有機化學實驗教學改革與實踐分析

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摘要:隨著有機化學實驗產(chǎn)生的污染日益嚴重，減少環(huán)境污染和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)有機化學實驗綠色化教學改革是必然的要求。本文在綠色化理念指導下對實驗內(nèi)容進行整合，改進實驗方案和實驗方法，積極選用綠色催化劑，在引進新的科研成果和新技術(shù)等方面探討了有機化學實驗綠色化教學改革。

關(guān)鍵詞:有機化學實驗;綠色化;改革

綠色化學(GreenChemistry)，又稱環(huán)境無害化學(EnviromentalBenignChemistry)和清潔化學(CleanChemistry)，它是1991年美國環(huán)境保護署提出的，自1995年被美國正式采用后，現(xiàn)已被國際學術(shù)界所公認［1］。綠色化學核心理念就是不使用有毒有害的物質(zhì)，不產(chǎn)生有毒有害的廢棄物，生產(chǎn)對環(huán)境無害的綠色產(chǎn)品，實現(xiàn)有害物質(zhì)的零排放，力爭從源頭上阻止任何污染［2］。因此在高等學校的教學中滲透綠色化理念是十分必要和可行的。“綠水青山就是金山銀山”就是綠色化理念的一種體現(xiàn)，即保護環(huán)境，減少污染。在農(nóng)業(yè)類高校中有機化學實驗如何實現(xiàn)綠色化既是實驗教學改革中的重要組成部分，也是有機化學實驗教學中面臨的課題。

1有機化學實驗綠色化的必要性和可行性

有機化學實驗是應用化學專業(yè)的一門重要的基礎課。由于教學和科研的需求，每學期都有大量教師和學生在做各種有機化學實驗，經(jīng)常使用一些有一定毒性的、腐蝕性的試劑和溶劑，同時在實驗過程中還會產(chǎn)生廢氣、廢液、廢渣等，如果處理不當就會影響身體健康，還會對環(huán)境產(chǎn)生持久的危害。另外，一些實驗室缺乏科學管理，有些教師在實驗課上不夠認真，對學生督查不嚴格，而學生在實驗中也缺乏相關(guān)的環(huán)保意識，實驗中藥品任意取用，實驗廢液隨意傾倒等。一些實驗設計不夠科學合理也導致了不必要的浪費和環(huán)境的污染［3］。因此，在加強實驗教學的科學管理、合理安排基礎上，還要積極開展綠色化實驗教學研究，并通過實驗課教學培養(yǎng)學生綠色化理念，培養(yǎng)學生的環(huán)保意識和可持續(xù)發(fā)展的意識，嚴格控制學生取藥劑量及實驗后廢液廢渣的收集和處理。

2有機化學實驗教學過程中加強學生綠色化理念培養(yǎng)和養(yǎng)成

化學實驗課教學環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生綠色化學理念和意識的重要環(huán)節(jié)。首先任課教師在思想上、認識上要重視起來，要在課堂講解和實驗指導過程中將綠色化學的理念逐漸進行滲透，潛移默化地對學生產(chǎn)生影響。其次在實驗教學過程中讓學生知道有機化學實驗的危險性，可能對自身和環(huán)境產(chǎn)生的危害性，使學生養(yǎng)成良好的實驗習慣，提高學生的綠色環(huán)保意識，逐步形成綠色化學理念［4］。第三要求學生對實驗進行預習，充分了解本次實驗的原理，實驗要達到的目的，認真預習實驗內(nèi)容和步驟以及本次實驗的注意事項。通過網(wǎng)上查找資料了解本次實驗所用實驗藥品的物理性質(zhì)和部分化學性質(zhì)，特別是所用藥品是否有毒性、毒性的強弱、中毒途徑有哪些、如何預防等。實驗產(chǎn)品的物理性質(zhì)，特別是其毒性對環(huán)境的污染，實驗過程中所產(chǎn)生的廢物應當如何處理等。讓學生意識到其對身體健康及環(huán)境的危害性，引導學生養(yǎng)成良好的實驗行為習慣和安全環(huán)保意識，規(guī)范學生基本操作方法，盡可能減少和避免取樣過程中藥品的揮發(fā)、灑落、不按要求稱量等。

