集约型中学化学实验室仪器管理和试剂使用的思考

杨世全

湖北省安陆市第一高级中学(432600)

1 实验室管理和使用现状分析

化学实验有助于激发学生学习化学的兴趣,锻炼学生的动手能力,而中小学化学实验室是教师开展分层教学、加强化学教学实践的重要场所。中小学化学实验室的建设在一定程度上决定了化学实验开展的情况,从高中化学实验室设施的配置和管理情况看,县域高中化学实验室在人员配置、实验开设、仪器管理、试剂存放、废弃物处理上存在一定的问题,主要概括为以下3个方面。

1.1 实验员数量达标,但未能专职专用

从对安陆市3所普通高中实验员配置情况的调查来看,高中化学实验室配置的实验员属于专职人员,且平均人数可以保证1人管理1个实验室。从年龄结构上看,管理实验室的专职人员均为相应学科即将退休的人员,该类教师虽然在学科知识上不存在问题,但是在实验室管理工作中参与度较小。实验室中实际进行管理的是一位较年轻的实验员,且需要同时管理理化生3个学科实验室。该实验员可能是理化生某一学科的教师,却承担了不属于该学科的实验管理任务,可能导致在实验的准备中出现专业性不足的问题,且实验准备任务较多,一人无法在相应时间准备整个年级所需要的试剂和仪器。

1.2 实验开设数目不足

从高中教学的情况看,化学实验的开设情况不容乐观,部分学校一学年仅仅开设1～2次实验,且将某些高中化学实验集中在1节课内完成。按照这种模式进行教学,则实验的效果会大打折扣,将实验过程变为机械的重复操作,达不到教学的效果,无法真正地提升学生的科学探究素养。以安陆市凤凰寄宿学校2021届、2022届高三学生为例,整个高三学年学生没有亲自做过一次化学实验,而这也成为一个普遍现象,即高三阶段的教学主要是高考复习,不需要进行化学实验,这显然与化学学科的教学理念相违背。以实验为基础是化学学科的重要特征之一,这个特征不分年级,在高三阶段仍然需要学生进入实验室进行化学实验。从凤凰寄宿学校高三备课组了解到,化学实验之所以无法实施,原因之一是时间过于紧张,无法按照实验计划准备实验试剂、实验仪器等,最终导致实验开设情况不容乐观,学生无法从化学实验中形成问题解决的思维模型。

1.3 仪器和试剂的管理混乱,废弃物难以处理

通过观察安陆市高中化学实验室可以发现，实验室中使用过的仪器、试剂的存放存在乱象。使用过的仪器未能及时清理，导致盛放过溶液的烧杯、试管等玻璃仪器难以清洗，尤其是容量瓶、滴定管等仪器，学生在做完实验之后普遍存在洗不干净容器内壁的情况。未用完的试剂存放于试剂瓶中，由于长期不再使用导致试剂久置，部分试剂变质，未变质试剂由于存放混乱导致无法辨别试剂类型和浓度，进而造成试剂无法使用。同时实验室购置的试剂由于没能及时用于实验，导致多种试剂存放时间较长。例如：凤凰寄宿学校实验室存放的H2O2溶液，已开封的溶液3瓶，未开封2瓶，购置均已超过3年，已开封试剂已无法使用。

从3所高中实验室的情况看，学生进行实验之后，产生的废弃物没有分类处理，固体废弃物直接丢弃进入垃圾桶，液态废弃物则随手倒入水池，并未用废液缸进行收集并加以处理。在其他地区的实验室管理中，同样存在这一问题，究其原因有以下几点：①无法处理；②不愿处理；③不能处理；④无钱处理；⑤不敢处理[1]。虽然《湖北省中小学实验教学用危险化学品安全管理办法》(鄂教备字〔2020〕4号)中强调“对实验产生或残存的废气、废液、废渣，由学校统一进行收集、集中处理，不得在实验室内存留、释放，更不可随意倒入下水道内”，但该办法仅提出了需要集中处理，并未说明如何集中处理。在《教学实验用危险固体、液体的使用与保管》(GB/T 28920-2012)中关于有机物处理提出以下的处理办法“对碳氢氯化物采用与可燃材料混合在高温下燃烧(1 300 ℃)，在此温度下可使碳骨架摧毁”，显然在高中化学实验室中不存在高温灼烧装置，因此高中化学实验室中有机废物是无法处理的。而其余有害、有污染试剂均未明确具体的处理办法，普遍采取直接排放的方式处理。

