物理化學實驗綠色化教學改革

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［摘要］

近幾年東北大學在物理化學實驗教學改革中引入綠色化學思想，在滿足物理化學實驗教學大綱基本要求、保證實驗教學效果的前提下，合理選擇和設計實驗內容，采取環境友好的化學實驗新技術、新方法，盡量減少或消除對環境或人體有毒、有害的化學物質的使用。在實驗教學方式上，注意培養學生實驗操作規范性，提高學生的綠色化意識。在教學實踐過程中，提出了物理化學實驗綠色化教學的一些具體措施。例如，更新實驗設備、優化實驗內容、實驗微型化小型化設計、綜合經典實驗等。經過長期的努力和探索，增強了學生的綠色實驗意識和環保意識，同時也改善了實驗教學環境，基本實現物理化學實驗教學的綠色化。

［關鍵詞］物理化學實驗；綠色化學；教學改革

隨著科學技術的發展和社會的進步，人們越來越清醒地認識到經濟發展所帶來的環境污染問題已經對人類生存和社會發展構成了巨大威脅。引起生態環境破壞的污染物中很大一部分都是在人類自身的生產、生活過程中產生的。因此建設綠色生態環境已成為人與自然和諧發展的基本前提。綠色化學（GreenChemistry）就是近些年發展起來的與防治污染、保護生態環境密切相關的一門學科，目前已經成為國際化學學科領域研究的熱點。綠色化學又稱為“環境無害化學”、“環境友好化學”、“清潔化學”等。綠色化學倡導利用化學的技術和方法減少或避免在工業生產及日常生活過程中使用、生產對人類健康、社區安全、生態環境有害的化學物質。[1][2][3][4]高等院校中物理化學實驗的綠色化改革正是契合了綠色化學的研究發展方向，向化學實驗的無毒、無害化邁出了積極的一步。其目的是將綠色化學的研究思想傳遞給學生，使學生在今后的科學研究、生產、生活中也能積極主動地踐行綠色化學觀念；其方法是將綠色化學的實驗設計理念融入基礎物理化學實驗教學進程之中；其核心內容是最大限度地減少或避免使用有毒、有害的化學物質，最大限度地減少或避免產生化學廢物，也無需再處理廢物，從源頭處減少或消除環境污染。

一、物理化學實驗教學綠色化的總體設想

物理化學是東北大學應用化學、生物工程、材料科學、冶金工程、環境科學、資源與礦物等專業的基礎課程之一。而物理化學實驗是物理化學教學的重要組成部分，是培養學生實踐能力和科研能力的重要教學環節。[5]學校的化學實驗中心每年為全校12個專業的近1200名學生開設數十個不同的物理化學實驗項目。其中的“液體飽和蒸氣壓的測定”、“酸堿中和反應熱效應的測定”、“鉍－錫二元相圖的繪制”等這些我們耳熟能詳的、經典的物理化學實驗項目曾經見證過幾代學子的成長。毋庸置疑，這些實驗設計得簡單易行。通過實際的操作，實驗者很容易理解其中蘊含的物理化學原理。然而，這些實驗過程中都不可避免地會使用或產生某些有毒、有害的物質。如果不對這些物質進行無害化處理而直接排放，日積月累，不僅會影響師生的身體健康，還會污染周圍環境。因此，物理化學實驗綠色化是化學實驗教學改革發展的必然趨勢。在長期的物理化學實驗教學改革過程中，我校化學實驗中心高度重視貫徹綠色化學的教學理念，將綠色化學作為實驗教學改革的重要組成部分。在對物理化學實驗教學進行綠色化改革的進程中，我們從實驗內容、實驗設計、實驗設備、經典實驗項目整合、教學方法和教學理念等方面進行了積極的研究和探索，并取得了一定的效果。

