绿色化学理念在化学化工教学改革中的应用

阎 松, 孙小平

( 辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部, 辽宁 抚顺 113001)

绿色化学理念在化学化工教学改革中的应用

阎 松, 孙小平

( 辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部, 辽宁 抚顺 113001)

首先介绍了绿色化学理念的内涵及原则；其次对我国化学化工类教学进行了现状分析,得到了目前绿色化学理念下我国化学化工类教学中存在的不足之处；再次,分析了绿色化学理念背景下化学教学改革的必要性和方向；最后,对应当如何将绿色化学理念运用于此类学科教学改革中提出了建议。

绿色化学； 化学化工； 教学改革

化学作为化学工业的基础学科,是工业产业从源头上减少环境破坏、适应绿色生态的理念的重要突破口。绿色化学理念应运而生,得到了广泛关注。绿色化学理念为实现人与自然和谐相处的目标提供了新的思路,引发了各国学者的积极研究,我国已深刻认识到了其对环境保护和经济可持续发展的重要性。

1 绿色化学理念简介

1.1 绿色化学的内涵

绿色化学又称环境友好、环境无害、清洁化学,是一门具有明确的社会需求和科学目标的新兴交叉学科[1]。绿色化学理念是无公害、对环境无破坏的清洁化学。它是指利用化学的方法和技术,尽可能地减少,甚至是避免使用对人类身体健康、自然生态环境有危害的原料、催化剂、溶剂、试剂等,同时减少有害的产物、副产物的生成[2]。通过在制造和使用化学产品时使用对自然无危害的替代原料、及时妥善处理化学产品制造过程中产生的有害废弃物等方法,实现对环境最小程度的危害,重视对自然能源的使用,以减少为环境制造压力、避免排放有害物质为目的,同时考虑到节能减排、节省资源、减少废弃物排放等要求。绿色化学涉及学科广泛,内容丰富,最大的特色就是其采用预防污染的手段,从始端到过程,再到终端均为零污染、零排放。绿色化学的最终目标是能够实现不使用有毒、有害物质,不产生有害废弃物,达到从根源上避免破坏环境,实现绿色环保、保护生态环境和人类健康的目标。

1.2 绿色化学的原则

绿色化学的原则主要包含如下几点:

(1) 最大限度减少化学产品在生产和使用的过程中产生对环境存在危害的物质,在保证产品功能的基础上尽可能降低其毒害性；

(2) 在生产化学产品的过程中 ,尽量不使用化学辅助剂,如果无法避免,则最好用无毒的化学物质作为辅助剂,而且尽可能使用可以更新的原料；

(3) 应当重视化学产品使用和利用结束后的处理工作,将化学产品降解成无毒的物质；

(4) 慎重选择化学材料,以防发生化学事故。

由此可知,绿色化学对于减少工业性环境污染、转变我国化学工业粗放式发展的现状、实现化学工业的可持续发展具有积极意义。绿色化学作为新兴的理念,虽然有很多学者做了深入研究,但就目前形势看,其普及程度还有待提升。而学科教育便是促进学生形成绿色化学理念的重要方式。

2 绿色化学理念下现阶段教学存在的不足

在工业发展日趋成熟的今天,提高工业产业发展的可持续性成为需要解决的主要问题。绿色化学理念是化工企业实现避免环境污染、保护生态平衡的关键所在。为了使更多的人树立绿色化学的理念,中学、高校都应当将绿色化学的思想融入到化学、化工专业课程的教学中。通过教学使学生理解和接受绿色化学理念,并在以后的学习、生活和研究中以绿色化学理念作为指导。但现阶段,我国的中学和高校在化工教学过程中对绿色化学理念的重视和应用程度不够,化学化工教学在适应绿色化学理念方面还存在一些不足。