2 实验室管理方案的集约化设想

新课程实施以来,许多地区和学校都在科学教育方面增加了投入,加大了实验室建设的力度,实验条件不断改善。安陆市的3所普通高中已经逐步改善了实验室条件,配置了标准化的实验台。外部条件的改善能够有效地帮助教师实施实验教学,但是在实验室使用过程中出现的问题仍然未得到有效的解决。针对实验室管理的现状,在落实国家规定的相关实验室管理要求之外,还应该立足于高中教学实际,将实验室管理集约化,在社会、国家对生态环境要求提高的情况下,从细节入手,做好资源的充分利用、环境的友好发展。针对高中化学实验室的现状,可以着手从以下几个细节进行改进完善。

2.1 组建化学实验小组,助力实验室环境改善,建立配套仪器使用标准

新课程标准中强调“有条件的地方和学校应逐步引进一些现代化仪器设备,并向学生或学生课外兴趣小组开放,在教师或实验员引导下开展实验探究活动”。高中化学教师应该充分利用学校教学资源,可以从教师和学生两个层面建立化学实验小组。教师团队除了担任学生团队的导师,也可以进行教学教研活动。在教师团队的带领下,由学生社团为主力,组织开展多种实验室活动,例如:实验装置设计大赛、趣味实验体验、实验探究活动、整理实验室等。充分利用这些活动,培养学生对化学学习的兴趣,利用整理实验室活动,将实验室管理精细化,让学生明白实验室管理的重要性,教会学生如何整理实验仪器、保管仪器、保存试剂、处理废弃物等。让学生成为实验室的主人,成为实验室管理中的责任人。

随着地方政府和学校对实验室设备投入的增加,有条件的地区可以由学校出资购买成套的高中化学实验仪器(见图1)。以学生小组(小组人数可以灵活决定)为单位分配1套实验仪器,该套实验仪器可以满足学生高中三年的实验课需要。同时建立使用、管理该套仪器的规则,让学生能够随时取用自己管理的这套仪器,成为该套仪器的主人、责任人。若仪器出现破损则需要学生填写购买清单,委托学校重新购置(有条件的学校可提供仪器补充),保证实验仪器不缺失。

图1 高中化学实验仪器箱

通过建立实验小组和完善实验仪器的配套使用制度,当学生成为实验仪器的责任人之后,可以提升其使用仪器的责任感,避免使用过程中随意使用仪器而对仪器造成损害。当实验完毕,由于仪器属于学生个人,学生自身的责任心可以促使学生在使用完仪器之后及时地清洗仪器,不会造成仪器脏乱差的情况,从而减少仪器的损耗。

2.2 以教材实验为依据,建立标准化实验套餐,建立回收制度

新课标列出的高中化学学生必做实验共计18个，这些必做实验在教材中以“实验活动”为栏目进行设置。以人教版选择性必修1教材为例，设置了实验活动、演示实验、探究、思考与讨论多种栏目，化学实验贯穿于这些栏目中，全书共设置了22组实验。其中演示实验12组，使用试剂46种。

使用频率较高的有HCl溶液、H2SO4溶液、NaOH溶液、FeCl3溶液等,这部分试剂使用频率均大于5次,其余绝大多数试剂使用频率为1次,少部分使用频率为2～3次。使用频率较高的盐酸和硫酸溶液具体浓度和用量见表1。