二、物理化學實驗教學綠色化的實踐

（一）實驗內容的綠色化

在實驗項目的選擇和實驗內容的調整方面，盡量排除或減少對環境污染大、對人體毒性大的實驗項目。在不影響實驗效果的前提下，選用環境友好的試劑替代有毒或后處理困難的試劑，從而實現物理化學實驗的綠色化。例如，“弛豫法測定鉻酸根－重鉻酸根離子反應速率常數”是以往我校應用化學專業學生必修的一個化學動力學實驗項目。這個實驗過程中需要使用的主要化學試劑是重鉻酸鉀。然而，通過對重鉻酸鉀性質的學習不難知道，它不僅有化學毒性和致癌性，而且還是一種強氧化劑，長期吸入，能破壞鼻粘膜，引起鼻膜炎和鼻中隔軟骨穿孔，使呼吸器官受到損傷，甚至造成肺硬化。皮膚接觸重鉻酸鉀溶液時易引起鉻瘡和皮炎。不僅如此，化學實驗中心每年還需要投入高昂的實驗經費用于處理由此產生的鉻酸廢液。因此，為保證實驗教師和學生的身體免受危害，現已將其改為另一動力學實驗“旋光光度法測定蔗糖水解反應的速率常數”，實驗中用到的原料蔗糖無毒，而且使學生有機會學習旋光儀的使用方法。又如，在“氣泡最大壓力法測定溶液的表面張力”實驗中，原來所使用正丁醇水溶液的最大濃度達到了0．35mol•dm－3。為了降低正丁醇使用濃度，我們曾對實驗方案和實驗裝置進行了多次改進，使正丁醇的最大濃度降至0．1mol•dm－3。而且，實驗操作也更加簡便易行，實驗中氣泡的逸出平穩、連續。上述改進已經過多次教學實踐檢驗，結果表明，正丁醇濃度的降低不僅節約了實驗藥品，而且低濃度正丁醇水溶液的表面吸附量隨濃度的變化規律更符合吉布斯吸附等溫式，有利于得出好的實驗結果。

（二）實驗微型化、小型化設計，減少藥品用量

所謂微型化實驗是指在微型的儀器設備中，用盡可能少的試劑獲取所需的化學信息的實驗方法。在保證可觀測到與普通實驗相同的實驗現象的前提下，微型化實驗還具有節約實驗材料和時間、減少環境污染、操作安全等優點。所以，開展微型化實驗是實現化學實驗綠色化的好方法。在長期的物理化學實驗教學過程中，在保證實驗方案合理、實驗結果穩定、實驗效果顯著的前提下，我們積極推行實驗的微型化、小型化設計。例如，在“差熱分析”實驗中采用微型化實驗樣品管后，每份CaC2O4樣品使用量減少到不超過0．05克，每學期僅CaC2O4試劑的使用量就減少到原來的十分之一。對于目前尚無法實現微型化的實驗項目，我們采取了小型化設計或減少化學試劑使用量等方法，以期將物理化學實驗對環境的污染降至最低。例如，在“金屬二元相圖的繪制”實驗中，由于金屬鉍和錫具有熔點低、化學穩定性好、數據重現性好、原料易得、價格低廉等特點，所以，鉍－錫二元系統一直以來都是我們進行此項實驗教學的首選系統。若使用以往的實驗設備，在實驗過程中，以各種比例混合的金屬鉍和金屬錫試樣被放置在瓷坩堝中，上面覆蓋一層硅油，以防止加熱過程中金屬樣品被氧化。但是，通過查閱相關化學數據手冊可知，金屬鉍的熔點為271℃，而硅油的燃點為320℃，僅僅比鉍的熔點高約50℃。這意味著，在加熱純鉍試樣時，若操作者沒有控制好升溫速率而導致系統溫度上升過快，那么樣品溫度很容易沖高至硅油燃點而引燃硅油。這不僅會造成大量硅油的損耗，容易引起教學事故，而且硅油高溫揮發及不完全燃燒的產物還會污染空氣。為此，我們放棄使用瓷坩堝而改用金屬樣品管盛裝樣品。這樣不僅使單個樣品的質量從過去的120克減少到幾克，而且使用時很容易將金屬樣品管抽真空后密封，并循環使用。這種全封閉的手段有效避免了大量使用硅油作為樣品保護層所帶來的空氣污染問題的發生。又如，在“酸堿中和反應熱效應的測定”實驗中，我們更換了體積更小的杜瓦瓶，使氫氧化鈉和鹽酸的用量減少到原來的四分之一。減少試劑用量后的中和反應系統由于溶液體積大幅減少，攪拌效率更高，系統各處的溫度更趨一致，對溫度變化的監測更容易，溫度數據也更準確。除此之外，我們對“凝固點降低法測定分子量”、“乙酸乙酯皂化反應速率常數的測定”等實驗項目也進行了小型化改進，不同程度地減少了化學試劑使用量，顯著降低了實驗成本，改善了實驗環境。實踐證明，物理化學實驗的微型化、小型化設計不但可以達到與常規實驗相同的實驗目的和效果，而且可以大幅減少試劑用量、不同程度地減少實驗過程中產生的化學廢棄物、節約后處理費用、減少污染、改善實驗環境，因此，此舉已經成為物理化學實驗教學改革的一個重要發展趨勢。

