高校有機化學基礎實驗綠色化教學改革初探

劉佳奇　鄭婷婷　左　霞首都師范大學　北京　100048

高校有機化學基礎實驗綠色化教學改革初探

劉佳奇鄭婷婷左霞
首都師范大學北京100048

摘要：為推進高校有機化學實驗向“綠色化”方向健康發(fā)展，針對在有機實驗實際教學過程中出現的問題，探索了新的實驗教學改革思路：優(yōu)選實驗項目，強化綠色化學理念、控制反應用量、優(yōu)化教學方法，使整個實驗設計連續(xù)化、綜合化、科學化，不斷培養(yǎng)學生的環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展意識。

關鍵詞：有機化學實驗；綠色化學；實驗教學改革

高校有機化學實驗是面向化學、材料學、生物醫(yī)學等專業(yè)的大學生所開設的一門重要的基礎實驗課程。作為一門實踐應用性很強的基礎學科，有機化學實驗是經過長期摸索并逐步發(fā)展成為一門具備完整獨立教學體系的化學基礎學科。伴隨我國自然科技水平的顯著提高，在高校有機實驗教學中，也逐漸向實驗儀器現代化、合成方法新穎化以及教學內容多元化方向發(fā)展，使整個高校有機化學實驗不斷向綜合性、實用性、科研性方向轉變。為了全面貫徹學生創(chuàng)新能力和實踐能力的素質培養(yǎng)，越來越多的教師也著眼于對高校有機化學實驗的教學改革嘗試，旨在不斷提高化學學科的人才輸出質量。但是，在進行教學改革的同時，許多高校在授課前后也暴露了諸多問題[1]，這些問題具有普遍性，同時具有改革的必要性。本文針對其中突出的幾個問題談了筆者自己的看法，并嘗試給出一些切實可行的意見和建議。

近幾年，環(huán)境污染問題已經成為全世界人們關注的重點，尤其是在我國可持續(xù)發(fā)展的大背景下，正逐漸引起越來越多人的重視，對于化學化工行業(yè)“綠色化”發(fā)展的需求愈發(fā)明確、清晰。所謂的“綠色化”就是通過現有化學技術將環(huán)境污染降至最低，主要體現在原料綠色化、反應綠色化、產品綠色化等幾個方面。[2]而在高校教學有機化學實驗中，所涉及的絕大多數有機試劑藥品都具有毒性大、易燃、易爆等特點。特別是在實驗完成后所產生的大量化學廢物和廢液，更加需要我們嚴格并科學地進行處理，否則將會對人體和環(huán)境帶來潛在的、長期的危害。所以我們有必要在有機化學實驗教學中向“綠色化”教學轉變，并不斷強化大學生在學習和生活中的環(huán)保意識。

1　有機化學實驗改進方案

1.1優(yōu)選實驗項目 強化綠色化學必要性

在傳統(tǒng)的有機化學實驗教學中，教師在制定教學計劃時更多地考慮在實驗過程中實驗現象明顯、實驗操作簡單的實驗題目。但對實驗藥品的毒性、實驗過程的危險性和污染性并沒有給予更多重視，而在自我防范和危險處理等環(huán)節(jié)也都相對薄弱。若要真正實現有機實驗的“綠色化”，首先應該從授課教師的思維方式出發(fā)，使綠色化思想在教師頭腦中不斷得到強化[3]，這樣才可以保證授課教師在制定教學計劃時，能夠在不影響教學效果的同時，優(yōu)先選擇對人體危害較小、環(huán)境污染較輕的有機實驗題目。[4]

