關(guān)于高校綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革探討

王 婷，聶財軒，徐瑞芳，馮 瑞

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

綠色化學(xué)又稱“環(huán)境無害化學(xué)”、“環(huán)境友好化學(xué)”。綠色化學(xué)是設(shè)計沒有或只有盡可能小的對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響的，并在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上可行的化學(xué)品和化學(xué)過程的科學(xué)[1-2]。它涉及無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)、生物化學(xué)等學(xué)科，包含合成、催化工藝，檢測分離等技術(shù)，內(nèi)容豐富，涵蓋廣泛。

1 綠色化實(shí)驗(yàn)改革的必要性

化學(xué)是一門實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科，我們衣食住行都離不開化學(xué)這門學(xué)科。然而，化學(xué)在造福人類的同時，也給人類帶來了眾多問題，尤其是生態(tài)環(huán)境問題。全球的各類環(huán)境問題，大多數(shù)都與化學(xué)物質(zhì)的污染有直接關(guān)系，另外小部分是化學(xué)污染間接造成的。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界產(chǎn)生的有害固液等廢物高達(dá)3～4億噸/年，嚴(yán)重污染了我們賴以生存的水源、空氣，造成了一系列不可逆轉(zhuǎn)的生態(tài)災(zāi)難。全球變暖、生物多樣性銳減、能源枯竭、臭氧層破壞、熱帶雨林消失、酸雨這些生態(tài)災(zāi)難正在一步步威脅著人類的生存。面對日漸嚴(yán)峻的環(huán)境現(xiàn)實(shí)，眾多國家不得不開始尋找一條對環(huán)境友好、不破壞生態(tài)環(huán)境、不危害人類生存的可持續(xù)發(fā)展的新道路。而綠色化學(xué)在始端預(yù)防污染，終端追求零污染、零排放，因此成為了適應(yīng)人類可持續(xù)發(fā)展的新道路。高?；瘜W(xué)專業(yè)培養(yǎng)的人才，將來多數(shù)可能會在化學(xué)相關(guān)的崗位工作。我們需要在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過程中滲透綠色化學(xué)理念，在課堂中普及綠色化學(xué)知識，讓學(xué)生認(rèn)識如何利用科學(xué)技術(shù)減少資源消耗、實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展；了解綠色化學(xué)的重要性，形成正確的生態(tài)價值觀，并將之貫穿于今后的生活實(shí)踐之中；提高大學(xué)生的綜合素養(yǎng)和自身修養(yǎng)，增強(qiáng)大學(xué)生社會責(zé)任感，為人類的可持續(xù)發(fā)展作出自己的努力和貢獻(xiàn)。

2 實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的幾條途徑

2.1 在教學(xué)中滲透綠色化學(xué)理念

教師作為知識的傳播者，在灌輸課本理論知識的同時也要注意及時補(bǔ)充綠色化學(xué)知識。在講課過程中，積極引導(dǎo)學(xué)生對日常生活中各種行為進(jìn)行分析，了解哪些行為是綠色化學(xué)理念所倡導(dǎo)的，哪些行為是與綠色化學(xué)理念背道而馳的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要以著綠色化學(xué)的基本準(zhǔn)則進(jìn)行指導(dǎo)，有意識地強(qiáng)調(diào)保護(hù)環(huán)境的重要性，實(shí)驗(yàn)課前提問本節(jié)課“三廢”的處理與回收，讓學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行思考。在講解實(shí)驗(yàn)過程時，清楚地講解注意事項(xiàng)，及時糾正學(xué)生的錯誤操作方法，在保障實(shí)驗(yàn)安全性的同時也保障了實(shí)驗(yàn)的綠色性。這樣不僅鞏固了理論知識，又培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生的環(huán)保意識，讓綠色化學(xué)理念深入學(xué)生腦海，幫助學(xué)生建立完整的綠色化學(xué)體系，全面踐行綠色化學(xué)理念。

2.2 防止污染優(yōu)于污染之后再處理

根據(jù)綠色化學(xué)十二準(zhǔn)則第一條，“防止污染優(yōu)于污染之后再處理，防止廢物的產(chǎn)生而不是產(chǎn)生后再處理”表明：從源頭上預(yù)防污染十分重要。因此，選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時，盡量選擇對環(huán)境友好、反映物和產(chǎn)物均無毒無害的實(shí)驗(yàn)[3-5]。如有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)選擇上，乙酰苯胺的制備實(shí)驗(yàn)相對毒性更低，用以替換由苯硝化還原制備苯胺的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)試劑選擇更綠色的，乙醚萃取有機(jī)物的時候的選擇相對更安全的二氯甲烷、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚等；HSO4、HNO3、HF等傳統(tǒng)液體催化劑毒性大、腐蝕性強(qiáng)、不易分離，操作不當(dāng)甚至引發(fā)危險，使用更加安全的固體催化劑，分子篩、固體酸催化劑，雜質(zhì)酸等。開發(fā)新型綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)，用各類化學(xué)實(shí)驗(yàn)交叉融合來創(chuàng)新，例如用生化中常用的生物酶來催化有機(jī)合成，催化效率不僅更高，還可以達(dá)到減少有害副產(chǎn)物的目的。另外，相應(yīng)的減少傳統(tǒng)的為獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果而進(jìn)行重復(fù)性操作的實(shí)驗(yàn)，尤其是那些產(chǎn)物難處理，危害大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，相對的增加設(shè)計探究型的綜合實(shí)驗(yàn)。不僅踐行了綠色化學(xué)理念，同時還提高了學(xué)生的動手操作能力。

