微型实验与绿色化学教育——在化学类实验教学中实施环境教育的途径和方法

谷春秀 王子君 李 颖 张 童 柳 成 马艾琦

北京联合大学生物化学工程学院 北京 100023

1 问题的提出

绿色化学理念应用于实验教学可有效提高学生的环境意识。对于高校来说，实验室特别是化学类实验室是不容忽视的污染源，应引起高度的重视。开发与研究微型实验，让学生参与微型实验设计的过程就是一种非常好的绿色化学教育形式。对于学生环境意识的渗透与实验操作技能的培养同等重要[1,2]。要使学生认识到实验过程所产生的废弃物对环境所产生的危害，并尽可能将废弃物回收、利用、化害为利，变废为宝[3]，包括对暂时不能利用的废物进行无害化处理，培养学生树立绿色化学观念[4]，至关重要。微型实验从环保绿色的角度出发，对有毒有害的实验内容或试剂进行微型化、绿色化改进，旨在提高学生化学素养、增强其绿色环保意识与解决环境问题的本领[5]。

2 本实验课题研究的目标

本研究所涵盖的范围是高校化学、生物、医药等相关专业基础化学类实验。从试剂用量入手，用尽可能少的试剂，获得较明显、清晰的反应结果。使常规实验微型化，做到实验药品的微型化与绿色化，实验仪器的微型化，改进实验教学内容，开发微型化和绿色化实验，提高实验教学效能，是我们研究的目标[1]。研究的内容涉及生物医药系学科专业实验，如无机与分析、基础化学、有机化学、生物化学等实验课程内容。研究从绿色化学的角度出发，针对课程实验中涉及有毒有害化学试剂、有毒有害生物材料、价格昂贵或对环境污染严重的实验内容、实验项目进行微型化、绿色化改造。

具体目标[5]：

(1)不改变实验方法，保持常规实验仪器，从试剂用量入手，进行半微量和微量探索，力求在符合常量分析滴定准确度和精密度的前提下，减少试剂用量，降低实验成本。

(2)推广使用微型实验仪器，缩短实验时间，节约药品，提高实验安全性。

(3)对易产生有毒有害废气、废液的实验进行绿色化改造，降低药品浓度，降低实验排废量，提高实验效果，减少环境污染。

(4)对大量使用“有机溶剂”和“有机试剂”，因产生“三废”对环境污染严重的实验进行微型化改造，重新设计实验路线和实验方法，根除污染源。

(5)对实验内容进行选择，改进实验教学，尽量做到溶剂、原料及产品无毒或低毒，尽可能少用或不用剧毒的有机物，开发微型循环实验，提高实效性。

3 实验微型化、绿色化改造

绿色化的根本是从根源上去除污染，而不是先污染后治理。理想的绿色化方法是不再使用有毒、有害的试剂、原料，不再产生有毒副产物，不用再处理废物，达到“零排放”。将绿色化学的新理念用于预防化学污染，开展微型实验是对常规实验进行改造和发展的必然结果。

3.1 实验药品试剂的微型化与绿色化

有机试剂大多有毒、易燃、易挥发，若按常规实验量进行，既消耗试剂，又增加成本，而且污染大、三废处理困难。在微量化学实验中缩减试剂用量可节约药品、降低成本，降低事故发生率和危害性，缩短时间，减少污染，节能减排。如1-溴丁烷的制备有机实验，可以将药品正丁醇由原来的10 g减为5 g，无水溴化钠由原来的15.5 g减量为8 g，浓硫酸由20 mL减为10 mL，进行微量化改造。又如乙酸乙酯的制备实验，可改用微型实验装置[6]，试剂冰醋酸由14.3 mL减为2.0 mL，乙醇由23.0 mL减为3.0 mL，浓硫酸由7.5 mL减为1.0 mL，达到优化教学的目的。在无机与分析[7]—莫尔法沉淀滴定实验中，降低AgNO3标准滴定溶液浓度，从常用的0.1 mol/L降到0.02 mol/L时，其测定结果的相对偏差仍可达到0.5%以内的要求；滴定终点的砖红色仍很敏锐，由于试剂量降低，产生的废物相应减少，污染程度明显降低，减少了硝酸银贵重试剂的用量，降低了实验成本。而且实验的AgNO3废液通过AgCl，Ag2CO3逐级转化，再经高温加热分解得到单质银，彻底解决了含银废水对环境的污染问题。

