馮小庚 婁振寧 王月嬌 毛全興 許旭

遼寧大學(xué)化學(xué)院 （遼寧沈陽(yáng) 110036）

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程作為化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、食品科學(xué)、生命科學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在整個(gè)高校教學(xué)體系中起著至關(guān)重要的跨專業(yè)銜接作用[1-2]。遼寧大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┗瘜W(xué)院開(kāi)設(shè)的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在引領(lǐng)學(xué)生以實(shí)踐形式掌握分析化學(xué)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，著力于提高學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，致力于培養(yǎng)能全面適應(yīng)新時(shí)代背景要求、可推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。作為遼寧大學(xué)化學(xué)院面向本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程所設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目豐富，參與課程的學(xué)生數(shù)量眾多，因而教學(xué)過(guò)程中所使用的化學(xué)藥品、試劑種類眾多且使用量巨大，若處理不當(dāng)，不但會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，還有可能對(duì)參課師生的身體健康造成威脅。此外，《遼寧大學(xué)化學(xué)院分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程大綱》所規(guī)定的部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所用的化學(xué)藥品、試劑，有的價(jià)格高昂，有的制備過(guò)程需要耗費(fèi)極大的人力、物力資源，如不合理規(guī)劃使用量，會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

綜上所述，現(xiàn)階段我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程仍存在以下兩個(gè)主要問(wèn)題：（1）參加分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生數(shù)量眾多且需獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需化學(xué)藥品、試劑使用量大，不僅易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，也增加資源損耗，造成浪費(fèi)；（2）部分參課學(xué)生因操作不規(guī)范、缺乏環(huán)保意識(shí)、實(shí)驗(yàn)原理及操作方法掌握不扎實(shí)等原因，需反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加劇資源損耗。

近年來(lái)，隨著全社會(huì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)與節(jié)約意識(shí)的提高，“綠色化學(xué)”理念在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中受到越來(lái)越多的關(guān)注[3-5]?！熬G色化學(xué)”又稱為可持續(xù)發(fā)展化學(xué)，該理念提倡高校在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)時(shí)，通過(guò)合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)等方法，從源頭減少或避免使用對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康有害的化學(xué)藥品、試劑，以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低實(shí)驗(yàn)成本[6-7]。受“綠色化學(xué)”理念的啟發(fā)，我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托《遼寧大學(xué)化學(xué)院分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱》，以葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，推行了強(qiáng)化課前預(yù)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用、“綠色化學(xué)”意識(shí)培養(yǎng)、微量實(shí)驗(yàn)法推廣等多種手段相結(jié)合的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與實(shí)踐。

本次教學(xué)改革以葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，使學(xué)生深入理解并掌握間接碘量法測(cè)定溶液中葡萄糖含量的原理、培養(yǎng)學(xué)生“綠色化學(xué)”意識(shí)、強(qiáng)化學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)理解及實(shí)驗(yàn)技能掌握的同時(shí)，通過(guò)推廣虛擬實(shí)驗(yàn)法和微量實(shí)驗(yàn)法，在保證葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和教學(xué)效果的前提下，最大限度地減少碘化鉀、碘酸鉀等反應(yīng)物的使用劑量，有效地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，顯著地降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。此外，本次教學(xué)改革與實(shí)踐為我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)提供了良好的改革依據(jù)，有助于我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)人才培養(yǎng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙維度可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)目標(biāo)。

1 利用線上資源，筑牢基礎(chǔ)

在以葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)收集并篩選了大量包括教學(xué)視頻、中英文雙語(yǔ)教材、英文板書(shū)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視頻在內(nèi)的優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，并對(duì)其進(jìn)行拓展、整合、優(yōu)化。以整合優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源為基礎(chǔ)，授課教師在課前利用校內(nèi)小規(guī)模在線課程平臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱“SPOC 平臺(tái)”）向?qū)W生下達(dá)任務(wù)，安排學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。與此同時(shí)，授課教師通過(guò)線上SPOC 平臺(tái)發(fā)布葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)相關(guān)的討論話題，如葡萄糖含量測(cè)定對(duì)食品工業(yè)和醫(yī)學(xué)研究的意義、葡萄糖含量檢測(cè)的常用方法等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生了解葡萄糖含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，也避免因?qū)W生預(yù)習(xí)不足引起的人身傷害和實(shí)驗(yàn)藥品浪費(fèi)。