3實現(xiàn)有機化學實驗綠色化的途徑

3．1合理安排實驗順序。有機化學實驗課是一門重要的基礎實驗課，肩負著對學生進行實驗操作技能的培養(yǎng)與訓練，是為后續(xù)實驗課乃至于以后的工作打基礎的。這就要求在實驗課教學過程中要教會學生常用玻璃儀器和設備的認知和使用，基本操作技能的訓練和考核。因此，將實驗內(nèi)容分成兩部分:基本操作技能的學習實驗;有機合成和天然產(chǎn)物提取實驗(含基本操作技能的訓練和考核內(nèi)容)。刪除了性質(zhì)實驗，如:熔沸點(微量法)測定技術(shù)，重結(jié)晶技術(shù)、乙醇的分餾技術(shù)等實驗中教會學生掌握基本操作的技術(shù)，要求學生既要知道所用儀器的名稱，還要知道使用方法、操作手法及使用的注意事項。而儀器設備的具體使用訓練和考核則安排在有機合成和天然產(chǎn)物提取實驗進行。學生在實驗技能的學習和訓練中做到由簡到繁，循序漸進，有利于學生的學習和掌握。同時在保證實驗效果的前提下，在實驗試劑的選擇上則盡可能選擇污染性小、毒性低、易處理的試劑。如在實驗中能用水做溶劑的絕不用其它有機溶劑，能用乙醇的就不用甲醇等，實現(xiàn)有機化學實驗教學綠色化，最大程度從源頭上減少污染的產(chǎn)生。3．2推廣微型化、減量化實驗。近些年來，化學實驗的微型化是一個發(fā)展的大趨勢，既節(jié)省了藥品又減少了“三廢”的排放，減少了對環(huán)境的污染。微型化實驗所需試劑用量少、污染少，可降低藥品的損耗，減少環(huán)境的污染，是很值得推廣的。因此，結(jié)合學校的實際，在保證實驗效果和實驗操作訓練的基礎上，在部分合成實驗中采用試劑減量化，儀器小型化［5］。例如:將燒瓶容積由250mL換成100mL或50mL，同時相應的藥品也進行減量。這樣減少了試劑的消耗量，又完成了基本操作技能培訓，也降低了“三廢”的排放，取得事半功倍的效果。3．3整合部分合成實驗內(nèi)容將之連續(xù)化。有機化學合成實驗是有機化學實驗的重要組成部分，肩負著重要任務，就是將剛剛學習到的基本操作技能技術(shù)在有機合成實驗中進行應用，通過有機合成實驗來訓練和考核學生基本操作技能的掌握程度和熟練程度，但各個合成實驗一般都是獨立進行，互不相連，學生基本操作技能的掌握程度難于考核，此外有些合成實驗的產(chǎn)品又可以做另一實驗的原料。因此，將部分有機合成實驗進行整合成循環(huán)式實驗，將實驗內(nèi)容連續(xù)化［6］。例如:將制備環(huán)己醇、環(huán)己烯、己二酸三個獨立的合成實驗進行整合成連續(xù)實驗，即:將環(huán)己醇→環(huán)己烯→己二酸串成一個大的合成實驗。前一步的實驗產(chǎn)品為下一步實驗的主要原料，通過每步的產(chǎn)量可以判斷出該組學生的基本操作技能掌握情況和熟練程度，既節(jié)約了原料，也減少了“三廢”排放，實現(xiàn)有機化學實驗的綠色化。3．4實現(xiàn)實驗產(chǎn)品重復利用。以往實驗課教學中有機合成實驗的產(chǎn)品一般都不進行回收，多數(shù)成為廢棄物而被扔掉，既產(chǎn)生了浪費又污染了環(huán)境。在綠色環(huán)保理念的指導下，在每個實驗結(jié)束時對每組學生的實驗產(chǎn)品進行回收，同時向?qū)W生提問回收的產(chǎn)品目的、用途，作為實驗課后的思考題，要求學生尋找答案并在下次實驗課時進行抽查。這樣可以督促學生由被動的學習逐漸向主動學習發(fā)展，擴展學生的發(fā)散思維，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。還可以極大程度地提高藥品的利用率，加深學生對所做過的實驗的印象，同時還教育學生要勤儉節(jié)約和保護環(huán)境。例如，乙酰苯胺合成實驗中的產(chǎn)物乙酰苯胺，可以作為下一年級學生基本操作部分“熔點的測定”“重結(jié)晶”實驗中的藥品;甲基橙的制備實驗的產(chǎn)品甲基橙，經(jīng)過處理后，可以作為無機化學實驗和分析化學實驗的指示劑等［7］。3．5選擇性引進新的研究成果，改進實驗。實驗教材中編寫的有機化學合成實驗是與有機化學理論教材內(nèi)容相匹配的，是滿足有機化學理論的基本條件。但很多合成實驗都存在產(chǎn)率低、污染大、實驗方法落后的問題。因此很多教師都在進行實驗改進的研究，取得了較好的成果。將那些效果好、產(chǎn)量高、原料利用率高、污染少的實驗改進成果引進到具體的實驗教學中，同時開設對比實驗，讓學生親身感受到實驗改進的成果，使學生對探索未知產(chǎn)生興趣，調(diào)動學生學習的主動性和積極性，為大學生科技創(chuàng)新打下基礎。如乙酸乙酯的合成實驗中，將傳統(tǒng)實驗中使用腐蝕性很強的濃硫酸作催化劑，改用FeCl3或NaHSO4等固體作催化劑(要求學生上網(wǎng)查找乙酸乙酯制備論文，從中找出所用的催化劑，提前兩周提出，只要實驗室有的就滿足學生);己二酸的制備實驗將KMnO4改用H2O2或FeCl3等。3．6引用網(wǎng)絡資源，借助微信功能強化實驗預習。“互聯(lián)網(wǎng)+”信息時代下，微信是人們進行交流的常用方式，將微信引進有機化學實驗中，建立有機化學實驗微信群，在實驗進行前在群中發(fā)出消息，給出預習的實驗題目和預習內(nèi)容，要求學生到網(wǎng)絡上觀看有關(guān)實驗視頻并完成預習報告，還特別強調(diào)在預習報告中要將實驗所用的藥品及產(chǎn)品的熔沸點、揮發(fā)性、毒性、溶解性及實驗過程中產(chǎn)生的廢品如何處理體現(xiàn)出來，為實驗完成后的廢品處理做準備。還可以利用微信隨時解答學生提出的問題，進行有關(guān)知識的補充和延伸，滿足學生的各種需要。3．7引進新的實驗技術(shù)，提高有機化學實驗效率。現(xiàn)階段在有機化學實驗經(jīng)常用到的新的實驗技術(shù)主要有微波技術(shù)和超聲波技術(shù)。這兩種新技術(shù)具有反應條件溫和、操作方便、時間短、產(chǎn)率高、用量少、副反應少、產(chǎn)率高、無污染等優(yōu)點，被廣泛應用到有機合成中，有研究表明，微波和超聲輻射可以應用到有機合成反應的大部分領域［8］。因此，在有機合成實驗教學引進微波或超聲輔助實驗，與其他傳統(tǒng)實驗方法作對比試驗，使學生真正感受到新技術(shù)的優(yōu)點，例如將合成阿司匹林改為微波輔助法等。3．8設立模擬仿真化學實驗有。機化學實驗是應用化學專業(yè)在大二時開設的一門實驗課，受實驗學時的限制，開設的實驗課內(nèi)容較少，僅僅能滿足對學生進行基本操作技能的訓練要求，再加上實驗室的條件限制，那些實驗條件要求高、所用藥品揮發(fā)性強、毒性大、實驗所用儀器設備比較昂貴的實驗等都無法對學生開設。因此，學校設立計算機模擬仿真實驗室是必要的。由于是虛擬實驗操作，可以不受實驗條件、藥品、儀器的限制，學生可以通過仿真實驗將實驗課上不能開設的實驗在計算機上進行，補充學生實驗技術(shù)的短板。利用多媒體技術(shù)將視頻和動畫引入仿真實驗中，對實驗原理、裝置、步驟、實驗過程進行仿真，還可設計違反實驗要求的不當操作，讓學生看到不良操作的后果，還可以將學生拍攝的實驗視頻放到計算機中，讓學生進行挑錯并記錄成績［9］。還可以將實驗廢棄物的危害模擬展示出來，讓學生更加直觀地感受到其危害。使學生從思想上認識到環(huán)境污染的危害，保護環(huán)境的重要性，從思想上更加容易接受綠色化學的理念，更有利于促進有機化學實驗內(nèi)容的綠色化。