（三）實驗儀器和設備的選擇

與其他化學分支學科的基礎實驗相比，物理化學實驗需要的中、小型實驗儀器設備種類較多。其中多個實驗需要測定溫度和壓力。傳統的測溫、測壓裝置都是含汞的，不但操作步驟繁瑣復雜，而且易造成實驗室汞污染，危及教師及學生的身體健康。例如，在“液體飽和蒸氣壓測定”實驗中，過去常用U型水銀壓力計測定系統壓力差。此種壓力計中需要使用大量的金屬汞，汞面用水液封。然而，由于此裝有汞的U型玻璃管不宜經常清洗，所以管壁會吸附環境中的氣體分子及塵埃等顆粒物。而在實驗過程中U型管內汞液面會不斷變化，會有少量汞由于與管壁上的吸附物作用而產生掛壁現象，從而使汞暴露于空氣中并揮發為汞蒸氣，這會對人體產生極大危害。目前，我們物理化學實驗室中全部的測壓裝置均用數字式低真空測壓儀替代水銀壓力計，從根本上消除了汞蒸氣可能對教師和學生產生的危害。又如，在“凝固點降低法測定物質的摩爾質量”、“酸堿中和反應熱效應的測定”及“燃燒熱的測定”等熱力學實驗中，過去一直使用貝克曼溫度計來監測實驗體系溫度的變化。貝克曼溫度計雖然測量精密度高，但在實際使用時，存在操作繁瑣且易碎等缺點。目前我們用數字式溫度溫差測量儀替代貝克曼溫度計，不僅使實驗操作難度降低，實驗過程簡化，而且也規避了由于操作不當造成溫度計破裂而引起環境污染的風險。上述實驗儀器設備的替換無疑使物理化學實驗的測溫測壓手段更安全、更方便。

（四）綜合經典實驗內容

通過長期的教學實踐和教學研究我們發現，傳統的物理化學實驗門類齊全、架構完整，大量的基礎實驗內容至今仍值得我們繼承和發展。但囿于當時實驗條件的限制，導致許多簡單的實驗耗時費力。因此，我們在保留經典實驗內容的前提下，致力于整合實驗方案，不僅大幅減少了試劑用量，有效降低了環境污染風險，而且還提升了學生綜合分析實驗結果的能力。例如，“原電池電動勢的測定”、“電解質溶液電導率的測定”及“原電池溫度系數的測定”這三個實驗同屬于電化學基礎實驗，內容相對簡單。但是在過去，由于實驗設備和實驗手段的落后，完成這三個實驗中的任何一個都需要很長時間，所以每一個都被設計為一個相對獨立的實驗項目，而這顯然不利于學生將所學到的電化學基礎知識融會貫通。通過認真分析、研究這三個實驗的目的及內容，我們將它們融合并設計成了一個新的電化學綜合實驗。經過精心的實驗方案設計和內容的整合，這個新的綜合實驗得到了學生和教師的廣泛好評。由于實驗試劑循環使用，避免了浪費和對環境造成的污染，為化學實驗中心節省了實驗經費。同時，學生對理論課中學到的電化學基礎知識也有了比較全面且更為深刻的理解。

