劉佳奇　鄭婷婷　左　霞首都師范大學(xué)　北京　100048

高校有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實驗綠色化教學(xué)改革初探

劉佳奇鄭婷婷左霞
首都師范大學(xué)北京100048

摘要：為推進(jìn)高校有機(jī)化學(xué)實驗向“綠色化”方向健康發(fā)展，針對在有機(jī)實驗實際教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，探索了新的實驗教學(xué)改革思路：優(yōu)選實驗項目，強(qiáng)化綠色化學(xué)理念、控制反應(yīng)用量、優(yōu)化教學(xué)方法，使整個實驗設(shè)計連續(xù)化、綜合化、科學(xué)化，不斷培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展意識。

關(guān)鍵詞：有機(jī)化學(xué)實驗；綠色化學(xué)；實驗教學(xué)改革

高校有機(jī)化學(xué)實驗是面向化學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等專業(yè)的大學(xué)生所開設(shè)的一門重要的基礎(chǔ)實驗課程。作為一門實踐應(yīng)用性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科，有機(jī)化學(xué)實驗是經(jīng)過長期摸索并逐步發(fā)展成為一門具備完整獨(dú)立教學(xué)體系的化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科。伴隨我國自然科技水平的顯著提高，在高校有機(jī)實驗教學(xué)中，也逐漸向?qū)嶒瀮x器現(xiàn)代化、合成方法新穎化以及教學(xué)內(nèi)容多元化方向發(fā)展，使整個高校有機(jī)化學(xué)實驗不斷向綜合性、實用性、科研性方向轉(zhuǎn)變。為了全面貫徹學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的素質(zhì)培養(yǎng)，越來越多的教師也著眼于對高校有機(jī)化學(xué)實驗的教學(xué)改革嘗試，旨在不斷提高化學(xué)學(xué)科的人才輸出質(zhì)量。但是，在進(jìn)行教學(xué)改革的同時，許多高校在授課前后也暴露了諸多問題[1]，這些問題具有普遍性，同時具有改革的必要性。本文針對其中突出的幾個問題談了筆者自己的看法，并嘗試給出一些切實可行的意見和建議。

近幾年，環(huán)境污染問題已經(jīng)成為全世界人們關(guān)注的重點(diǎn)，尤其是在我國可持續(xù)發(fā)展的大背景下，正逐漸引起越來越多人的重視，對于化學(xué)化工行業(yè)“綠色化”發(fā)展的需求愈發(fā)明確、清晰。所謂的“綠色化”就是通過現(xiàn)有化學(xué)技術(shù)將環(huán)境污染降至最低，主要體現(xiàn)在原料綠色化、反應(yīng)綠色化、產(chǎn)品綠色化等幾個方面。[2]而在高校教學(xué)有機(jī)化學(xué)實驗中，所涉及的絕大多數(shù)有機(jī)試劑藥品都具有毒性大、易燃、易爆等特點(diǎn)。特別是在實驗完成后所產(chǎn)生的大量化學(xué)廢物和廢液，更加需要我們嚴(yán)格并科學(xué)地進(jìn)行處理，否則將會對人體和環(huán)境帶來潛在的、長期的危害。所以我們有必要在有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中向“綠色化”教學(xué)轉(zhuǎn)變，并不斷強(qiáng)化大學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中的環(huán)保意識。

1　有機(jī)化學(xué)實驗改進(jìn)方案

1.1優(yōu)選實驗項目 強(qiáng)化綠色化學(xué)必要性

在傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中，教師在制定教學(xué)計劃時更多地考慮在實驗過程中實驗現(xiàn)象明顯、實驗操作簡單的實驗題目。但對實驗藥品的毒性、實驗過程的危險性和污染性并沒有給予更多重視，而在自我防范和危險處理等環(huán)節(jié)也都相對薄弱。若要真正實現(xiàn)有機(jī)實驗的“綠色化”，首先應(yīng)該從授課教師的思維方式出發(fā)，使綠色化思想在教師頭腦中不斷得到強(qiáng)化[3]，這樣才可以保證授課教師在制定教學(xué)計劃時，能夠在不影響教學(xué)效果的同時，優(yōu)先選擇對人體危害較小、環(huán)境污染較輕的有機(jī)實驗題目。[4]

