周寧懷

(全國(guó)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中心,杭州師范大學(xué)材化學(xué)院 浙江杭州 310012)

海峽兩岸微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)之發(fā)展

周寧懷

(全國(guó)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中心,杭州師范大學(xué)材化學(xué)院 浙江杭州 310012)

回顧了海峽兩岸微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展和成果,指出其發(fā)展特色及互補(bǔ)性。

1 微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)地的發(fā)展

1988年底,在北京大學(xué)舉行的大學(xué)化學(xué)教學(xué)研討會(huì)上,作者在題為“美國(guó)化學(xué)教育的動(dòng)向”的報(bào)告中,著重介紹了微型化學(xué)實(shí)驗(yàn) (microscale laboratory,簡(jiǎn)寫為ML),受到不少與會(huì)教師的關(guān)注。隨即在高等學(xué)?；瘜W(xué)教育研究中心的科研規(guī)劃中列入“大一化學(xué)的微型實(shí)驗(yàn)研究”項(xiàng)目,成立了由作者牽頭的課題組。稍后,“塑料微型實(shí)驗(yàn)儀器的研制”和“成套微型玻璃儀器的研制”均被列為原國(guó)家教委教學(xué)儀器新產(chǎn)品的研究項(xiàng)目。課題組從此開(kāi)始進(jìn)行了有關(guān)ML硬件 (儀器)與軟件 (實(shí)驗(yàn)方案)的開(kāi)發(fā)與研究工作。美國(guó)的 Journal of Chem ical Education雜志自 1989年 11期起開(kāi)辟M(fèi)L專欄,集中發(fā)表有關(guān)論文,至今此專欄仍在刊出。這是國(guó)際上重視ML,并在全球推廣應(yīng)用的標(biāo)志。可見(jiàn),國(guó)內(nèi)開(kāi)展ML工作基本上與國(guó)際同步。1990年 4月首屆全國(guó)ML研討會(huì)在杭州舉行。迄今此研討會(huì)已舉行過(guò) 8屆,每屆都有論文集出版。2009年 7月,在內(nèi)蒙古民族大學(xué)召開(kāi)了“中國(guó)化學(xué)會(huì)第 8屆ML研討會(huì)暨第 6屆中學(xué)ML研討會(huì)”,共收到論文 120篇,來(lái)自海峽兩岸以及日本的學(xué)者共 125人參加了這次盛會(huì)。顯示了ML在中國(guó)內(nèi)地以及香港、澳門和臺(tái)灣地區(qū)都有了很大的發(fā)展。

實(shí)踐表明,ML不是常規(guī)實(shí)驗(yàn)機(jī)械地減量或縮微,而是在綠色化學(xué)理念指引下,利用微型化儀器裝置進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新變革。ML的試劑用量可比相應(yīng)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)節(jié)約 90%左右,時(shí)間節(jié)省 1/3以上。兩套微型化學(xué)儀器于 1992年通過(guò)部級(jí)鑒定并批量生產(chǎn);與之配套的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材也緊跟其后出版[1]。迄今采用ML的各類學(xué)校已有千余所,其中包括相當(dāng)數(shù)量的師范院校,部分省市重點(diǎn)中學(xué)對(duì)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)也非常重視,陸續(xù)進(jìn)行了微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革。經(jīng)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)同意,全國(guó)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中心作為高等學(xué)?；瘜W(xué)教育研究中心的專項(xiàng)研究機(jī)構(gòu)于 1999年成立,以協(xié)調(diào)推進(jìn)國(guó)內(nèi)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展和開(kāi)展國(guó)際學(xué)術(shù)交流。中心與香港浸會(huì)大學(xué)發(fā)起組建了亞太地區(qū)ML協(xié)作網(wǎng),并與該校合作成功舉辦了笫 2屆國(guó)際ML研討會(huì)(2nd IS MC)。近幾年來(lái)作者曾應(yīng)邀到日本、新加坡、泰國(guó)和墨西哥的多所院校主辦中國(guó)模式的普化微型實(shí)驗(yàn)研習(xí)班 (workshop on general chemistryML——the Chinese approach)。在第 13屆亞洲化學(xué)大會(huì)(13th ACC,白春禮院士任大會(huì)主席)上,ML研究中心應(yīng)聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)和亞洲化學(xué)聯(lián)合會(huì)(FACS)之約請(qǐng),分別與兩者合作舉辦了兩個(gè)ML專題研討會(huì):①UNESCO-CH INA′sML workshop,共有 12個(gè)口頭報(bào)告和 20余套新開(kāi)發(fā)的ML儀器的展講,著重展示大中華地區(qū)ML進(jìn)展;②“hands-on microscale experiments workshop(動(dòng)手做的ML的研討會(huì))”,在研討會(huì)期間,與會(huì)者可以親自做 8～10個(gè)無(wú)機(jī)與有機(jī)的ML,反映很好。