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)后，可通過(guò)線上平臺(tái)向授課教師提出問(wèn)題，并帶著問(wèn)題進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)。在課后，授課教師也會(huì)利用校內(nèi)SPOC 平臺(tái)向?qū)W生發(fā)布與葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)相關(guān)的拓展資源，例如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)葡萄糖含量的方法、血糖儀的檢測(cè)原理等，幫助學(xué)生更加深入地理解葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)的原理，有效地將課堂所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合[8]。

2 引入虛擬實(shí)驗(yàn)，深化理解

教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)授課進(jìn)度引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)。學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中身臨其境地模擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這種方式既不產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)廢棄物，也不會(huì)對(duì)人體造成危害。此外，學(xué)生在參加實(shí)驗(yàn)課程前進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能夠加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟的記憶與理解，有助于提高在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的規(guī)范性，避免因不規(guī)范操作導(dǎo)致的人身傷害和實(shí)驗(yàn)資源浪費(fèi)。同時(shí)，線上虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、空間的限制，學(xué)生可充分利用課余時(shí)間反復(fù)操作練習(xí)，逐步總結(jié)和反思。

針對(duì)葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行溶液的配制、單質(zhì)碘的制備和返滴定法操作練習(xí)等。操作結(jié)束后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)會(huì)根據(jù)學(xué)生各步驟操作自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便學(xué)生計(jì)算測(cè)定結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還會(huì)針對(duì)學(xué)生的各步驟操作給出綜合性評(píng)價(jià)，幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到自己在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不規(guī)范行為及錯(cuò)誤操作，有效加深對(duì)葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)原理及操作的理解。

3 推行微量法教學(xué)，踐行綠色理念

參加分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生數(shù)量眾多，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需使用的反應(yīng)試劑品種繁雜。進(jìn)行葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，不可避免地要使用碘化鉀、碘酸鉀和硫代硫酸鈉等藥品、試劑。在這些試劑中，碘化鉀和碘酸鉀價(jià)格昂貴，且碘化鉀是一種需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中過(guò)量添加的反應(yīng)物，反應(yīng)結(jié)束后廢液中仍有大量剩余。因此，基于傳統(tǒng)常量法進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，往往需要耗費(fèi)大量的藥品和試劑，并產(chǎn)生大量的碘排放。為踐行“綠色化學(xué)”思想，降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中藥品和試劑的使用量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低實(shí)驗(yàn)成本，教學(xué)團(tuán)隊(duì)推行了基于微量法的葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撛O(shè)計(jì)，在確保葡萄糖含量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性（測(cè)量相對(duì)誤差不大于0.2%）的前提下，合理降低待測(cè)樣本的采樣量，進(jìn)而降低整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中每一環(huán)節(jié)藥品、試劑的使用量。在保證實(shí)驗(yàn)效果和教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，有效避免了實(shí)驗(yàn)資源浪費(fèi)，保護(hù)了自然生態(tài)環(huán)境。

與傳統(tǒng)常量法實(shí)驗(yàn)相比，改革后的微量法實(shí)驗(yàn)中多種藥品用量明顯降低，尤其是碘酸鉀及濃鹽酸。遼寧大學(xué)化學(xué)院分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程年平均授課學(xué)生數(shù)量約為540 人，僅葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，每年共計(jì)可減少碘酸鉀使用量約810 g，減少碘化鉀使用量約810 g,減少鹽酸使用量約16.2 L。具體如表1所示。

表1 常量法與微量法實(shí)驗(yàn)藥品使用量對(duì)比

4 規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，嚴(yán)守實(shí)驗(yàn)安全

眾所周知，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)需嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與操作規(guī)范的要求進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的違規(guī)操作輕則導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗和實(shí)驗(yàn)藥品浪費(fèi)，重則會(huì)直接危害實(shí)驗(yàn)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。在本次教學(xué)改革過(guò)程中，授課教師將“綠色化學(xué)”理念融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教導(dǎo)學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與操作規(guī)范，謹(jǐn)慎定量地稱取實(shí)驗(yàn)所需藥品，使學(xué)生意識(shí)到實(shí)驗(yàn)藥品的正確、定量取用不僅關(guān)乎實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，更關(guān)系到人員安全、實(shí)驗(yàn)成本控制和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

