创新思维理念指导下的无机化学实验教学改革

杨惠芳, 董维超, 任书霞, 郭献章

(1. 石家庄铁道大学 教务处, 河北 石家庄 050043； 2. 河北科技大学 电气工程学院,河北 石家庄 050018； 3.石家庄铁道大学 材料科学与工程学院,河北 石家庄 050043；4. 东北大学秦皇岛分校 实验教育中心, 河北 秦皇岛 066004)

我们生活在一个高度依赖创新的世界[1]。习近平总书记在谈到什么是影响中国长远未来的关键因素时说：“创新、创新、再创新”。党的十九大报告在提到教育时也强调,“加强国家创新体系建设,强化战略科技力量”[2]。在这样的背景下,高校教育中的每一个环节,既应注重教育模式、教育内容的改革创新,也应注重在教学实现过程及其他培训培养过程中对学生创新理论与创新实践能力的培养与锻炼[3]。“无机化学”是很多高校材料学专业新生入学后接触到的第一门必修课,也是材料学科的重要基础课。无机化学实验,是相关专业学生培养计划中必不可少的一环,是“无机化学”课程的重要组成部分,是培养学生实验技能以及分析问题、解决问题能力的重要手段。但由于无机化学学科本身性质的特殊性,进行无机化学实验的同时不可避免地伴随着气体、液体或固体废弃物的生成,这些废弃物若不妥善处理,必将严重污染实验室环境,进而对整个社会环境都会产生严重破坏,这就造成了“实验多、污染多”的矛盾。针对这一矛盾,运用“微创新”中关于“假矛盾”[4]的理论,不但能很好地解决污染问题,还可把污染解决过程变成让学生注重环保的一个很好的实践课。在这一过程中,把绿色化学理念融合到化学实验教学中[5],使师生既提高了环保意识,又运用创新原理进行了创新实践锻炼,提高了综合创新能力。

1 “微创新”中的“假矛盾”理论

在《微创新：5种微小改变创造伟大产品》一书中,作者把“矛盾”的类型分为“真矛盾”与“假矛盾”[4]。“真矛盾”是指形式逻辑中的矛盾,“它意味着失败,但在真正的知识进步中,矛盾是通往成功的第一步”(阿尔弗雷德·诺斯·怀特海)。而我们生活中遇到的所谓矛盾,都是在错误假设上所形成的“假矛盾”,也就是说两个命题之间的联接,是靠不住的“弱联接”,或者是把在某种特定时间与场景下的真矛盾无限扩大化了。这类矛盾的解决,就是要找到矛盾中两个命题间的“弱联接”，并进行研究与探讨,运用创新思维进行分析与推理,这样问题往往会得到顺利解决,还有可能变不利为有利。

在这些矛盾的解决过程中,我们可以主动应用“微创新”中的系统创新策略。它的系统创新理论包含两大原则、五大策略、一个主线。

两大原则分别指“框架内思考”原则与“形式为先,功能次之”原则,前者要求我们在自己熟知的领域内寻找问题的解决办法,后者则要求我们改变惯有的思维模式,先把问题的各部分(部件)进行各种形式的分解,然后再对重要部件进行删除、复制、重新组合的操作,或者发现某部件的新特性,或者为某个部件增加另外的任务。这些操作分别称为减法策略、乘法策略、除法策略、属性依存策略、任务统筹策略,即五大策略。进行这些操作后对所形成的每一个新“产品”进行分析,找出它所具有的新特点与新用途,并进一步探讨它的潜在用户是谁。通过这样的创新过程,一个新产品或新思路或许就会应运而生,并带来意想不到的成功。一个主线是指把“矛盾作为创新路上的灯塔”,通过分析矛盾的两个命题之间的“弱联接”,运用以上的一种或几种创新策略,在“框架内思考”,最后解决问题。