2 微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在臺(tái)灣的發(fā)展

臺(tái)灣師范大學(xué)蕭次融教授在 1988年研發(fā)了簡(jiǎn)易化學(xué)實(shí)驗(yàn)箱,設(shè)計(jì)了系列有趣而實(shí)用的演示實(shí)驗(yàn);臺(tái)大余端林、劉廣定等開(kāi)展“邁向零污染的普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”;方金祥教授自 1993年起,圍繞減量減廢低污染的目標(biāo),對(duì)一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了微型化的設(shè)計(jì)與研制,如微型水電解裝置、微型干餾裝置等,并于臺(tái)南地區(qū) 8縣市及金門等地舉辦離島及山地學(xué)校師生ML研習(xí)班與推廣活動(dòng),受到歡迎。通過(guò)實(shí)踐,方教授總結(jié)出微型實(shí)驗(yàn)具有體積小、時(shí)間省、反應(yīng)快、效果好、易操作、又安全、動(dòng)手多、趣味高、用藥小、污染低的優(yōu)點(diǎn),即“小、省、快、好、易、安、多、高、少、低”十字訣[2]。2002年底,方教授邀請(qǐng)筆者到高雄師大共同舉辦ML研習(xí)班。方教授進(jìn)而將ML與科普結(jié)合,設(shè)計(jì)出一系列有趣的微型科玩教具,如微型水火箭,聽(tīng)話的潛水夫等等,用于師資培養(yǎng)。2007年,臺(tái)師大承辦第 2屆亞洲化學(xué)教育研討會(huì) (2nd N I CE),ML亦是主題之一。不僅會(huì)上有ML專題研討會(huì)和報(bào)告[3],會(huì)后還組織學(xué)者到臺(tái)北建國(guó)中學(xué)等校宣講ML。洪文東、莊嘉坤教授、楊水平副教授等最近都發(fā)表了ML論文。

3 微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在香港的發(fā)展

香港科技大學(xué)等校在 20世紀(jì) 90年代已在實(shí)驗(yàn)室中引進(jìn)Mayo型等微型儀器,但主要用于科研。1997年以來(lái),香港浸會(huì)大學(xué)陳永康教授 3次邀請(qǐng)筆者前往該校作ML講座并商討有關(guān)合作事宜。在香港特區(qū)政府教育署的支持下,浸會(huì)大學(xué)近年來(lái)多次主辦面向全港化學(xué)教師的ML研習(xí)班[4],先后有近 800名教師參加,對(duì)推動(dòng)香港中學(xué)開(kāi)展ML起到重要作用。由浸會(huì)大學(xué)承辦的 2nd IS MC于 2001年 12月成功舉行,共有美、日、英、德、瑞典、以色列、南非、澳大利亞、新加坡、中國(guó)內(nèi)地以及香港和臺(tái)灣地區(qū)的 200多名學(xué)者參加 (含 workshop)。會(huì)后,陳教授被推舉為亞洲化學(xué)會(huì)低成本儀器及微型化學(xué)項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人。在他的主持下,浸會(huì)大學(xué)開(kāi)發(fā)出低成本光度計(jì),并于 2002年 12月舉辦面向亞洲的低成本儀器與ML研習(xí)班,有尼泊爾、菲律賓、印度、中國(guó)內(nèi)地以及香港和澳門地區(qū)的學(xué)者參加,目前微型實(shí)驗(yàn)已編入教育署的教材;許多大、中學(xué)校的教學(xué)開(kāi)始應(yīng)用ML。