3.2 开发微型循环实验，提高实效性

高校各化学类实验室实验产物的简单回收和实验废液的长期积累，造成的直接结果是污染危害程度加剧，同时面临实验废物处理费用的高昂支出。如果我们进行各实验间的串联[8]，将无机及分析化学实验、有机化学实验、物理化学实验、仪器分析化学实验、普通化学实验与综合实验各实验项目有机整合，开展循环实验，可使产物变为部分实验的原料。如将有机合成实验中无水乙醇的制备的产物无水乙醇作为茶叶中咖啡因的提取实验的提取溶剂；茶叶中咖啡因的提取实验的产物咖啡因作为仪器分析实验紫外光谱测定饮料中的咖啡因的标准品等。在萃取或重结晶操作化学实验中[10]，产生的废有机溶剂，如乙醇、石油醚、乙酸乙酯、丙酮等，提纯后都可用于后续实验。如乙醇可反复用于茶叶中咖啡因的提取、柱色谱分离等实验。适当开设多步合成实验，将多个单元操作实验串联在一起，如开设的有机物或药物的合成与表征实验，将酰化、氧化、水解、酯化、熔点测试、薄层色谱技术和红外分析等单元操作有机地结合在一起。串联实验，不仅可以实现多学科交叉和高度的综合，全面培养学生的综合实验技能，还可以提高化学试剂的使用率，降低实验成本，使学生养成不轻易排放废物的习惯，减少化学实验室的污染，对学生进行绿色化学教育，增强学生的环保意识，从而推进化学实验绿色化。

3.3 选择毒性低的药品及原料—用无毒或低毒试剂代替高毒试剂

及时修订实验内容[8-11]，制定适宜的实验教学计划。尽量采用无毒、低毒试剂，用天然产物代替毒性高的化学试剂。在水蒸气蒸馏实验中将原教材中毒性较大、不易自然降解的有机试剂改成从一些天然产物中提取挥发性油，如从橙皮中提取橙皮油或八角茴香水蒸气蒸馏等，原料来源广泛，产物处理简单，低毒性替代品的使用，既可减少污染又可达到实验教学的标准，增强学生理论联系实际的能力。

如不选用苯、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷等作为溶剂或原料的实验[11]，不选用重铬酸钾等毒性大、污染严重的试剂作氧化剂，不选用硝基苯或苯胺作为产品的实验。提纯试剂尽量使用绿色溶剂—水。尽量选择低毒、污染较小且后处理容易的实验项目。在应用波谱解析液相色谱实验流动相的选择时，倡导尽量使用环境污染小、毒性小、危险性小、三废处理容易的流动相溶液。

3.4 实验仪器的微型化改造

仪器微型化不但能减少试剂在器皿上的附着量，还能克服实验时仪器装置复杂、易燃易爆药品和副反应多以及污染环境等缺点。在有机实验和药物合成与天然药物提取实验中，我们将实验仪器进行微型化改造，采用微型实验制备仪，同时将试剂用量缩减，在完成整个操作的同时，学生还可以根据实验的特点开发新的微型实验。如在天然大蒜油的提取实验中，学生采用微型仪器对市售大蒜进行大蒜素的提取，试剂的减量使微型实验时间大大缩短，学生可以根据实验过程对大蒜素实验条件进行正交实验设计，并可以充分利用课堂时间完成实验方案的开发。为此类有机制药类实验提供了参考。

4 充分利用各种途径进行环境绿色化教育

在各种化学类及专业实验中，教师对实验废物的态度对学生环境绿色化意识的培养具有直接示范和表率作用。教师应是“绿色化学实验”的积极倡导者，努力做到实验无害化，处理废气、废水，变废为宝；实验微型化，节约药品，减少对环境的污染。

4.1 以活动为载体的环境意识培养

在教学中，我们让学生结合一些问题，搜集大量资料，展开讨论，进行展览宣传，强化环境意识。同时，开展社会实践，渗透环境知识。如组织参观污水处理厂、密云环保局、密云水库，并请专家介绍讲解，从实际出发，以环境知识渗透为重心，开展教育活动。学生在社会活动中探究学习，真题真做，提高综合素质。通过实验使学生掌握污水来源、测定意义，树立可持续发展观、生态观，树立经济效益与环境效益相统一的观念。

