王仁祺，戴鐵軍

(北京工業(yè)大學循環(huán)經(jīng)濟研究院，北京 100124)

1 傳統(tǒng)化學實驗的局限性

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學，只有將化學理論知識和實驗相結(jié)合才能使學生頭腦中抽象的化學概念、實驗場景具體化，最終實現(xiàn)對理論知識的理解和鞏固。由教師組織和指導學生完成實驗對于促進學生的合作意識、動手能力和激發(fā)學生學習化學知識的求知欲至關(guān)重要。傳統(tǒng)基于標準化儀器的化學實驗在培養(yǎng)學生的綜合實驗素養(yǎng)方面起到了巨大的推動作用，然而傳統(tǒng)化學實驗存在的兩大弊端嚴重制約了它的發(fā)展。一方面，對于實驗經(jīng)費短缺的學校只能以少數(shù)人甚至只由教師一人操作而其他同學觀察的方式進行實驗，難以實現(xiàn)預期的實驗效果和提升學生整體的實驗動手能力;另一方面，即使學校實驗經(jīng)費充足，但為所有同學購買實驗儀器及藥品也是一筆不小的開支，不利于實現(xiàn)化學實驗的長久發(fā)展，這在高?；瘜W類專業(yè)中表現(xiàn)尤為突出。傳統(tǒng)化學實驗除上述兩大缺點外還伴有產(chǎn)生“三廢”問題突出、容易發(fā)生安全事故以及浪費實驗藥品和試劑等不足。針對傳統(tǒng)化學實驗的種種弊端，人們逐漸嘗試用微型實驗對其進行替代。

2 基于廢棄物的微型化學實驗的產(chǎn)生及研究

微型化實驗(英文名稱為Mini－Chemical Experiment，Microscale Chemical Laboratory，Mircoscale Chemical Experiment或 Mircroscale Laboratory，簡寫為M －C.E、M.C.L、M.C.E 或 M.L)沒有一個明確的定義，一般認為“在微型化儀器裝置中進行的化學實驗，實驗所消耗試劑比對應(yīng)常規(guī)實驗少90%以上”［1］。微型化學實驗起源于20世紀80年代經(jīng)濟發(fā)達國家，其高校為解決化學專業(yè)耗資巨大、容易發(fā)生安全事故及一些試劑價格過于昂貴等問題而逐漸嘗試開展微型化學實驗。北京大學周寧懷教授在國內(nèi)率先倡導與開展微型化學實驗的研究和推廣，由其牽頭的微型實驗課題研究協(xié)作組的成立，標志著我國的微型實驗的開始［2］。我國于1989年將微型化學實驗課題正式列入高等學?；瘜W教育研究中心的科研計劃。微型化學實驗在我國的發(fā)展呈現(xiàn)出引入時間雖短，但推廣和發(fā)展速度很快的特點?，F(xiàn)在不僅在高校已大力推廣微型化學實驗，而且越來越多的中學化學學生實驗也開始積極實踐。很多學校更是獨辟蹊徑，利用生活中常見廢棄物自制實驗儀器開辟了微型實驗的新篇章，在實踐和理論方面的研究逐漸深入。

目前，許多學校和研究人員已經(jīng)利用生活中微型廢舊物品取代傳統(tǒng)標準實驗儀器進行了大量探究并取得了可喜成果。劉予生［3］利用生活中常見的廢棄物品制作制備氧氣的微型化學實驗儀器及裝置，這為學生業(yè)余開展家庭小實驗提供了素材，也為化學實驗走進生活創(chuàng)造了條件，還培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，激發(fā)了學生學習化學的興趣。魏周英［4］則從微型代用儀器的制作和代用微型實驗儀器在實驗教學中應(yīng)用兩方面進行了較為詳細地論述，為用廢棄物制備微型實驗儀器提供了參考和應(yīng)用實例，很好地解決了當?shù)匾蚪虒W經(jīng)費緊張導致約有85%的初中完全不開設(shè)學生實驗，70%左右的學校連演示實驗都無法做的不良局面。周紅萍［5］結(jié)合教育教學實踐中的體會，淺談了醫(yī)用廢舊注射器在微型實驗中的一些應(yīng)用，很好地體現(xiàn)了微型化學實驗的設(shè)計原理。畢秀成等［6］利用自制的制取、凈化和收集CO2微型裝置，通過對CO2分子量測定的實驗，證明該條件下具有消耗試劑少、實驗結(jié)果和常規(guī)實驗結(jié)果準確性一致的優(yōu)點等。總之，基于廢棄物的微型實驗不僅解決了許多常規(guī)實驗儀器和藥品耗資巨大、產(chǎn)生“三廢”問題突出、容易發(fā)生安全事故、嚴重損害師生身體健康以及標準化微型實驗儀器難于購買、數(shù)量缺少的現(xiàn)實，更在微型實驗的基礎(chǔ)上，很好地體現(xiàn)了資源循環(huán)利用等觀點，較好地吻合了循環(huán)經(jīng)濟的思想理念。

