普通高等院校化學實驗微型化的研究與實踐

王軍 楊冬梅 張麗君

[摘 要]高等院校廣泛開展的化學實驗教學在幫助學生提升科學素質的同時也帶來了一定程度的環境污染問題。隨著人們環保意識的增強，微型化學實驗教學理念已經被國內外高校普遍接受并廣泛開展。文章介紹了兩個經典實驗項目的微型化、小型化設計思路以及實施效果。教學實踐研究結果說明，只要我們無懼困難，肯于研究，推行微型化學實驗是可行的，而且應持久開展下去。同時，微型、小型化學實驗的廣泛開展對提升學生的綜合素養、培養學生的社會責任感都有積極的作用。

[關鍵詞]素質教育；環境保護；高等教育；化學實驗；微型化

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）05-0065-03

大學生綜合素質是科學研究素質、思想道德素質、身體素質和心理素質的集中體現。隨著社會的發展和科技的進步，全面提高大學生綜合素質成為高等教育改革的一個重要目標。大學生素質教育在強調培養卓越人才的同時，也應更加注重培養學生將科學知識服務于社會的意識。東北大學人才培養總目標中明確要求，應堅持立德樹人，加強社會主義核心價值觀教育，培養學生的社會責任感。社會責任感包含的內容極其廣泛，其中之一就是珍惜資源、愛護環境的責任意識。增強學生的環境保護意識，使其在今后的職業生涯中，既能成為一名社會的建設者，也能成為一名自然環境的護衛者，這并非一蹴而就的事情，而是需要在教學過程中進行持續的熏陶和培養[1， 2]。在這樣的背景下，如何才能實現這個人才培養目標值得廣大教育工作者深入思考。

筆者多年來一直在高等院校從事物理化學理論和實驗課程的教學工作。在長期的教學實踐過程中筆者切身體會到，對于正處在科學觀和價值觀形成階段的學生而言，將先進的教育理念充分體現在各個教學環節之中是非常重要的，因為這樣會對學生未來的發展產生深遠影響。化學是一門實驗科學，其學科特征就是理論和實驗相輔相成。因此在進行理論課教學的同時，還需充分發揮實驗教學對理論教學的補充功能，不僅要向學生介紹先進的科學研究方法，還應培養學生的環保意識、責任意識，致力于提升學生的綜合素質。

一、高等院校化學實驗課教學面臨的新問題

在高等院校各種理科和工科專業的培養計劃中，化學實驗課程是其中的重要組成部分，是培養學生實驗、實踐能力的基礎課程。近年來，由于化學實驗對學生專業實驗、實踐技能的培養和科研素質的提升起到關鍵的作用，因此有越來越多學科和專業的學生在大學期間修學化學實驗課程[3， 4]。在東北大學，化學實驗課程面向全校的冶金工程、環境科學、采礦工程、材料科學、安全工程、應用化學等14個理工科專業、140多個班次開設。每年有4000余人次的學生接受化學實驗訓練，約占東北大學每年本科招生總人數的80%。

另外，如果學生主修的專業不同，其學習目的和需求的差別也較大[5， 6]。化學實驗課程教學效果直接影響到后續的專業學習，因此不同專業的學生希望根據自己專業的特點有針對性地學習實驗技能。例如，冶金工程、環境工程、環境科學、生物工程、材料科學等專業的學生想了解本專業課程實驗與化學實驗操作技術之間的密切關聯。而應用化學專業的學生則對化學實驗的深度和廣度有更高要求。由于修學的學生眾多，不同專業的學生對化學實驗課程無論是深度還是廣度的要求，其差別無疑是巨大的，從而導致化學實驗內容的復雜多樣。按東北大學近五年化學實驗課程教學大綱統計，全校每年開展的化學實驗項目達百余種[7]。

化學實驗課程除具備如上所述的課程特征之外，在近些年高等院校持續擴大招生規模和強調素質教育理念的雙重背景下，化學實驗教學的開展又出現了新的問題，即實驗材料費用迅速攀升和實驗試劑、實驗產物對環境造成污染。

二、化學實驗微型化的必要性

上述原因導致化學實驗中被使用的試劑和低值易耗品種類繁多、數量巨大，因此實驗材料的耗費量十分驚人。與此同時，還需要耗費大量資金對實驗過程中產生的廢液和廢渣進行無害化處理。假若直接排放未經處理的實驗廢棄物，就會既與環境保護的理念和建設節約型社會的國家戰略相悖，也不利于培養學生的綠色實驗觀念和環境保護意識[8， 9]。因此，近些年我們在注重培養學生實驗、實踐能力的同時，針對化學實驗教學廣泛開展所帶來的愈來愈嚴重的環境污染問題和資源浪費現象，大膽進行實驗教學改革，逐步加快了化學實驗微型化進程。