无机化学实验中的“三废”问题的解决,是上述“假矛盾”理论的应用范例,不过是从“自发”状态演变为“自觉”状态了。所谓“自发”状态是指我们在解决化学实验的“三废”问题时,实际上已经应用了创新理论中的某些论断,但是并不知道这个理论的存在。而当我们系统地掌握了这些有效的创新理论时,把新问题放到创新理论系统中,进行分析与处理,最后解决问题。方法可能是创新的,但原理的运用却在我们的掌控之中。比如,对于“三废”中的废气,有时被定义为“有毒有害”气体,这实际上是“微创新”理论中所谓的“假矛盾”,因为只有当某种气体接触了某种其不应接触的对象时,才是“有毒有害”的。因此问题的关键不是“有毒有害”,而是这个“弱联接”被无限扩大化了。对于类似的问题,下文将一一进行分析。

2 运用“假矛盾”理论来处理无机化学中的“三废”问题

2.1 无机化学实验中污染物的处理现状

以某校无机化学实验室为例,让师生把目前实验污染的现状(也即“假矛盾”)列举出来。他们经过分析并采取“打包”式的描述如下。

无机化学实验包括：化学反应速率和化学平衡、离解平衡、沉淀反应、氯化钠提纯、氧化还原反应、配合物形成时性质的改变、混合离子的鉴别、分离等,这些实验教学内容中“三废”的存在贯穿始终。

(1) 污染性气体排放的处理现状。无机化学实验中产生的污染性气体,主要为一些氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物、氯气、氨气和其他非金属氢化物等。目前的处理方法是,有毒有害气体在通风橱内操作,通过排风扇排出室外,在可能的情况下最大限度地降低实验室空气污染程度,使实验人员对有毒有害气体吸入量达到最低。但是这种处理方法使有毒有害气体进入到了实验室周围的环境中,在开设实验班级较多、实验量相对较大情况下,在实验室周围就会形成一个污染区,对大气环境的影响也不容忽视。

(2) 液体污染物的处理现状。对于一些观念上认为是无毒或低毒的物质,如氯化钠、碳酸钾、酸类、碱类等都被认为是可直接降解为无毒物质的。目前,实验室对这些物质不作任何处理,直接倒入水池,排入下水道。但由于很多下水道直接与河道相连,这种操作将污染地表水及地下水资源,若与城市垃圾一起处理,又会产生土地污染问题。实验室对Cu、Pb、Ni、Ag、Zn等重金属及其化合物只注重回收,不注重处理,实验完成以后长期存放在实验室。这不仅污染实验室,也不利于实验操作人员的身体健康。对于毒性较大的如汞及其化合物、铬(Ⅵ)及其化合物,基本采取回避政策,能不用则不用。虽然这样做比较安全,但是学生无法亲自进行相关实验,没有基本的感性认识,不利于知识的掌握和能力的培养。

(3) 固体废弃物的处理现状。实验室固体废弃物主要包括一些实验过程中破损的玻璃器皿、使用过的滤纸、火柴梗等,这些物质虽然数量不多,但是直接倒入垃圾通道,进入城市垃圾系统,也会间接影响生活环境,对人体健康产生危害。“打包”式描述,最容易掩盖矛盾之间的“弱联接”,同时也会造成人们的主观臆想,给矛盾的解决造成障碍。因此,可以引导师生先运用“形式优先,功能次之”的原理,把所述的问题全部“拆解”,然后运用“五种策略”,寻求在“框架之内”的问题解决途径,以求获取更佳解决办法。

2.2 运用创新策略,对“三废”问题各个击破

2.2.1 用“创新视角”对实验“三废”污染处理过程的再认识

按照以往的观点,无机化学实验中反应产物的处理过程,就是教学过程中的负作用,是完全有害无益的过程。但用“属性依存”策略来分析,对这一有害过程,使用创新的理论与方法进行无害化处理的过程,正是在实践中对学生进行创新实践教育、绿色环保教育的过程。所以，这个教育过程既是化学实验的环保教育过程,也是创新能力的养成教育过程,应该高度重视。要把这种教育的“自发性”,变成创新及环保教育的“自觉性”。

2.2.2 创新策略在有毒气体的无害化处理中的应用

“有毒有害气体”这一判句本身是一个“假矛盾”,因为只有当这种“气体”散发到不该散发到的地方,接触了不该接触到的人或物,才是真的“有毒有害”。把“有毒有害”与“气体”之间的“弱联接”打破了,这种命题就不复存在了。具体的做法为,对产生有毒有害气体的实验,尽可能放在密闭的容器中进行,将实验中产生的有毒有害气体收集、统一处理。处理的方式主要有以下三种[6]：