3 基于廢棄物的微型實驗與循環(huán)經(jīng)濟

3.1 循環(huán)經(jīng)濟的產(chǎn)生及其內(nèi)涵

傳統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展模式中資源、能源、環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展的不協(xié)調(diào)促使人類對自我行為進行深刻反思。由美國生物學家蕾切爾·卡遜于1962年發(fā)表的《寂靜的春天》一書中，作者用觸目驚心的案例闡述了大量使用殺蟲劑對生物界和人類產(chǎn)生的嚴重危害。同年，美國經(jīng)濟學家鮑爾丁提出了循環(huán)經(jīng)濟，著名的宇宙飛船經(jīng)濟理論被認為是循環(huán)經(jīng)濟的早期代表，他將人類生活的地球比做太空中的宇宙飛船，指出如果人類不合理地開發(fā)和利用有限的資源，當超過地球供給能力時人類就會像宇宙飛船一樣走向毀滅，對資源進行循環(huán)利用是實現(xiàn)人類社會持續(xù)發(fā)展的根本出路。自循環(huán)經(jīng)濟提出以來，以其抓住了當前工業(yè)社會發(fā)展欲望無限、資源有限但未合理利用這一關(guān)鍵癥結(jié)，受到了世界各國的高度重視，我國在20世紀90年代引入循環(huán)經(jīng)濟并開始了相關(guān)研究。

循環(huán)經(jīng)濟(英文名稱為 Recycling Economy，或Circular Economy，簡寫為 R.E或 C.E)要求在經(jīng)濟發(fā)展過程中要以資源的高效利用和循環(huán)利用為核心，以資源和能源的減量化(Reduce)、再利用(Reuse)和資源化(Recycle)，即“3 R”為基本原則，以低投入、低消耗、低排放和高效率為基本特征。它通過對開采、生產(chǎn)、消費和再生利用等各個環(huán)節(jié)的資源和能源循環(huán)、高效利用，使傳統(tǒng)經(jīng)濟中“資源→產(chǎn)品→廢棄物”的線性發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤百Y源→產(chǎn)品→廢棄物→再生資源和產(chǎn)品”的閉路循環(huán)發(fā)展模式，最終實現(xiàn)以盡可能少的資源、能源消耗和盡可能小的環(huán)境代價，使目標產(chǎn)物產(chǎn)出效益最大化、使廢物排放最小化，實現(xiàn)經(jīng)濟增長、環(huán)境保護和社會效益同步增長的完美統(tǒng)一，所以說從本質(zhì)上講它是一種生態(tài)經(jīng)濟。

3.2 基于廢棄物的微型化學實驗中的循環(huán)經(jīng)濟理念

3.2.1 實驗取材體現(xiàn)了R.E中的再利用原則

以廢棄物為實驗儀器的微型化學實驗極大地減輕了傳統(tǒng)化學實驗所需的儀器費用負擔，因而可以為實驗經(jīng)費緊張的學校順利開展化學實驗提供可能。醫(yī)用輸液管、口服液小瓶、注射器、飲料盒、飲料管、青霉素藥瓶、平底瓶蓋、廢棄園珠筆芯(去筆頭)、止咳糖漿瓶、舊筆桿、西藥膠囊包裝盒、泡沫塑料、易拉罐皮、回形針，甚至盛裝喜之郎的塑料小盒等廢棄物都是微型化學實驗的實驗器材，將這些物品進行合理改造均可成功運用于化學實驗。需要注意的是，所選擇的微型廢棄物應(yīng)該能夠保證化學實驗順利、安全進行，因此，對擬用于微型實驗的廢棄物的綜合性能予以評價至關(guān)重要。

