基于“綠色化學(xué)”理念的分析化學(xué)實驗混合式教學(xué)實踐
——以葡萄糖含量測定為例

馮小庚 婁振寧 王月嬌 毛全興 許旭

遼寧大學(xué)化學(xué)院 （遼寧沈陽 110036）

分析化學(xué)實驗課程作為化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、食品科學(xué)、生命科學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在整個高校教學(xué)體系中起著至關(guān)重要的跨專業(yè)銜接作用[1-2]。遼寧大學(xué)（以下簡稱“我校”）化學(xué)院開設(shè)的分析化學(xué)實驗課程在引領(lǐng)學(xué)生以實踐形式掌握分析化學(xué)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時，著力于提高學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識和解決實際問題的能力，致力于培養(yǎng)能全面適應(yīng)新時代背景要求、可推動社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。作為遼寧大學(xué)化學(xué)院面向本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，分析化學(xué)實驗課程所設(shè)實驗項目豐富，參與課程的學(xué)生數(shù)量眾多，因而教學(xué)過程中所使用的化學(xué)藥品、試劑種類眾多且使用量巨大，若處理不當(dāng)，不但會對生態(tài)環(huán)境造成污染，還有可能對參課師生的身體健康造成威脅。此外，《遼寧大學(xué)化學(xué)院分析化學(xué)實驗課程大綱》所規(guī)定的部分實驗項目所用的化學(xué)藥品、試劑，有的價格高昂，有的制備過程需要耗費極大的人力、物力資源，如不合理規(guī)劃使用量，會造成嚴(yán)重的資源浪費。

綜上所述，現(xiàn)階段我校分析化學(xué)實驗課程仍存在以下兩個主要問題：（1）參加分析化學(xué)實驗課程的學(xué)生數(shù)量眾多且需獨立完成實驗，實驗教學(xué)所需化學(xué)藥品、試劑使用量大，不僅易對生態(tài)環(huán)境造成污染，也增加資源損耗，造成浪費；（2）部分參課學(xué)生因操作不規(guī)范、缺乏環(huán)保意識、實驗原理及操作方法掌握不扎實等原因，需反復(fù)多次實驗，進(jìn)一步加劇資源損耗。

近年來，隨著全社會環(huán)境保護(hù)意識與節(jié)約意識的提高，“綠色化學(xué)”理念在化學(xué)實驗教學(xué)中受到越來越多的關(guān)注[3-5]。“綠色化學(xué)”又稱為可持續(xù)發(fā)展化學(xué)，該理念提倡高校在進(jìn)行實驗課程教學(xué)時，通過合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識等方法，從源頭減少或避免使用對生態(tài)環(huán)境和人體健康有害的化學(xué)藥品、試劑，以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低實驗成本[6-7]。受“綠色化學(xué)”理念的啟發(fā)，我校分析化學(xué)實驗課程教學(xué)團(tuán)隊依托《遼寧大學(xué)化學(xué)院分析化學(xué)實驗教學(xué)大綱》，以葡萄糖含量測定實驗為例，推行了強(qiáng)化課前預(yù)習(xí)、虛擬實驗應(yīng)用、“綠色化學(xué)”意識培養(yǎng)、微量實驗法推廣等多種手段相結(jié)合的分析化學(xué)實驗課程教學(xué)改革與實踐。

本次教學(xué)改革以葡萄糖含量測定實驗為例，使學(xué)生深入理解并掌握間接碘量法測定溶液中葡萄糖含量的原理、培養(yǎng)學(xué)生“綠色化學(xué)”意識、強(qiáng)化學(xué)生對專業(yè)知識理解及實驗技能掌握的同時，通過推廣虛擬實驗法和微量實驗法，在保證葡萄糖含量測定實驗結(jié)果準(zhǔn)確性和教學(xué)效果的前提下，最大限度地減少碘化鉀、碘酸鉀等反應(yīng)物的使用劑量，有效地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，顯著地降低實驗教學(xué)成本。此外，本次教學(xué)改革與實踐為我校分析化學(xué)實驗課程中其他實驗項目教學(xué)提供了良好的改革依據(jù)，有助于我校分析化學(xué)實驗課程實現(xiàn)高素質(zhì)人才培養(yǎng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙維度可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)目標(biāo)。

1 利用線上資源，筑牢基礎(chǔ)

