化學工程與工藝專業實驗教學改革的探索

摘 要：化學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗教學貫穿于化學教學的始終?；瘜W實驗室的三廢問題不僅會對環境造成一定的破壞，最重要的是對學生產生不良影響。本文探討了目前國內各高校在實驗教學改革中的幾項措施，并舉例說明了我校在化工專業實驗教學改革中所做的工作。

關鍵詞:化學實驗；教學改革；綠色化學

一、化學實驗室三廢問題的現狀

我國著名的化學家戴安邦先生曾說過：“化學實驗教學是實施全面化學教育的一種最有效的形式?！被瘜W是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗教學貫穿于化學教學的始終。化學實驗在激發學生學習興趣、培養科學態度，培養觀察能力、思維能力、設計能力、實踐能力、訓練科學方法等方面，具有課堂講授等其他手段不可替代的作用。化學實驗體現了知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三位一體的課程功能。

然而，在化學實驗過程中，產生或釋放有毒、有害的物質不可避免地對環境造成污染。目前，大部分高校的化學實驗室都是一個環境的污染源，大量的廢水、廢氣、廢渣等未經處理就直接排放到了下水道或散發到了大氣中。隨著高校擴招和科研活動的日益頻繁，高校實驗室排放物已成為一種不容忽視的污染源，實驗室的三廢問題不僅會對環境造成一定的破壞，最重要的是對學生產生不良影響。

為規范和加強高校實驗室排污管理，天津市教委將轉發教育部、國家環保總局的《關于加強高等學校實驗室排污管理的通知》，將高校實驗室納入環境監管范圍，此外，在《天津市高校實驗室評估標準（試行）》中，也對高校實驗室的環境安全、廢棄物的處理做了明確規定。高校培養的化學化工類人才，今后都將是我國化學化工行業的頂梁柱，將直接影響我國化學化工行業的發展。作為高等院?；瘜W化工專業的學生，若不具備綠色化學意識，對實驗過程中產生的各種殘渣、廢液任意處理，將既污染環境，又造成資源浪費，違背可持續發展的社會意識。

二、綠色化學實驗室

綠色化學（Green Chemistry）又稱環境無害化學（Environmentally Benign Chemistry）、環境友好化學（Environmentally Friendly Chemistry）或清潔化學（Clean Chemistry），是指從污染預防的基本思想出發，在化工生產、化學實驗始端就采用預防的科學手段，使整個過程和終端達到零排放（Zero emission）或零污染。綠色化學是研究如何從化學反應的設計、反應的進行、產物的使用及廢棄過程中使污染減少到最小的新興科學，是一門從源頭上阻止污染的化學，被認為是未來化學發展的方向。

建立綠色化學與化工實驗室被認為是解決實驗室三廢問題的主要途徑，已成為一種必然的趨勢。進入21世紀，國內外建立綠色化學實驗室的呼聲逐年提高，國內有多所大學，如大連大學、山東農業大學、二炮工程學院、浙江工業大學、四川師范學院、深圳教育學院以及沈陽農業大學等，都先后建立或提出建立綠色化學實驗室，甚至一些中學也都提出建立綠色化學實驗室的概念。

建立綠色化學實驗室，其根本目的是從節約資源和防治污染的觀點來重新審視和改革傳統化學與化工實驗，采用“3R”（減量化Reduce、再利用Reuse、再循環Recycle）原則解決化學與化工實驗中出現的污染問題，目的是減少和消除對環境的污染，培養學生的綠色環保意識。

成立綠色化學實驗室，將減少化學實驗污染，與綠色化學零距離接觸，將綠色化學融合于化學課程教材改革和課堂教學改革中，使綠色化學成為化學教育的一個重要的組成部分，這是當前化學教育面臨的一項嶄新課題。

三、化學實驗教學改革措施探討

如何改革化學實驗室，使其成為綠色化學實驗室，是目前的首要任務，筆者認為，可以從以下三個方面改革。

1.演示實驗

演示實驗是化學教學中廣為應用，最為有效的一種教學形式，它可用于許多場合，用于化學概念、化學基本理論的教學，能為學生提供感性認識材料。用在課的開始，可起到激發學生興趣，調動求知欲望的積極作用；用于驗證假說，有助于培養學生進行推斷、作出結論、解決問題的能力；用于學生提出問題，可以考核學生觀察、記憶和運用知識的能力；用于解答化學問題，能啟發學生解題的思路。演示實驗可以使學生學到正確、規范的實驗操作方法和技能，受到教師良好實驗習慣和嚴謹認真的科學態度的熏陶和感染。

教師可運用錄像、VCD和多媒體課件等手段優化實驗教學，調動學生的積極性，突出重點、突破教學難點。演示實驗應使每位同學都能看清楚，對于一些現象細微或瞬間完成的實驗教師應借助實物投影儀把實驗放大，使學生看得真切；傳統的實驗教學遇到一些要求高、設備貴重的實驗往往難以開出，多媒體正好可彌補這一缺陷。例如：(1)物質條件受限制的化學實驗；(2)爆炸、毒性較大且不易控制的一些危險實驗；(3)易出錯誤的實驗，多媒體模擬一些錯誤的實驗，可使學生親眼感受錯誤操作的危險性，從而避免錯誤的發生；(4)微觀物質結構及其運動的實驗。有時通過語言描述比較困難，結構模型的使用又不方便，而借助多媒體三維圖功能則可以有利于學生對微觀世界的理解，有利于空間想象能力的培養。

