材料合成方法绿色化实验教学研究初探

代 凯，王 恒，王二莹，白 金，宣玲玲，黄生根，魏小亲

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，淮北 安徽 235000）

新材料的发展大大加速我国经济的高速增长，然而新材料的合成造成我国环境的极大污染.各地出现雾霾、蓝藻爆发等环境恶化现象，国民经济的可持续发展及其所涉及的环境、能源、生态、经济等方面的问题愈来愈成为关注的焦点，更为严格、有力地保护环境的法律、法规陆续出台.因此，如何培养具有绿色化合成思想并拥有资源与能耗有效操作能力的本科材料类专业人才，为当今高校的人才培养模式提出新的挑战［1-2］.《材料合成方法》课程与实验是材料类专业本科生的必修课.长期以来，在材料合成实验的过程中产生的大量废液、废气等副产品会影响师生健康并对周边环境造成一定污染.因此在实验教学时就需要创造性的实验设计，使用简单且环境友好的替代药品并在实验过程中尽可能节约药品的绿色材料合成路线，从高等教育源头杜绝或减少环境污染，让本科生们将绿色合成的意识融入到合成新材料实验当中，并在将来把这些理念和技能带入社会，这将在很大程度上节约我国的人力、物力和财力.本研究小组根据多年科研、教学工作经验及其所立足单位的现有情况，对《材料合成方法》实验课的教学内容和教学方法进行多项改革尝试，使同学们实现实验室中材料绿色合成的前提下，让同学们充分了解当前国际材料合成方法的研究热点，培养学生在材料合成方面的科研兴趣，掌握环境保护的相关知识.

1 绿色材料合成的基本概念

绿色材料合成方法是指采用环境友好或者低毒原料和催化剂，通过改善材料合成工艺路线，不生产或少生产对环境有害的副产品.绿色材料合成其根本目的是从节约资源和防止污染的角度来重新审视和改革现在的整个材料制备和加工工业［3-4］.采用无毒、无害的原料和催化剂等材料，就是要求使用具有高选择性、高转化率和对环境友好的反应方法进行材料合成，其目的是通过控制新的合成工艺路线，开发出资源和能源消耗最少的先进合成方法和技术，尽量减少衍生化步骤，尽可能避免使用溶剂等，从根本上消除或减少环境污染.材料合成方法作为一门以实验为基础的学科，是材料类专业本科生掌握操作技能、灵活运用知识的重要渠道，并为其将来走上工作岗位进行环保产业开发打基础.因此，要明确强调只有整个材料合成过程实现绿色化，才能从根本上阻止污染物进入环境，真正做到保护环境，达到通过高等教育培养具有环保意识的科技人才的目的.

2 实验资源循环化

合成实验中的大多数原料来自不可再生资源，尽管实验使用量不大，但长期消耗下来，总的药品使用量也不容小觑，这样不仅会浪费有限的自然资源，还会对环境造成一定的危害.因此本研究小组充分考虑每次实验过程，将实验产物和废弃物回收并尽可能反复利用，逐步建立起资源循环，在提高药品利用率的同时还减少有害物对环境造成的污染.比如前期“三聚氰胺”奶粉事件引起了人们广泛的关注，对本科生的教育中详细地研究了三聚氰胺的形貌、结构和物理特征，然后对三聚氰胺进行了收集.在光催化原理和性能研究实验中，将三聚氰胺通过简单加热分解成C3N4，C3N4是一种很好的光催化材料，因此，可以循环利用三聚氰胺原料，从而达到实验资源循环化的目的.此外，产品C3N4可以保留，作为BiPO4/C3N4复合或其他合成实验的原料.实验室中的很多实验仪器都有再次利用的价值，如废弃的玻璃管可制成胶头滴管；有的废弃烧杯可以用来盛放废液；底部破碎的试管和烧杯组合可作为筒易的启普发生器；使用酸度计擦拭玻璃电极用过的滤纸，将其用于制备硫酸铜晶体时晶体的干燥.通过这种培养方式，首先把环境保护的理念灌输给学生，让整个实验绿色化，确保不会污染环境.其次，引导学生充分发挥其创造力，运用所学知识贯穿于实验，设计合理实验路线.最后，实验完成之后要求学生把所得实验产物和原料正确归类，贴上标签和日期，填写样品清单及实验报告，以便下次合理使用，这种训练也有助于学生提高其自身的管理水平.

