普通高等院校化学实验微型化的研究与实践

王军 杨冬梅 张丽君

[摘 要]高等院校广泛开展的化学实验教学在帮助学生提升科学素质的同时也带来了一定程度的环境污染问题。随着人们环保意识的增强，微型化学实验教学理念已经被国内外高校普遍接受并广泛开展。文章介绍了两个经典实验项目的微型化、小型化设计思路以及实施效果。教学实践研究结果说明，只要我们无惧困难，肯于研究，推行微型化学实验是可行的，而且应持久开展下去。同时，微型、小型化学实验的广泛开展对提升学生的综合素养、培养学生的社会责任感都有积极的作用。

[关键词]素质教育；环境保护；高等教育；化学实验；微型化

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）05-0065-03

大学生综合素质是科学研究素质、思想道德素质、身体素质和心理素质的集中体现。随着社会的发展和科技的进步，全面提高大学生综合素质成为高等教育改革的一个重要目标。大学生素质教育在强调培养卓越人才的同时，也应更加注重培养学生将科学知识服务于社会的意识。东北大学人才培养总目标中明确要求，应坚持立德树人，加强社会主义核心价值观教育，培养学生的社会责任感。社会责任感包含的内容极其广泛，其中之一就是珍惜资源、爱护环境的责任意识。增强学生的环境保护意识，使其在今后的职业生涯中，既能成为一名社会的建设者，也能成为一名自然环境的护卫者，这并非一蹴而就的事情，而是需要在教学过程中进行持续的熏陶和培养[1， 2]。在这样的背景下，如何才能实现这个人才培养目标值得广大教育工作者深入思考。

笔者多年来一直在高等院校从事物理化学理论和实验课程的教学工作。在长期的教学实践过程中笔者切身体会到，对于正处在科学观和价值观形成阶段的学生而言，将先进的教育理念充分体现在各个教学环节之中是非常重要的，因为这样会对学生未来的发展产生深远影响。化学是一门实验科学，其学科特征就是理论和实验相辅相成。因此在进行理论课教学的同时，还需充分发挥实验教学对理论教学的补充功能，不仅要向学生介绍先进的科学研究方法，还应培养学生的环保意识、责任意识，致力于提升学生的综合素质。

一、高等院校化学实验课教学面临的新问题

在高等院校各种理科和工科专业的培养计划中，化学实验课程是其中的重要组成部分，是培养学生实验、实践能力的基础课程。近年来，由于化学实验对学生专业实验、实践技能的培养和科研素质的提升起到关键的作用，因此有越来越多学科和专业的学生在大学期间修学化学实验课程[3， 4]。在东北大学，化学实验课程面向全校的冶金工程、环境科学、采矿工程、材料科学、安全工程、应用化学等14个理工科专业、140多个班次開设。每年有4000余人次的学生接受化学实验训练，约占东北大学每年本科招生总人数的80%。

另外，如果学生主修的专业不同，其学习目的和需求的差别也较大[5， 6]。化学实验课程教学效果直接影响到后续的专业学习，因此不同专业的学生希望根据自己专业的特点有针对性地学习实验技能。例如，冶金工程、环境工程、环境科学、生物工程、材料科学等专业的学生想了解本专业课程实验与化学实验操作技术之间的密切关联。而应用化学专业的学生则对化学实验的深度和广度有更高要求。由于修学的学生众多，不同专业的学生对化学实验课程无论是深度还是广度的要求，其差别无疑是巨大的，从而导致化学实验内容的复杂多样。按东北大学近五年化学实验课程教学大纲统计，全校每年开展的化学实验项目达百余种[7]。

化学实验课程除具备如上所述的课程特征之外，在近些年高等院校持续扩大招生规模和强调素质教育理念的双重背景下，化学实验教学的开展又出现了新的问题，即实验材料费用迅速攀升和实验试剂、实验产物对环境造成污染。

二、化学实验微型化的必要性

上述原因导致化学实验中被使用的试剂和低值易耗品种类繁多、数量巨大，因此实验材料的耗费量十分惊人。与此同时，还需要耗费大量资金对实验过程中产生的废液和废渣进行无害化处理。假若直接排放未经处理的实验废弃物，就会既与环境保护的理念和建设节约型社会的国家战略相悖，也不利于培养学生的绿色实验观念和环境保护意识[8， 9]。因此，近些年我们在注重培养学生实验、实践能力的同时，针对化学实验教学广泛开展所带来的愈来愈严重的环境污染问题和资源浪费现象，大胆进行实验教学改革，逐步加快了化学实验微型化进程。

所谓微型实验是指在微型的仪器设备中，用尽可能少的试剂获取所需的化学信息的实验方法。微型实验不仅与常规实验等效，而且还具有节约药品、减少仪器损耗、节省时间、提高实验安全程度等优点。由于微型实验消耗试剂较少，产生的有害物质少，利于环境保护，因此微型实验的经济效益和环保效益都是显而易见的。