例如，傳統(tǒng)的制備溴苯實驗中所使用的苯和液溴等原料對人們的造血系統(tǒng)都有不同程度的傷害，同時液溴的腐蝕性也很強(qiáng)，在實驗操作上也帶來諸多不便，所以可以從現(xiàn)有實驗條件出發(fā)，選用正丁醇和溴化鈉作為反應(yīng)原料制備另外一種鹵代烷烴—正溴丁烷，但在這個實驗中，同樣需要注意濃硫酸的正確使用以及回收有毒氣體(HBr)的操作方法。在制備安息香衍生物二苯乙二酮的合成實驗中，在氧化劑的選擇上，我們一般選用濃硝酸、醋酸銅、氧化鐵作為該反應(yīng)的氧化劑，其中濃硝酸氧化體系在反應(yīng)過程中極易放出大量的NO2氣體；醋酸銅氧化體系因為需要引入硝酸銨得到氧化亞銅離子，在反應(yīng)條件控制不當(dāng)?shù)那闆r下，也容易放出NO2氣體，對環(huán)境和人身安全都造成了一定損害。相比較，以氧化鐵為氧化劑的體系，反應(yīng)程度較為溫和，同時避免了有毒氣體的放出，能夠保證在控制好反應(yīng)條件下初步實現(xiàn)有機(jī)實驗的“綠色化”，因此可以作為高校有機(jī)化學(xué)合成實驗內(nèi)容之一。

1.2控制反應(yīng)用量 推行有機(jī)實驗微型化

在有機(jī)實驗中的大部分藥品都是易燃、易揮發(fā)的，并且相當(dāng)多的試劑和產(chǎn)品都具有一定的毒性，因此在實驗前的藥品保存和實驗中的環(huán)境污染問題都帶來了極大的困擾。為了最大限度地減少上述危害，同時還要保證教學(xué)效果，我們有必要使有機(jī)實驗中的裝置規(guī)模和試劑用量向微型化方向改進(jìn)，這樣可以有效降低對環(huán)境的污染程度。[5]例如，在施行實驗微型化后所使用的燒瓶、酒精燈以及試管等也隨之小型化，這樣不僅可以縮短實驗進(jìn)程，還有效降低了實驗成本。此外，在實驗試劑方面，通常將實驗試劑微型化定為常規(guī)用量的1/2～1/5；甚至可以降低至半微量(常量的1/5～1/10)以及微量(1/10以下)。但是，在進(jìn)行微量化實驗時投料量減少，稍有操作不當(dāng)就可能導(dǎo)致實驗失敗，所以在實驗過程中要求學(xué)生對每個實驗細(xì)節(jié)給予充分重視，這樣在體現(xiàn)有機(jī)實驗“綠色化”的同時，又對學(xué)生的實驗操作能力提出更高的要求，進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合實驗技能。如藥品稱量的精度控制、反應(yīng)時間及溫度控制、粗品提取的產(chǎn)品損失，都可能對終產(chǎn)物的產(chǎn)率或轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生實際影響。

1.3推進(jìn)有機(jī)實驗項目連續(xù)化

在大學(xué)有機(jī)化學(xué)實驗課程安排上，安排一些連續(xù)性較強(qiáng)的實驗題目也是十分必要的。[6]傳統(tǒng)的有機(jī)實驗項目都是相對獨(dú)立的，主要是將反應(yīng)類型和操作特點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)選題，所用于合成中的原料和產(chǎn)品能否做到利用最大化以及廢物和廢液的處置是否合理，是一個被大多數(shù)人在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)所忽視的問題，所造成的負(fù)面影響不言而喻。所以我們需要通過調(diào)整實驗內(nèi)容，并結(jié)合實驗特點(diǎn)以及訓(xùn)練要求，設(shè)置一些具有連續(xù)化特征的合成實驗題目，將一些原本獨(dú)立單一的實驗項目有機(jī)結(jié)合成為一個多次完成的連續(xù)型實驗。例如在“工業(yè)乙醇的蒸餾”實驗中所得到的高純度乙醇餾分可作為后續(xù)重結(jié)晶實驗的溶劑[7]；重結(jié)晶實驗后的乙醇溶劑又可經(jīng)過簡單分餾繼續(xù)作為“從茶葉中提取咖啡因”的萃取溶劑；最后，在實驗室教師妥善保存下繼續(xù)對乙醇進(jìn)行重復(fù)利用，這樣在完成教學(xué)目標(biāo)的前提下對乙醇實現(xiàn)了利用最大化。同樣，在“乙酸乙酯的制備”合成實驗中所得產(chǎn)品可以作為“乙酰乙酸乙酯”實驗的原料，再利用水蒸氣蒸餾方法提純產(chǎn)品。像這樣連續(xù)化實驗的設(shè)置顯著體現(xiàn)了有機(jī)實驗“綠色化”的特點(diǎn)，同時也使學(xué)生在提高產(chǎn)率方面起到良好推動作用。