所謂微型實驗是指在微型的儀器設備中，用盡可能少的試劑獲取所需的化學信息的實驗方法。微型實驗不僅與常規實驗等效，而且還具有節約藥品、減少儀器損耗、節省時間、提高實驗安全程度等優點。由于微型實驗消耗試劑較少，產生的有害物質少，利于環境保護，因此微型實驗的經濟效益和環保效益都是顯而易見的。

微型化學實驗在20世紀80年代問世以后，在大學及中學化學教學中的推廣使用已經受到國際化學界的高度重視，許多發達國家積極響應。在我國，經教育部和高等化學研究中心批準成立的“全國微型化學實驗研究中心”已面向國內開展了二十余年的微型化學研究與推廣工作。目前，我國中學化學實驗的微型化程度較高，但普通高等院校的依然較低。這一方面是由于大學化學實驗的復雜程度遠高于中學的，開展微型化實驗難度較大，另一方面也是由于人們開展微型化實驗的意識不強。

作為教育工作者，我們需要牢固樹立教書不忘育人的教育理念，從自身做起，從身邊事情做起[10]；發揚克難奮進、持之以恒的精神，對化學實驗課程進行重新設計與探索，以達到用盡可能少的試劑和儀器耗費來獲取盡可能多的化學信息的目的；在注重學生實踐能力培養的同時，努力提升學生的環保意識。

三、微型化學實驗示例

在長期的化學實驗教學過程中，在保證實驗方案合理、實驗結果穩定、實驗效果顯著的前提下，我們致力于對現有化學實驗項目進行微型化設計[9]。此外，由于高等院校所開展的化學實驗項目的復雜程度遠高于中學化學教育且與其有著截然不同的特點，因此目前也有一些實驗項目尚未能夠實現微型化。對這類實驗項目我們也進行了重新設計，減少試劑的使用量，致力于將化學實驗教學對環境產生的危害降至最低。下面以“化合物的差熱—熱重分析”和“熱分析法繪制鉍—錫二組分體系固—液相圖”這兩個實驗項目為例具體說明。

（一）微型化實驗示例——“化合物的差熱—熱重分析”實驗

差熱—熱重分析方法是一種重要的科學研究方法，廣泛應用于化學、化工、材料、環境等學科領域。“化合物的差熱—熱重分析”實驗開展的目的是幫助學生掌握差熱—熱重分析方法的原理及其應用，學會定性地解釋差熱—熱重圖，并對影響測量準確性的因素進行初步分析。通過這個實驗，學生不僅更容易理解熱力學的基本原理，而且還掌握了一種測定其物理化學性質的常用方法。

“化合物的差熱—熱重分析”實驗是許多高等院校物理化學基礎實驗課程中的一個經典實驗項目，不同高校的實驗所采用的測試樣品種類可能不同，但是基本原理相同。這是一個基于物質在變溫過程中所發生的相變而設計的實驗。即當物質在加熱或冷卻過程中發生熔化、升華、汽化、凝固、分解、化合、晶型轉變、脫水、吸附、脫附等物理和化學變化時，經常伴隨著吸熱或放熱、失重或增重等現象。相應地，體系溫度隨時間變化曲線上就會發生停頓或轉折，體系質量隨溫度變化曲線上就會發生轉折或突躍。在通常情況下，由相變產生的熱效應相當小，或者某些化學反應的熱效應不顯著，這些情況都不足以引起體系溫度發生明顯的變化，也就是說體系溫度隨時間變化曲線上的頓、折并不顯著，甚至根本顯示不出來。因此，在進行差熱分析時，常常將待測樣品與熱穩定性良好的參比物（要求是在實驗溫度變化的過程中不發生任何物理變化和化學變化的物質，不產生任何熱效應，例如Al2O3、SiO2等）同置于加熱爐中，使加熱爐保持一定的升溫速率，記錄升溫過程中試樣與參比物的溫度差，將此溫度差對升溫時間作圖或對實時溫度作圖，即可得到待測樣品的差熱曲線。與此同時，記錄升溫過程中試樣質量變化，并對升溫時間作圖或對實時溫度作圖，即可得到待測樣品的熱重曲線。

在我們以往的“化合物的差熱—熱重分析”實驗中，每次測試所使用的CaC2O4·2H2O樣品量為0.5克。雖然從單次測試所使用的樣品量來看并不算太多，然而學生的基數很大，每人測試一次是0.5克，每年有數以千計的學生進行每人多次的測試，其樣品的使用數量大，且樣品焚燒后的產物之一CO2直接排放到空氣中。另外，由于測試時使用樣品較多、體積較大，因此很難保證樣品室內的溫場均衡，這也會導致實驗結果出現較大偏差。為了解決上述問題，在經過大量教學研究和理論推演后，我們重新設計了實驗方案，配置了差熱天平、微機差熱儀等新的儀器設備。在新設計的實驗中使用了微型樣品管，使每份CaC2O4樣品的使用量減少為原來的十分之一，即不超過0.05克。