資深教師陳國(guó)民,退休后致力于ML儀器的研發(fā),研制出一些新穎的儀器,如綠色餾液收集器,微型量熱計(jì)等,有的已批量生產(chǎn)。他主辦的香港微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)室融研發(fā)與生產(chǎn)為一體,已有一定知名度,他多次受邀到新加坡、泰國(guó)等地舉辦ML研習(xí)班,推廣其儀器。

4 微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在澳門的發(fā)展

1998年以來(lái),澳門培正中學(xué),濠江中學(xué),培道中學(xué)等校相繼舉辦ML講座。培正中學(xué)在學(xué)生科技活動(dòng)中采用微型實(shí)驗(yàn)取得了成效,在該校校慶活動(dòng)中展示了這方面成果,受到師生與家長(zhǎng)好評(píng)。該校己與ML研究中心商討以采用ML為核心,建造綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)劃。濠江中學(xué)申報(bào)加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力培養(yǎng)的項(xiàng)目獲得澳門特別行政區(qū)政府的資助,已在試點(diǎn)班教學(xué)中采用ML。隨著大眾對(duì)生態(tài)文明建設(shè)日益關(guān)心,應(yīng)用ML的學(xué)校日漸增多。

5 兩岸微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)研發(fā)與應(yīng)用的主要成果

由于大中華地區(qū)投入ML研究與應(yīng)用的人員較多,迄今成果豐碩。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已正式出版ML著作、教材[4-10]和論文集共 40冊(cè),發(fā)表論文超過(guò) 1600篇[11-12]。

微型儀器的研制開(kāi)發(fā)是開(kāi)展ML的基礎(chǔ),呈現(xiàn)出百花齊放,多種類型并存的態(tài)勢(shì)?，F(xiàn)已形成 4大類型的微型儀器:(1)玻璃微型儀器。批量生產(chǎn)的有:微型化學(xué)制備儀 (HZ-1型),微型無(wú)機(jī)成套玻儀(天津大學(xué)),微型有機(jī)成套玻儀 (山東大學(xué)、云南大學(xué)各一套),少量-半微量有機(jī)制備儀(北京大學(xué))等 5套用于大學(xué)教學(xué);用于中學(xué)化學(xué)的微型玻璃儀器也有 5套 (重慶教院、貴陽(yáng)師專、湛江師院、衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院及 HZ-2各一套)。(2)以多用滴管、井穴板和帶導(dǎo)氣管的井穴塞為核心部件的塑料系列微型儀器,以其低成本,新穎性,功能多,藥品省而受到廣泛歡迎,已列入教育部頒布的中學(xué)理科教學(xué)儀器目錄而得到大面積的推廣。(3)微型定量?jī)x器。如微量滴定管 (武漢大學(xué)研制,總體積 3mL,可讀出 0.001mL),以LED為光源的微型光度計(jì),微型熱量計(jì)等。(4)其他類型的創(chuàng)新微儀。如微型離子交換柱,木材干餾裝置,新穎電解管,微型無(wú)水回餾蒸餾裝置等。

