高校有機化學實驗“綠色化”教改模式的探討

【摘要】為推進高校有機化學實驗向“綠色化”的方向健康、穩步邁進，本文對該教學模式進行了初步探討并提出了教改思路：在有機化學實驗教學中注重“綠色化學”的觀念，改進實驗技術，把相關的實驗整合成綜合性實驗，不斷培養學生的環境保護和可持續發展意識。

【關鍵詞】有機化學實驗 綠色化學教學改革

近年來，隨著我國高校有機化學實驗課程的實驗人數、實驗規模不斷擴大，實驗過程中大量的有機試劑的使用所造成的環境污染已不容忽視。如何減少實驗過程中有毒試劑的用量、提高試劑的利用效率、降低回收試劑后的處理工作難度，已成為迫切需要解決的問題。加快推進高校有機化學實驗“綠色化”教學改革成為解決此問題的有效途徑。綠色化學是近年來產生和發展的新興交叉學科，是當今國際化學研究的前沿。它要求利用化學原理和技術從源頭上消除環境污染，要求使用的化學品應遵循5R原則：不用危險品(Reject)、減少用量(Reduce)、循環使用(Recycle)、回收再用(Reuse)、再生(Regeneration)。

推進有機化學實驗“綠色化”改革，既是實驗教學改革中的重要組成部分，也是有機化學實驗教學中的嶄新課題。有機化學實驗常會產生毒性較大、對環境污染較嚴重的廢氣、廢液、廢渣，我們雖然暫時無法將實驗的全過程、全部實驗實行“綠色化”，但可以充分利用現有實驗設備和各種實驗條件對部分實驗進行“綠色化”設計，使產品循環利用，這樣既可鞏固學生的基本實驗操作能力，又可減少實驗廢物的排放，減輕對環境的污染。提倡“綠色化學”教育，依據“綠色化學”的環保理念，有機化學實驗過程中使用藥品應遵循5R原則。結合5R原則要求，筆者認為工科院校有機化學實驗“綠色化”教學模式的推行需完善以下幾個環節。

一、整合部分有機化學實驗內容，增設綜合性設計實驗

傳統的有機化學實驗教學一般分為三個部分：基本操作部分，即作為化學實驗的入門操作，如玻璃工操作，普通蒸餾、萃取等；驗證性實驗部分，即各類化合物的性質驗證，用于進一步鞏固和拓展理論知識，加深學生對課堂教學內容的掌握；合成實驗部分，考查學生綜合實驗技能。通常合成實驗只是從合成反應的類型出發來設置的，這樣就使各個部分實驗孤立起來了，部分學生只注重實驗結果，而忽視基本操作，做過的實驗印象不深。這導致上述三個部分在教學安排上較獨立，并造成學生對化學實驗認識不深刻，忽視了這三部分的密切聯系，從而造成部分學生在實驗過程中陷入“做到后面，忘了前面”的不利局面。此外，由于合成實驗一般安排在實驗教學的后期完成，實驗后回收的大量產品因不能得到更好地利用而被廢棄，污染環境，這有悖于綠色化學所倡導的“回收使用、循環使用”原則。因此，為了最大限度地提高試劑的利用率，使學生對有機合成實驗留下較為深刻的印象，又能起到保護環境的作用，可以設計一些綜合性實驗。例如：可在基本操作部分首先做“工業乙醇的蒸餾”，得到的乙醇產品可留待“萘的重結晶”做溶劑，重結晶的母液又可在下一個實驗“簡單分餾”中得以分離，回收的乙醇產品還可用于“從茶葉中提取咖啡因”，提取咖啡因后回收的乙醇由實驗室統一保管，留待下一年級學生新一輪實驗開始時再做“工業乙醇的蒸餾”，這樣提高了溶劑的利用率。對于制備實驗，在考慮單元操作訓練和反應類型的選擇基礎上，使一個實驗的產品盡量成為下一個實驗的原料，如苯胺一乙酰苯胺—對乙酰氨基苯磺酰氯—對氨基苯磺酰胺的制備。乙酸乙酯一乙酰乙酸乙酯-2-庚酮的制備等。這樣減少了廢棄物的排放，減輕了對環境的污染。

另外，綜合性實驗可以培養學生的綜合素質，提高學生發現問題、解決問題的能力，增強合作精神、質疑精神。但若按傳統的實驗，不僅浪費資金，也帶來試劑儲存、產品處理、環境污染等棘手問題。傳統實驗構建的單元化實驗內容是基于理論教學的順序性，大多數實驗教材是按化合物的類型或反應類型進行編排，導致實驗內容孤立化。為了把有機化學實驗內容有機結合起來，培養學生的綜合實驗能力和思維能力，可把幾個相關的實驗組合成系列的合成實驗，并盡量選擇無毒、低毒、價廉的試劑做原料，從源頭上控制污染，這樣不僅克服了實驗內容和操作方法上的單調重復，而且大大減少了實驗藥品的用量，節約了大量的實驗經費，減少了環境的污染。例如：在合成“1-溴丁烷”后，緊接著用其產品進行“液態有機化合物折光率的測定”，節省了單獨作此實驗所需要的藥品，剩余的1-溴丁烷回收精制后用于驗證鹵代烴的性質。這樣不僅鍛煉了學生的綜合實驗技能，養成了嚴謹的科學態度，提高了學生的實驗興趣，而且節約了大量的實驗藥品和實驗經費，最大程度上提高了原料的利用率，減少了污染源。