微型化学实验在20世纪80年代问世以后，在大学及中学化学教学中的推广使用已经受到国际化学界的高度重视，许多发达国家积极响应。在我国，经教育部和高等化学研究中心批准成立的“全国微型化学实验研究中心”已面向国内开展了二十余年的微型化学研究与推广工作。目前，我国中学化学实验的微型化程度较高，但普通高等院校的依然较低。这一方面是由于大学化学实验的复杂程度远高于中学的，开展微型化实验难度较大，另一方面也是由于人们开展微型化实验的意识不强。

作为教育工作者，我们需要牢固树立教书不忘育人的教育理念，从自身做起，从身边事情做起[10]；发扬克难奋进、持之以恒的精神，对化学实验课程进行重新设计与探索，以达到用尽可能少的试剂和仪器耗费来获取尽可能多的化学信息的目的；在注重学生实践能力培养的同时，努力提升学生的环保意识。

三、微型化学实验示例

在长期的化学实验教学过程中，在保证实验方案合理、实验结果稳定、实验效果显著的前提下，我们致力于对现有化学实验项目进行微型化设计[9]。此外，由于高等院校所开展的化学实验项目的复杂程度远高于中学化学教育且与其有着截然不同的特点，因此目前也有一些实验项目尚未能够实现微型化。对这类实验项目我们也进行了重新设计，减少试剂的使用量，致力于将化学实验教学对环境产生的危害降至最低。下面以“化合物的差热—热重分析”和“热分析法绘制铋—锡二组分体系固—液相图”这两个实验项目为例具体说明。

（一）微型化实验示例——“化合物的差热—热重分析”实验

差热—热重分析方法是一种重要的科学研究方法，广泛应用于化学、化工、材料、环境等学科领域。“化合物的差热—热重分析”实验开展的目的是帮助学生掌握差热—热重分析方法的原理及其应用，学会定性地解释差热—热重图，并对影响测量准确性的因素进行初步分析。通过这个实验，学生不仅更容易理解热力学的基本原理，而且还掌握了一种测定其物理化学性质的常用方法。

“化合物的差热—热重分析”实验是许多高等院校物理化学基础实验课程中的一个经典实验项目，不同高校的实验所采用的测试样品种类可能不同，但是基本原理相同。这是一个基于物质在变温过程中所发生的相变而设计的实验。即当物质在加热或冷却过程中发生熔化、升华、汽化、凝固、分解、化合、晶型转变、脱水、吸附、脱附等物理和化学变化时，经常伴随着吸热或放热、失重或增重等现象。相应地，体系温度随时间变化曲线上就会发生停顿或转折，体系质量随温度变化曲线上就会发生转折或突跃。在通常情况下，由相变产生的热效应相当小，或者某些化学反应的热效应不显著，这些情况都不足以引起体系温度发生明显的变化，也就是说体系温度随时间变化曲线上的顿、折并不显著，甚至根本显示不出来。因此，在进行差热分析时，常常将待测样品与热稳定性良好的参比物（要求是在实验温度变化的过程中不发生任何物理变化和化学变化的物质，不产生任何热效应，例如Al2O3、SiO2等）同置于加热炉中，使加热炉保持一定的升温速率，记录升温过程中试样与参比物的温度差，将此温度差对升温时间作图或对实时温度作图，即可得到待测样品的差热曲线。与此同时，记录升温过程中试样质量变化，并对升温时间作图或对实时温度作图，即可得到待测样品的热重曲线。

在我们以往的“化合物的差热—热重分析”实验中，每次测试所使用的CaC2O4·2H2O样品量为0.5克。虽然从单次测试所使用的样品量来看并不算太多，然而学生的基数很大，每人测试一次是0.5克，每年有数以千计的学生进行每人多次的测试，其样品的使用数量大，且样品焚烧后的产物之一CO2直接排放到空气中。另外，由于测试时使用样品较多、体积较大，因此很难保证样品室内的温场均衡，这也会导致实验结果出现较大偏差。为了解决上述问题，在经过大量教学研究和理论推演后，我们重新设计了实验方案，配置了差热天平、微机差热仪等新的仪器设备。在新设计的实验中使用了微型样品管，使每份CaC2O4样品的使用量减少为原来的十分之一，即不超过0.05克。

教学实践结果表明，“化合物的差热—热重分析”实验微型化后有许多好处。其一，在大幅度削减化学药品使用量的同时，实验室内的温度环境得到明显改善。以往在实验进行过程中，由于样品室较大，炉体的体积也较大，升温过程中炉体散热量非常大。如果8套仪器同时进行实验，50平方米的实验室其温度会升高8摄氏度左右。但在使用微量样品室以后，实验室温的度升高值不超过4摄氏度。其二，由于微量样品室中温度分布更均匀，因此实验结果更接近实际值，学生的实验偏差也更小。其三，学生的实验体验与以往不同。采用新的微型化实验方案以后，很多学生对采用如此微量的样品就能获得大量的关于化合物物理化学性质的信息感到非常惊奇。这也达到了我们努力为学生开设各种类型的实验，逐步引导学生不仅学会做实验而且学会深入分析实验结果的目的。

