高中生绿色化学理念现状的调查研究

吴晗清 侯嘉伟 穆铭

摘要 ：绿色化学是化学发展的新形态，是构建生态文明的重要保障，化学教育中渗透绿色理念是非常必要的。对北京市示范性高中的196名学生进行研究，发现其绿色化学理念的总体水平位于中等层次。具体来说，“空气污染与防治”及“水体污染与水资源保护”掌握水平较高，“化学工业绿色化”和“化学能源的开发利用”掌握水平比较一般，而“食品安全与健康”和“化学药品与安全操作”掌握水平最低。基于此，本文认为化学教学中亟须普及与深化绿色化学的理念，绿色化学的学习应该与学生生活实际紧密联系起来，让学生在实践活动中通过真实的体验来达成绿色化学理念的内化。

关键词：化学教学;绿色化学;调查研究

一、绿色化学理念框架

化学通过创造人类所需要的新物质，为人类文明的进步作出了伟大的贡献。但是不可避免的，在其反应的过程之中也出现了未有效利用资源、产生大量排放物从而造成环境污染等一系列的弊端。绿色化学这一概念，由美国环保局在1984年首次提出。它利用化学的方法与技术来降低或消除那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用或产生，从而使所设计的化学产品或过程更加节能环保。绿色化学比传统化学层次更高，传统化学向绿色化学的转变可以看作是化学从“粗放型”向“集约型”的转变[1]。

迄今为止，对绿色化学的主要研究问题分为12个方面：1.从源头制止污染，而不是在末端治理污染;2.合成方法应具“原子经济性”，即尽量使参加过程的原子都进入最终产物;3.在合成方法中尽量不使用和不产生对人类健康和环境有毒有害的物质;4. 设计具有高使用效益低环境毒性的化学产品;5.尽量不用溶剂等辅助物质，不得已使用时它们必须是无害的;6.生产过程应该在温和的温度和压力下进行，而且能耗应最低;7.尽量采用可再生的原料，特别是用生物物质代替石油和煤等矿物原料;8.尽量减少副产品;9.使用高选择性的催化剂;10.化学产品在使用完后应能降解成无害的物质并且能进入自然生态循环;11.发展适时分析技术以便监控有害物质的形成;12.选择参加化学过程的物质，尽量减少发生意外事故的风险[2]。

无论是从科学、技术、经济、社会、生存环境还是文明进步的角度，我们都有足够的需求去发展绿色化学。然而笔者通过阅读大量的相关文献，发现很多研究仅仅停留在质性的层面，而缺乏具体的实证资料的支持。笔者以高中化学的核心知识为依据，对高中化学课程标准进行了深度的分析，总结出了体现绿色化学的内容主题进而编制测验试卷，试图揭示学生绿色化学理念的实然状况。

二、基于理念框架的试题设计与测验实施

1.    研究对象

本研究对北京市示范性中学的210名高二学生进行调查研究，回收有效问卷196份，回收率达93.3%。在对问卷的填答情况进行统计后，笔者用Excel2010对数据结果进行了处理，而且对20名学生进行了深度的半结构性访谈。

2.    研究工具

笔者对课程标准和教材（人教版）进行了深度的分析，发现课标和教材中体现绿色化学的内容主题如下：“二氧化硫和二氧化氮”“海水资源”“环境保护与绿色化学”“大气污染”“水体污染与污水处理”“垃圾处理”“白色污染”“三废处理”“合成氨工业”“煤的综合利用”“环境中的高分子材料”“化肥与农药”“能源”“塑料”等等。分别分布在必修一、二，选修一、二、四、五、六等七个模块中。除了选修三《物质结构与性质》中没有体现绿色化学之外，其他模块均有涉及，表明绿色化学理念十分重要。

为了研究方便，在原有课标和人教版教材的基础上打破了模块的限制，将上述众多的主题进行凝练，解构为七个维度，分别是：“绿色化学理念”“空气污染与防治”“水体污染与水资源保护”“化学能源的開发利用”“化学工业绿色化”“食品安全与健康”“化学药品与安全操作”等。每个维度对应若干问题，总分100分。本研究还根据学生绿色化学的总得分，按照高低分为高分组（100～80分）、中等组（79～60分）以及低分组（59分以下），从而考察绿色理念水平不同的学生在各个维度上的差异。

