谷春秀 王子君 李 穎 張 童 柳 成 馬艾琦

北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院 北京 100023

1 問題的提出

綠色化學(xué)理念應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)可有效提高學(xué)生的環(huán)境意識(shí)。對(duì)于高校來說，實(shí)驗(yàn)室特別是化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室是不容忽視的污染源，應(yīng)引起高度的重視。開發(fā)與研究微型實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生參與微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程就是一種非常好的綠色化學(xué)教育形式。對(duì)于學(xué)生環(huán)境意識(shí)的滲透與實(shí)驗(yàn)操作技能的培養(yǎng)同等重要[1,2]。要使學(xué)生認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)過程所產(chǎn)生的廢棄物對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的危害，并盡可能將廢棄物回收、利用、化害為利，變廢為寶[3]，包括對(duì)暫時(shí)不能利用的廢物進(jìn)行無害化處理，培養(yǎng)學(xué)生樹立綠色化學(xué)觀念[4]，至關(guān)重要。微型實(shí)驗(yàn)從環(huán)保綠色的角度出發(fā)，對(duì)有毒有害的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或試劑進(jìn)行微型化、綠色化改進(jìn)，旨在提高學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)、增強(qiáng)其綠色環(huán)保意識(shí)與解決環(huán)境問題的本領(lǐng)[5]。

2 本實(shí)驗(yàn)課題研究的目標(biāo)

本研究所涵蓋的范圍是高?；瘜W(xué)、生物、醫(yī)藥等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)類實(shí)驗(yàn)。從試劑用量入手，用盡可能少的試劑，獲得較明顯、清晰的反應(yīng)結(jié)果。使常規(guī)實(shí)驗(yàn)微型化，做到實(shí)驗(yàn)藥品的微型化與綠色化，實(shí)驗(yàn)儀器的微型化，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)微型化和綠色化實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效能，是我們研究的目標(biāo)[1]。研究的內(nèi)容涉及生物醫(yī)藥系學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)，如無機(jī)與分析、基礎(chǔ)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。研究從綠色化學(xué)的角度出發(fā)，針對(duì)課程實(shí)驗(yàn)中涉及有毒有害化學(xué)試劑、有毒有害生物材料、價(jià)格昂貴或?qū)Νh(huán)境污染嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行微型化、綠色化改造。

具體目標(biāo)[5]：

(1)不改變實(shí)驗(yàn)方法，保持常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器，從試劑用量入手，進(jìn)行半微量和微量探索，力求在符合常量分析滴定準(zhǔn)確度和精密度的前提下，減少試劑用量，降低實(shí)驗(yàn)成本。

(2)推廣使用微型實(shí)驗(yàn)儀器，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約藥品，提高實(shí)驗(yàn)安全性。

(3)對(duì)易產(chǎn)生有毒有害廢氣、廢液的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綠色化改造，降低藥品濃度，降低實(shí)驗(yàn)排廢量，提高實(shí)驗(yàn)效果，減少環(huán)境污染。

(4)對(duì)大量使用“有機(jī)溶劑”和“有機(jī)試劑”，因產(chǎn)生“三廢”對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微型化改造，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線和實(shí)驗(yàn)方法，根除污染源。

(5)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行選擇，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，盡量做到溶劑、原料及產(chǎn)品無毒或低毒，盡可能少用或不用劇毒的有機(jī)物，開發(fā)微型循環(huán)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)效性。

3 實(shí)驗(yàn)微型化、綠色化改造

綠色化的根本是從根源上去除污染，而不是先污染后治理。理想的綠色化方法是不再使用有毒、有害的試劑、原料，不再產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物，不用再處理廢物，達(dá)到“零排放”。將綠色化學(xué)的新理念用于預(yù)防化學(xué)污染，開展微型實(shí)驗(yàn)是對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改造和發(fā)展的必然結(jié)果。