例如，傳統(tǒng)的制備溴苯實驗中所使用的苯和液溴等原料對人們的造血系統(tǒng)都有不同程度的傷害，同時液溴的腐蝕性也很強，在實驗操作上也帶來諸多不便，所以可以從現有實驗條件出發(fā)，選用正丁醇和溴化鈉作為反應原料制備另外一種鹵代烷烴—正溴丁烷，但在這個實驗中，同樣需要注意濃硫酸的正確使用以及回收有毒氣體(HBr)的操作方法。在制備安息香衍生物二苯乙二酮的合成實驗中，在氧化劑的選擇上，我們一般選用濃硝酸、醋酸銅、氧化鐵作為該反應的氧化劑，其中濃硝酸氧化體系在反應過程中極易放出大量的NO2氣體；醋酸銅氧化體系因為需要引入硝酸銨得到氧化亞銅離子，在反應條件控制不當的情況下，也容易放出NO2氣體，對環(huán)境和人身安全都造成了一定損害。相比較，以氧化鐵為氧化劑的體系，反應程度較為溫和，同時避免了有毒氣體的放出，能夠保證在控制好反應條件下初步實現有機實驗的“綠色化”，因此可以作為高校有機化學合成實驗內容之一。

1.2控制反應用量 推行有機實驗微型化

在有機實驗中的大部分藥品都是易燃、易揮發(fā)的，并且相當多的試劑和產品都具有一定的毒性，因此在實驗前的藥品保存和實驗中的環(huán)境污染問題都帶來了極大的困擾。為了最大限度地減少上述危害，同時還要保證教學效果，我們有必要使有機實驗中的裝置規(guī)模和試劑用量向微型化方向改進，這樣可以有效降低對環(huán)境的污染程度。[5]例如，在施行實驗微型化后所使用的燒瓶、酒精燈以及試管等也隨之小型化，這樣不僅可以縮短實驗進程，還有效降低了實驗成本。此外，在實驗試劑方面，通常將實驗試劑微型化定為常規(guī)用量的1/2～1/5；甚至可以降低至半微量(常量的1/5～1/10)以及微量(1/10以下)。但是，在進行微量化實驗時投料量減少，稍有操作不當就可能導致實驗失敗，所以在實驗過程中要求學生對每個實驗細節(jié)給予充分重視，這樣在體現有機實驗“綠色化”的同時，又對學生的實驗操作能力提出更高的要求，進一步提高學生的綜合實驗技能。如藥品稱量的精度控制、反應時間及溫度控制、粗品提取的產品損失，都可能對終產物的產率或轉化率產生實際影響。

1.3推進有機實驗項目連續(xù)化

在大學有機化學實驗課程安排上，安排一些連續(xù)性較強的實驗題目也是十分必要的。[6]傳統(tǒng)的有機實驗項目都是相對獨立的，主要是將反應類型和操作特點作為出發(fā)點選題，所用于合成中的原料和產品能否做到利用最大化以及廢物和廢液的處置是否合理，是一個被大多數人在相當長的一段時期內所忽視的問題，所造成的負面影響不言而喻。所以我們需要通過調整實驗內容，并結合實驗特點以及訓練要求，設置一些具有連續(xù)化特征的合成實驗題目，將一些原本獨立單一的實驗項目有機結合成為一個多次完成的連續(xù)型實驗。例如在“工業(yè)乙醇的蒸餾”實驗中所得到的高純度乙醇餾分可作為后續(xù)重結晶實驗的溶劑[7]；重結晶實驗后的乙醇溶劑又可經過簡單分餾繼續(xù)作為“從茶葉中提取咖啡因”的萃取溶劑；最后，在實驗室教師妥善保存下繼續(xù)對乙醇進行重復利用，這樣在完成教學目標的前提下對乙醇實現了利用最大化。同樣，在“乙酸乙酯的制備”合成實驗中所得產品可以作為“乙酰乙酸乙酯”實驗的原料，再利用水蒸氣蒸餾方法提純產品。像這樣連續(xù)化實驗的設置顯著體現了有機實驗“綠色化”的特點，同時也使學生在提高產率方面起到良好推動作用。