(1) 吸附：在通风橱内及气体出口处添加吸附性物质,将有害物质吸附在固体表面,避免有毒有害气体直接进入空气中。

(2) 转化：对于CO气体,通过氧化燃烧生成CO2排出。

(3) 吸收：对于SO2、Cl2、H2S、NO、NO2等气体, 可以用NaOH溶液加以吸收(气体产物可直接通入NaOH溶液或用浸有NaOH溶液的棉花球吸附),使之转化为无毒的物质。

2.2.3 创新策略在液体废弃物的环保绿色处理中的应用

废液是无机化学实验的“三废”中最主要的部分,其中可能含有酸碱、重金属离子及其化合物。这些液体废弃物必须科学处理,才能使我们的生存环境得到有效保护。在处理过程中,针对不同的实验,采取不同的创新策略,使问题均得到有效解决。

2.2.3.1 采用除法策略,合理组合,优化实验内容

一般工科院校中,无机化学实验都包含沉淀实验和配合物性质实验两类。沉淀实验中有银离子与卤离子的反应,不可避免地会产生AgCl、AgBr、AgI重金属沉淀废弃物。这些废弃物的存在会对环境产生影响。配合物性质实验需要先生成AgCl、AgBr、AgI沉淀,再加入配位剂NH3•H2O、Na2S2O3、KI,使其生成配合物,观察沉淀溶解过程,同样有相关Ag+及其沉淀和配合物的残液生成。

在常规实验过程中,沉淀反应实验与配合物性质实验是分别进行的,两个实验产生两次污染废弃物。

针对以上问题,采取“微创新”中的除法策略,把以上两个实验过程中的各个步骤先分开来,然后进行组合,优化实验内容,如图1所示。

图1 沉淀反应与配合物实验的优化组合

通过“除法策略”的运用,将沉淀实验和配合物性质实验通过优化组合予以改进,学生既可清楚地观察到沉淀的每一步生成过程、溶度积对沉淀的影响、沉淀的转化,以及配合物形成和配合平衡与沉淀平衡的转化,同时简化了实验步骤,减少了试剂用量,使废液污染量大大降低。

2.2.3.2 运用“属性依存”与“减法策略”,对反应物科学处理、重复使用

实验生成物,既是“废弃物”,也是有再利用价值的“材料”。通过仔细分析,发现很多实验中的化学成份都有“多面”属性,这就为“属性依存策略”的应用提供了很好的场景。

在沉淀生成实验中的Pb2+性质实验,所生成的PbI2、PbS、PbCrO4毒性较大,不能直接排入下水道,是必须处理的重金属残液。

对于溶度积较大的PbI2,可先转化为PbS,再与PbS一起处理。

对于收集完成后的PbS,可掺入HNO3溶液,通过两者之间的如下反应过程除去： 3PbS+8HNO3=3S+3Pb(NO3)2+2NO(气体)+4H2O。其中,Pb2+溶液可以重复利用,污染性气体NO在空气中就很容易氧化为NO2,再用氢氧化钠溶液吸收。

对于收集完成后的PbCrO4,可掺入NaOH溶液,通过两者之间的如下反应除去：PbCrO4+ 2NaOH = Pb(OH)2(沉淀)+Na2CrO4。其中,对于Na2CrO4物质,通过调整pH值配置铬酸洗液,用于实验室玻璃器皿的洗涤,Pb(OH)2沉淀提取后，可用硝酸或醋酸溶解,生成的Pb2+可用于沉淀反应重复使用。

以上解决方法,都是应用反应生成物的不同“属性”,变废为宝,重复利用。

2.2.3.3 运用“保留型除法策略”,推广微型实验,最大限度地降低残液量

“保留型除法策略”[4]是指缩小原产品,但依然保留原产品的功能与特性,却能为用户带来不一样的体验,就像用U盘代替移动硬盘。而在我们的化学实验中,微型实验[10]就具备这一优良特性。