（五）合理分工協作

在實驗教學過程中，我們不僅對經典內容重新進行綜合設計，而且還會根據不同實驗的特點，實時調整學生所做實驗的部分內容。例如，學生在進行“雙液系氣液平衡相圖”實驗過程中需要測定的實驗點較多，做出一個完整相圖大約需要6個小時的時間，顯然在規定的4學時內是無法完成的。為此，我們設計由兩組學生分別測定相圖的左半支和右半支，之后將兩組數據合并，從而做出一個完整的相圖。這就要求每組學生在實驗過程中都必須認真仔細地完成操作并記錄好數據，否則可能會因而某一環節的失誤而導致合作雙方的數據都出現偏差。實踐結果表明，這種分工合作，在保證實驗教學質量的前提下，既節省了藥品，又有利于培養學生的協作精神和良好的操作技能。因此，對于復雜的實驗項目，我們認為這不失為一個值得嘗試和推廣的好辦法。

（六）規范操作方法，提升綠色化意識

長期的教學實踐表明，在物理化學實驗教學過程中，嚴格規范實驗操作方法、督促學生養成良好的實驗習慣是學生科研素質教育的重要內容。規范的實驗操作方法和良好的實驗習慣不僅是提升學生實驗操作技能的重要基礎，也是培養學生自覺進行綠色化實驗的前提。在實驗過程中，指導教師要認真監督學生不要隨意丟棄藥品，并糾正學生中普遍存在的“藥品用量越多，實驗現象就越明顯”的錯誤觀念，杜絕學生在做實驗時隨意加大試劑用量的現象，鼓勵學生用最少的試劑做出成功的實驗。同時也要求學生每次實驗之前都要充分預習，提高實驗成功率，減少重復實驗引起的藥品損耗現象。此外，教育學生從實驗過程中的每件小事做起，逐步樹立起綠色化科研意識和對社會的責任感。

三、改革后的成效

多年以來，經過對物理化學實驗教學改革的綠色化探索與實踐，在提升了教師自身的綠色化學教學理念的同時，在培養學生的協作精神、綜合科研素質等方面也取得了良好效果。這些效果體現在學生在校學習期間養成了良好的實驗操作習慣，明晰并理解了實驗設計中綠色化改進之處，學會了用綠色化學知識設計實驗等方面。而且，近幾年來，我們對大量本科生就業后反饋的信息進行了分析并從中了解到，經過我們多年的綠色化實驗教學訓練，畢業生們在各自的工作崗位上都表現出較高的實驗技能和良好的團隊合作精神，綜合素質高，受到用人單位的廣泛歡迎。

［注釋］

［1］平措，馬橘紅．物理化學實驗室綠色化建設初探［J］．實驗技術與管理，2009（12）：132－133．

［2］張康華，曹小華，謝寶華，等．化學實驗教學與綠色化學教育［J］．實驗室研究與探索，2010（5）：123－125．

［3］徐英，王桂清，陳靈謙．物理化學實驗教學改革的探索［J］．高校實驗室工作研究，2010（4）：5－6．

［4］魏澤英，李樹全，謝小燕，等．物理化學實驗教學綠色化改革實踐［J］．教育教學論壇，2014（1）：245－246．

［5］楊冬梅，王軍．物理化學實驗教學改革的總體設計及實踐［J］．高等理科教育，2008（6）：103－105．

作者：楊冬梅 王軍 單位：東北大學理學院化學實驗中心