3 提倡微型材料合成实验

高校实验室作为现在科研实验的重地，近年来所取得的科研成绩硕果累累，优秀的实验论文不断涌现.然而传统的实验室，一方面药品使用量比较大，严重消耗自然资源；另一方面，产生较多的废弃物，对环境的污染比较严重［5］.且近年来，面对材料专业招生人数的不断扩大，各校都面临着教学经费短缺的问题.如何在保证实验教学质量的同时又能节省教学经费开支，是困扰我们的一个难题.通过小组的不断努力，通过微型实验方式较合理地解决了上述难题.微型实验主要包括以下几点：首先，实验药品用量少，药品的使用不到1克甚至几毫克，而实验得出的产品也是微量的；其次，实验时间不会很长，过程也不是很复杂，这也就要求对于实验做一些必要的简化，但是对于实验所得样品的测试却很严格；还有，实验所得的废品少，对于环境造成的污染也很少，符合“绿色环保”的实验要求；最后，实验成本也相对较低，这样就节约大量的资源.微型实验在很大程度上弥补传统实验课程的不足之处.

对本科生的教育就是要在有限的资源条件下，让尽可能多的学生有机会自己动手进行操作，对实验有自己切身的体会和理解，培养学生的动手和实践能力.就算一次不成功，也不会造成过多的浪费.例如在氧化锌形貌调控合成实验中，由于实验原料用量少，其微小变化也有可能导致实验结果非常大的改变，所以在实验操作过程中要求学生必须严谨认真，操作严谨规范，注意力高度集中，只有这样才能得到预期的结果.就实验本身而言，其科学性和逻辑性更强，而且效果更加明显.另外，微型实验有利于传播绿色环保的概念，增强实验人员的环保意识.用量少则节约资源而且降低成本；其产物虽然相对来说较少，但对于环境的破坏也降低到了最小限度，而且所得到的实验产物还能够保留下来重复利用.通过这种方式的训练，能够激发学生的学习兴趣，锻炼学生对实验的探索和思考能力，培养学生科学严谨的实验态度.

4 进行开放性实验

高校作为培养人才的高等学府，除向社会输送具有高科技知识的人才外，还需要将一些有较强学习能力和动手能力的学生培养成社会精英.如何把这一目标落实到高校的日常管理和学习生活中，也是各大高校一直探索的问题.在材料类工科专业本科教学过程中，实验室项目一直扮演着至关重要的作用.传统的实验课程，只是老师把实验目的、原理以及操作过程灌输给学生，学生只能接受，或者由于学生人数较多和实验时间的限制，并不是每一个学生都能有机会具体操作，甚至有些实验只是由授课老师进行演示，这样学生对于实验的感受不深，对于设备操作、问题研究不深入，因此学生的积极性不够高，大多数人只能“纸上谈兵”，遇到具体问题往往束手无策.为培养学习能力较强的同学，引入了导师制的开放性课题机制.开放性实验并不要求所有本科生都参加，学生可以根据自己的需要和兴趣参加一些实验项目的研究.例如在材料合成方法里面有光催化技术的原理及应用，感兴趣的同学就可以在学习该章内容之后申请光催化材料的合成及光催化性能的研究开放课题，这样他们就能够真正了解一些实际知识、实验原理及其具体操作过程，同时还能够如何将有限的经费投入到实验中.另外，开放性实验的引入对于高等教育有以下优点：首先，可以提高学生的独立工作能力，让学生学以致用.由于开放性实验允许学生自愿参加，可以调动学生主动学习的积极性，让他们发现问题并动手解决问题，提高学生初步的科研能力；其次，由于学生参加老师的课题研究，可以帮助老师完成一些研究任务，并且能够加强师生之间的交流和沟通，让师生关系更加融洽；老师可要求学生以实验报告的形式上交实验结果，充分掌握学生的实验动态，了解学生的不足，还能提高实验课程的教学质量；再者，有利于学校的实验室和实验设备的充分利用，让学生亲自操作各种实验设备，而且还能够定时检查设备的完好情况；最后，有利于节约实验原料和成本，提高实验药品的利用率，符合现在的“绿色、环保、科学”实验要求.

5 总结

材料合成方法的绿色化构建对减轻环境污染及有效节约自然资源有着尤为特殊的现实意义.作为高等教育机构的大学，不仅要培养、强化学生的环境保护意识，而且要培养其良好的实验习惯和提高其实际操作能力.通过本研究在构建微型实验和进行开放性实验的基础上，培养学生绿色化材料合成理念，为我国可持续经济的发展培养合格的社会主义建设接班人.

［1］文峰，曹阳，郝万军.材料专业人才培养机制的改革与创新［J］.广东化工，2012，39（5）：230-231.

［2］张秀兰.高校化学实验绿色化探讨［J］.广东化工，2009，36（8）：312，318.

［3］余曼丽.高校实验室的教学和管理改革［J］.理工高教研究，2007，26（4）：126-127.

［4］纪明慧，舒火明，郭飞燕，等.有机化学实验的绿色化路线设计［J］.化学教育，2009，30（3）：61-62，66.

［5］李翠莉.高校基础化学实验绿色化路径探析［J］.吉林化工学院学报，2013，30（6）：84-86.