4實驗的廢液和廢渣處理

4．1廢液處理將每次實驗過程中所產(chǎn)生的廢液進行統(tǒng)一收集，并在實驗結(jié)束后，安排學生對實驗的廢液進行無害化處理。例如乙酸乙酯的制備實驗，將實驗產(chǎn)品乙酸乙酯收集到試劑瓶用作后續(xù)實驗的溶劑，同時對粗乙酸乙酯提純過程中每次分液的廢棄液進行合并，再分離出乙酸乙酯，然后加入強堿NaOH或Ca(OH)2(可以用咖啡因提取升華廢棄物)進行中和處理(PH在7～8之間)，然后倒入廢液桶中放置一段時間后再排入下水中。再如乙醇分餾實驗的產(chǎn)品乙醇，收集后一部分重新配成50%乙醇做分餾的原料，一部分還可以作為酒精燈的燃料。對于無法回收利用的廢液，收集到專用桶中，每學期結(jié)束后送到指定地點進行生化處理。4．2廢渣處理實驗室產(chǎn)生的固體廢棄物主要有固體催化劑、沸石、固體產(chǎn)物，廢棄的催化劑、沸石采用溶劑清洗，回收再利用，而固體產(chǎn)物進行提純處理后用做其它的實驗的原料。不能再利用的廢棄物放到指定的容器內(nèi)在指定地點進行無害化處理［10］。

5結(jié)語

通過綠色化理念指導下的有機化學實驗教學改革的嘗試，在實現(xiàn)有機化學實驗目標的前提下，在實驗過程中減少藥品的浪費，減少廢棄物的產(chǎn)量，也減少了污染，對學生形成并滲透綠色化理念，培養(yǎng)學生的綠色環(huán)保意識，同時激發(fā)學生的創(chuàng)新思維能力和實驗的積極性、主動性。在今后的實驗教學中，教師應不斷研究和探索綠色化實驗教學方法，改進或改造有機化學實驗，從源頭上杜絕污染物的排放，徹底實現(xiàn)有機化學實驗的綠色化。

作者:孫世清 金鑫 姜輝 王立波 單位:吉林農(nóng)業(yè)科技學院生物與制藥工程學院