好評。由于實(shí)驗試劑循環(huán)使用，避免了浪費和對環(huán)境造成的污染，為化學(xué)實(shí)驗中心節省了實(shí)驗經(jīng)費。同時(shí)，學(xué)生對理論課中學(xué)到的電化學(xué)基礎知識也有了比較全面且更為深刻的理解。
�。ㄎ澹┖侠矸止f(xié)作
在實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中，我們不僅對經(jīng)典內容重新進(jìn)行綜合設計，而且還會(huì )根據不同實(shí)驗的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)調整學(xué)生所做實(shí)驗的部分內容。例如，學(xué)生在進(jìn)行“雙液系氣液平衡相圖”實(shí)驗過(guò)程中需要測定的實(shí)驗點(diǎn)較多，做出一個(gè)完整相圖大約需要6個(gè)小時(shí)的時(shí)間，顯然在規定的4學(xué)時(shí)內是無(wú)法完成的。為此，我們設計由兩組學(xué)生分別測定相圖的左半支和右半支，之后將兩組數據合并，從而做出一個(gè)完整的相圖。這就要求每組學(xué)生在實(shí)驗過(guò)程中都必須認真仔細地完成操作并記錄好數據，否則可能會(huì )因而某一環(huán)節的失誤而導致合作雙方的數據都出現偏差。實(shí)踐結果表明，這種分工合作，在保證實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量的前提下，既節省了藥品，又有利于培養學(xué)生的協(xié)作精神和良好的操作技能。因此，對于復雜的實(shí)驗項目，我們認為這不失為一個(gè)值得嘗試和推廣的好辦法。
�。┮幏恫僮鞣椒�，提升綠色化意識
長(cháng)期的教學(xué)實(shí)踐表明，在物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中，嚴格規范實(shí)驗操作方法、督促學(xué)生養成良好的實(shí)驗習慣是學(xué)生科研素質(zhì)教育的重要內容。規范的實(shí)驗操作方法和良好的實(shí)驗習慣不僅是提升學(xué)生實(shí)驗操作技能的重要基礎，也是培養學(xué)生自覺(jué)進(jìn)行綠色化實(shí)驗的前提。在實(shí)驗過(guò)程中，指導教師要認真監督學(xué)生不要隨意丟棄藥品，并糾正學(xué)生中普遍存在的“藥品用量越多，實(shí)驗現象就越明顯”的錯誤觀(guān)念，杜絕學(xué)生在做實(shí)驗時(shí)隨意加大試劑用量的現象，鼓勵學(xué)生用最少的試劑做出成功的實(shí)驗。同時(shí)也要求學(xué)生每次實(shí)驗之前都要充分預習，提高實(shí)驗成功率，減少重復實(shí)驗引起的藥品損耗現象。此外，教育學(xué)生從實(shí)驗過(guò)程中的每件小事做起，逐步樹(shù)立起綠色化科研意識和對社會(huì )的責任感。
三、改革后的成效
多年以來(lái)，經(jīng)過(guò)對物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革的綠色化探索與實(shí)踐，在提升了教師自身的綠色化學(xué)教學(xué)理念的同時(shí)，在培養學(xué)生的協(xié)作精神、綜合科研素質(zhì)等方面也取得了良好效果。這些效果體現在學(xué)生在校學(xué)習期間養成了良好的實(shí)驗操作習慣，明晰并理解了實(shí)驗設計中綠色化改進(jìn)之處，學(xué)會(huì )了用綠色化學(xué)知識設計實(shí)驗等方面。而且，近幾年來(lái)，我們對大量本科生就業(yè)后反饋的信息進(jìn)行了分析并從中了解到，經(jīng)過(guò)我們多年的綠色化實(shí)驗教學(xué)訓練，畢業(yè)生們在各自的工作崗位上都表現出較高的實(shí)驗技能和良好的團隊合作精神，綜合素質(zhì)高，受到用人單位的廣泛歡迎。
［注釋?zhuān)?/strong>
�。�1］平措，馬橘紅．物理化學(xué)實(shí)驗室綠色化建設初探［J］．實(shí)驗技術(shù)與管理，2009（12）：132－133．
�。�2］張康華，曹小華，謝寶華，等．化學(xué)實(shí)驗教學(xué)與綠色化學(xué)教育［J］．實(shí)驗室研究與探索，2010（5）：123－125．
�。�3］徐英，王桂清，陳靈謙．物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革的探索［J］．高校實(shí)驗室工作研究，2010（4）：5－6．
�。�4］魏澤英，李樹(shù)全，謝小燕，等．物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)綠色化改革實(shí)踐［J］．教育教學(xué)論壇，2014（1）：245－246．
�。�5］楊冬梅，王軍．物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革的總體設計及實(shí)踐［J］．高等理科教育，2008（6）：103－105．
【物理化學(xué)實(shí)驗教學(xué)綠色化改革探討論文】相關(guān)文章：
綠色建筑規劃設計探討論文11-24
探討醫學(xué)論文寫(xiě)作教學(xué)改革02-27
化學(xué)實(shí)驗教學(xué)探討論文14篇01-24
中醫藥院校物理化學(xué)教學(xué)方法改革論文11-14