綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究

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摘要：隨著環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，如何有效解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的污染問題逐漸引起大家的關(guān)注。本文以綠色化學(xué)理念為基礎(chǔ),從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和“三廢”處理等方面對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，不僅減少了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的環(huán)境污染，還增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和責(zé)任意識(shí)，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：綠色化學(xué)；有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)理念

有機(jī)化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，許多有機(jī)化學(xué)的理論和規(guī)律都是從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中所涉及到的藥品、試劑較多，其中不乏有毒有害、易燃易爆以及有腐蝕性的物質(zhì)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中還會(huì)產(chǎn)生許多廢氣廢液廢渣等，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，綠色化學(xué)的理念應(yīng)運(yùn)而生[1]。綠色化學(xué)是利用化學(xué)原理和方法來減少或消除對(duì)人類健康、生態(tài)環(huán)境有害的反應(yīng)原料、催化劑、溶劑和試劑、產(chǎn)物和副產(chǎn)物的新興科學(xué)。其最大的特征在于從產(chǎn)品生產(chǎn)的始端就采用科學(xué)手段來控制污染，并且在生產(chǎn)過程和最終產(chǎn)品使用中均做到零排放和零污染。綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用化學(xué)藥品應(yīng)遵循5R原則，即減量（Reduce）、重復(fù)使用（Reuse）、拒用（Rejection）、回收（Recycling）、再生（Regeneration）[2]。在人類對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視的今天，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的“綠色化”在人才培養(yǎng)過程中具有尤為重要的意義。要做到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化，首先在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施綠色化學(xué)理念，其次要在實(shí)驗(yàn)過程中不斷探索和應(yīng)用綠色化方法。

一倡導(dǎo)綠色化學(xué)理念，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)

綠色化學(xué)不僅僅是一種預(yù)防污染的方法，還是一種新式教學(xué)思維。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的主體是大學(xué)生，是未來國家的棟梁之才，將在各個(gè)崗位上發(fā)揮著重要的作用，因此培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)理念和環(huán)保意識(shí)尤為重要。有機(jī)化學(xué)主要是研究化合物的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及合成，而綠色化學(xué)則是圍繞化學(xué)反應(yīng)、原料、溶劑、催化劑等綠色化進(jìn)行的，與有機(jī)化學(xué)內(nèi)容息息相關(guān)。在實(shí)驗(yàn)過程中，將綠色化學(xué)理念灌輸給學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)實(shí)踐能力。將綠色化學(xué)理念貫穿有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)始終，讓學(xué)生切身體會(huì)綠色化學(xué)的內(nèi)涵，養(yǎng)成綠色環(huán)保的意識(shí)，并保留到日后的工作生活中，從源頭減少污染、保護(hù)環(huán)境,促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展[3]。我們依托《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程，通過教學(xué)模式優(yōu)化，在傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模式上，改變教學(xué)內(nèi)容，增加了綜合性、設(shè)計(jì)性與創(chuàng)新性內(nèi)容，這對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析與解決問題能力的培養(yǎng)有較大提高。其次是強(qiáng)調(diào)和關(guān)注實(shí)驗(yàn)安全問題，通過實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的講授，讓學(xué)生從心理層面上提高認(rèn)識(shí)，從內(nèi)心帶著敬畏的態(tài)度開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，做到操作規(guī)范嚴(yán)格，設(shè)置實(shí)驗(yàn)操作分項(xiàng)表，提高實(shí)驗(yàn)安全措施保證實(shí)驗(yàn)安全。再次是實(shí)驗(yàn)過程中優(yōu)化操作、試劑使用保質(zhì)減量，要做到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。

二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綠色化

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的典型性、代表性以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的明顯性、學(xué)生能否掌握實(shí)驗(yàn)操作，輕視所用藥品、試劑的毒性以及會(huì)造成的環(huán)境污染。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)多具有藥品用量大、毒性大、腐蝕性強(qiáng)、副產(chǎn)物多等特點(diǎn)，因此，將綠色化學(xué)理念融入到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常有必要的。

（一）準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)綠色化

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程中教師全程參與并指導(dǎo)，保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。因?yàn)閷W(xué)生多數(shù)沒有參與過具體的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，對(duì)藥品的用量、配制方法等都會(huì)感到?jīng)]有信心，無從下手，手忙腳亂。學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，鍛煉了學(xué)生動(dòng)手，把實(shí)驗(yàn)步驟落實(shí)到實(shí)際的能力，為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)施打下基礎(chǔ)。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常需要大量的試劑和儀器設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)可提前計(jì)算好所需藥品和儀器，避免造成不必要的浪費(fèi)；在不影響實(shí)驗(yàn)效果的前提下，試劑減量并盡可能選擇無毒無害、污染性小的試劑。如正溴丁烷的合成試劑減量，最終的蒸餾部分多人合作完成。在己二酸的制備實(shí)驗(yàn)中，以環(huán)已烯為原料，以H2O2氧化劑合成己二酸，該工藝以綠色氧化劑H2O2代替危險(xiǎn)、有強(qiáng)腐蝕性的HNO3，反應(yīng)條件溫和，易于控制。實(shí)施效果表明，既保證了教學(xué)質(zhì)量，降低了教學(xué)成本，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)合作能力，減少了廢棄物的排放，反饋效果較好。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可選擇離子液體、水溶劑、固定化溶劑、超臨界液體等綠色化溶劑和催化劑，可以加快反應(yīng)速率和循環(huán)使用，減少環(huán)境污染[3]。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的綠色化