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高試劑利用率

在不影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的前提下，試劑按照“常量-半微量-微量”的模式來減少用量[6]。常用的酸堿指示劑酚酞、甲基橙、石蕊濃度可以改進(jìn)減少到1%，NaOH的配制與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，NaOH濃度可以由0.1 mol/L調(diào)整到0.05 mol/L。尤其注意部分實(shí)驗(yàn)試劑用量多甚至直接影響實(shí)驗(yàn)效果，像制備乙酸乙酯時，如果冰醋酸用量過多，混合氣中含有大量的乙酸蒸氣，碳酸鈉大量被消耗，分層效果不明顯，不僅導(dǎo)致產(chǎn)率降低，還造成了醋酸的大量浪費(fèi)，實(shí)際操作中不可取。目前常規(guī)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器體積都較大，導(dǎo)致試劑用量加大，并不利于環(huán)保，所以引入引用微型氣體發(fā)生器、熔點(diǎn)測定儀等新型微型實(shí)驗(yàn)儀器就顯得非常必要。對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改良，敞開式實(shí)驗(yàn)裝置改良為封閉式，整個反映在密閉容器中進(jìn)行，使得那些有害的副產(chǎn)物可以及時回收處理。多媒體實(shí)驗(yàn)演示授課化學(xué)實(shí)驗(yàn)相對來說耗時較長，有些需要高溫條件(明火加熱)，還有冰水浴(需要制冰)等復(fù)雜條件的，可以選擇播放課件來代替。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目順序上，可以根據(jù)綠色實(shí)驗(yàn)循環(huán)原則，合理調(diào)整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目順序，設(shè)計串聯(lián)實(shí)驗(yàn)，把各個實(shí)驗(yàn)串聯(lián)起來，注意上個實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的再回收利用，達(dá)到提高試劑利用率的目的。例如“乙醇的蒸餾和沸點(diǎn)的測定”產(chǎn)生的乙醇，可以作為“溴乙烷制備”中的反應(yīng)物。

2.4 規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作

規(guī)范學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作步驟，結(jié)合線上教學(xué)，實(shí)驗(yàn)課前播放錄制好的微視頻，重點(diǎn)講解本節(jié)課涉及的項(xiàng)目的正確操作方法，例如抽濾裝置使用時，開關(guān)泵和撤管的先后操作順序，操作不當(dāng)引起實(shí)際浪費(fèi)甚至損害儀器。酸堿滴定管、分液漏斗的使用等基本操作前，必須進(jìn)行撿漏，檢查活塞能否轉(zhuǎn)動，涂抹凡士林等，避免倒入試劑后才發(fā)現(xiàn)問題。熟練掌握區(qū)分吸量管和移液管的使用方法。玻璃器皿使用前要注意清洗，防止污染實(shí)驗(yàn)試劑造成二次浪費(fèi)。

2.5 引進(jìn)新技術(shù)，構(gòu)建新平臺

緊跟時代的潮流，設(shè)備及時更新，選擇各方面性能更好的新型儀器，替換那些操作不方便，試劑用量大的老舊設(shè)備。對實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)跟進(jìn)，不斷提高發(fā)展其掌握的技術(shù)，及時引進(jìn)像微波技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)等[7]。其中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)是近年來新興的技術(shù)。2020年爆發(fā)的新冠疫情，教育部提出利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，“停課不停學(xué)”，充分證明了建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的重要性。通過有效的融合真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，建設(shè)模塊化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，把那些“高危、高壓、易制爆、易制毒、高造價”不宜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，向?qū)W生展示模擬真實(shí)的操作過程。那些由于操作錯誤造成的實(shí)驗(yàn)失敗甚至危害性都可以模擬出來，讓學(xué)生在熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)的同時，清晰地意識到實(shí)驗(yàn)要求的安全性和綠色性。課程結(jié)束后線下開設(shè)討論性實(shí)驗(yàn)課，讓學(xué)生自己設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案。仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，不但補(bǔ)充了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，使本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容豐富多彩，而且教學(xué)過程安全無害，充分踐行了綠色化學(xué)理念。

2.6 豐富考核形式

連貫課前課后，結(jié)合線上線下。課前引導(dǎo)學(xué)生積極思考除了實(shí)驗(yàn)原理等基本理論知識外，另外的“本節(jié)課實(shí)驗(yàn)操作有哪些注意事項(xiàng)？”“本節(jié)課的三廢有哪些？怎么處理？”等與綠色化學(xué)息息相關(guān)的知識。把此類問題作為相關(guān)的預(yù)習(xí)報告納入最終考核內(nèi)容。熟練應(yīng)用線上教學(xué)平臺，讓學(xué)生對本節(jié)課內(nèi)容及時進(jìn)行反饋，反映一下本節(jié)課有哪些操作沒有掌握，下節(jié)課可以作為難點(diǎn)講述。實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束時，引導(dǎo)學(xué)生正確回收藥品試劑，做到不亂傾倒。三廢如何合理地進(jìn)行回收再利用也可以作為一項(xiàng)課后思考題。以上這些內(nèi)容都可以納入學(xué)期末考核內(nèi)容，一方面培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考善于發(fā)現(xiàn)的能力，另一方面潛移默化中養(yǎng)成了學(xué)生的環(huán)保意識。

3 結(jié) 語

現(xiàn)階段隨著科技經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人們的環(huán)境保護(hù)意識也越來越強(qiáng)，樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念日漸滲透到高校的教學(xué)之中。高校只有在實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，從微小入手，不斷研究，不斷改革創(chuàng)新，才能一步步推動綠色化學(xué)發(fā)展。