微型化学实验[10]是指用微小量的化学试剂在微型化学仪器装置中进行的化学实验。虽然它的化学试剂用量一般只为常规实验用量的几十分之一乃至几千分之一, 但其实验效果却可以达到准确、明显、安全、方便和防止环境污染等目的。微型实验适用于一些毒性较大、药品昂贵、消耗量大、污染严重、操作复杂的化学实验。如硫化汞的生成和溶解,此实验中Hg2+化合物及其沉淀、配合物的毒性极大,若改成微型实验,或将实验容器由试管改为在点滴板上进行,既可大大减少毒性试剂用量,将污染程度降到最低,又能让学生亲自动手进行实验,加深印象,有利于他们更好地了解物质的性质。

2.2.3.4 多媒体模拟实验是“减法策略”的典型应用[11]

“减法策略”是“微创新”理念体系中的重中之重,它是指把一个产品中的核心部件去掉,不找替代物,或从框架内找一个替代物,从而生成一个新的产品,而这一新产品却具有特殊的用途,能达到意想不到的效果。在实验教学中减去“实验”,还能达到实验的效果,却没有了实验所带来的负面影响与产物。这就是现在多媒体教学的应用,包括数值模拟实验的应用和VR视频技术的应用等。

现代多媒体教学手段生动传神,其特有的动画、视频效果能形象直观地展示实验内容,全方位、立体化地说明每一个实验结果,对于毒性大、耗时长的实验尤其适合。比如在氧化还原反应中氧化剂浓度对反应速率的影响实验,用不同浓度的Pb(NO3)2溶液在HAc溶液的存在下加入Na2SiO3,观察“铅树”生长的速率,从而验证反应物浓度与反应速率的关系。在此过程中,不仅要使用重金属Pb2+进行实验,存在污染问题,而且“铅树”生长极其缓慢,通常需要十几个小时才能完成。若教师将此实验过程制作成多媒体实验录像,不仅能将实验过程、实验现象、实验中要注意的内容生动传神地展示出来,而且能降低实验成本，实现环保绿色,多媒体的视频、音频效果还能大大提高学生的学习兴趣。

2.2.4 固体废弃物的绿色化处理是“假矛盾”处理的典型

固体废弃物虽然量小、影响小,但直接丢弃也会污染环境,而全由学校实验室直接进行处理,则会产生很高的费用。运用框架内思维对矛盾进行分析,发现去掉矛盾的定语“学校实验室自己处理”,则问题就好解决了,因为专业公司具有规模效应,可把收集来的重金属等在国家规范允许的范围内进行处理或变废为宝。

目前处理无机实验中产生的固体废弃物的主要做法是分类存放,破损的玻璃器皿、使用过的滤纸等，要根据不同的实验内容用化学的方法洗涤，去除重金属及有毒物质,或交由专业处理企业进行进一步处理。

3 结语

化学工业的发展的确给我们的生活带来了极大的方便与舒适。徐光宪院士说过：“化学是不断发明和制造对人类更有用的新物质的科学。化学科学是现代科学技术发展的重要基础学科。”但是化学品的污染同样也对我们的生存和健康带来了极大的隐患,甚至有些已经产生了极大的危害。在当前环境问题日益严重的境况下,化学污染与环境保护已引起了人们的广泛关注,探讨和推行实验绿色化已成为高校化学实验教学改革的必然趋势,势在必行。无机化学实验教学与实验污染这一对矛盾的解决,有着重要的现实意义与理论探讨价值。因此,在保障化学实验教学效果的前提下,运用创新理论与方法,针对不同的实验中所呈现出的问题,一一克服,减少实验污染,实现无机化学实验课程的科学化、绿色化,提高学生的环保责任意识,增强创新理论水平与实践能力。这样的教学模式具有一定的推广参考价值。

“大众创业,万众创新”,已经成为时代的共识。创新已经与大众生活密不可分。作为大学教育的参与者、亲历者,教师应该走在创新的第一线,把自己的课堂教学和实验教学变成学生学习创新理论和进行创新实践的场所。结合实验教学,搞好创新教育,既在实验中达到专业培养目标,又实现实验教学内容与形式的改进与优化,师生的创新能力与热情也得到提升。