教學實踐結果表明，“化合物的差熱—熱重分析”實驗微型化后有許多好處。其一，在大幅度削減化學藥品使用量的同時，實驗室內的溫度環境得到明顯改善。以往在實驗進行過程中，由于樣品室較大，爐體的體積也較大，升溫過程中爐體散熱量非常大。如果8套儀器同時進行實驗，50平方米的實驗室其溫度會升高8攝氏度左右。但在使用微量樣品室以后，實驗室溫的度升高值不超過4攝氏度。其二，由于微量樣品室中溫度分布更均勻，因此實驗結果更接近實際值，學生的實驗偏差也更小。其三，學生的實驗體驗與以往不同。采用新的微型化實驗方案以后，很多學生對采用如此微量的樣品就能獲得大量的關于化合物物理化學性質的信息感到非常驚奇。這也達到了我們努力為學生開設各種類型的實驗，逐步引導學生不僅學會做實驗而且學會深入分析實驗結果的目的。

（二）小型化實驗示例——“熱分析法繪制鉍—錫二組分體系固—液相圖”實驗

“熱分析法繪制鉍—錫二組分體系固—液相圖”實驗是我國很多普通高等院校理工科專業為學生設置的另一個經典的物理化學實驗項目。其開設的目的是幫助學生了解熱分析的方法，學會采用熱分析的方法繪制可生成合金的鉍—錫二組分體系固—液相圖，了解熱電偶的測溫原理和校正方法。通過這個實驗，學生可以更清晰地觀察到物態的變化以及物態變化所伴隨著的體系溫度變化。

熱分析方法是分析材料物理化學性質的一個基本的也是重要的方法，是根據體系在加熱或冷卻過程中發生相變時所對應的溫度來確定體系狀態的一種方法。對于透明體系且溫度不太高時，可用肉眼觀察某相的析出或消失；對于高溫且不透明體系，一般可通過冷卻曲線找出相變溫度。所謂冷卻曲線，也稱為步冷曲線，即熔融體系冷卻時的溫度與時間的關系曲線。一個熔融體系均勻冷卻過程中若無相的轉變，則體系的溫度將連續均勻地下降，得到一條平滑的冷卻曲線；若冷卻過程中發生相的轉變，則由于相變潛熱的影響，會使體系溫度的下降速度發生明顯變化，在相變發生時段冷卻曲線會出現轉折點或者水平線段。因此，觀察冷卻曲線的轉折點或水平段對應的溫度就可以得知體系發生相變時的溫度。我們設計的二組分體系固—液相圖的繪制實驗所采用的熱分析對象是鉍—錫二組分體系，該體系屬于有最低共熔點的有限固熔體體系。在測定得到一系列由不同含量鉍和錫組成的體系的冷卻曲線后，分析曲線的轉折點及水平段對應溫度并結合相律，便可了解到冷卻過程中體系的變化，從而繪制出體系的固—液相圖。

在以往的實驗過程中，我們是將一定配比的鉍和錫混合樣品放在坩堝中，并在其表面淋上一層硅油，之后加熱熔融。加入硅油的目的是防止加熱過程中金屬的揮發及氧化。通過文獻查閱不難發現，硅油的燃點為320℃，僅比鉍的熔點（271℃）高49℃。在加熱試樣時，隨著溫度的升高，硅油會大量揮發。而且，若實驗時升溫速率太快，熔體溫度過高，那么浮在金屬熔體表面的硅油會被引燃。這樣不僅會消耗大量硅油，其高溫揮發及不完全燃燒的產物還會污染空氣。為此，我們更新了實驗裝置，采用金屬樣品管盛裝樣品，單支樣品的用量從過去的120克減少到幾克。與此同時，我們不再使用硅油覆蓋，而是采用給樣品管抽真空的辦法來避免金屬熔體與空氣接觸。教學實踐結果表明，對“熱分析法繪制鉍—錫二組分體系固—液相圖”實驗的小型化設計不僅節省了大量實驗藥品，而且也從根本上解決了實驗過程中的空氣污染問題。

四、結論

微型化學實驗所具有的優勢已經被越來越多的人所認可。隨著人們環保意識的增強，微型化學實驗在國內外高等院校的教學與科學研究中也愈來愈受到廣泛的重視。進一步推廣微型化學實驗符合時代發展的需求，同時對改變學生科學研究觀、提升學生的科學素養、培養學生的環保理念、增強學生的社會責任感都是十分重要的。隨著微型化學實驗教學改革進程的持續推進，不可避免地會遇到一些困難和問題。對那些由于種種原因導致無法實現微型化的實驗項目，也應力求將實驗樣品使用數量降至最小。只要我們肯于潛心研究、克難奮進，不斷地更新教學理念，拓展教學改革思路，豐富實驗教學手段，化學實驗微型化目標就可以實現。

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[責任編輯：龐丹丹]