總之，基于廢棄物的微型化學實驗在節(jié)省實驗經(jīng)費的同時還使這些廢棄物得以再生利用，而這一點正是循環(huán)經(jīng)濟所遵從的3 R原則中對廢棄物再利用(Reuse)的具體體現(xiàn)。這不僅延長了這些廢棄物的生命周期、避免直接投入環(huán)境造成負面影響，而且有利于對其循環(huán)利用和集中處理，具有鮮明的經(jīng)濟價值和生態(tài)效益。另外，對于許多無力大批次購買實驗器材的學校還實現(xiàn)了一些實驗“從無到有”的轉(zhuǎn)變，擴大了學生可參與實驗的領(lǐng)域，極大地促進和激發(fā)了學生學好化學的求知欲。最后，很多科研工作由于種種原因，為避免在不確定條件下造成實驗儀器、試劑等方面的損失或出于安全考慮，往往先以廢棄物為實驗儀器，以微型實驗進行預實驗，驗證實驗的可行性，很好地避免了不確定型實驗對標準儀器的破壞和安全事故，為改用標準實驗儀器進一步驗證奠定了基礎(chǔ)，因而，它對科研工作也有較大的協(xié)助作用。

3.2.2 實驗藥品、試劑及能耗量體現(xiàn)了R.E中的減量化原則

基于廢棄物的微型化學實驗不僅實現(xiàn)學生實驗儀器的低耗資甚至零耗資，還實現(xiàn)反應(yīng)物、產(chǎn)物的減量化，從這一點上講，它符合循環(huán)經(jīng)濟3 R原則(3 R principle)中的“減量化(Reduce)”原則。循環(huán)經(jīng)濟不是簡單地通過對廢棄物的循環(huán)利用使其資源化，側(cè)重于在優(yōu)先減少資源、能源消耗和減少廢物產(chǎn)生的基礎(chǔ)上綜合運用3R原則，所以，3 R原則在循環(huán)經(jīng)濟中的重要性并非等同的，其優(yōu)先順序是:減量化—再利用—資源化。“減量化(Reduce)”原則通常是排在首位，它主要是針對產(chǎn)品輸入端，強調(diào)以最小的資源、能源消耗，實現(xiàn)最大的經(jīng)濟、生態(tài)效益。微型化學實驗試劑用量一般為常規(guī)用量的1/1000～1/10，用量比相應(yīng)的常規(guī)實驗節(jié)省90%左右［7］。這就極大地減少了學校在試劑經(jīng)費方面的投入，而實驗現(xiàn)象依舊明顯，通常情況下并不影響實驗效果。與此同時，反應(yīng)物的減少必然導致反應(yīng)過程中產(chǎn)生有毒、副產(chǎn)物的減少，因而更有利于減少環(huán)境污染，有利于減少實驗后殘留物的處理成本。在當前環(huán)境保護日益加強、排污量控制日趨嚴格的形勢下，對于降低學校用于處理廢氣、廢液等方面的成本具有重要的意義。最后，由于反應(yīng)物量大大減少，反應(yīng)的劇烈程度遠弱于常規(guī)實驗，所以微型化學實驗的安全性較好?？梢?，試劑的“減量化”在以廢舊材料為實驗儀器的微型化學實驗中具有顯著的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和安全保障。