在以葡萄糖含量測定實驗為例的分析化學(xué)實驗課程改革中，教學(xué)團(tuán)隊收集并篩選了大量包括教學(xué)視頻、中英文雙語教材、英文板書、實驗現(xiàn)象視頻在內(nèi)的優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，并對其進(jìn)行拓展、整合、優(yōu)化。以整合優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源為基礎(chǔ)，授課教師在課前利用校內(nèi)小規(guī)模在線課程平臺（下文簡稱“SPOC 平臺”）向?qū)W生下達(dá)任務(wù)，安排學(xué)生對實驗內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)。與此同時，授課教師通過線上SPOC 平臺發(fā)布葡萄糖含量測定實驗相關(guān)的討論話題，如葡萄糖含量測定對食品工業(yè)和醫(yī)學(xué)研究的意義、葡萄糖含量檢測的常用方法等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生了解葡萄糖含量測定的實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒灧椒ê蛯嶒灢襟E，也避免因?qū)W生預(yù)習(xí)不足引起的人身傷害和實驗藥品浪費。

學(xué)生完成實驗預(yù)習(xí)后，可通過線上平臺向授課教師提出問題，并帶著問題進(jìn)行課堂實驗。在課后，授課教師也會利用校內(nèi)SPOC 平臺向?qū)W生發(fā)布與葡萄糖含量測定實驗相關(guān)的拓展資源，例如國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測葡萄糖含量的方法、血糖儀的檢測原理等，幫助學(xué)生更加深入地理解葡萄糖含量測定實驗的原理，有效地將課堂所學(xué)的理論知識與實際問題相結(jié)合[8]。

2 引入虛擬實驗，深化理解

教學(xué)團(tuán)隊根據(jù)授課進(jìn)度引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實驗操作練習(xí)。學(xué)生可在虛擬實驗室中身臨其境地模擬實驗操作過程、觀察實驗現(xiàn)象。這種方式既不產(chǎn)生實驗廢棄物，也不會對人體造成危害。此外，學(xué)生在參加實驗課程前進(jìn)行虛擬仿真實驗，能夠加深對實驗原理、實驗步驟的記憶與理解，有助于提高在實際實驗操作過程中的規(guī)范性，避免因不規(guī)范操作導(dǎo)致的人身傷害和實驗資源浪費。同時，線上虛擬實驗不受時間、空間的限制，學(xué)生可充分利用課余時間反復(fù)操作練習(xí)，逐步總結(jié)和反思。

針對葡萄糖含量測定實驗，學(xué)生可利用虛擬實驗平臺進(jìn)行溶液的配制、單質(zhì)碘的制備和返滴定法操作練習(xí)等。操作結(jié)束后，虛擬仿真實驗平臺會根據(jù)學(xué)生各步驟操作自動生成實驗數(shù)據(jù)，以便學(xué)生計算測定結(jié)果。虛擬實驗結(jié)束后，虛擬仿真實驗平臺還會針對學(xué)生的各步驟操作給出綜合性評價，幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識到自己在實驗過程中的不規(guī)范行為及錯誤操作，有效加深對葡萄糖含量測定實驗原理及操作的理解。

3 推行微量法教學(xué)，踐行綠色理念

參加分析化學(xué)實驗課程的學(xué)生數(shù)量眾多，實驗過程中需使用的反應(yīng)試劑品種繁雜。進(jìn)行葡萄糖含量測定實驗時，不可避免地要使用碘化鉀、碘酸鉀和硫代硫酸鈉等藥品、試劑。在這些試劑中，碘化鉀和碘酸鉀價格昂貴，且碘化鉀是一種需要在實驗過程中過量添加的反應(yīng)物，反應(yīng)結(jié)束后廢液中仍有大量剩余。因此，基于傳統(tǒng)常量法進(jìn)行此項實驗教學(xué)時，往往需要耗費大量的藥品和試劑，并產(chǎn)生大量的碘排放。為踐行“綠色化學(xué)”思想，降低實驗過程中藥品和試劑的使用量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低實驗成本，教學(xué)團(tuán)隊推行了基于微量法的葡萄糖含量測定實驗教學(xué)改革。教學(xué)團(tuán)隊通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撛O(shè)計，在確保葡萄糖含量測定結(jié)果準(zhǔn)確性（測量相對誤差不大于0.2%）的前提下，合理降低待測樣本的采樣量，進(jìn)而降低整個反應(yīng)過程中每一環(huán)節(jié)藥品、試劑的使用量。在保證實驗效果和教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，有效避免了實驗資源浪費，保護(hù)了自然生態(tài)環(huán)境。

與傳統(tǒng)常量法實驗相比，改革后的微量法實驗中多種藥品用量明顯降低，尤其是碘酸鉀及濃鹽酸。遼寧大學(xué)化學(xué)院分析化學(xué)實驗課程年平均授課學(xué)生數(shù)量約為540 人，僅葡萄糖含量測定實驗教學(xué)中，每年共計可減少碘酸鉀使用量約810 g，減少碘化鉀使用量約810 g,減少鹽酸使用量約16.2 L。具體如表1所示。