三、测验结果分析

1.总体来看高中生绿色化学理念的水平位于中等层次

通过对196份问卷的数据进行统计分析，笔者计算出196名学生的整体平均得分为73分，总体情况相对较好，但没有达到80分，因此距离优秀还有一定差距。为了得到更进一步的深层次分析资料，笔者按照既定的研究方法对数据样本又进行了细化和处理，得到了高中绿色化学七个维度总体情况的相关资料（见表1）。

从表1 中可以看出，学生掌握情况较好的前三个维度为“水体污染与水资源保护”“空气污染与防治”“绿色化学理念”，掌握不好的三个维度为“化学工业绿色化”“食品安全与健康”“化学药品与安全操作”。

为了对结果进行更好的解释，笔者在量化研究之后也对部分学生进行了半结构性的访谈。在访谈过程中，当被问及有关空气污染和水体污染，以及绿色化学理念的问题时，学生的反应较快，并且能够清楚、正确地说出相关知识;提到化学工业、食品安全和化学实验操作等话题时，学生的回答有延迟，需要进行一定时间的考虑后才能作答，并且给出的答案会出现错误。而在被问及平时教师授课更侧重于哪些方面时，不少学生表示由于高考指挥棒的影响，有关水体和大气污染的话题，以及绿色化学概念的相关知识是教师强调的重点。相比之下，食品安全的考察频率过小，化学工业距离现实生活较远，实验操作难度系数较大，因此这三个方面便成为了教师授课的盲点或学生的易错点。

2.三个层次的学生在七个维度上均存在差异，但与总体趋势相吻合

除了从整体上进行解释，还对高分组、中等组、低分组三个层次在每个维度上的得分进行了逐一统计分析（见图1）。

从图1 中可以看出，不论是高分组、中等组还是低分组，在总体趋势和走向上都与整体情况相符合，但是在某些维度内部与各个维度之间依旧存在着差异。例如，在得分最高的“水体污染与水资源保护”维度上，三个层次的学生均能达到满分。而在得分第二的“空气污染与防治”维度上，不同层次的学生开始出现差异，高分组依旧能得到满分，但中等组就降低到90分，而低分组则更加明显，滑落到了83分。在得分第三的“绿色化学理念”维度上，三个层次的差距越发明显，高分组平均分满分，中等组只得到了85分，而低分组就只有50分了。再到后面几个模块，虽然三个层次的学生的掌握水平都开始下滑，但它们之间的差距却是固定的，即高分组比中等组高出10多分，比低分组高出30～40分。

为什么不同层次的学生存在着如此大的差距呢？为什么学生对于水资源和大气污染，以及绿色化学理念的部分就能很好掌握，而对于食品安全，实验操作等方面就明显欠缺呢？为了得到答案，笔者在后面的分析中，结合典型例题以及深层次的访谈进行了探讨。

3“.绿色化学理念”“空气污染与防治”及“水体污染与水资源保护”掌握水平较高

（1）     绿色化学理念

我们改变了原来直接问概念的方式，而是巧妙地考察了原子经济性的概念，把落脚点放在了理解与运用上。比如考查“乙烯与氧气在银催化作用下生成环氧乙烷，乙烷与氯气反应制备氯乙烷，苯与乙醇在一定条件下生产乙苯，乙醇与浓硫酸共热制备乙烯这四个反应中，哪一项最符合原子经济性，理由是什么”。这些都是高中有机化学的基本反应，基础性较强，考察学生的基本功。在与学生的沟通过程中，笔者发现学生对于基本反应的掌握程度很好，从学习的层面上讲达到“了解”是绝对没问题的。再加上教师对于绿色化学理念的着重强调，使得学生有了较为深刻的印象，因此得分率在三个水平上都是最高的。

（2）     空气污染与防治

让学生判断“①对燃煤进行脱硫;②对含SO2、NO2等工业废气进行无害处理后，再排放到大气中;③人工收集雷电作用所产生的氮的氧化物;④飞机、汽车等交通工具采用清洁燃料，如天然气、甲醇等，这四项中哪些是减少或者防止酸雨形成的可行措施，为什么”。学生能很好地回答，知道③是不可行，并分析了原因。访谈得知由于近年来空气质量逐渐下降，雾霾天数越来越多，高考的关注重点也集中到了大气污染上，从而教师在平时的授课中也着重进行了渗透，强化了学生的知识基础，提高了对于空气污染的防治认识。

