海峡两岸微型化学实验之发展

周宁怀

(全国微型化学实验研究中心,杭州师范大学材化学院 浙江杭州 310012)

海峡两岸微型化学实验之发展

周宁怀

(全国微型化学实验研究中心,杭州师范大学材化学院 浙江杭州 310012)

回顾了海峡两岸微型化学实验的进展和成果,指出其发展特色及互补性。

1 微型化学实验在内地的发展

1988年底,在北京大学举行的大学化学教学研讨会上,作者在题为“美国化学教育的动向”的报告中,着重介绍了微型化学实验 (microscale laboratory,简写为ML),受到不少与会教师的关注。随即在高等学校化学教育研究中心的科研规划中列入“大一化学的微型实验研究”项目,成立了由作者牵头的课题组。稍后,“塑料微型实验仪器的研制”和“成套微型玻璃仪器的研制”均被列为原国家教委教学仪器新产品的研究项目。课题组从此开始进行了有关ML硬件 (仪器)与软件 (实验方案)的开发与研究工作。美国的 Journal of Chem ical Education杂志自 1989年 11期起开辟ML专栏,集中发表有关论文,至今此专栏仍在刊出。这是国际上重视ML,并在全球推广应用的标志。可见,国内开展ML工作基本上与国际同步。1990年 4月首届全国ML研讨会在杭州举行。迄今此研讨会已举行过 8届,每届都有论文集出版。2009年 7月,在内蒙古民族大学召开了“中国化学会第 8届ML研讨会暨第 6届中学ML研讨会”,共收到论文 120篇,来自海峡两岸以及日本的学者共 125人参加了这次盛会。显示了ML在中国内地以及香港、澳门和台湾地区都有了很大的发展。

实践表明,ML不是常规实验机械地减量或缩微,而是在绿色化学理念指引下,利用微型化仪器装置进行的化学实验的创新变革。ML的试剂用量可比相应的常规实验节约 90%左右,时间节省 1/3以上。两套微型化学仪器于 1992年通过部级鉴定并批量生产;与之配套的微型化学实验教材也紧跟其后出版[1]。迄今采用ML的各类学校已有千余所,其中包括相当数量的师范院校,部分省市重点中学对微型化学实验也非常重视,陆续进行了微型化学实验的教学改革。经有关领导同意,全国微型化学实验研究中心作为高等学校化学教育研究中心的专项研究机构于 1999年成立,以协调推进国内微型化学实验的发展和开展国际学术交流。中心与香港浸会大学发起组建了亚太地区ML协作网,并与该校合作成功举办了笫 2届国际ML研讨会(2nd IS MC)。近几年来作者曾应邀到日本、新加坡、泰国和墨西哥的多所院校主办中国模式的普化微型实验研习班 (workshop on general chemistryML——the Chinese approach)。在第 13届亚洲化学大会(13th ACC,白春礼院士任大会主席)上,ML研究中心应联合国教科文组织(UNESCO)和亚洲化学联合会(FACS)之约请,分别与两者合作举办了两个ML专题研讨会:①UNESCO-CH INA′sML workshop,共有 12个口头报告和 20余套新开发的ML仪器的展讲,着重展示大中华地区ML进展;②“hands-on microscale experiments workshop(动手做的ML的研讨会)”,在研讨会期间,与会者可以亲自做 8～10个无机与有机的ML,反映很好。

2 微型化学实验在台湾的发展

台湾师范大学萧次融教授在 1988年研发了简易化学实验箱,设计了系列有趣而实用的演示实验;台大余端林、刘广定等开展“迈向零污染的普通化学实验设计”;方金祥教授自 1993年起,围绕减量减废低污染的目标,对一些实验进行了微型化的设计与研制,如微型水电解装置、微型干馏装置等,并于台南地区 8县市及金门等地举办离岛及山地学校师生ML研习班与推广活动,受到欢迎。通过实践,方教授总结出微型实验具有体积小、时间省、反应快、效果好、易操作、又安全、动手多、趣味高、用药小、污染低的优点,即“小、省、快、好、易、安、多、高、少、低”十字诀[2]。2002年底,方教授邀请笔者到高雄师大共同举办ML研习班。方教授进而将ML与科普结合,设计出一系列有趣的微型科玩教具,如微型水火箭,听话的潜水夫等等,用于师资培养。2007年,台师大承办第 2届亚洲化学教育研讨会 (2nd N I CE),ML亦是主题之一。不仅会上有ML专题研讨会和报告[3],会后还组织学者到台北建国中学等校宣讲ML。洪文东、庄嘉坤教授、杨水平副教授等最近都发表了ML论文。

