半微量有機化學實驗提高實驗效能的教學實踐

張 敏, 譚成玉, 劉 遠

(大連海洋大學 海洋科技與環境學院，遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著環境保護意識的不斷增強，高校基礎有機化學實驗對生態環境造成的污染早已不容忽視，有機化學實驗日趨向著減少三廢排放的微型化方向發展。而半微量有機化學實驗就是介于微型和常規有機化學實驗之間的一種化學實驗方法。與常規有機化學實驗相比，半微量有機化學實驗具有化學試劑用量減少、經費下降、安全性提高、污染物排放減少、實驗時間縮短、能源消耗降低等諸多優勢[1-4]，因此我校于1999年建立有機化學實驗室時就全面開展了半微量有機化學實驗。經過近20年的教學實踐，半微量有機化學實驗取得了良好的教學效果，受到學生們的普遍好評，并激發了學生對有機化學實驗課的興趣和學習積極性，課程結束時學生們常有意猶未盡的感覺。

1 有機化學實驗微型化的意義

微型化實驗是指在微小型的儀器中,用盡可能少的試劑來進行實驗(一般為常規量的1/10～1/1 000)[5]。微型化學實驗是20世紀80年代崛起的一種新型的化學實驗方法，被譽為化學實驗的革命，已在美國許多院校的基礎化學實驗教學中得到普遍應用。微型化學實驗符合綠色化學(20世紀90年代由美國化學會提出)理念下的預防化學污染的思想,是實現綠色化學教學的有效途徑，是化學實驗向可持續發展方向改革的目標[6-8]。微型化學實驗也于1989年被列入了我國高等學校化學教育研究中心的科研計劃，并由10多所院校協作開展國內微型化學實驗的系統研究與推廣工作[9-10]。在基礎化學實驗中，有機化學實驗所用的試劑多數易揮發、易燃、毒性較大, 常規實驗試劑用量大，三廢排放量大，耗時耗能，危險性高，因此有機化學實驗微型化是基礎有機實驗教學的必然趨勢[11-12]。盡管目前很多高校已采用微量或半微量有機化學實驗，但在上世紀90年代很少應用，仍然是以常規有機化學實驗為主。

我校于1999年籌建有機化學實驗室，受陳長水主編[1]的《微型有機化學實驗》書中內容的啟發，決定我校的有機化學實驗也要全面微型化，該建議得到了學校的大力支持。考慮到當時微型設備和配套的輔助設備較貴，實驗試劑的用量很少(液體1 mL以下、固體10 mg以下)[9]，對操作要求高,對于初學有機化學實驗的學生難度較大，會使一些基本實驗操作難以控制，實驗現象有時不明顯, 產品甚至難以得到，會影響實驗技能的掌握及對實驗的興趣，因此選擇半微量有機化學實驗(選用的圓底燒瓶和三角瓶的容量規格均為25 mL)[13]，實驗內容的選擇也遵循低毒、低污染的原則。當時只有食品工程、水產養殖和環境工程專業的學生學習有機化學實驗，但自1999年以來，我國普通高等教育開始大幅度擴招，我校涉及有機化學實驗的專業早已增加了生物技術、生物科學、食品質量、環境科學、海洋科學、水醫、水族等多個專業，多達20多個班。實施了近20年的半微量有機化學實驗，盡管沒有和常規有機實驗進行過對比統計，但是在節約資源、節約能源、節省經費、降低三廢排放等方面一定是非常可觀的，而且學生在實驗技能提高的同時，實驗安全意識、環境保護意識和社會責任感得到提升。尤其在半微量有機合成實驗中，由于反應物用量少，在合成、分離、提純各步操作中稍有疏忽就可能導致實驗失敗，因而可促使學生集中精力，認真操作，仔細觀察，從而促進其嚴謹的科學實驗態度及綜合實驗能力的提高。

2 整合半微量有機實驗提高實驗效能

我校必修有機化學實驗的專業不是化學或化工專業，因此學時相對較少，獨立設課的最多為36學時，非獨立設課的只有8學時(為化學實驗中的有機實驗部分)，每個實驗4學時，兩人一組操作。考慮專業特點，有機化學實驗課的內容是以分離、提純等基本操作為核心來設置的，這也體現在參編的《化學實驗》第三章分離提純基本操作中[14]。

