无机化学实验教学改革中的“绿色化”实践*

冶杰慧，王　威，纪利春，郭俊文

(内蒙古工业大学化工学院，内蒙古　呼和浩特　010051)



无机化学实验教学改革中的“绿色化”实践*

冶杰慧，王威，纪利春，郭俊文

(内蒙古工业大学化工学院，内蒙古呼和浩特010051)

依据化学实验“绿色化”设计的原则，就如何实现无机化学实验的“绿色化”改革，结合我院实际教学经验进行了初步的实践探索。通过寻找可以替代的试剂药品；开展微型化实验；发展多个实验的联合；开发仿真实验等方法实现无机化学实验的绿色化实践。取得了良好的效果，有效地降低了环境污染，而且建立并强化了学生的环保意识和实验的“绿色化”意识，提高了学生节能减排的责任感，也激发了学生的实验兴趣和创新实验能力。

无机化学实验；绿色化学；教学改革

“绿色化学”是一种以保护环境为目标来设计、生产化学产品的一门新兴学科，是一门从源头上阻止污染的化学。化学实验的“绿色化”设计要遵循5R原则[1]：拒用(rejection)；减量(reduction)；循环利用(reusing)；回收(recycling)；再生(regeneration)。自 1995 年清华大学化学系宋心琦教授提出加强“绿色化”学教育的重要性以来，“绿色化”学已成为各高校化学工作者教学研究的重点[2-4]。

无机化学是化学和化工类专业学生进入大学所开设的第一门化学基础课程，作为一门以实验为基础的学科，无机化学实验的重要性是举足轻重的。无机化学实验是我院为应用化学、化工工艺、生物、食品、制药、安全、冶金、环工、环科等专业学生开设的一门重要的基础实践课。无机化学实验课程既可以让学生掌握基本的实验操作技能，又可以培养学生分析问题、解决问题的能力以及创新意识，而且有助于培养学生的实践科学素质。但是我院以往的无机化学实验药品的种类和用量都比较大，实验过程中产生的“三废”对环境也存在较大的隐患，基于这一矛盾，无机化学实验教学改革中的“绿色化”探索势在必行，我院结合多年实践经验总结，通过教师们的座谈、探讨以及借鉴兄弟院校的实践经验，无机化学实验教学做了如下“绿色化”实践。

1　从思想上培养学生的“绿色化”意识

在实验教学过程中，将环境保护的知识与实验教学内容联系起来，使学生在把握实验目的和内容的同时也考虑到保护环境的必要性，明确化学和环境密不可分的关系，逐步培养学生们的环保意识。比如：我院利用网络多媒体制作了实验室安全环保题库，上传了系列实验安全、环保、常见实验污染物处理、实验事故防范与应急处理等方面的基础知识和一些国内外案例，图文并茂的展现在学生面前，从2013级学生开始，只有实验室安全环保测试通过才能获得做化学实验的资格。另外，教师在讲述实验过程中也渗透“绿色化”学的理念，传播试剂用量过犹不及的道理，示范实验做到规范、准确，以身作则、言传身教，引导学生仔细观察实验现象，如实做好实验记录，培养学生严谨的实验精神和科学的实验素养。实验完毕，指导学生将废液集中放置处理，不要随意乱倒，清洁好所有仪器工具，养成整洁的实验习惯。

2　科学设计实验，优化实验项目，减少环境污染，实现实验的“绿色化”

2.1重新设计无机化学实验的教学内容

2.2化学实验微型化

微型化学实验是一种新的具有绿色化学理念的实验方法[5-6]，将传统的化学实验在微型的化学仪器装置中进行，用较少的药品和试剂进行实验以达到应有的实验目的和效果，不仅节省了实验时间而且很大程度上增加了化学实验的安全性，微型化学实验是当今化学实验教学改革中一种极具创新性的变革。

依据这一理念，我们在尽量开设小量、半微量的实验内容。实验尽可能用点滴板、小试管以及表面皿等器具，点滴化完成实验内容。这样的处理既减少了试剂药品的使用量，节约了实验成本，又降低了废弃物的排放，一定程度的控制了化学污染的发生。但是，并不是所有实验都适合微量化处理的，比如一些颜色变化的实验，溶液的颜色不鲜明时微量化后溶液颜色的细微变化是很难捕捉到的。另外，微型实验教学效果主要强调的是化学试剂用量少以及实验装置的微型化，因此对于学生基本操作、基本技能的训练实验不适合微型化改革。所以在教学中，需根据实验的内容、目的、实验现象和定量要求等进行合理化调整，常规实验和微型实验相结合，取长补短，才会发挥更好的教学效果。