在以往的葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，部分學(xué)生忽視藥品稱量操作規(guī)范性，導(dǎo)致稱量失敗、重復(fù)操作，更有甚者將稱量失敗的藥品隨意倒入水槽或垃圾桶中；還有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)廢棄物不經(jīng)處理就直接傾倒。針對(duì)這些問(wèn)題，在本次教學(xué)改革中，授課教師結(jié)合學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作及時(shí)向?qū)W生解釋“綠色化學(xué)”理念中的資源節(jié)約思想和環(huán)境保護(hù)思想，督促其改正不當(dāng)操作。并在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格遵守操作規(guī)范。

5 培養(yǎng)綠色化學(xué)意識(shí)，思政賦力

教學(xué)團(tuán)隊(duì)以遼寧大學(xué)化學(xué)院正式出版發(fā)行的化學(xué)類思政專著——《化學(xué)課程思政元素》和錄制的思政微課為素材，在葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，以思政案例為索引，向?qū)W生系統(tǒng)性地傳遞綠色化學(xué)相關(guān)知識(shí)與思想，培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識(shí)。除此之外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)還將“培養(yǎng)綠色化學(xué)意識(shí)”和“提高學(xué)科自信”有機(jī)融合，以樹(shù)立、培養(yǎng)綠色化學(xué)意識(shí)，大力深化科技前沿信息理解，高效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為目的，在教學(xué)過(guò)程中向?qū)W生推薦多種多樣的與綠色化學(xué)、可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的科技前沿報(bào)道和文獻(xiàn)，并利用其中高質(zhì)量的科研成果引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考與討論。

借助推薦、講解和深入討論中國(guó)學(xué)者發(fā)表的高質(zhì)量研究成果等手段，在加深學(xué)生對(duì)科技前沿信息了解的同時(shí)，也能有效提升學(xué)生的文化自信和學(xué)科自信。例如，在葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)的課后拓展部分，教學(xué)團(tuán)隊(duì)向?qū)W生介紹由我國(guó)學(xué)者發(fā)表在Science和Nature Catalysis 等國(guó)際高水平期刊上的利用二氧化碳人工合成淀粉和葡萄糖的前沿文獻(xiàn)，并引導(dǎo)學(xué)生就淀粉、葡萄糖等物質(zhì)的合成方法及研究意義等問(wèn)題進(jìn)行深入討論。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并實(shí)踐了基于“綠色化學(xué)”理念的混合式教學(xué)改革。

通過(guò)引入優(yōu)質(zhì)線上教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化課前預(yù)習(xí)效果，提升線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果；通過(guò)引入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加深學(xué)生對(duì)葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容的理解，讓學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)“演練”，有助于線下操作的“知己知彼”；推行微量法實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)常量法實(shí)驗(yàn)，將葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)的年均試劑、藥品綜合消耗減少70%以上，有效降低實(shí)驗(yàn)成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境；通過(guò)嚴(yán)格規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，不僅有效避免了因不當(dāng)操作帶來(lái)的人身傷害，也減少了因錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的試劑、藥品浪費(fèi)，進(jìn)一步節(jié)約教學(xué)資源，保護(hù)環(huán)境；引入與綠色化學(xué)相關(guān)的思政案例，在樹(shù)立學(xué)生“綠色化學(xué)”意識(shí)的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的學(xué)科自信、文化自信，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代背景要求的高素質(zhì)人才的教學(xué)目標(biāo)。

此外，相信本次以葡萄糖含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例的綠色化混合式教學(xué)改革與實(shí)踐，能夠?yàn)榉治龌瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供良好的改革依據(jù)，助力分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的“一流課程”建設(shè)工作和相關(guān)專業(yè)的發(fā)展。