表1 常量法與微量法實驗藥品使用量對比

4 規(guī)范實驗操作，嚴(yán)守實驗安全

眾所周知，分析化學(xué)實驗需嚴(yán)格按照實驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與操作規(guī)范的要求進(jìn)行，實驗過程中的違規(guī)操作輕則導(dǎo)致實驗失敗和實驗藥品浪費，重則會直接危害實驗人員的生命財產(chǎn)安全。在本次教學(xué)改革過程中，授課教師將“綠色化學(xué)”理念融入實驗教學(xué)中，教導(dǎo)學(xué)生按照實驗標(biāo)準(zhǔn)與操作規(guī)范，謹(jǐn)慎定量地稱取實驗所需藥品，使學(xué)生意識到實驗藥品的正確、定量取用不僅關(guān)乎實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，更關(guān)系到人員安全、實驗成本控制和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

在以往的葡萄糖含量測定實驗教學(xué)過程中，部分學(xué)生忽視藥品稱量操作規(guī)范性，導(dǎo)致稱量失敗、重復(fù)操作，更有甚者將稱量失敗的藥品隨意倒入水槽或垃圾桶中；還有學(xué)生在實驗結(jié)束后將實驗廢棄物不經(jīng)處理就直接傾倒。針對這些問題，在本次教學(xué)改革中，授課教師結(jié)合學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的錯誤操作及時向?qū)W生解釋“綠色化學(xué)”理念中的資源節(jié)約思想和環(huán)境保護(hù)思想，督促其改正不當(dāng)操作。并在后續(xù)實驗中嚴(yán)格遵守操作規(guī)范。

5 培養(yǎng)綠色化學(xué)意識，思政賦力

教學(xué)團(tuán)隊以遼寧大學(xué)化學(xué)院正式出版發(fā)行的化學(xué)類思政專著——《化學(xué)課程思政元素》和錄制的思政微課為素材，在葡萄糖含量測定實驗教學(xué)過程中，以思政案例為索引，向?qū)W生系統(tǒng)性地傳遞綠色化學(xué)相關(guān)知識與思想，培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識。除此之外，教學(xué)團(tuán)隊還將“培養(yǎng)綠色化學(xué)意識”和“提高學(xué)科自信”有機(jī)融合，以樹立、培養(yǎng)綠色化學(xué)意識，大力深化科技前沿信息理解，高效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為目的，在教學(xué)過程中向?qū)W生推薦多種多樣的與綠色化學(xué)、可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的科技前沿報道和文獻(xiàn)，并利用其中高質(zhì)量的科研成果引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考與討論。

借助推薦、講解和深入討論中國學(xué)者發(fā)表的高質(zhì)量研究成果等手段，在加深學(xué)生對科技前沿信息了解的同時，也能有效提升學(xué)生的文化自信和學(xué)科自信。例如，在葡萄糖含量測定實驗的課后拓展部分，教學(xué)團(tuán)隊向?qū)W生介紹由我國學(xué)者發(fā)表在Science和Nature Catalysis 等國際高水平期刊上的利用二氧化碳人工合成淀粉和葡萄糖的前沿文獻(xiàn)，并引導(dǎo)學(xué)生就淀粉、葡萄糖等物質(zhì)的合成方法及研究意義等問題進(jìn)行深入討論。

6 結(jié)語

針對分析化學(xué)實驗課程中的葡萄糖含量測定實驗，設(shè)計并實踐了基于“綠色化學(xué)”理念的混合式教學(xué)改革。

通過引入優(yōu)質(zhì)線上教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化課前預(yù)習(xí)效果，提升線下實驗教學(xué)質(zhì)量和效果；通過引入虛擬實驗平臺，加深學(xué)生對葡萄糖含量測定實驗原理和內(nèi)容的理解，讓學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行實驗“演練”，有助于線下操作的“知己知彼”；推行微量法實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)常量法實驗，將葡萄糖含量測定實驗的年均試劑、藥品綜合消耗減少70%以上，有效降低實驗成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境；通過嚴(yán)格規(guī)范實驗操作，不僅有效避免了因不當(dāng)操作帶來的人身傷害，也減少了因錯誤操作導(dǎo)致的試劑、藥品浪費，進(jìn)一步節(jié)約教學(xué)資源，保護(hù)環(huán)境；引入與綠色化學(xué)相關(guān)的思政案例，在樹立學(xué)生“綠色化學(xué)”意識的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的學(xué)科自信、文化自信，實現(xiàn)培養(yǎng)適應(yīng)新時代背景要求的高素質(zhì)人才的教學(xué)目標(biāo)。

此外，相信本次以葡萄糖含量測定實驗為例的綠色化混合式教學(xué)改革與實踐，能夠為分析化學(xué)實驗課程中的其他實驗項目提供良好的改革依據(jù)，助力分析化學(xué)實驗課程的“一流課程”建設(shè)工作和相關(guān)專業(yè)的發(fā)展。