表1 高频率试剂使用浓度及用量

从表1中可以看出,使用到的盐酸和硫酸浓度不统一,均达到了5种,且用量跨度较大。在实施演示实验时,6 mol/L的硫酸仅用到了5～10滴,使用0.1 mol/L硫酸的量约为2 mL。若在实验室配制某一浓度的硫酸,一般配制50 mL～100 mL以供使用,在配制完成后,由于使用的量较少,多余的硫酸会存放于试剂瓶中。中学化学实验室存储环境较差,若长时间保存可能导致试剂浓度发生变化,无法再次使用,从而导致试剂浪费。对于具有污染性的试剂,例如:NO2气体,通常是现制现用,在中学化学实验室中,制备NO2气体,是使用浓硝酸和铜反应,那么制备之后的试剂如何处理,并没有统一的标准,多数学校将反应后的溶液稀释直接排放,显然排放的试剂中存在硝酸、硝酸铜,会对环境造成影响。

针对以上情况,可以由试剂公司统一配备,形成实验试剂盒,针对教材中的实验设计对应的实验套餐包,保证演示实验的正常开展。在进行探究CH4和C2H4的化学性质的教学时,可以使用如图2所示的试剂盒,盒子内部包含了实验所需要的CH4、Cl2、C2H4、酸性KMnO4溶液、溴的CCl4溶液等。由于进行集中化的采购,试剂由试剂供应商进行配制,避免每个学校多次配制造成的试剂浪费。且部分试剂在中学实验室易制取,但不易保存,而试剂供应商却可以提供相应的装置保存,例如CH4气体、C2H4气体。试剂供应商在提供了试剂的同时,对于自行配制的溶液,有更好的环境进行保存,可以保证剩余试剂的正常使用。对于污染性试剂的处理,可以在实验完毕由供应商直接回收,再做处理,进而形成试剂的供应-回收链条,保证有充足合适的试剂使用,同时也能形成有效的试剂回收渠道。

图2 CH4和C2H4性质实验的试剂盒

2.3 分析实验的编排顺序,优化试剂使用,增设课外实验,实现试剂再利用

在理清高中化学实验编排顺序的基础上,分析实验安排的顺序,整理试剂使用的先后顺序，可以保证配制一次试剂实现多次使用的情况，避免试剂的浪费。例如，在必修阶段，“一定物质的量浓度的NaCl溶液的配制”是学生必做实验，该实验的目的是使学生学会配制溶液的方法，掌握配制溶液的步骤、认识使用的仪器等。使用NaCl溶液作为配制实验的试剂，成本较低，试剂无污染，但是在配制实验完成后，配制好的溶液并没有进行合理的利用，直接倒入水池，虽然对环境没有影响，但是实际上也属于一种浪费。因此在整理实验顺序的基础上，可以在该实验上稍作变化，允许学生配制不同种类的溶液，将NaCl溶液的配制改为稀硫酸、稀盐酸、NaOH溶液的配制，配制好的溶液可以保存留作后续实验继续使用。若改成配制一定物质的量浓度的酸或碱溶液，可以利用pH计测量所配溶液的pH，让学生检验所配溶液浓度是否符合要求。即使所配溶液的浓度有所偏差,但在浓度不做要求的实验中,仍然是可以使用的。通过这种方式达成对试剂的再利用,减少试剂的浪费。

除此之外,还可以利用多余的试剂,以实验小组为单位设计值得探究的实验议题或趣味实验,例如,FeCl3溶液是必修一中常用的试剂,教材中常用的为稀FeCl3溶液,在使用之后若有剩余,笔者引导实验探究小组设计FeCl3溶液和金属Mg的反应,从实验现象中推测发生的反应、产生的物质,进而分析氧化还原反应的规律,总结物质氧化性的变化规律。通过课外实验的设置将剩余的试剂合理使用,达到试剂使用的最大化,避免造成试剂浪费。

3 结语

随着我国经济的快速发展、办学条件的不断改善，化学实验室的管理一定会更加规范[2]。笔者认为如果按照集约化的思想从细节着手,落实管理条例,则可以更大限度的发挥化学实验室的能效，减少试剂、仪器的浪费，能够引领学生更加喜欢化学学科，投入到化学的学习中，对化学学科教学起到促进作用。通过实施对应的策略，有利于实现化学学科的育人价值，落实核心素养的培育，帮助学生形成良好的、科学的实验观念。从长远看，有利于我国自然学科科研人才的培养，为未来实现集约型、绿色型社会打好基础。