2.微型實驗

微型化學實驗是20世紀80年代崛起、國際公認能體現綠色化學理念的一種化學實驗的新技術和新方法，其基本特征是儀器微型化和試劑用量少，具有污染少、現象明顯、快速、節約、安全等優點。微型實驗的開設對毒性大、藥品貴、耗量大、易燃、易爆、污染嚴重、操作復雜的化學實驗尤為重要，它能杜絕或明顯減少實驗過程中給環境帶來的污染，體現了綠色化學的原則。化學實驗微型化是微型化學實驗的重要組成部分，更是當前化學實驗教學改革的重點，對不斷增強學生的動手、創新能力，具有重要的意義。

微型化學實驗相對大多數常規實驗是有優勢的，但是，微型化學實驗也不可避免地存在著一些不足。微型實驗由于儀器、裝置都小，實驗的可見度低，如果不采用投影放大實驗現象的補救方法，或邊講邊實驗的方法就不宜用于演示實驗。另外，微型化學實驗在攪拌、抽濾、分液、控溫實驗操作上難度較高。

因此，在大學應推廣微型化學實驗，但這么做并不意味著要用微型化學實驗取代所有的常規實驗，而是要使兩者取長補短。

3.循環實驗

“發展循環經濟，實施清潔生產”是國內外很多化學化工企業近年來的發展口號，其實在大學化學化工實驗室也應提出“發展循環經濟，實現清潔實驗”的口號。

我校在循環實驗方面取得了一個成功的實例。大學的物理化學實驗《二元液系相圖》是一個重要的基礎實驗項目。該項實驗使用無水乙醇和環己烷試劑，在玻璃蒸餾器中兩種試劑配成不同組成的混合物，測定混合物的沸點和汽液相組成，繪制出具有最低恒沸點的二元液系相圖。通常，每組實驗要產生近200mL的乙醇-環己烷廢液，試劑費用也較大。一直以來，實驗結束后，都將廢液倒入下水道，既污染了環境，又浪費了資源，不符合綠色化學的思想，也對學生產生了不好的影響。

依據學校化學化工實驗室現狀及面臨的形勢，理學院提出跨院系建立綠色化學化工實驗室的設想：在理學院化學實驗中心與化工學院化學工程實驗室之間，開展綠色化學化工實驗改革。從節約資源、防治污染的角度，重新審視和改革傳統化學化工實驗，最大限度地減少實驗對環境的污染，培養學生綠色環保意識。

2005年設想一經提出，迅速得到學校領導及相關部門大力支持，學校立即設專項資金用于綠色實驗室的建設?！敖⒕G色化學實驗”項目立項以來，化學工程系教師與物化實驗室老師積極配合，對專業實驗教學進行改革。經過多次的實驗摸索，教師們嘗試將專業實驗之一《共沸精餾實驗》變更為《實驗室乙醇-環己烷廢液的分離與回收》。如今，物化實驗室的老師們指導同學將實驗廢液收集起來，送到化工實驗室進行實驗回收，回收后的無水乙醇、環己烷可重新用于物化實驗。在節省化學藥品、減少實驗開支的同時，綠色循環實驗的開設有效引導學生全方位樹立環保、循環經濟以及綠色化學意識。目前，已有六屆物化實驗、化工專業實驗學生參與了該項實驗項目的改革，實驗改革成果已在中國輕工教育上發表。在實驗教學中融入綠色化學與可持續發展的理念，注重培養學生的環保意識和節約資源的意識，將綠色化學理念貫穿實驗教學始終。

《實驗室乙醇-環己烷廢液的分離與回收》實驗改革，化學工程系老師帶領學生不僅嘗試了新的實驗內容，還嘗試了新的實驗教學模式：由原來教師做好實驗各項準備工作后學生單純機械地進行實驗操作，轉變為學生獨立查閱資料、自主設計實驗、準備實驗和獨立操作實驗。從儀器的配套選擇、安裝測試、藥品的領取、溶液的配制以及廢液處理等方面，實現學生全方位參與，極大提高了學生的實驗興趣和積極性。實驗涉及萃取、蒸餾、精餾、檢測等四大環節，綜合化工原理、化工熱力學、分離工程和儀器分析等多門課程的幾種實驗技術，在培養學生動手能力、相關知識和技能融會貫通的能力外，大大鍛煉了同學們良好的團隊合作精神。

近年來，同學們主動積極參與科研，踴躍參與各項開放性實驗和教師的科研項目，并先后多人次在天津市及全國性課外科技活動大賽上取得好成績。

總之，化學化工專業實驗教學改革是大學教學中一個永不褪色的題目，在大學化學教學中，我們需要不斷探索，實現多種實驗方法相結合，實現真正的“綠色”教學。

參考文獻：

[1]李克華，李愛國，童金強等.實驗教學改革與學生創新能力培養[J].長江大學學報(自然科學版)，2009，（02）：399-400.

[2]衣守志，楊迎花，肖玲.建立綠色化學與化工實驗室的設想[J].中國輕工教育，2006，（35）：3-4.

[3]徐漢生.綠色化學導論[M].武漢:武漢大學出版社，2000：5-10.

[4]王秋長，解濤，孫雁.理科化工實驗教學改革實踐[J].高等理科教育，2003，（01）：56-58.

[5]楊仁柱，朱福華.用微型實驗探究化學演示實驗[J].唐山師范學院學報，2006，（02）：54-56.

[6]吳燕，衣守志，劉丹鳳等.實驗室乙醇-環己烷廢液的分離與回收[J].中國輕工教育，2006，（35）：27-28.

注：本文為天津科技大學教育教學改革課題項目。