3.1 實(shí)驗(yàn)藥品試劑的微型化與綠色化

有機(jī)試劑大多有毒、易燃、易揮發(fā)，若按常規(guī)實(shí)驗(yàn)量進(jìn)行，既消耗試劑，又增加成本，而且污染大、三廢處理困難。在微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)中縮減試劑用量可節(jié)約藥品、降低成本，降低事故發(fā)生率和危害性，縮短時(shí)間，減少污染，節(jié)能減排。如1-溴丁烷的制備有機(jī)實(shí)驗(yàn)，可以將藥品正丁醇由原來的10 g減為5 g，無水溴化鈉由原來的15.5 g減量為8 g，濃硫酸由20 mL減為10 mL，進(jìn)行微量化改造。又如乙酸乙酯的制備實(shí)驗(yàn)，可改用微型實(shí)驗(yàn)裝置[6]，試劑冰醋酸由14.3 mL減為2.0 mL，乙醇由23.0 mL減為3.0 mL，濃硫酸由7.5 mL減為1.0 mL，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)的目的。在無機(jī)與分析[7]—莫爾法沉淀滴定實(shí)驗(yàn)中，降低AgNO3標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度，從常用的0.1 mol/L降到0.02 mol/L時(shí)，其測定結(jié)果的相對(duì)偏差仍可達(dá)到0.5%以內(nèi)的要求；滴定終點(diǎn)的磚紅色仍很敏銳，由于試劑量降低，產(chǎn)生的廢物相應(yīng)減少，污染程度明顯降低，減少了硝酸銀貴重試劑的用量，降低了實(shí)驗(yàn)成本。而且實(shí)驗(yàn)的AgNO3廢液通過AgCl，Ag2CO3逐級(jí)轉(zhuǎn)化，再經(jīng)高溫加熱分解得到單質(zhì)銀，徹底解決了含銀廢水對(duì)環(huán)境的污染問題。

3.2 開發(fā)微型循環(huán)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)效性

高校各化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的簡單回收和實(shí)驗(yàn)廢液的長期積累，造成的直接結(jié)果是污染危害程度加劇，同時(shí)面臨實(shí)驗(yàn)廢物處理費(fèi)用的高昂支出。如果我們進(jìn)行各實(shí)驗(yàn)間的串聯(lián)[8]，將無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)、儀器分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)驗(yàn)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)整合，開展循環(huán)實(shí)驗(yàn)，可使產(chǎn)物變?yōu)椴糠謱?shí)驗(yàn)的原料。如將有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)中無水乙醇的制備的產(chǎn)物無水乙醇作為茶葉中咖啡因的提取實(shí)驗(yàn)的提取溶劑；茶葉中咖啡因的提取實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物咖啡因作為儀器分析實(shí)驗(yàn)紫外光譜測定飲料中的咖啡因的標(biāo)準(zhǔn)品等。在萃取或重結(jié)晶操作化學(xué)實(shí)驗(yàn)中[10]，產(chǎn)生的廢有機(jī)溶劑，如乙醇、石油醚、乙酸乙酯、丙酮等，提純后都可用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。如乙醇可反復(fù)用于茶葉中咖啡因的提取、柱色譜分離等實(shí)驗(yàn)。適當(dāng)開設(shè)多步合成實(shí)驗(yàn)，將多個(gè)單元操作實(shí)驗(yàn)串聯(lián)在一起，如開設(shè)的有機(jī)物或藥物的合成與表征實(shí)驗(yàn)，將酰化、氧化、水解、酯化、熔點(diǎn)測試、薄層色譜技術(shù)和紅外分析等單元操作有機(jī)地結(jié)合在一起。串聯(lián)實(shí)驗(yàn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉和高度的綜合，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)技能，還可以提高化學(xué)試劑的使用率，降低實(shí)驗(yàn)成本，使學(xué)生養(yǎng)成不輕易排放廢物的習(xí)慣，減少化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的污染，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綠色化學(xué)教育，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，從而推進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化。