1.4優(yōu)化教學(xué)方法 貫徹綠色理念

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)要求學(xué)生在課前充分預(yù)習(xí)，但在實際操作過程中，授課教師為避免發(fā)生不必要的危險，刻意省略了一些在有機(jī)實驗中相對危險卻較為重要的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生在實驗?zāi)芰ι蠜]有得到有效地提高，還可以有效避免對于有毒有害藥品的浪費(fèi)和污染。因此，我們在有機(jī)實驗教學(xué)過程中，可以優(yōu)化教學(xué)方法，結(jié)合虛擬仿真模式[8]，將實驗過程的每一個細(xì)節(jié)進(jìn)行分解和凝練，指出正確的操作方法以及容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，使學(xué)生在實際操作之前能夠非常清晰地理解該實驗的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)綠色實驗的重要性；同時，授課教師應(yīng)該通過課前的預(yù)實驗精確把握實驗要領(lǐng)，并帶領(lǐng)其中一個小組學(xué)生完整進(jìn)行該實驗的操作部分，用行動證明規(guī)范操作的重要性以及出現(xiàn)緊急問題該如何應(yīng)對等方面，促使學(xué)生用心、細(xì)心、放心地完成每一個實驗，同時對青年教師的教學(xué)能力的培養(yǎng)也會起到積極的促進(jìn)作用，能夠有效及時地發(fā)現(xiàn)實驗過程中的問題，不斷豐富其知識儲備，以求達(dá)到更好的教學(xué)效果。

2　結(jié)束語

在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，高校有機(jī)化學(xué)的綠色化理念是十分必要的。通過近幾年的實踐證明，將綠色化理念滲透至有機(jī)化學(xué)實驗中將會對學(xué)生綜合實驗技能以及環(huán)保意識都是非常有效的促進(jìn)。學(xué)生在實驗過程中，有效避免了實驗對人身和環(huán)境的傷害和污染的同時，更重要的是有效激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，規(guī)范了實驗操作。當(dāng)然對于實現(xiàn)有機(jī)化學(xué)實驗的綠色化，我們還有很多地方需要改進(jìn)，通過實驗改革使大學(xué)有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)更加合理化、科學(xué)化、精確化。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐倩,龔成斌.有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)改革研究[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,38(3):165.

[2] 董銳,何建玲.綠色化學(xué)理念在有機(jī)化學(xué)及實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)教育,2013(12):90.

[3] 江文輝,羅一鳴,唐瑞仁,等.有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2009,28(12):115.

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[8] 付穎,葉非.基礎(chǔ)化學(xué)系列實驗課程體系優(yōu)化[J].大學(xué)化學(xué),2013,28(2):25.

材料科學(xué)課程教學(xué)專題①

Preliminary Study on Teaching Reform in College Green Organic Chemistry Experiment

Liu Jiaqi, Zheng Tingting, Zuo Xia
Capital Normal University, Beijing, 100048, China

Abstract:To promote the healthy development of college organic chemistry experiment to "green" direction, for some problems appearing in the actual teaching process organic experiment, we explore the new teaching reform. Preferring the experimental subject and strengthening the concept of organic experiment teaching of "green chemistry ". Controlling the amount of reaction and optimizing the teaching methods, which make the entire experimental design more continuous, comprehensive and scientific, and then develop students' awareness of environmental protection and sustainable development.

Key words:organic chemistry experiment; green chemistry; experimental teaching reform

基金項目：北京市教委科研計劃項目(編號：KM201510028008)；首都師范大學(xué)2014年實驗教學(xué)改革項目(編號：024145609800/006)。

作者簡介：劉佳奇，博士，講師。鄭婷婷，博士，高級實驗師，化學(xué)系實驗教學(xué)中心副主任。

收稿日期：2015-08-27