3 微型化学实验在香港的发展

香港科技大学等校在 20世纪 90年代已在实验室中引进Mayo型等微型仪器,但主要用于科研。1997年以来,香港浸会大学陈永康教授 3次邀请笔者前往该校作ML讲座并商讨有关合作事宜。在香港特区政府教育署的支持下,浸会大学近年来多次主办面向全港化学教师的ML研习班[4],先后有近 800名教师参加,对推动香港中学开展ML起到重要作用。由浸会大学承办的 2nd IS MC于 2001年 12月成功举行,共有美、日、英、德、瑞典、以色列、南非、澳大利亚、新加坡、中国内地以及香港和台湾地区的 200多名学者参加 (含 workshop)。会后,陈教授被推举为亚洲化学会低成本仪器及微型化学项目组负责人。在他的主持下,浸会大学开发出低成本光度计,并于 2002年 12月举办面向亚洲的低成本仪器与ML研习班,有尼泊尔、菲律宾、印度、中国内地以及香港和澳门地区的学者参加,目前微型实验已编入教育署的教材;许多大、中学校的教学开始应用ML。

资深教师陈国民,退休后致力于ML仪器的研发,研制出一些新颖的仪器,如绿色馏液收集器,微型量热计等,有的已批量生产。他主办的香港微型化学实验室融研发与生产为一体,已有一定知名度,他多次受邀到新加坡、泰国等地举办ML研习班,推广其仪器。

4 微型化学实验在澳门的发展

1998年以来,澳门培正中学,濠江中学,培道中学等校相继举办ML讲座。培正中学在学生科技活动中采用微型实验取得了成效,在该校校庆活动中展示了这方面成果,受到师生与家长好评。该校己与ML研究中心商讨以采用ML为核心,建造绿色化学实验室的计划。濠江中学申报加强学生实验探究能力培养的项目获得澳门特别行政区政府的资助,已在试点班教学中采用ML。随着大众对生态文明建设日益关心,应用ML的学校日渐增多。

5 两岸微型化学实验研发与应用的主要成果

由于大中华地区投入ML研究与应用的人员较多,迄今成果丰硕。据不完全统计已正式出版ML著作、教材[4-10]和论文集共 40册,发表论文超过 1600篇[11-12]。

微型仪器的研制开发是开展ML的基础,呈现出百花齐放,多种类型并存的态势。现已形成 4大类型的微型仪器:(1)玻璃微型仪器。批量生产的有:微型化学制备仪 (HZ-1型),微型无机成套玻仪(天津大学),微型有机成套玻仪 (山东大学、云南大学各一套),少量-半微量有机制备仪(北京大学)等 5套用于大学教学;用于中学化学的微型玻璃仪器也有 5套 (重庆教院、贵阳师专、湛江师院、衡阳医学院及 HZ-2各一套)。(2)以多用滴管、井穴板和带导气管的井穴塞为核心部件的塑料系列微型仪器,以其低成本,新颖性,功能多,药品省而受到广泛欢迎,已列入教育部颁布的中学理科教学仪器目录而得到大面积的推广。(3)微型定量仪器。如微量滴定管 (武汉大学研制,总体积 3mL,可读出 0.001mL),以LED为光源的微型光度计,微型热量计等。(4)其他类型的创新微仪。如微型离子交换柱,木材干馏装置,新颖电解管,微型无水回馏蒸馏装置等。

内地的ML推广应用得到教育行政部门、专家和师生的高度评价,迄今为止,共有 5项以ML为主要内容的教研项目被评为全国高校国家级优秀教学成果奖,它们是:①微型化学实验的研究与教学实践(原杭州师院与华东师大,1993);②微型实验在农科有机化学教学中应用(华中农大,1997);③微型实验在轻、化、纺专业的应用 (齐齐哈尔大学 2001);④推广微型实验改革,促进创新教育的实践(云南大学,2001);⑤化学创新教育模式的理论与实践 (贵阳师专,2001)。获得省、部级奖励的ML成果更多。重视ML在各类专业、各级学校的教学中的应用在内地已形成潮流。在新近出版的各种化学实验教材中,几乎都增加了ML的内容。

台湾方金祥教授以绿色化学为指导,从教学与环保需要出发,用日用塑料制品或废物制作出一批制作精美的微型实验装置。如微型水电解器、微型滴定装置、气体制备微型发生器、简易喷泉装置等,其中不少装置多次获得台湾发明专利和环保大奖。汇总他的成果的著作《微型化学实验之设计与制作》[2]和《化学教学资源——微型化学实验教学理论与实务》均已出版。