2.1 课程内容缺乏绿色化学理论相关内容

绿色化学理念提出以来,关注度很高,但由于研究仍然不够成熟和全面,所以现阶段的中学和大学化学、化工的教材中并没有关于绿色化学理念系统的理论知识,这就导致学校的学生,甚至是教师都没有对绿色化学理念形成系统、完善的理论结构,进而使得教学过程中绿色化学理念的践行不是十分到位,也影响了学生绿色化学理念的形成。完善的理论知识是实践的基础,只有形成科学的、完整的绿色化学理念相关理论知识,教师才能在化工实验过程中指导学生运用该理念减少实验中有危害、有毒的原料使用,避免实验过程中有害物质的生成和排放,达到教学过程的绿色、环保。学生才有可能真正理解和树立绿色化学理念。

2.2 实验教学未贯彻绿色化学理念

化学和化工等学科十分重视实验课程的学习,通过实验课程,学生能够将死板的书本知识变得生动、形象,有利于更牢固地掌握知识,也能提高学生的动手能力和探究意识。实验课程在化学、化工学科的教学中占有很重要的比重,在实验课程中贯彻绿色化学理念尤为重要。在化工实验的过程中经常会用到醛类、烃类、酚类等对自然环境和人体健康有危害的物质,加之做实验的学生众多,在实验室这一较小的空间内,会对师生的身体健康产生十分不利的影响[3]。此外,实验的产物也经常是对环境有危害的物质。很多中学和高校不重视实验产物排放前的处理和降解工作,直接将对环境和人体有害的物质排放于自然中,而化学、化工实验教学中产生的大量废气、废渣、有机物也成为污染物产生的重要源头之一。

2.3 绿色化学观念流于表面

绿色化学的理念在中学和高校的教学过程中只是停留在不完善的概念化阶段,既没有形成完整的理论体系,也没有在实验课程中实际践行绿色化学理念。绿色化学理念没有在化学、化工类教学中得到有效的实施,不利于学生形成绿色化学理念,也不利于该理念的普及。

3 教学改革的必要性及改革方向

3.1 教学改革的必要性

教学过程是培养学生绿色化学理念的重要途径,通过教学使绿色化学理念得到普及,可以让更多的人投入到绿色化学的实践中,减少教学过程中对环境的危害。同时,也使得学生深入地了解到绿色化学理念对改变教学和化学工业粗放式发展现状的作用,提升学生将绿色化学理念作为以后学习和科研的指导,使学生主动致力于绿色化学理论和实践的研究,为绿色化学理论的进一步发展和深入实践提供思路。

3.2 教学改革的方向

为了使学生深入地学习绿色化学理念,教学必须增加对其的重视度。首先,教师应当梳理国内外学者关于绿色化学的研究成果,完善与绿色化学有关的理论体系,并对高校和中学所使用的化学、化工专业书籍进行改编,在其中加入与绿色化学理念相关的章节；其次,在化学、化工实验的过程中,应当注意对绿色化学理念的实施,重视实验原料选取、化学产品和副产品的降解处理以及实验废弃物的处理,争取做到实验全流程绿色化、环保化[4]；最后,应当鼓励学生发挥主观能动性,在学习和研究的过程中注重绿色化学相关的创新。只有对化工教学理论和实验课程同时进行改革,才能使学生真正接受绿色化学理念,并体会到其对环境保护的重要作用,进而主动践行该理念。

4 绿色化学理念在化学化工教学中的应用

化学、化工教学分为理论学习和实验教学2个部分,这2个部分在适应绿色化学理念上都存在不足之处[5]。

4.1 理论课中引入绿色化学理念

理论课程是化工课程的基础,通过理论课程的学习,学生能够明确绿色化学的最终目标是什么,使他们调动自己课程学习的积极性和自主性,激发其学习的兴趣。理论课具有概念性和方向性2大特点。一方面,理论课的学习应该明确什么是绿色化学,界定清楚绿色化学的定义和内涵,为学生介绍绿色化学的产生和发展；另一方面,理论课程的学习应当给学生指出绿色化学的发展现状及未来发展的方向,帮助学生明确想要进行这个方向的学习需要具备什么样的知识结构和技能。