內(nèi)地的ML推廣應(yīng)用得到教育行政部門、專家和師生的高度評(píng)價(jià),迄今為止,共有 5項(xiàng)以ML為主要內(nèi)容的教研項(xiàng)目被評(píng)為全國(guó)高校國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng),它們是:①微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究與教學(xué)實(shí)踐(原杭州師院與華東師大,1993);②微型實(shí)驗(yàn)在農(nóng)科有機(jī)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用(華中農(nóng)大,1997);③微型實(shí)驗(yàn)在輕、化、紡專業(yè)的應(yīng)用 (齊齊哈爾大學(xué) 2001);④推廣微型實(shí)驗(yàn)改革,促進(jìn)創(chuàng)新教育的實(shí)踐(云南大學(xué),2001);⑤化學(xué)創(chuàng)新教育模式的理論與實(shí)踐 (貴陽(yáng)師專,2001)。獲得省、部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)的ML成果更多。重視ML在各類專業(yè)、各級(jí)學(xué)校的教學(xué)中的應(yīng)用在內(nèi)地已形成潮流。在新近出版的各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中,幾乎都增加了ML的內(nèi)容。

臺(tái)灣方金祥教授以綠色化學(xué)為指導(dǎo),從教學(xué)與環(huán)保需要出發(fā),用日用塑料制品或廢物制作出一批制作精美的微型實(shí)驗(yàn)裝置。如微型水電解器、微型滴定裝置、氣體制備微型發(fā)生器、簡(jiǎn)易噴泉裝置等,其中不少裝置多次獲得臺(tái)灣發(fā)明專利和環(huán)保大獎(jiǎng)。匯總他的成果的著作《微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)之設(shè)計(jì)與制作》[2]和《化學(xué)教學(xué)資源——微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論與實(shí)務(wù)》均已出版。

香港浸會(huì)大學(xué)在推進(jìn)ML在當(dāng)?shù)貙W(xué)校的應(yīng)用的同時(shí),致力于低成本儀器的研制。開(kāi)發(fā)出價(jià)格在千元左右的光度計(jì),現(xiàn)已批量生產(chǎn),可用于空氣中有害成分 NOx、SOx含量測(cè)定,使普化實(shí)驗(yàn)的定量化與微型化邁上了一個(gè)新臺(tái)階。陳永康教授主持編輯了 Journal of Chem ical EducationML專輯,該校還出版了國(guó)際微型化學(xué)研討會(huì)論文摘要集和ML Workshop手冊(cè) 3本,對(duì)香港特區(qū)和亞太地區(qū)ML的推廣產(chǎn)生了積極影響。

澳門培正中學(xué)和濠江中學(xué)是當(dāng)?shù)赜兄匾绊懙膶W(xué)校。它們對(duì)ML的重視與特區(qū)政府對(duì)教研項(xiàng)目的大力支持,必能在不久的將來(lái),取得具有示范性的ML成果。

6 兩岸微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展特色

內(nèi)地的ML發(fā)展迅速,現(xiàn)已形成以下特色:

(1)ML研究與應(yīng)用的學(xué)科覆蓋面廣,包括無(wú)機(jī)、普化、分析、有機(jī)、物化、高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)和中小學(xué)科學(xué)(含理化生)的ML。

(2)開(kāi)發(fā)的ML儀器在規(guī)格與型號(hào)的多樣性、系列配套與低成本等方面在國(guó)際上具有優(yōu)勢(shì),但在儀器的創(chuàng)新性、簡(jiǎn)約化、精確性、優(yōu)化組合上還需努力。

(3)內(nèi)地ML的發(fā)展是與教學(xué)觀念更新、素質(zhì)教學(xué)的實(shí)施相互促進(jìn)的。面向全體學(xué)生,以學(xué)生發(fā)展為本,以培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力為核心的素質(zhì)教育既給ML發(fā)展以指導(dǎo),又為它的推廣應(yīng)用提供廣闊平臺(tái)。如一些學(xué)校設(shè)立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室或微型實(shí)驗(yàn)室,為開(kāi)展學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn),進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)和科技創(chuàng)新活動(dòng)提供了有效的方法與基地。