4.2 开展第二课堂，掌握环保技能

化学类、生物制药类实验废液种类多，每次实验后，对污染大、毒性大的溶液进行专项回收，然后利用第二课堂活动进行溶液处理[12]。由于学的是生物、医药专业，学生完全可以在本专业知识的基础上通过查阅资料，寻找方法，对溶液进行处理。由于将所学知识运用在解决实际问题中，学生表现出极大的热情和兴趣，同时认识到自己所学专业的重要性和实际意义，通过环保活动，使学生掌握一定的环保技能。

4.3 进行环保法制教育

化学类及生物制药类实验课不是法律课，不能在课堂上大量讲授法律，只能利用渗透的方式，在讲到某个知识点时，自然引入相关的法律知识：介绍某物质或某操作方法可能产生的危害—相关法律条款—消除污染的方法，以增强学生的环保意识。

5 教育评价

多年来的绿色化学教学实践证明，在化学类实验教学中实施环境素质教育具有如下特点：

(1)以实践教学为载体，将绿色化学实验教学与环境意识培养相结合，学生在提高专业素质、实验技能的同时，大大提高了环保意识。

(2)促进了学生理论知识的学习，培养了学生的创新能力，提高了教学质量。

(3)强化了环境教育的渗透，有利于学生整体综合素质的提高和个性的发展。

(4)互动式绿色化学教学有利于提高学生的学习动机和创造力，创造轻松的学习氛围。

(5)环境污染、生态破坏、资源与能源的浪费等是人为造成的，让学生理解这些问题的出现不是化学本身造成的，而这些问题的解决必须依靠化学方法，培养学生正确的环境道德观念。

(6)实验教师通过微型实验方案设计和灵活多样的教学方法及手段的运用，丰富环境教育的内涵。

(7)从绿色化学教育现实出发，联系社会与环境，使教学内容与形式更生动、更灵活、更充实。

从环境的角度去认识绿色化学，利用各种教学资源，提供参与多层次应用绿色化学知识解决环境问题、研究绿色化学的机会，培养学生的参与意识，养成良好的环境行为习惯[5]。让学生在研究活动中思考问题，保护环境，获得绿色化学与环境问题有关的新知识、新技能，增强用绿色化学知识解决环境问题的本领，使学生树立环境道德观、环境价值观。

绿色化学教学中素质教育的目标之一是“让学生了解与化学有关的环境、资源、能源等问题，培养学生关心自然、关心社会、关心环境的情感，树立环境保护意识和人类的生存、发展意识”。在与环境密切相关的化学学科(各类污染中化学污染占80%～90%)中，结合环境教育及可持续发展的思想对学生进行教育，提高学生对环境问题的感知和对环境保护的认识，努力将环保意识转化为一种自觉心理，一种潜意识，最终使每人、每时、每刻、每处都感受着保护环境的必要性，并在日常生活中成为一种自觉的行动，自觉地为环境保护做出贡献，实现可持续发展。

[1]李君,佟俊旺,王川.某医学院校大学生环境意识教育的效果评价[J].现代预防医学,2011,38(6):1067-1069.

[2]杨敏,邱峻霖,杨景勇.广西大学生环保意识现状的调查分析[J].广西青年干部学院学报,2007,3(2):30-32.

[3]钟婵娟,谢宝华,曹小华.化学实验“绿色化”四法[J].实验技术与管理,2010,27(3):140-141.

[4]余训爽.浅谈高校绿色化学实验室的建设[J].实验科学与技术,2010,8(3):162-165.

[5]谷春秀,王晓蕾,李颖.微型实验的开发与研究—分析专业常规实验微型化[J].生命科学仪器,2012,12(10):3-9.

[6]苏一理.医学院校微型实验与医学有机化学实验教学[J].华章,2013(9):185.

[7]钟国清,蒋琪英.无机及分析化学实验教学的绿色化探索与实践[J].实验室研究与探索,2010,29(9):150-153.

[8]高万寿.以绿色化学理念指导高校化学实验教学[J].教育探索,2010(6):62-63.

[9]张红梅,王彦卿,周秋华.基础化学实验绿色化的研究[J].广东化工,2010(2):174.

[10]罗斌.基础化学实验的绿色化[J].山西化工,2011(3):73.

[11]欧阳玉祝,陈小东,彭晓春.基于绿色化学理念的基础化学实验教学研究[J].化工高等教育,2010(2):66.

[12]张曼曼,张饮江,张乐婷.实验室废液分类及处理方法研究进展[J].实验室研究与探索,2013,32(7):234-239.