（3）     水体污染与水资源保护

考查学生“①生活污水的任意排放;②海上油轮的原油泄漏;③水力发电;④农药化肥的不合理使用;⑤使用无磷洗衣粉，这五项中哪些能造成水质严重污染，理由是什么”。从多个角度来考察学生，覆盖了与水资源相关的农业与工业、生产与生活。虽然学生的作答情况比之前两个维度稍有差距，但学生的掌握情况还是比较良好的。通过访谈了解到与大气污染一样，水资源的保护也由于是高考的热点而受到教师们的重点关注，从而这一维度学生的得分相对较高。

4“.化学工业绿色化”和“化学能源的开发利用”掌握水平比较一般

（1）     化学工业绿色化

我们以接触法生产硫酸为具体知识载体，对于学生的绿色化学工业内容进行考察。比如让学生评判“①尾气用氨水处理;②污水用石灰乳处理;③废渣用来造水泥、炼铁;④设置废热锅炉产生蒸汽用来供热或发电，这四项分别处理接触法生产H2SO4过程中产生的废气、废水、废渣的可能性及科学性”。和化学能源的开发利用一样，化学工业的绿色化距离学生的实际生活相对较远，加上对于“接触法”本身的困惑，导致很多学生对于这部分内容并没有非常直接的认识。在后期的访谈中，笔者发现很多学生对于工业流程并不清楚，学校远离工业生产基地，再加上知识本身相对生僻，增加了判断难度。

（2）     化学能源的开发利用

我们以煤的气化为具体知识载体，通过选修四的热化学方程式书写和勒夏特列原理进行渗透，综合考察学生的掌握水平。比如考查“在已知煤的气化的三个方程式（如下①②③）的基础上，评述水煤气的用料、水煤气作为二级能源比煤直接燃烧的利弊;然后计算等质量的CO和H2完全燃烧时，放热分别为多少;考查燃烧热的理解”。化学能源的利用也离学生生活实际较远，对“水煤气”、二级能源、燃烧热等名词不理解，学生的作答情况就比较一般。在访谈中注意到学生对于“化学能源”本身存在畏难情绪，加之生活经验的匮乏，使此类问题难以系统回答。

①C（s）+H2O（g）=CO（g）+H（2g）

ΔH1=+131.3kJ/mol

②2CO（g）+O（2g）=2CO（2g）ΔH2=-566.0kJ/mol

③2H（2g）+O（2g）=2H2O（g）ΔH3=-483.6kJ/mol

5“.食品安全与健康”和“化学药品与安全操作”掌握水平最低

（1）食品安全與健康

我们选择了高分子合成材料作为核心考点，这块知识看似来源于生活经验，但仔细分析就会发现所涉及的知识都是有一定难度的有机化学基本反应。比如让学生判断“PE（聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）是否都属于链状高分子化合物、受热易熔化;PE、PVC的单体是否都是不饱和烃、能使溴水褪色;焚烧PVC保鲜膜是否会放出有毒气体HCl;废弃的PE、PVC是否均可回收利用以减少污染等等，理由是什么”。从问题的角度上来讲，以符号和汉字表示每个高分子聚合物，没有给出具体的结构简式，这在无形中提高了学生的作答难度，再加上考察了多个有机化学中的基本反应如加成、加聚及氧化等，学生解决起来就非常困难。虽然这些是常见的生活中的问题，但是学生基本没有以化学学科的视角去关注，导致学习和生活彼此割裂。

（2）     化学药品与安全操作

考查学生“制取蒸馏水时，为防止烧瓶内产生暴沸，如何处理;制取氯气及检验时，尾气污染空气，如何处理;加热高锰酸钾制取的氧气中带有紫色，如何解决;用电石制乙炔，产生气体过快，应如何解决，理由分别是什么”。在日常的化学教学中，化学实验操作就是一个难点。此处考察了气体的制取、检验及尾气处理，涉及多个实验内容，在知识和操作技术两个层面上的要求都较高，学生尤其学困生束手无策。访谈得知提到化学实验，学生普遍“谈虎色变”，原因是除了知识外，实验的注意事项较多，实验的误差分析太难。