2.3优化实验方案，实现多个实验联合完成

多个实验联合进行是指通过合理调整实验教学计划，巧妙地安排实验项目和顺序，充分地利用反应之间的相关性，尽可能地使前一个反应的产物恰好能成为下一个实验所需的反应原料，从而实现多个实验的有机结合。这也是实现无机化学实验“绿色化”的一个重要方法，它可以在一定程度上减轻了对环境的污染，有利于环境保护[7-9]。

比如我们传统硫酸亚铁铵的制备实验项目现在已被改造成多重目的的大型综合性实验。该实验的原料通常是用机械加工行业产生的废弃物铁屑，经过系列反应后得到有用的摩尔盐晶体，所以从环保角度上来说这属于变废为宝的环保型实验[10-11]。但由于以往我们的实验装置为烧杯，废铁屑中含有的硫、磷等杂质和硫酸反应时会生成H2S、H3P等有毒气体，导致整个实验室都弥漫着强烈的刺激性气体，直接危害师生的身体健康，这不符合实验绿色化的要求。我们实验的第一步改进是：借鉴文献方法，将生成硫酸亚铁的步骤采用碱性吸收液吸收反应中产生的H2S、H3P等有毒气体，实现零排放。

其次，收集到的产品硫酸亚铁铵后，我们设计了分析化学上金属离子含量测定的实验内容，用KMnO4法测定Fe2+的含量。然后，因为产品硫酸亚铁铵的纯度不高用途受限，所以我们可以用它来还原重铬酸钾，即设计出铬元素的性质实验。还原后的溶液中含有 Fe3+及 Cr3+。再依据二者氢氧化物的溶度积相差较大的理论，继而再设计验证分步沉淀的内容，即逐滴加入NaOH溶液先生成棕色的Fe(OH)3沉淀，离心分离后再滴加NaOH溶液又产生灰绿色Cr(OH)3沉淀，既验证了分步沉淀的现象又达到了分离两种离子的目的。产生的两种沉淀，分别酸化后还可以用做两种离子鉴定实验的原料，完成鉴定实验的目的。这样的设计，有效地实现了六个实验项目的巧妙衔接，实践证明，它不但节省了单次实验的准备时间、原料的使用量，而且，改进后的实验大大减少了实验废弃物的排放量，实现无机化学实验的绿色化实践，也由于实验各步串联的导向作用激发了学生的实验兴趣，促进学生对物质转化关系的了解。

2.4利用多媒体仿真开发虚拟实验

大一新生有很多中学中并没接触过化学实验，所以他们的第一次无机化学实验课，我们就利用多媒体清晰、明了的让同学们看到诸如烧杯、试管、锥形瓶、量筒、移液管、铁架台、酒精灯、漏斗、试剂瓶等等无机化学实验的常用仪器和使用方法演示，然后再指导学生进行实物使用练习。

多媒体技术的迅速发展使无机化学实验仿真模拟教学的开发成为可能，我院已经建设了虚拟化学实验室平台。模拟实验是一种化学试剂和仪器装置“零投入”和“废弃物零排放”的特殊实验方式[3,8,12]，可以避免传统无机化学实验所带来的人体健康危害和环境污染问题，从而实现无机化学实验的“绿色化”。这种教学课件是通过文字、声音、图像以及动画模拟，对实验的基础原理、装置、实验过程以及实验注意事项等等问题进行计算机演练，让学生在计算机屏幕上就可顺利完成整个实验操作，达到掌握实验目的的终极目标。

无机化学实验会涉及很大一部分元素化合物性质的实验，这类实验所需药品种类繁多，废弃物的组成复杂且排放量大，对环境的污染相对比较严重。而且做这部分实验时，因为只是简单地滴加、混合，学生觉得单调，没意思，反应又瞬间完成，印象不深刻，很难达到好的教学效果。这类实验就可以凭借多媒体技术的优势，让学生在计算机上模拟仿真完成实验内容。另外，涉及有重金属污染物的实验和实验中会放出较多有毒气体的实验内容，就不可避免地产生污染，还会存在不安全因素，所以这类实验也完全可以采用计算机多媒体技术模拟完成。

例如水银温度计跌破后散落的水银会导致中毒，学生模拟水银温度计跌破后散落水银的场景，虚拟实践洒硫磺处理的过程。另外，铬配合物的制备实验会出现有毒的重金属污染物，所以我们将这个实验设计成仿真实验，学生自主模拟安装实验装置、添加药品进行反应操作，实验现象逼真、实验数据准确。这种动画技术不但可以使学生有一种身临其境的教学效果，将复杂的原理形象地展现在学生面前有助于激发学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性和主动性，而且自始至终没有实际实验药品的使用，真正实现了化学实验污染物的零排放、零污染。

