阮文科 彭蘭貞
(嶺南師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 廣東·湛江 524048)
所謂的“綠色”微型化學(xué)實驗,是指具有微型化的儀器和微量化的試劑的化學(xué)實驗。它不僅比常規(guī)化學(xué)實驗省錢、省時、省力,而且還比常規(guī)實驗更環(huán)保、更安全。早在20 世紀(jì)80 年代美國化學(xué)家Mayo 提出了微型化學(xué)實驗的概念,近年來,隨著科技發(fā)展與人們環(huán)保意識增強,“綠色”微型化學(xué)實驗越來越受到人們的重視。其中,微型儀器的種類日益更新以滿足更多實驗要求,而儀器規(guī)格形貌越小巧精致越受歡迎。早年,我校的劉一兵和沈戮老師[1]開發(fā)了一套多功能微型化學(xué)實驗儀器,其中有18 種共30 件由微型實驗操作臺及配套部件組成的便攜微型儀器箱,該儀器箱相當(dāng)于一個飯盒大?。?4×12×11cm)。該套實驗儀器探究性功能較強,可以任意組裝,能滿足中學(xué)大部分化學(xué)實驗,而且儀器組裝簡單以及方便攜帶,極大激發(fā)學(xué)生對化學(xué)實驗的學(xué)習(xí)興趣,提高了化學(xué)教學(xué)質(zhì)量,深受地方高校以及中學(xué)化學(xué)的教師的青睞。目前,大部分地方高校都普及了微型化學(xué)實驗教學(xué),該實驗相對安全,大大減輕了教師們心理壓力,而靈活自由儀器組裝又能激發(fā)學(xué)生的好奇心,增強學(xué)生實驗積極性和創(chuàng)造性,同時由于微型實驗所用的試劑藥品用量微量,既符合經(jīng)濟(jì)實惠又減少對環(huán)境的污染,因此,“綠色”微型化學(xué)實驗對地方高校的發(fā)展具有前瞻性、劃時代的戰(zhàn)略意義。
目前,地方高校的化學(xué)實驗室主要有無機、有機、物化、分析、高分子、精細(xì)化工、藥物合成、新能源材料化學(xué)以及各科研團(tuán)隊等實驗室,各實驗藥品試劑種類繁多,無疑大大加重學(xué)校對實驗室的管理負(fù)擔(dān)。尤其是有機實驗室,存放的大多數(shù)有機物有一定的毒性,沸點低,易燃、易揮發(fā),另外有機反應(yīng)一般副產(chǎn)物多,組成成分復(fù)雜的廢物廢液處理比較困難而且成本高,更重要的是,廢物廢液存量日益增多,還會增大實驗室安全隱患。[2]尤其最近幾年,已經(jīng)出現(xiàn)過幾次高校實驗室爆炸事件,引起全國各高校警惕,實驗室安全是每個高校不可忽視的大事,因此,綠色微型化學(xué)實驗走進(jìn)地方高校的實驗教學(xué)是非常有必要的。
其實,在上世紀(jì)八十年代后期,微型化學(xué)實驗已傳入我國,很快就引起國內(nèi)化學(xué)各界人士的重視,經(jīng)過這些年的努力,微型化學(xué)實驗基本普及到地方高校的各個實驗教學(xué)當(dāng)中。有華東師范大學(xué)開展無機化學(xué)實驗整體微型化的教學(xué)嘗試,[3]山東大學(xué)開展有機化學(xué)實驗微型化的教學(xué)以及我校開展中學(xué)化學(xué)實驗與微型化學(xué)結(jié)合教學(xué)等。目前大多數(shù)的常規(guī)化學(xué)實驗教學(xué),微型化學(xué)實驗教學(xué)都可以取而代之,例如:在氫氣的制取和性質(zhì)常規(guī)實驗中,若收集到的氫氣不純,極容易發(fā)生爆炸,存在極大風(fēng)險,采用微型化學(xué)實驗后,則大大降低實驗風(fēng)險;金屬鈉與水的實驗中,采用微型化實驗后,只需切取米粒大小的金屬鈉即可進(jìn)行實驗操作,而且該實驗裝置簡單、安全快捷、直觀性強以及現(xiàn)象明顯;在氯氣的制備及性質(zhì)實驗中,由于氯氣是一種有強烈刺激性氣味的有毒氣體,對人體和環(huán)境影響較大,采用微型化實驗后進(jìn)行一體化實驗設(shè)計,實驗操作簡便、安全,不用專門收集氯氣即可完成全部的性質(zhì)實驗,既減少氯氣逸出機會,又可節(jié)約試劑用量。總的來說,相對于經(jīng)費緊張的一般地方高校,微型化學(xué)實驗教學(xué)可以減少對藥品試劑的采購,尤其是存在極大隱患的易制毒易制爆的化學(xué)藥品的采購,不僅節(jié)約成本,而且便于實驗室管理。