臺(tái)灣方金祥教授多利用塑料廢棄容器及三通活塞等制作成具有可操作性、安全和趣味性的微型裝置,同時(shí)不斷推出新型裝置,體現(xiàn)了旺盛的創(chuàng)新精神和精湛的制作技巧。

香港學(xué)者充分發(fā)揮香港特區(qū)國(guó)際資訊與高科技優(yōu)勢(shì),著重開(kāi)展ML國(guó)際學(xué)術(shù)交流在低成本微型精密儀器研發(fā)方面取得顯著成果。在面向東南亞推廣微型實(shí)驗(yàn)上做了大量工作。

綜觀兩岸微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展特色,可明顯看到綠色化和創(chuàng)新性是ML最受青睞之處,這也是ML魅力之所在。只有堅(jiān)持不懈地把ML用于教學(xué)實(shí)踐,為提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)服務(wù),ML才能不斷發(fā)展,才能取得最大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)照兩岸的ML成果,我們可清楚地看到各地間存在著很強(qiáng)的互補(bǔ)、互動(dòng)性。香港與內(nèi)地都致力于開(kāi)發(fā)通用型微型實(shí)驗(yàn)的軟、硬件,但側(cè)重點(diǎn)不同。臺(tái)灣研制的系列微型儀器裝置體現(xiàn)出很強(qiáng)的創(chuàng)新性和趣味性。這些經(jīng)驗(yàn)都是值得相互借鑒學(xué)習(xí)的。更重要的是,兩岸學(xué)者圍繞ML的各項(xiàng)工作,展現(xiàn)了開(kāi)展微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)力和成果,使我們?cè)趪?guó)際微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域占有不容忽視的地位,例如,在 13th ACC的UNESCO-CH INA’sML workshop和 2nd IS MC兩個(gè)國(guó)際ML學(xué)術(shù)會(huì)議上,兩岸學(xué)者被錄用的論文占論文總數(shù)分別為 75%與 87%?？辞暹@一點(diǎn),更激勵(lì)我們加強(qiáng)相互交流,相互促進(jìn)。特別要培養(yǎng)造就一批有朝氣和干勁充沛的中青年ML骨干,把握當(dāng)前機(jī)遇,把ML的研究與應(yīng)用推向更高的層次,為提高化學(xué)教育質(zhì)量和生態(tài)文明建設(shè)服務(wù),為國(guó)際化學(xué)教育事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。

[1] 周寧懷,宋學(xué)梓.微型化學(xué)實(shí)驗(yàn).杭州:浙江科技出版社,1992

[2] 方金祥.微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作.高雄:高雄復(fù)文圓書出版社,1998

[3] 臺(tái)灣師范大學(xué)科學(xué)教育研究所.Proceeding of 2nd N ICE(Network for Inter-Asian Chemistry Educators)Symposium,2007

[4] 香港浸會(huì)大學(xué)化學(xué)系.Manual forMicroscale ChemistryWorkshop.香港:香港浸會(huì)大學(xué)出版社,2000

[5] 關(guān)燁第,葛樹豐,李翠娟,等.小量-半微量有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:北京大學(xué)出版社,1999

[6] 周寧懷.微型無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:科學(xué)出版社,2000

[7] 李霽良.微型半微型有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:高等教育出版社,2005

[8] 赫春香,張淑敏,楊梅,等.微型定量分析化學(xué)實(shí)驗(yàn).大連:大連海事大學(xué)出版社,2001

[9] 黃濼.化學(xué)新課程中微型實(shí)驗(yàn)探研活動(dòng)的設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005

[10] 李青山.微型高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn).笫 2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009

[11] 萬(wàn)平,周賢爵.微型化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:中國(guó)石化出版社,2009

[12] 何樺,張義建.內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào),2009(4):85