3　实验室废弃物的处理

无机化学实验结束后会产生大量的废弃物，如果随意排放，不仅会对环境造成严重污染，也会淡化学生的环保意识，养成不良的实验习惯。因此，在实验教学过程中，言传身教，让学生了解常见的实验室废弃物对环境的危害也是实践实验“绿色化”的重要举措。

实验室废弃物的回收利用是实现无机化学实验“绿色化”的最有效手段之一[13]。我们的串联实验改革，把实验产品回收利用，作为下一个实验项目的原料就是很好的实例。这样的结果不但节约了实验药品，更主要的是减少了实验废弃物的排放量，将废弃物对环境的污染降到最低，从而有效地实现了无机化学实验的“绿色化”。

对于实验室不能有效利用的实验废弃物，我们进行集中分类处理，尽可能将污染降到最低。实际上实验室中的化学药品种类繁多，因此处理起来也相当麻烦。首先，对于废液我们先经过过滤、酸碱中和等方法处理达标后才排放。另外，实验产生的废酸溶液有时我们也回收用作厕所的清洁剂。在实验内容设计上尽可能的回避或替换了有毒的重金属离子，所以含有重金属的废液几乎没有。其次，对于有害的固体废弃物进行无害化处理后收集在一起，每周进行一次深埋处理。总之，经过回收利用、分类处理等一系列的物理和化学方法处理后，我们实验室的废弃物基本实现了“绿色化”处理。

4　结　语

实现无机化学实验的“绿色化”改革是新时期教育教学发展的要求，在基础无机化学实验教学中将“绿色化”的理念推行下去，寻找可以替代的试剂；开展微型化实验内容；优化实验方案，实现多个实验联合完成；用多媒体技术手段实现模拟仿真实验开发等，有效地降低了无机化学实验对环境的污染，而且建立并强化了学生的环保意识和实验的“绿色化”意识，提高了学生节能减排的责任感，也激发了学生的实验兴趣和创新实验能力。

[1]霍小平,李仲谨,刘存海.无机化学实验教学绿色化研究[J].广东化工,2012,39(9):22.

[2]李庆生.浅谈无机化学实验教学中渗透绿色化学教育[J].化学工程与装备,2011(12):221-223.

[3]杨天林,杨文远,倪刚.改革实验教学,走绿色化学之路[J].实验技术与管理,2012,29(4):17-20.

[4]田丽红,王娟.无机化学实验教学中的“绿色化”探索[J].高师理科学刊,2014,34(1):118-120.

[5]Sigh M M, Szafra Z, Like R M. Microscale Chemistry and Green Chemistry: Complementary Pedagogics [J]. J Chem Educ, 1999,76(12):1684-1686.

[6]魏颖,李美超,鲁奇临,等.无机化学实验教学绿色化的研究[J].时代教育,2013(3):96.

[7]白广梅,李英.无机化学实验的绿色化[J].实验技术与管理,2006,23(2):104-105.

[8]白正宇,王新军.无机化学实验课程中绿色化理念的探讨[J].内江科技,2012(12):79.

[9]张秀梅.基于绿色化学理念的无机化学实验教学的设计与研究[J].广州化工,2012,40(21):186-187.

[10]袁爱群,禤金彩,张直,等.用绿色化学理念改进硫酸亚铁铵制备实验[J].化学教学,2004(5):8-9.

[11]朱西贵.加强机制创新,推进大型仪器设备管理工作[J].实验室研究与探索,2003, 22(2):117-119.

[12]谢鸿芳,李少斌,游东宏,等.无机化学实验教学的绿色化改革与实践[J].宁徳师专学报,2010(2): 171-174.

[13]高喜平,赫玉欣,姚大虎,等.如何实现无机化学实验的绿色化[J].教改论坛,2012,26(9):59-62.

“Green” Practices in the Reform of Inorganic Chemistry Experiment Teaching*

YE Jie-hui, WANG Wei, JI Li-chun, GUO Jun-wen

(College of Chemical Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Inner Mongolia Hohhot 010051, China)

According the principle of “green” design about chemistry experiment, study on how to bring about a “green” reform of Inorganic Chemistry experiment was carried out in our college. Combined with the teaching experience, some measures on “green” practice of Inorganic Chemistry experiment were carried out, such as looking for substitute, practicing mini-experiment, developing series experiment and developing simulation experiment. These measures had achieved good effect, not only reduced the pollution of the environment but also established and strengthened the students′ consciousness of environmental protection and the experiment of “green”. Furthermore, the students′ sense of responsibility of energy conservation and emissions reduction was improved, and the students’ interest in experiment and the ability in innovative experiment were stimulated.

Inorganic Chemistry experiment; green chemistry; teaching reform

内蒙古工业大学教改项目(2015212)。

冶杰慧，女，副教授，主要从事无机化学领域的教学和研究工作。

G4

B

1001-9677(2016)014-0184-03