伴隨著實驗儀器的微型化，實驗試劑也相應(yīng)減量化，這已成為無需爭辯的事實，而對于一些需要加熱、攪拌等條件才能完成的化學實驗來講很重要的一點就是實驗耗能的減少。而減少能源消耗也屬于循環(huán)經(jīng)濟理念中很重要的一項。具體來講，在微型化的儀器中以減量的實驗藥品進行實驗必然縮短反應(yīng)時間，或者說提高反應(yīng)速率。所以，用于實驗加熱的酒精、水、電能以及油等都相應(yīng)減少。例如，常規(guī)實驗需要每一小組或一位實驗者一瓶酒精，現(xiàn)在改用廢舊玻璃瓶等自制的微型酒精燈后，一瓶常規(guī)酒精燈進行實驗所需要的酒精現(xiàn)在就可滿足多個小組進行實驗;另外，常規(guī)實驗由于藥品量多、實驗儀器體積偏大，為保證實驗充分進行可能需要每組或每位實驗人員對試劑單獨進行加熱、攪拌等操作，而微型實驗由于儀器的微型化可將多個小組的反應(yīng)儀器集中而統(tǒng)一加熱等，這樣耗電、耗材都得以減少，縮短反應(yīng)時間，在相同的時間內(nèi)甚至可以完成更多的實驗任務(wù)。因而，在當今全球資源、能源緊張的背景下，基于廢棄物的微型化學實驗不僅對于建設(shè)兩型社會具有現(xiàn)實意義，還有利于培養(yǎng)學生的合作意識、環(huán)保意識和獨立完成實驗的能力。

3.3 基于廢棄物的微型化學實驗的優(yōu)缺點

3.3.1 有利于培養(yǎng)學生的實驗興趣和創(chuàng)新能力

以廢棄物為實驗儀器的微型化學實驗往往需要教師按照實驗要求發(fā)動學生自行尋找所需實驗儀器，這不僅有利于改變學生對微型廢棄物的傳統(tǒng)認識，還有利于培養(yǎng)學生的實驗興趣和創(chuàng)新能力。很多實驗學生可能都會利用常規(guī)實驗儀器完成，但以自制微型儀器能否實現(xiàn)同樣的效果以及怎樣保證自己的實驗順利完成需要學生認真思考，需要課下對實驗的可行性不斷探討、摸索，所以，基于廢棄物的微型實驗會極大地調(diào)動起學生的實驗興趣和參與熱情。另外，對于同樣的實驗，不同的學生會選擇不一樣的廢棄物作為實驗器材替代標準儀器，這就極大地豐富了課堂畫面，實驗場景靈活多樣，為其他學生提供了不同的實驗思路，開拓了學生的實驗視野。因而，這是一個互相學習，共同促進的過程。最后，通常條件下，微型化學實驗?zāi)艽蟠罂s短反應(yīng)時間，在既定的實驗時間內(nèi)，學生可以針對同一實驗多設(shè)計一些方案，進行探究實驗，比較不同方案的優(yōu)缺點，提升學生改進實驗的思維廣度，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力;也可以在既定的實驗時間完成其他實驗，提高課堂效率，進而提高實驗課的教學質(zhì)量。

3.3.2 有利于推進綠色化學、循環(huán)經(jīng)濟理念

微型化學實驗將廢棄物再利用為實驗儀器，延長了產(chǎn)品生命周期，間接地減輕環(huán)境負荷;另外減少了有毒有害物質(zhì)的生成量，減輕環(huán)境污染，這兩點都很好地體現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的保護，也符合建設(shè)兩型社會的要求。關(guān)于微型化學實驗、綠色化學和循環(huán)經(jīng)濟的關(guān)系學術(shù)界有少量研究。微型化學實驗方法是綠色化學的一部分，是在綠色化學思想指導下的化學實驗方法的一項重要的發(fā)展與變革［8］。徐玲等［9］較為詳細地論述了微型化學實驗與綠色化學的相互關(guān)系，指出了微型化學實驗是綠色化學思想在實驗中的體現(xiàn)，符合綠色化學的理念，還利于培養(yǎng)學生的環(huán)保意識和關(guān)心自然環(huán)境的情感。張雪利［10］則指出微型化學實驗是綠色化學新理念、新方法和新技術(shù)在化學實驗中的改革和應(yīng)用。對于綠色化學和循環(huán)經(jīng)濟的關(guān)系，季胤［11］指出綠色化學是循環(huán)經(jīng)濟的必然選擇，具體又從循環(huán)經(jīng)濟的特點和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展與實踐進行了論述等。由此可見，微型化學實驗和循環(huán)經(jīng)濟都與綠色化學相聯(lián)系，微型化學實驗是推進循環(huán)經(jīng)濟不可缺少的一部分，三者之間相輔相成，共同為構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展社會貢獻力量。