3.3 選擇毒性低的藥品及原料—用無毒或低毒試劑代替高毒試劑

及時(shí)修訂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[8-11]，制定適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃。盡量采用無毒、低毒試劑，用天然產(chǎn)物代替毒性高的化學(xué)試劑。在水蒸氣蒸餾實(shí)驗(yàn)中將原教材中毒性較大、不易自然降解的有機(jī)試劑改成從一些天然產(chǎn)物中提取揮發(fā)性油，如從橙皮中提取橙皮油或八角茴香水蒸氣蒸餾等，原料來源廣泛，產(chǎn)物處理簡單，低毒性替代品的使用，既可減少污染又可達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

如不選用苯、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷等作為溶劑或原料的實(shí)驗(yàn)[11]，不選用重鉻酸鉀等毒性大、污染嚴(yán)重的試劑作氧化劑，不選用硝基苯或苯胺作為產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)。提純試劑盡量使用綠色溶劑—水。盡量選擇低毒、污染較小且后處理容易的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在應(yīng)用波譜解析液相色譜實(shí)驗(yàn)流動(dòng)相的選擇時(shí)，倡導(dǎo)盡量使用環(huán)境污染小、毒性小、危險(xiǎn)性小、三廢處理容易的流動(dòng)相溶液。

3.4 實(shí)驗(yàn)儀器的微型化改造

儀器微型化不但能減少試劑在器皿上的附著量，還能克服實(shí)驗(yàn)時(shí)儀器裝置復(fù)雜、易燃易爆藥品和副反應(yīng)多以及污染環(huán)境等缺點(diǎn)。在有機(jī)實(shí)驗(yàn)和藥物合成與天然藥物提取實(shí)驗(yàn)中，我們將實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行微型化改造，采用微型實(shí)驗(yàn)制備儀，同時(shí)將試劑用量縮減，在完成整個(gè)操作的同時(shí)，學(xué)生還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)開發(fā)新的微型實(shí)驗(yàn)。如在天然大蒜油的提取實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生采用微型儀器對(duì)市售大蒜進(jìn)行大蒜素的提取，試劑的減量使微型實(shí)驗(yàn)時(shí)間大大縮短，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程對(duì)大蒜素實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并可以充分利用課堂時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)方案的開發(fā)。為此類有機(jī)制藥類實(shí)驗(yàn)提供了參考。

4 充分利用各種途徑進(jìn)行環(huán)境綠色化教育

在各種化學(xué)類及專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)廢物的態(tài)度對(duì)學(xué)生環(huán)境綠色化意識(shí)的培養(yǎng)具有直接示范和表率作用。教師應(yīng)是“綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)”的積極倡導(dǎo)者，努力做到實(shí)驗(yàn)無害化，處理廢氣、廢水，變廢為寶；實(shí)驗(yàn)微型化，節(jié)約藥品，減少對(duì)環(huán)境的污染。

4.1 以活動(dòng)為載體的環(huán)境意識(shí)培養(yǎng)

在教學(xué)中，我們讓學(xué)生結(jié)合一些問題，搜集大量資料，展開討論，進(jìn)行展覽宣傳，強(qiáng)化環(huán)境意識(shí)。同時(shí)，開展社會(huì)實(shí)踐，滲透環(huán)境知識(shí)。如組織參觀污水處理廠、密云環(huán)保局、密云水庫，并請(qǐng)專家介紹講解，從實(shí)際出發(fā)，以環(huán)境知識(shí)滲透為重心，開展教育活動(dòng)。學(xué)生在社會(huì)活動(dòng)中探究學(xué)習(xí)，真題真做，提高綜合素質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握污水來源、測定意義，樹立可持續(xù)發(fā)展觀、生態(tài)觀，樹立經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益相統(tǒng)一的觀念。

4.2 開展第二課堂，掌握環(huán)保技能

化學(xué)類、生物制藥類實(shí)驗(yàn)廢液種類多，每次實(shí)驗(yàn)后，對(duì)污染大、毒性大的溶液進(jìn)行專項(xiàng)回收，然后利用第二課堂活動(dòng)進(jìn)行溶液處理[12]。由于學(xué)的是生物、醫(yī)藥專業(yè)，學(xué)生完全可以在本專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上通過查閱資料，尋找方法，對(duì)溶液進(jìn)行處理。由于將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用在解決實(shí)際問題中，學(xué)生表現(xiàn)出極大的熱情和興趣，同時(shí)認(rèn)識(shí)到自己所學(xué)專業(yè)的重要性和實(shí)際意義，通過環(huán)?；顒?dòng)，使學(xué)生掌握一定的環(huán)保技能。