四、结论与启示

1.    绿色化学理念应在化学教学中普及与深化

教师是教学活动的主导，作为思想的传播者、知识的传授者、方法的引导者，其本身绿色化学理念的水平层次，对于学生掌握绿色化学理念有着至关重要的作用。在调查与访谈中，很多学生都表示他们的知识水平受老师的影响很大，平时老师关注得多的地方他们掌握得就好;相反，教师语焉不详或者轻描淡写的地方，学生就不会注意，一带而过，掌握就不如人意。因此，要想提升学生的绿色化学理念，教师应当以身作则，关注化学前沿的发展，比如在教学中有化学实验微型化的意识，在实验中体现“原子经济性”的思想，实验教学中合理处理废水、废气和废渣，从细微处入手，杜绝污染环境的源头。另外教材作为最重要的教学媒介，在编写的过程中也一定要着力于绿色化学的渗透，在内容选择、设计等方面要充分体现绿色化学的理念。目前教材中虽然相关内容也较为丰富，但编排比较分散，应当进一步加强整合，使得绿色化学在教材中自成体系。

2.    绿色化学学习应与学生的生活实际紧密结合

问卷测试与学生访谈的结果显示，学生绿色化学掌握水平不理想的原因之一就是学习过程不能与生活实际有效结合。将绿色化学与学生的日常生活相结合最主要的途径有三个方面：在教学内容上，强调授课应该联系学生的生活经验和社会实际，比如在有机化学反应的教学中要多介绍塑料、橡胶、新型材料等高分子化合物的应用等等;在教学方法上，强调让学生在原有认知基础上进行理解、体验、感悟和实践，比如参观硫酸工厂、合成氨工业场所等等;在教学目的上，教师不应该只关注分数，而是应该注重培养学生的实际应用能力，比如利用废弃物组装实验装置等等[3]。教师可以将课程资源的开发作为专业发展的突破口，不断挖掘与学生生活实际紧密相连的课程内容。比如从化学的视角如何解决雾霾问题、揭露不法商家制造毒奶粉的深度原因、高效抗癌药物的合成等等。这样就会激发学生的学习兴趣，将远离生活经验的学科知识，用学生喜闻乐见的方式轻松掌握，同时极大地提高了学生对于化学学习的现实价值感，觉得化学能学以致用，对社会生活有意义。

3.    绿色化学理念应在实践活动中达成

除了学生学习与生活实际相脱节外，造成其绿色化学水平不高的另一原因就是实践活动的缺乏。化学学科实践活动的开发，主要可以从四个维度展开，分别是化学的发展历史以及前沿、化学实验、化学知识结构以及化学与社会生活的紧密联系。以围绕化学实验展开的探究性活动来说，它包含课内限定式探究性实验的挖掘、课内生成式探究性实验的利用以及课外体验式探究性实验的开发[4]。一是课内限定式。如铝热反应，课本上的实验要消耗较多量的氯酸钾、镁条等药品，并且试验后的部分未反应药品还会造成浪费。若开展“粉笔上的奇葩”实验活动，将铝热反应的发生装置設计在挖于粉笔的凹槽中，活动趣味化且节约药品，渗透了绿色化学的思想。二是课内生成式。如在制取氢氧化亚铁时，沉淀呈现灰绿色，之后便为红褐色，并没有得到白色沉淀。分析发现实验设计和操作均存在不规范的问题，以此为契机师生共同来讨论解决这个问题，自然而然地就感受到了绿色理念中所强调的实验规范化。三是课外体验式。在课外利用家庭生活中和实验室已有的药品和设备，对某些特定的化学工业进行模拟，让学生切实体会到工业生产的流程与操作。如以酯化反应为载体，设计学生自己做肥皂的活动，不仅扎实地掌握了皂化反应的原理，而且对化学工业的绿色化有了深刻的认知。

参考文献：

[1]朱清时.绿色化学[J].化学进展，2000（04）.

[2]   高鹏.绿色化学与可持续发展[J].北方环境，2011（09）.

[3]   吴晗清，肖美超.联系生活的化学教学研究[J].化学教学，2016（04）.

[4]   吴晗清，韩蓉，赵冬青.化学探究性实验教学的困境与突破[J].教学与管理，2016（34）.

[作者：吴晗清（1981-），男，安徽宿松人，首都师范大学教师教育学院，副教授，北京师范大学教育学部，兼职教授，教育学博士，心理学博士后;侯嘉伟（1993-），男，北京人，首都师范大学教师教育学院，硕士研究生;穆铭（1994-），女，黑龙江伊春人，首都师范大学教师教育学院，硕士研究生。]

【责任编辑 郭振玲】