理論課采用多媒體教學后，相同的學時下可以增大課上信息量，而相同的教學任務下可以減少學時來完成。因此，在實驗課內容的安排上，充分發揮了半微量有機化學實驗試劑用量少操作省時的優勢，整合實驗內容以提高實驗效能，即提高每次實驗的效率和學生的有機實驗操作技能。以蒸餾和分餾、柱色譜和薄層色譜為例，按常規有機化學實驗的課程設置，蒸餾和分餾為兩個獨立的實驗(常規蒸餾或分餾實驗需2～2.5 h)[15]，柱色譜和薄層色譜也是兩個獨立的實驗。而通過兩個半微量有機化學實驗，即乙醇的蒸餾與分餾(半微量蒸餾或分餾實驗只需30～40 min)、染料的柱色譜和薄層色譜分離完成了常規的4個實驗的教學任務，大大提高了實驗效能。

在乙醇的蒸餾與分餾實驗中，實驗目的是使學生掌握蒸餾、分餾的原理及其正確操作，掌握常量法沸點的測定，了解微量法沸點的測定。通過這個實驗，學生不僅比較性的學習蒸餾和分餾的原理、常壓蒸餾和分餾的正確操作，同時比較性的學習了常量法和微量法兩種沸點測定的方法。分餾比蒸餾就多了一個韋氏分餾柱，其他如沸點測定的方法都是常量法，接收裝置也相同，但一次分餾可以達到多次蒸餾的效果，從而可以達到更好的分離提純效果。因此講授結束后，讓學生先做乙醇的蒸餾實驗，熟悉裝置正確的安裝和拆卸順序，做到規范操作，熟悉常量法沸點的測定和產品的接收。蒸餾結束后再進行工業酒精的分餾實驗，這樣分餾實驗就很得心應手，并讓學生細心觀察分餾柱中的現象，理解分餾柱中實現的多次汽化-冷凝過程，這樣操作上的異同加深了學生對蒸餾和分餾實驗技能的理解掌握。而蒸餾和分餾得到的產品全部進行回收再利用。最后進行微量法沸點的測定，常量法和微量法沸點的測定原理相同但所用儀器不同，操作方法也不同，同時接觸兩種沸點測定方法，讓學生們感受到了科學實驗的魅力。

在染料的柱色譜和薄層色譜分離實驗中，實驗目的是使學生掌握柱色譜、薄層色譜的基本原理及其正確的操作方法。因為薄板用載玻片來制備比較快，但活化過程需要0.5 h，點樣展開也需要一定時間，而柱色譜裝柱和加樣洗脫過程都需要較長的時間，因此講授結束后，先讓學生做薄層板，放入烘箱開始活化后，讓學生開始裝柱。等薄層板活化好了，點樣展開，同時進行柱色譜的加樣洗脫，同時觀察。本實驗的柱色譜和薄層色譜原理都是吸附色譜原理，通過同時進行染料的柱色譜和薄層色譜分離，不僅使學生比較性的學習柱色譜和薄層色譜的正確操作，明確了柱色譜和薄層色譜分離的各自特點和優勢，而且學習了實驗時間的合理有序安排。同時看到3種染料通過柱色譜和薄層色譜達到良好的分離效果，學生都很開心，很有成就感，也激發了他們對有機化學實驗的興趣。

由于是兩個人一組進行實驗，實驗中經常會出現一個人動手另一個人觀摩的現象，因此在提高實驗效能方面也特別加強了實驗過程的考核。提高過程考核的比例，由原來的20%提高到50%，讓每一個學生都動起手來，鍛煉其實驗動手能力，從而提高實驗操作技能和分析問題解決問題的能力。

3 結 語

半微量有機化學實驗符合綠色化學理念，是有機化學實驗可持續發展的必然趨勢。多年的半微量有機化學實驗教學，使歷屆學生的實驗效能和實驗安全性得到了提高。此外，該實驗對于學生實驗的嚴謹性、準確性、規范性的培養起了很大的作用。只要教師以學生為本，有強烈的責任心，肯于付出，即使學時減少，通過整合半微量有機實驗提高實驗效能，就能確保教學任務的順利完成。在今后的實驗教學過程中,將不斷探索,力爭取得更好教學效果。現有的半微量有機化學實驗也將逐步向微型化方向發展，并增加綜合設計型實驗以提高學生科學實驗的綜合素質。