4.3 進(jìn)行環(huán)保法制教育

化學(xué)類及生物制藥類實(shí)驗(yàn)課不是法律課，不能在課堂上大量講授法律，只能利用滲透的方式，在講到某個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，自然引入相關(guān)的法律知識(shí)：介紹某物質(zhì)或某操作方法可能產(chǎn)生的危害—相關(guān)法律條款—消除污染的方法，以增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

5 教育評(píng)價(jià)

多年來的綠色化學(xué)教學(xué)實(shí)踐證明，在化學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施環(huán)境素質(zhì)教育具有如下特點(diǎn)：

(1)以實(shí)踐教學(xué)為載體，將綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與環(huán)境意識(shí)培養(yǎng)相結(jié)合，學(xué)生在提高專業(yè)素質(zhì)、實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，大大提高了環(huán)保意識(shí)。

(2)促進(jìn)了學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)質(zhì)量。

(3)強(qiáng)化了環(huán)境教育的滲透，有利于學(xué)生整體綜合素質(zhì)的提高和個(gè)性的發(fā)展。

(4)互動(dòng)式綠色化學(xué)教學(xué)有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和創(chuàng)造力，創(chuàng)造輕松的學(xué)習(xí)氛圍。

(5)環(huán)境污染、生態(tài)破壞、資源與能源的浪費(fèi)等是人為造成的，讓學(xué)生理解這些問題的出現(xiàn)不是化學(xué)本身造成的，而這些問題的解決必須依靠化學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生正確的環(huán)境道德觀念。

(6)實(shí)驗(yàn)教師通過微型實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和靈活多樣的教學(xué)方法及手段的運(yùn)用，豐富環(huán)境教育的內(nèi)涵。

(7)從綠色化學(xué)教育現(xiàn)實(shí)出發(fā)，聯(lián)系社會(huì)與環(huán)境，使教學(xué)內(nèi)容與形式更生動(dòng)、更靈活、更充實(shí)。

從環(huán)境的角度去認(rèn)識(shí)綠色化學(xué)，利用各種教學(xué)資源，提供參與多層次應(yīng)用綠色化學(xué)知識(shí)解決環(huán)境問題、研究綠色化學(xué)的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生的參與意識(shí)，養(yǎng)成良好的環(huán)境行為習(xí)慣[5]。讓學(xué)生在研究活動(dòng)中思考問題，保護(hù)環(huán)境，獲得綠色化學(xué)與環(huán)境問題有關(guān)的新知識(shí)、新技能，增強(qiáng)用綠色化學(xué)知識(shí)解決環(huán)境問題的本領(lǐng)，使學(xué)生樹立環(huán)境道德觀、環(huán)境價(jià)值觀。

綠色化學(xué)教學(xué)中素質(zhì)教育的目標(biāo)之一是“讓學(xué)生了解與化學(xué)有關(guān)的環(huán)境、資源、能源等問題，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心自然、關(guān)心社會(huì)、關(guān)心環(huán)境的情感，樹立環(huán)境保護(hù)意識(shí)和人類的生存、發(fā)展意識(shí)”。在與環(huán)境密切相關(guān)的化學(xué)學(xué)科(各類污染中化學(xué)污染占80%～90%)中，結(jié)合環(huán)境教育及可持續(xù)發(fā)展的思想對(duì)學(xué)生進(jìn)行教育，提高學(xué)生對(duì)環(huán)境問題的感知和對(duì)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)，努力將環(huán)保意識(shí)轉(zhuǎn)化為一種自覺心理，一種潛意識(shí)，最終使每人、每時(shí)、每刻、每處都感受著保護(hù)環(huán)境的必要性，并在日常生活中成為一種自覺的行動(dòng)，自覺地為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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