3.3.3 基于廢棄物的微型化學實驗的局限性

當然，微型化學實驗只是大大減少了環(huán)境污染，還不是將污染消滅在生產(chǎn)的源頭［12］。實驗結(jié)束后，依舊產(chǎn)生有毒、有害物質(zhì)，如何使實驗中產(chǎn)生的有毒、有害等物質(zhì)資源化或徹底無害化處理還需要在設(shè)計實驗時充分考慮。當然，做好這項工作如果完全依賴于學生還存在諸多局限性，教師需要予以適當引導。另外，并不是所有的化學實驗都適合采用廢棄物為實驗儀器并以微型實驗的方式來進行，傳統(tǒng)實驗的某些固有優(yōu)點是這類微型實驗難以相比的，因此，必須正確處理好基于廢棄物的微型實驗和傳統(tǒng)化學實驗之間的關(guān)系?？紤]到實驗藥品的減量化和實驗儀器的微型化，教師應(yīng)該發(fā)揮主導作用選擇在微型條件下實驗效果和現(xiàn)象不受影響或者受較小影響的化學實驗指導學生開展實驗。最后，資源化(Recycle)在當前基于廢棄物的微型實驗中還體現(xiàn)的較少，因此，加強資源化在微型實驗中的作用也是今后需要努力的方向。

體現(xiàn)該原則可以從以下兩個方面進行考慮:首先是實驗產(chǎn)物或過量反應(yīng)物的資源化。中學化學及高等教育里學生所進行的實驗主要是驗證性實驗，其反應(yīng)的產(chǎn)物甚至副產(chǎn)物都已知，因此，根據(jù)化學實驗的具體方程式制定針對過量反應(yīng)物或產(chǎn)物的資源化或無害化處理完全是有可能的，關(guān)鍵問題是處理或資源化這些廢棄物的成本和效益，效益不僅包含潛在的經(jīng)濟價值還包括無形的生態(tài)效益。從長遠利益考慮，通過逐漸累積會對生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生不利影響的化學反應(yīng)廢棄物都要進行資源化和無害化處理。其次是實驗儀器的資源化，基于廢棄物的微型化學實驗依托于日常生活中的廢棄材料，對這些廢棄物的循環(huán)利用具有一定的期限，將徹底不能用于微型化學實驗的廢棄物丟棄于環(huán)境中會產(chǎn)生環(huán)境污染及資源浪費，因此，必須加強這類廢棄物的資源化工作。由于其處理具有量少而集中的特點，易于統(tǒng)一收購和管理，因此廢棄微型實驗材料的資源化從本質(zhì)上講就是收集日常零散的生活廢棄物并對其再利用，失去再利用價值時集中處理使其資源化的過程。

4 結(jié)語

微型實驗是傳統(tǒng)實驗的重要趨勢，而基于廢棄物的微型實驗又是微型實驗的進一步革新。與傳統(tǒng)實驗相比基于廢棄物的微型化學實驗實現(xiàn)了突破性進展，它是綠色化學理念在課堂中的具體實踐，更是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要體現(xiàn)，包含和體現(xiàn)了許多循環(huán)經(jīng)濟的思想，具有顯著的發(fā)展優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景?；趶U棄物的微型實驗優(yōu)點固然很多，但也要客觀認識到它存在的不足。科學設(shè)計實驗成為有效控制有毒、有害物質(zhì)的關(guān)鍵，教師在該過程中的及時引導至關(guān)重要;正確處理基于廢棄物的微型化學實驗和傳統(tǒng)化學實驗的關(guān)系是開展微型實驗的重要前提;加強循環(huán)經(jīng)濟3R原則中資源化(Recycle)原則在基于廢棄物的微型化學實驗中的影響是今后開展微型實驗的重要指導思想。將循環(huán)經(jīng)濟的理念徹底貫穿到基于廢棄物的微型化學實驗中，促使化學實驗真正實現(xiàn)綠色化、標準化、規(guī)?；俏磥砦⑿蛯嶒灠l(fā)展的重要方向。

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