首先,可以通过对绿色化学相关的化学家事迹、化学实验、化工企业的发展等的讲述,描述绿色化学理念的产生对于化学学科和化工企业的重要意义；其次,再向学生介绍绿色化学的国内外研究现状,尤其是要向学生介绍绿色化学技术普及程度高的国家的绿色化学理论及实施现状,使学生意识到绿色化学对污染物的源头控制作用。

4.2 实验教学中绿色化学理念的应用

4.2.1 慎重选择实验内容,改进实验项目

实验的目的是使学生更好地掌握理论知识,因此,传统的化学化工实验往往只考虑化学实验的典型性、可操作性等要求,通常选择实验结果明显、操作性强的实验,这样有助于提升学生的动手能力和创新能力,使其更好地吸收课本知识。但在绿色化学的理念下,这种只注重实验效果而不考虑实验过程中对环境的破坏和污染的行为是不可取的。化学实验的绿色化要求化学反应的原料、反应的条件、反应的过程和反应所产生的产物都要绿色化,力求达到实验内容的绿色化和教学目的相协调、统一。

慎重选择实验内容、优化改进实验项目,要遵循环境友好、低能耗、经济性、安全性和多样化的原则。首先,实验中使用的反应原料和产物都应该是对环境和人的健康没有毒害的；其次,实验条件应当考虑减少能源消耗,尽可能地选择在常温常压下便可进行的化学反应；再次,实验要考虑安全性,防止化工实验过程中发生爆炸、火灾等事故；最后,实验内容应当多样化,各高校可以在考虑本校实验资源的情况下依据具体情况自主选择实验内容和项目[6]。

4.2.2 构建串联组合实验体系

串联组合实验是将多个化学实验串联起来的综合实验,是以上一个实验的产物作为下一个实验的原料的一种实验方法。这样不仅可以缩短实验时间、节省试剂,还能减少三废的排放[7]。串联组合实验打破了学科边界、实验边界,使化工实验实现绿色化。串联组合实验已经在我国的部分高校有了成功的案例。例如将苯甲酸制取实验和熔点测定串联、将无机化学实验中的溶液配制和分析化学中酸碱中和滴定实验串联、将无机化学中硫代硫酸钠制备和分析化学中质量分数测定机韩铬离子的废液处理和检测实验串联。

通过串联组合实验的思想,梳理各个学习阶段需要进行的实验,将它们合理地组合在一起,构建串联组合实验体系。甚至可以通过学科之间的联合实验来扩大串联组合实验的范围,以取得更大程度的资源节约和更好的环保效果。

4.2.3 促进微型实验的推广

微型实验是对传统实验的另一种改良方式。主要思想是通过将实验固定在微型化的仪器装置中,以尽量少的化学试剂用量得到较为明显的实验结果,是能够适应绿色化学理念的新技术、新方法。微型实验具有使用原料少、操作简单快捷、环境污染小等优势,是促进实验的绿色化可以借鉴的方式。因此,高校在化工教学实验过程中应当加快促进微型化学实验的推广进程,对于无法避免会使用对环境有害的物质或可能生成对自然有害的产物的实验,就可以采用这种微型实验的方式进行,这样既可以保证实验效果、达到教学目的,也能够尽可能减少环境破坏,有助于实验教学进一步实现绿色化[8]。此外,微型实验也具有降低实验经费、提高学生动手能力、培养学生创新思维、强化师生环保意识的作用。

4.2.4 恰当使用微波技术

微波化学作为化学领域中的新兴学科在国外的研究十分活跃,微波化学反应因其高效、节能、无污染,属于绿色化学的范畴[9]。通过利用微波的热效应和非热效应可以达到改变化学反应速率的效果,甚至可以改变化学反应的路径。微波技术能够使得有机合成反应更加快速、高产,形成很好的重复性。恰当地将微波技术运用到化学实验的设计中,也可以帮助实验实现绿色化,化学实验中微波技术的应用具有很好的发展前景。

4.2.5 充分利用计算机仿真技术

在慎重选择实验内容、改进实验设计、尽量选择符合绿色化学理念的化学反应进行实验的基础上,由于绿色化学研究现状的限制,可能还有一些实验项目无法满足绿色化学理念的要求,但为了完成教学目标,必须要进行。计算机多媒体仿真技术,为这些实验提供了新的替代方法[10]。