1.4優(yōu)化教學方法 貫徹綠色理念

傳統(tǒng)的實驗教學要求學生在課前充分預習，但在實際操作過程中，授課教師為避免發(fā)生不必要的危險，刻意省略了一些在有機實驗中相對危險卻較為重要的內容，導致學生在實驗能力上沒有得到有效地提高，還可以有效避免對于有毒有害藥品的浪費和污染。因此，我們在有機實驗教學過程中，可以優(yōu)化教學方法，結合虛擬仿真模式[8]，將實驗過程的每一個細節(jié)進行分解和凝練，指出正確的操作方法以及容易出現問題的環(huán)節(jié)，使學生在實際操作之前能夠非常清晰地理解該實驗的重點和難點，并強調綠色實驗的重要性；同時，授課教師應該通過課前的預實驗精確把握實驗要領，并帶領其中一個小組學生完整進行該實驗的操作部分，用行動證明規(guī)范操作的重要性以及出現緊急問題該如何應對等方面，促使學生用心、細心、放心地完成每一個實驗，同時對青年教師的教學能力的培養(yǎng)也會起到積極的促進作用，能夠有效及時地發(fā)現實驗過程中的問題，不斷豐富其知識儲備，以求達到更好的教學效果。

2　結束語

在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，高校有機化學的綠色化理念是十分必要的。通過近幾年的實踐證明，將綠色化理念滲透至有機化學實驗中將會對學生綜合實驗技能以及環(huán)保意識都是非常有效的促進。學生在實驗過程中，有效避免了實驗對人身和環(huán)境的傷害和污染的同時，更重要的是有效激發(fā)了學生的實驗興趣，規(guī)范了實驗操作。當然對于實現有機化學實驗的綠色化，我們還有很多地方需要改進，通過實驗改革使大學有機化學實驗教學更加合理化、科學化、精確化。

參考文獻

[1] 唐倩,龔成斌.有機化學實驗教學改革研究[J]. 西南師范大學學報:自然科學版,2013,38(3):165.

[2] 董銳,何建玲.綠色化學理念在有機化學及實驗教學中的應用[J].大學教育,2013(12):90.

[3] 江文輝,羅一鳴,唐瑞仁,等.有機化學實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2009,28(12):115.

[4] 楊國玉,徐翠蓮.有機化學實驗綠色化教學的改革與實踐[J].實驗室科學,2010,13(4):26.

[5] 袁珂,胡潤淮,李玉賢,等.積極推廣微型化學實驗深化教學改革-有機化學實驗教學改革的探索[J].高等師范教育研究,1999(63):24.

[6] 虞春妹,劉晟波.高校有機化學實驗的綠色化管理路徑探究[J].中國現代教育裝備,2010(10):119.

[7] 倪人捷.有機化學實驗綠色化教學改革的探索與實踐[J].教育教學論壇,2013(48):204.

[8] 付穎,葉非.基礎化學系列實驗課程體系優(yōu)化[J].大學化學,2013,28(2):25.

材料科學課程教學專題①

Preliminary Study on Teaching Reform in College Green Organic Chemistry Experiment

Liu Jiaqi, Zheng Tingting, Zuo Xia
Capital Normal University, Beijing, 100048, China

Abstract:To promote the healthy development of college organic chemistry experiment to "green" direction, for some problems appearing in the actual teaching process organic experiment, we explore the new teaching reform. Preferring the experimental subject and strengthening the concept of organic experiment teaching of "green chemistry ". Controlling the amount of reaction and optimizing the teaching methods, which make the entire experimental design more continuous, comprehensive and scientific, and then develop students' awareness of environmental protection and sustainable development.

Key words:organic chemistry experiment; green chemistry; experimental teaching reform

基金項目：北京市教委科研計劃項目(編號：KM201510028008)；首都師范大學2014年實驗教學改革項目(編號：024145609800/006)。

作者簡介：劉佳奇，博士，講師。鄭婷婷，博士，高級實驗師，化學系實驗教學中心副主任。

收稿日期：2015-08-27