二、引進微波、超聲波等新的實驗技術

微波作為一種新型能源形式可用于許多有機化學反應，其促進有機化學反應速率可比傳統的加熱技術快數倍甚至數千倍，具有反應條件溫和、操作方便、時間短、節能、產率高、產品易純化、減少藥品用量或不用溶劑、對環境友好等諸多優點。此外，在有機化學實驗中引入微波技術，是有機化學實驗“綠色化”的一個重要手段。超聲波可引發、促進化學反應，可使反應時間縮短、反應速度加快，從而也可減輕有機化學反應對環境的污染。通過新的實驗技術的引入。可以拓展學生的知識面，促使他們接受和學習新的知識體系，牢固樹立科學發展觀，在有機化學實驗課程中積極踐行科學發展觀的理念。

三、實驗教學中貫穿多媒體輔助教學

前文提到傳統有機化學實驗中有相當一部分內容為化合物的性質實驗，實驗涉及試劑種類較多，內容繁多，包括烴、醇、酚、醛、酮、酸、胺、糖等內容。性質實驗能加深學生對理論知識的掌握，提高學生對化合物的鑒別能力，培養學生的創新能力，因此性質實驗必不可少。按照兩人一組的實驗模式，多個平行班級均需開設此課，如全部內容都要完成，所需試劑種類較多，總用量較大，實驗時間較長，實驗操作要求難度不高，而且實驗污染相對較嚴重，試劑回收處理困難。對性質實驗部分，應有選擇地保留一部分典型且污染程度相對較小的內容，將其壓縮成一次教學過程完成；對于污染較嚴重、毒性較大的實驗，如苯的硝化反應，尚無法通過改進而減少污染實現綠色化的，則可通過錄像、多媒體等形式將實驗過程演示或者模擬。目前，互聯網上模擬性質實驗及性質實驗演示視頻等資源較多，對其加以合理利用將會有效地減少實驗污染。為此，筆者將性質實驗內容進行了如下的教學改革：性質實驗總學時不變，而將實驗內容分為觀看教學影像資料和現場操作兩部分。教學視頻中演示人員操作規范，實驗原理講解清晰透徹，實驗現象明顯，學生在觀看時既能學習規范操作、深刻理解實驗原理，又能加深對性質實驗的認識，筆者將多媒體輔助教學資料投放到系內部網站上，學生還可在課余時間下載、學習，查看更多的實驗教學資源；選擇經典且污染較小的性質實驗，以性質鑒別的形式由學生完成，既提高了教學要求，也鍛煉了學生的思維能力。實踐表明，將多媒體輔助教學貫穿到實驗教學中既減少了以往性質實驗帶來的環境污染，也激發了學生的學習興趣。

四、推行半微量化操作模式，同時有條件地進行微型化實驗探索

對有機化學實驗而言，如果在減少藥品用量的同時，對實驗結果及實驗現象的觀察又不會造成大的影響，也不失為減少實驗污染的有效途徑。為此，筆者考察了半微量化操作和微型化學實驗在有機化學實驗教學改革中實施的可行性。按照“綠色化學”所倡導的“減少試劑用量”的原則，微型實驗所需試劑用量最少，污染最小，理應被推廣，而微型實驗從1985年在美國被Butcher等人首次設計提出，已經歷了較長的發展期。其優點在于可以大大節省實驗藥品用量，降低實驗教學中試劑的損耗(一般節約開支90％)，從而有效地減少對環境的污染。當然除了上述顯著優點外，研究表明，微型實驗還兼有縮短反應時間、節省實驗空間、提高學生動手能力的優越之處。但是，由于廣西工學院生物與化學工程系有機化學實驗教學改革剛起步，面臨著實驗設施不完善、經費不充足等問題，目前還不具備嘗試微型實驗的條件。首先，由常規實驗向微型實驗轉型的改造投入費用較高，據統計，其初始投資約需6年的時間，方可通過藥品的低消耗來補償；其次，微型實驗對藥品的用量極少，一些揮發性較強的試劑，在用量上不好控制，學生由于實驗水平的限制，無法順利地完成操作，在以揮發性試劑為主的有機化學實驗中受到限制，尤其是實驗步驟較多的合成實驗不宣適用。因此，筆者對微型實驗環節還處于初步探索階段。目前筆者著力于半微量實驗操作的推廣。實驗中一般選用規格為50 mL的圓底燒瓶進行蒸餾和合成等操作，性質實驗劑量控制在0.5～1 mL現象較明顯，通過半微量實驗操作在一定程度上也能達到減少污染的目的。

筆者認為，有機化學實驗“綠色化”教學改革的順利推進，須從實際出發，進一步完善教學內容，探索行之有效的實驗操作模式，不可盲目實施。除了上述舉措外，實驗“綠色化”教學改革還可將微波反應技術、仿真實驗運用于其中，既可緩解設備不足的壓力，也能減少有機化學實驗造成的環境污染和實驗人員的健康損害。總之，對有機化學實驗“綠色化”教改模式的探索將是一個漫長的過程。

【作者簡介】郭為民(1972- )，男，湖南邵陽人，廣西工學院生物與化學工程系副研究員，研究方向：電化學、功能納米材料制備與應用；鄭燕升(1964- )，男，廣西貴港人，廣西工學院生物與化學工程系副主任，副教授。研究方向：精細化學品合成與應用。

(責編 黎 原)