计算机仿真实验是依靠计算机创造的一个可视的实验操作环境,实验仪器和设备用仿真物体来代替,学生通过操作这些仿真的设备便可以进行各种化学、化工实验,整个实验过程都可以在计算机上完成[11]。计算机仿真实验引进来先进的现代化多媒体实验教学系统,能够实现学生的参与性要求,并具有直观、开放的特点。学生可以在计算机仿真实验系统中完成实验教学的预习、学习、模拟实验、复习实验等全套学习过程,非常适合那类对环境和人体危害大、危险系数高的实验的操作。计算机仿真实验系统还可以与网络技术相结合,从而打破时空限制,使学生享受到开放的实验教学资源系统,增加了学生的自主学习积极性,不同层次学生可以依据自身爱好,满足自身的学习需求[12]。

5 结语

绿色化学理念是化学学科适应生态环境理念的体现,是化学学科发展的必然趋势,对化学、化工教学和化学工业的绿色化有重要意义。但是绿色化学作为一种先进的理念,还没有得到人们的广泛认可,其普及需要通过教学来实现。现阶段我国化学、化工教学对绿色化学的重视程度还不够,缺少完整的理论体系及深入践行,教学改革仍须深入。分析了化学化工教学改革的必要性和改革方向,并对应当如何将绿色化学理念运用于该教学改革中提出了建议。

References)

[1] 赵丽娜,陆国志. 高校化学实验中绿色化学的研究[J]. 实验技术与管理,2013,30(2):179-181.

[2] 马光路. 基于绿色化学理念的化工专业有机化学实验教学改革初探[J]. 化工管理,2016(11):260.

[3] 吴绍艳,陈洁,章焰,等. 绿色化学理念在化工专业有机化学实验教学中的渗透[J]. 广东化工,2012,39(10):172-173.

[4] 董锐,何建玲. 绿色化学理念在有机化学及实验教学中的应用[J]. 大学教育,2013(23):90-91.

[5] 何树华,田开江. 大学化学专业应加强绿色化学教育[J]. 涪陵师范学院学报,2002,18(5):94-95.

[6] 张小辉. 绿色化学理念在中职化学教学中的应用实践[J]. 中国校外教育,2014(32):145.

[7] 周立亚,龚福忠,王凡,等. 创建绿色化学实验室的探讨[J].实验技术与管理,2010,27(6):174-176.

[8] 蔡佳利,陈红,陈朝晖,等. 树立绿色化学理念改革化学实验教学[J]. 科教文汇(中旬刊),2014(10):53-55.

[9] 余兆菊. 有机化学实验教学改革的探讨与实践[J]. 实验科学与技术,2007,5(1):65-67.

[10] 徐常龙,曹小华,陶春元,等.通过绿色化学实验培养学生创新能力[J].化工高等教育,2009,26(3):42-44.

[11] 刘葵,汪建民. 循环试验模式的构建与教学实践[J].实验室研究与探索,2012,31(3):140-142.

[12] 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):64-67.

Application of green chemistry concept in chemistry and chemical engineering teaching reform

Yan Song, Sun Xiaoping

(Faculty of Chemistry, Chemical Engineering and Environment, Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology, Fushun 113001, China)

First of all, this paper introduces the connotation and principle of the green chemistry concept, and secondly analyzes the current situation of the chemistry and chemical engineering teaching in China so as to find the deficiencies of such teaching under the green chemistry concept. Thirdly, the necessity and direction of the chemical teaching reform under the background of green chemistry concept are analyzed. Finally, the suggestions on how to apply the green chemistry concept in the teaching reform of such disciplines are put forward.

green chemistry; chemistry and chemical engineering; teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.048

2017-06-27

辽宁省教育厅2016年科学研究一般项目(L2016023)

阎松(1978—),男,辽宁营口,硕士,实验师,主研方向为绿色化学与催化.

E-mail：yansong5859@sina.com

G642.0

B

1002-4956(2017)12-0200-03