綠色微型化學(xué)實驗教學(xué)是地方高?;瘜W(xué)實驗教學(xué)的一種創(chuàng)新性改革,而高校中教師作為教學(xué)活動的主導(dǎo)者和引領(lǐng)者,其實驗教學(xué)模式必須要從傳統(tǒng)的教授模式向綠色化、微型化進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)變。這就要求教師們不能照搬教材,死板地灌輸書面知識給學(xué)生,必須具有創(chuàng)新教學(xué)理念,因為微型化學(xué)實驗不是常規(guī)化學(xué)實驗簡單微型化,而是根據(jù)微型化學(xué)實驗的特點,以盡可能少的藥品試劑去獲取更多的化學(xué)知識。然而,有一些化學(xué)教師對于微型實驗存在一定誤解,缺乏對微型化學(xué)實驗的重要意義的認(rèn)識與了解,認(rèn)為微型化學(xué)實驗在經(jīng)費上可以得到一定節(jié)約,但會影響到實驗教學(xué)的質(zhì)量,甚至有些化學(xué)教師認(rèn)為,常規(guī)實驗的儀器比較齊全,再采用微型化學(xué)實驗儀器反而增加學(xué)校經(jīng)費開支。不可否認(rèn),目前微型化學(xué)實驗的確存在一定局限性,它的硬件(微型儀器) 和軟件(實驗內(nèi)容與方法)與常規(guī)化學(xué)實驗相比,還有待進(jìn)一步完善。[4]但經(jīng)過這些年的改善與創(chuàng)新,微型實驗的硬件和軟件方面得到很大提升。杭州師范學(xué)院研制成套玻璃和塑料系列微型化學(xué)儀器,山東大學(xué)研制出微型有機化學(xué)實驗制備儀,華東師范大學(xué)研制出初中微型化學(xué)實驗室(盒),天津大學(xué)研制出無機化學(xué)微型儀器、云南大學(xué)研制出便攜式微型化學(xué)實驗儀以及我校研制一套多功能微型化學(xué)實驗儀器等;而軟件方面的研究,主要是對常規(guī)化學(xué)實驗微型化去獲取更多化學(xué)信息然后對實驗進(jìn)行創(chuàng)新性改革,根據(jù)常規(guī)化學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)、功能、內(nèi)容、模式等進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)以及歸納前人化學(xué)實驗研究成果,探索出新的微型化學(xué)實驗技術(shù)和方法并加以科學(xué)設(shè)計,創(chuàng)新實踐。經(jīng)過多年實踐與創(chuàng)新,化學(xué)教師們試驗出系列效果顯著的微型化學(xué)實驗,氧氣制備與性質(zhì)、氫氣制備與性質(zhì)、乙酸乙酯制備與性質(zhì)、可燃性粉塵爆炸、電解食鹽水、噴泉等微型化學(xué)實驗。通過開創(chuàng)一些新穎的探究性、趣味微型化學(xué)實驗,打開當(dāng)代青年教師的眼界,使其和學(xué)生之間產(chǎn)生一種以教帶學(xué)、以學(xué)促教的良性循環(huán),轉(zhuǎn)變舊觀念,大膽創(chuàng)新,才能更好引領(lǐng)學(xué)生走向“綠色新時代”。
近年來,由于全國各高校不斷擴招,學(xué)生人數(shù)的增加,意味著學(xué)生實驗所用的實驗耗材也必然會增加,這不僅加重實驗室管理的負(fù)擔(dān),也導(dǎo)致大部分教師的實驗教學(xué)任務(wù)也越來越沉重。教師們除了在生理上覺得身心疲累,在心理上更是提心吊膽,擔(dān)心學(xué)生在實驗中出現(xiàn)事故,因為常規(guī)的化學(xué)實驗中易燃、易爆、毒、腐蝕等問題存在很大的安全隱患。而綠色微型化學(xué)實驗教學(xué)所需要的化學(xué)試劑用量一般只為常規(guī)實驗用量的幾十分之一乃至幾千分之一,化學(xué)反應(yīng)容量減少意味著危險指數(shù)的下降以及對環(huán)境污染的減少,所以在地方高校中微型化學(xué)實驗教學(xué)的引入是非常有必要的。另外,更重要的原因是,微型化學(xué)實驗與常規(guī)化學(xué)實驗相比,微型化學(xué)實驗可以根據(jù)不同要求任意組裝,具有體積小、時間省、反應(yīng)快、易操作、探究性功能較強等優(yōu)勢,更能激發(fā)學(xué)生的實驗?zāi)軇有院头e極性,有利于促進(jìn)學(xué)生綜合能力的發(fā)展以及樹立綠色化學(xué)新理念。