香港浸会大学在推进ML在当地学校的应用的同时,致力于低成本仪器的研制。开发出价格在千元左右的光度计,现已批量生产,可用于空气中有害成分 NOx、SOx含量测定,使普化实验的定量化与微型化迈上了一个新台阶。陈永康教授主持编辑了 Journal of Chem ical EducationML专辑,该校还出版了国际微型化学研讨会论文摘要集和ML Workshop手册 3本,对香港特区和亚太地区ML的推广产生了积极影响。

澳门培正中学和濠江中学是当地有重要影响的学校。它们对ML的重视与特区政府对教研项目的大力支持,必能在不久的将来,取得具有示范性的ML成果。

6 两岸微型化学实验发展特色

内地的ML发展迅速,现已形成以下特色:

(1)ML研究与应用的学科覆盖面广,包括无机、普化、分析、有机、物化、高分子化学实验和中小学科学(含理化生)的ML。

(2)开发的ML仪器在规格与型号的多样性、系列配套与低成本等方面在国际上具有优势,但在仪器的创新性、简约化、精确性、优化组合上还需努力。

(3)内地ML的发展是与教学观念更新、素质教学的实施相互促进的。面向全体学生,以学生发展为本,以培养创新精神与实践能力为核心的素质教育既给ML发展以指导,又为它的推广应用提供广阔平台。如一些学校设立创新实验室或微型实验室,为开展学生探究性实验,进行研究性学习和科技创新活动提供了有效的方法与基地。

台湾方金祥教授多利用塑料废弃容器及三通活塞等制作成具有可操作性、安全和趣味性的微型装置,同时不断推出新型装置,体现了旺盛的创新精神和精湛的制作技巧。

香港学者充分发挥香港特区国际资讯与高科技优势,着重开展ML国际学术交流在低成本微型精密仪器研发方面取得显著成果。在面向东南亚推广微型实验上做了大量工作。

综观两岸微型化学实验发展特色,可明显看到绿色化和创新性是ML最受青睐之处,这也是ML魅力之所在。只有坚持不懈地把ML用于教学实践,为提高学生科学素质服务,ML才能不断发展,才能取得最大的社会效益和经济效益。

对照两岸的ML成果,我们可清楚地看到各地间存在着很强的互补、互动性。香港与内地都致力于开发通用型微型实验的软、硬件,但侧重点不同。台湾研制的系列微型仪器装置体现出很强的创新性和趣味性。这些经验都是值得相互借鉴学习的。更重要的是,两岸学者围绕ML的各项工作,展现了开展微型化学实验的实力和成果,使我们在国际微型化学实验领域占有不容忽视的地位,例如,在 13th ACC的UNESCO-CH INA’sML workshop和 2nd IS MC两个国际ML学术会议上,两岸学者被录用的论文占论文总数分别为 75%与 87%。看清这一点,更激励我们加强相互交流,相互促进。特别要培养造就一批有朝气和干劲充沛的中青年ML骨干,把握当前机遇,把ML的研究与应用推向更高的层次,为提高化学教育质量和生态文明建设服务,为国际化学教育事业作出更大的贡献。

[1] 周宁怀,宋学梓.微型化学实验.杭州:浙江科技出版社,1992

[2] 方金祥.微型化学实验设计与制作.高雄:高雄复文圆书出版社,1998

[3] 台湾师范大学科学教育研究所.Proceeding of 2nd N ICE(Network for Inter-Asian Chemistry Educators)Symposium,2007

[4] 香港浸会大学化学系.Manual forMicroscale ChemistryWorkshop.香港:香港浸会大学出版社,2000

[5] 关烨第,葛树丰,李翠娟,等.小量-半微量有机化学实验.北京:北京大学出版社,1999

[6] 周宁怀.微型无机化学实验.北京:科学出版社,2000

[7] 李霁良.微型半微型有机化学实验.北京:高等教育出版社,2005

[8] 赫春香,张淑敏,杨梅,等.微型定量分析化学实验.大连:大连海事大学出版社,2001

[9] 黄泺.化学新课程中微型实验探研活动的设计.北京:化学工业出版社,2005

[10] 李青山.微型高分子化学实验.笫 2版.北京:化学工业出版社,2009

[11] 万平,周贤爵.微型化学实验.北京:中国石化出版社,2009

[12] 何桦,张义建.内蒙古民族大学学报,2009(4):85