微量化實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，倡導(dǎo)綠色化學(xué)。微量化實(shí)驗(yàn)是指在保證教學(xué)效果的前提下，用微量化學(xué)試劑（試劑用量一般僅為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的十分之一以下)在微型儀器裝置中進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。微量化實(shí)驗(yàn)不僅能夠減少試劑用量、縮短反應(yīng)時(shí)間、降低實(shí)驗(yàn)成本，而且還能減少“三廢”，降低環(huán)境污染程度。另外，微量化實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力提出了更高的要求。由于微量化實(shí)驗(yàn)所用試劑用量較少，一滴試劑、一粒藥品有可能就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大的影響，甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗，從而促使學(xué)生能夠更加認(rèn)真仔細(xì)的對(duì)待實(shí)驗(yàn)過程、增強(qiáng)他們的實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)優(yōu)良的科研態(tài)度。這也是未來有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展的方向之一，通過合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將單個(gè)實(shí)驗(yàn)串聯(lián)起來，形成一個(gè)體系；也可以開設(shè)多步反應(yīng)，使每一步的反應(yīng)產(chǎn)物能夠在下一步中得到充分的利用，提高了藥品的使用率，促使學(xué)生認(rèn)真的對(duì)待實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橐坏┦?，?shí)驗(yàn)就可能無法繼續(xù)。此外，連續(xù)實(shí)驗(yàn)每一步都是環(huán)環(huán)相扣，上一步的產(chǎn)率和純度都會(huì)對(duì)下一步造成一定的影響，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力提出了更高的要求，促使學(xué)生更加認(rèn)真細(xì)致的對(duì)待每一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性[4,5]。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綠色化

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生廢棄物，妥善處理“三廢”是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)過程中，不能將用過的化學(xué)試劑或者過量的酸堿等隨意倒入下水道，應(yīng)該分類放入專門的廢液桶中，回收后由專門人員進(jìn)行處理。對(duì)于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿廢液，我們要中和到pH為6-8再進(jìn)行排放；對(duì)于產(chǎn)生大量有毒或者腐蝕性氣體的反應(yīng)，必須在通風(fēng)櫥中進(jìn)行[5]。實(shí)驗(yàn)過程中的產(chǎn)物回收利用情況和“三廢”處理情況不容樂觀，未來需要結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，有效避免了部分危險(xiǎn)操作和環(huán)境污染問題。如何應(yīng)對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的綠色化、微量化和綜合多步化，是擺在當(dāng)今有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程面前亟待解決的另一個(gè)難題，也是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)方向之一。

三結(jié)合先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前多媒體技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于理論教學(xué)中，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)涉及較少。對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)藥品毒性較大、操作難度高、儀器設(shè)備費(fèi)用較高的實(shí)驗(yàn)，我們可以采用多媒體教學(xué)的形式為學(xué)生們展示整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程以及一些容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作和相應(yīng)的危險(xiǎn)處理方式，用生動(dòng)形象的視頻動(dòng)畫加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，激發(fā)學(xué)生的研究興趣。與傳統(tǒng)的板書相比，多媒體教學(xué)技術(shù)能夠?qū)⒊橄蟮挠袡C(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)畫、視頻的形式傳輸給學(xué)生，使晦澀難懂的知識(shí)更易理解，增強(qiáng)了講授內(nèi)容的生動(dòng)性[6]。我們對(duì)本校2016-2018級(jí)海洋生命學(xué)院、水產(chǎn)學(xué)院和食品科學(xué)與工程三個(gè)學(xué)院進(jìn)行調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)，73%的同學(xué)愿意通過減少試劑用量和避免額外失誤等方法，為環(huán)境保護(hù)事業(yè)盡綿薄之力，綠色化意識(shí)較高。在談及綠色化問題時(shí)，大家首先從自身考慮，減少環(huán)境污染問題，從源頭來控制污染，如：減少錯(cuò)誤試劑的使用和試劑回收等。對(duì)于實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化問題，學(xué)生們能夠考慮到自己應(yīng)該做什么，但缺乏大局意識(shí)，需要教師們正確的引導(dǎo)。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的課程，學(xué)生們已經(jīng)養(yǎng)成妥善處理廢液的習(xí)慣，課前認(rèn)真預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)過程井然有序，避免了許多因操作失誤引起的試劑浪費(fèi)和污染，取得了較好的成果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中以實(shí)際行動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生貫徹環(huán)保理念是最為行之有效的環(huán)保宣傳措施，這就需要實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)教導(dǎo)學(xué)生正確處理三廢的方式。綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)新理念必將成為今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)的中重要參考和首要考慮因素。

參考文獻(xiàn)

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作者：邢蕓霞 胡肖涵 李先國 張靜 張大海 單位：中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院