(1)綠色微型化學(xué)實驗教學(xué),有利于提高學(xué)生的觀察能力、動手能力。由于微型化學(xué)實驗的儀器具有微型化和試劑微量化兩大特點,即儀器體積小,試劑用量少,一般實驗反應(yīng)時間也相對較短,這對學(xué)生們的觀察能力和動手能力提出更高的要求。例如在氯氣的制備與性質(zhì)微型實驗中,所產(chǎn)生的氯氣遇到紫色石蕊溶液會使溶液變紅一會溶液又由紅色變?yōu)闊o色,若組裝儀器時沒有檢查好氣密性或不細(xì)心觀察其顏色的變化,學(xué)生一般很難推斷出氯氣溶于水后是具有兩種性質(zhì):酸性和漂白性。所以在微型化學(xué)實驗教學(xué),學(xué)生更是要細(xì)心觀察實驗中的每個細(xì)節(jié)以及精心操作實驗中的每一個步驟。
(2)綠色微型化學(xué)實驗教學(xué),有利于提高分析解決問題能力和創(chuàng)新能力。微型化學(xué)實驗教學(xué)所采用便攜式微型化學(xué)實驗箱,一般由一個多功能微型實驗操作臺以及各種類微型儀器所構(gòu)成,除了外形包裝美觀、儀器設(shè)計精巧,比常規(guī)儀器具有優(yōu)越性,在組裝上還可以靈活配置、可操作性強,學(xué)生可以根據(jù)不同的實驗要求進(jìn)行合理組裝儀器,開發(fā)學(xué)生們創(chuàng)新思維;微型化學(xué)實驗的易裝、易調(diào)、易拆卸的簡便之處,實驗操作可重復(fù)性強,學(xué)生在實驗中所發(fā)現(xiàn)的各種問題及反應(yīng)現(xiàn)象,還可以進(jìn)行重復(fù)多次驗證,不僅激發(fā)他們對新的未知的渴望和探究熱情,還提高了他們對實驗中所出現(xiàn)問題和現(xiàn)象分析與解決能力。
(3)綠色微型化學(xué)實驗教學(xué),有利于樹立綠色化學(xué)新理念。與地方高校中物理實驗和生物實驗相比,化學(xué)實驗排放的廢液、廢氣、廢渣對環(huán)境污染影響比較大。一直以來,各高校化學(xué)實驗室都會面臨著“三廢”回收與處理問題,而每年處理它都需要投入大量資金,對于一些經(jīng)費緊張的地方高校,簡直就是雪上加霜。因此,地方高校應(yīng)該從預(yù)防污染和資源節(jié)約等兩個層面上考慮,創(chuàng)新和改革傳統(tǒng)化學(xué)實驗,積極引入綠色微型化學(xué)實驗教學(xué),綠色化的微型化學(xué)實驗教學(xué)不僅是一種新的教學(xué)理念,也符合我國環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展理念的戰(zhàn)略。因此,在實驗教學(xué)過程中,教師必須積極探索綠色化實驗教學(xué),從綠色化學(xué)理念出發(fā),[5]讓學(xué)生在“綠色化”的微型實驗教學(xué)氛圍中,學(xué)以及用,節(jié)約資源,減少實驗室污染,更有利于培養(yǎng)學(xué)生樹立綠色化學(xué)新理念。
綠色微型化學(xué)實驗教學(xué)已經(jīng)引起越來越多的地方高校的關(guān)注和重視,它的省錢、省時、省力,環(huán)保、安全等優(yōu)點,展示了在化學(xué)實驗教學(xué)中發(fā)揮著越來越大的作用。但目前國內(nèi)有關(guān)的綠色微型化實驗儀器配置和制度還沒統(tǒng)一化,依然有待完善,然而這不影響到它對化學(xué)實驗教學(xué)起到積極意義,我們相信,隨著綠色微型化學(xué)實驗教學(xué)不斷優(yōu)化和改善,將會有更多師生認(rèn)識并了解綠色微型化學(xué)實驗,而它的存在與發(fā)展將會對推動地方高校發(fā)展也起到更深遠(yuǎn)的意義。