（二）小型化实验示例——“热分析法绘制铋—锡二组分体系固—液相图”实验

“热分析法绘制铋—锡二组分体系固—液相图”实验是我国很多普通高等院校理工科专业为学生设置的另一个经典的物理化学实验項目。其开设的目的是帮助学生了解热分析的方法，学会采用热分析的方法绘制可生成合金的铋—锡二组分体系固—液相图，了解热电偶的测温原理和校正方法。通过这个实验，学生可以更清晰地观察到物态的变化以及物态变化所伴随着的体系温度变化。

热分析方法是分析材料物理化学性质的一个基本的也是重要的方法，是根据体系在加热或冷却过程中发生相变时所对应的温度来确定体系状态的一种方法。对于透明体系且温度不太高时，可用肉眼观察某相的析出或消失；对于高温且不透明体系，一般可通过冷却曲线找出相变温度。所谓冷却曲线，也称为步冷曲线，即熔融体系冷却时的温度与时间的关系曲线。一个熔融体系均匀冷却过程中若无相的转变，则体系的温度将连续均匀地下降，得到一条平滑的冷却曲线；若冷却过程中发生相的转变，则由于相变潜热的影响，会使体系温度的下降速度发生明显变化，在相变发生时段冷却曲线会出现转折点或者水平线段。因此，观察冷却曲线的转折点或水平段对应的温度就可以得知体系发生相变时的温度。我们设计的二组分体系固—液相图的绘制实验所采用的热分析对象是铋—锡二组分体系，该体系属于有最低共熔点的有限固熔体体系。在测定得到一系列由不同含量铋和锡组成的体系的冷却曲线后，分析曲线的转折点及水平段对应温度并结合相律，便可了解到冷却过程中体系的变化，从而绘制出体系的固—液相图。

在以往的实验过程中，我们是将一定配比的铋和锡混合样品放在坩埚中，并在其表面淋上一层硅油，之后加热熔融。加入硅油的目的是防止加热过程中金属的挥发及氧化。通过文献查阅不难发现，硅油的燃点为320℃，仅比铋的熔点（271℃）高49℃。在加热试样时，随着温度的升高，硅油会大量挥发。而且，若实验时升温速率太快，熔体温度过高，那么浮在金属熔体表面的硅油会被引燃。这样不仅会消耗大量硅油，其高温挥发及不完全燃烧的产物还会污染空气。为此，我们更新了实验装置，采用金属样品管盛装样品，单支样品的用量从过去的120克减少到几克。与此同时，我们不再使用硅油覆盖，而是采用给样品管抽真空的办法来避免金属熔体与空气接触。教学实践结果表明，对“热分析法绘制铋—锡二组分体系固—液相图”实验的小型化设计不仅节省了大量实验药品，而且也从根本上解决了实验过程中的空气污染问题。

四、结论

微型化学实验所具有的优势已经被越来越多的人所认可。随着人们环保意识的增强，微型化学实验在国内外高等院校的教学与科学研究中也愈来愈受到广泛的重视。进一步推广微型化学实验符合时代发展的需求，同时对改变学生科学研究观、提升学生的科学素养、培养学生的环保理念、增强学生的社会责任感都是十分重要的。随着微型化学实验教学改革进程的持续推进，不可避免地会遇到一些困难和问题。对那些由于种种原因导致无法实现微型化的实验项目，也应力求将实验样品使用数量降至最小。只要我们肯于潜心研究、克难奋进，不断地更新教学理念，拓展教学改革思路，丰富实验教学手段，化学实验微型化目标就可以实现。

[ 参 考 文 献 ]

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[3] 张霞， 李伟， 王育红. 东北大学化学实验教学改革探索[J]. 实验技术与管理， 2007（2）：123-125+131.

[4] 张国林， 韩莹， 薛怀国， 等. 大学化学实验课程体系的改革与实践[J]. 大学化学， 2010（1）：23-25+31.

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[8] 曹忠， 何婧琳， 龙姝， 等. 基于创新型人才培养的毕业论文化学实验的绿色化[J]. 化工高等教育，2014（4）：63-66+86.

[9] 杨冬梅， 王军. 物理化学实验教学的绿色化改革[J]. 大学教育，2016 （1）：90-92.

[10] 王军， 杨冬梅， 霍玉秋. 创新型人才培养模式下的物理化学教学研究与改革[J]. 大学教育， 2015 （5）：99-101.

[责任编辑：庞丹丹]