物理化学实验是化学、化工类各专业继无机化学实验、分析化学实验、有机化学实验之后一门独立的基础实验课程, 是培养学生科研能力、动手能力、创新能力的重要实践环节。几年来我校物理化学教研室顺应绿色化学教育的发展, 不断探索绿色物理化学实验教学改革, 取得了较好的成效。
1 开展绿色化学实验教学的重要意义
20世纪以来化学科学在保障人类衣食住行需求、提高人类生活水平与质量等方面做出了巨大贡献, 为人类创造了无以计数的财富, 但化学工业也向大气、水源、土壤排放了大量有毒、有害物质, 对自然环境和人类健康带来严重威胁, 因此倡导人类与环境友好相处、从源头上阻止污染的绿色化学已成为新世纪化学发展的方向和研究热点[1]。绿色化学实验就是在绿色化学的思想指导下, 用预防化学污染的新思想、新方法和新技术, 对常规实验进行改革而形成的化学实验的新方法[2]。绿色化学实验使用化学药品的基本原则为拒绝使用危害品原则 (reject) , 减量使用原则 (reduce) 、循环使用原则 (recycle) 、重新使用原则 (reuse) , 极大地减少或消除了实验室的“三废”, 尽可能减少环境污染或无污染, 以实现绿色化学要求尽可能少的负作用的理想和目标, 是绿色化学可持续发展战略在化学实验中的具体体现, 是培养学生绿色化学观的重要途径。因此, 将绿色化学教育纳入高等院校教学改革内容, 把绿色化学的思想渗透到化学课程教学内容之中, 对培养具有可持续发展理念和专业素质的人才具有重要意义。
2 注重绿色课程意识, 在实验教学中积极渗透绿色化学理念
美国教育家David Wors指出:“人们普遍认为环境问题可以通过某种技术解决。先进的技术固然有用, 但现在的危机不仅仅是技术问题, 它更是人们思维的问题, 环境危机实际上是一种教育的危机—教育本身就是一种形成和发展人们的思维能力的手段”[3]。由此可见教师对培养学生绿色化学理念并掌握绿色化学理论、方法具有义不容辞的责任, 这就要求我们教师应自觉地学习绿色化学的理论知识、研究成果、最新进展和相关的学科知识, 不断提高绿色化学素养, 建立起良好的绿色课程意识, 从而全面把握教材内容, 挖掘出绿色化学教育的切入点, 用生动的实例对学生进行有关绿色化学知识和理念的渗透, 使学生在潜移默化中接受绿色化学教育。例如原来我们在给学生讲解实验时也强调要加强预习、节约使用药品等, 但很多学生不以为然。现在我们在讲授实验原理的同时, 简单穿插一些对相应实验的绿色化改革内容并从绿色化学节约资源、能源和保护环境的角度引导学生加强预习以减少重复实验引起的药品消耗, 实验过程中注意节约药品, 能少用的绝不多用, 并做好药品的回收和循环使用, 鼓励学生做绿色、环保的先行者。结果发现学生们都很乐于接受, 并能严格按规范操作, 这样既节省了实验经费, 又减少了“三废”, 同时使学生受到绿色化学思想教育和绿色化学知识技术教育, 增强了绿色环保意识, 达到了良好的实验教学效果。
3 改进实验内容和方法, 积极开展绿色实验教学研究
3.1 改进实验教学内容, 从源头上减少化学污染
在符合实验教学大纲要求、保证实验教学效果的前提下, 我们改进了部分实验内容, 采用无毒或低毒试剂替代有毒试剂, 从而杜绝了环境污染。例如二元液系相图实验是物理化学教学中有关相平衡理论的一个经典实验, 以前采用的是苯-乙醇二元系统, 虽然其相图效果较理想, 但苯的挥发性强, 毒性大, 实验环境较恶劣。我们经过试验和筛选, 采用环己烷代替苯, 改进后的环己烷-异丙醇二元系统毒性大大减小, 而且相图效果良好。金属相图实验中通常测定铅-锡合金相图, 样品熔融时产生的铅蒸汽对人体的危害很大, 而采用金属铋来代替金属铅, 就从源头上避免了铅的毒害。“恒温槽调节及液体粘度的测定”实验原来设计的实验内容有作图法计算流体表观活化能, 需要测量一系列温度下乙醇的粘度, 而乙醇是易挥发液体, 尤其在夏季气温高, 实验升温也高, 乙醇挥发量更大, 造成实验室一定空气污染。因此, 我们将流体表观活化能测定部分修改为不同条件下恒温槽灵敏度的测定, 使学生进一步加深对恒温槽温度波动及控温影响因素的理解, 收到较好的教学效果。
3.2 改进实验方法与技术, 减少环境污染
二元液系相图实验数据测定以前采用药品续加法, 即首先测定纯组分的气液平衡数据, 再逐渐增加另一组分的含量来测定混合物的气液平衡数据, 实验后的药品只能做废液处理。通过实验我们改进为固定若干不同组成的混合液样品的测定, 测定后的混合液再倒回原贮液瓶, 可以循环使用。通过进一步试验, 测定得到不同温度下混合液折光率与组成的工作曲线, 这样实验教师只需根据混合液的折光率测定数据, 补充实验蒸发损耗的相应组分, 基本做到了无废液排放, 把实验对环境的污染降到最低程度。
在溶解焓测定实验及恒温槽灵敏度测定实验中, 都需要精确测定温度差, 采用玻璃贝克曼温度计测定时, 操作较繁琐、费时, 学生在使用过程中稍有不慎就可能会打破贝克曼温度计, 造成实验室汞污染。因此我们在这两个实验中分别配备了数字贝克曼温度仪和数字显示温度温差仪, 在保证实验精度的同时使测温操作大为简化, 使学生有更多的时间和精力用于实验原理、方法的学习和思考。
另外在原电池电动势测定实验、液体饱和蒸气压测定等实验中, 我们都进行了实验装置的小型化改进, 不同程度地减少了药品的用量, 降低了实验成本及污染。
3.3 充分运用现代教育技术构建绿色实验
我们制作了物理化学实验的多媒体教学课件, 运用视频、声音、动画等效果对实验原理与操作、仪器原理及使用、药品使用注意事项等实验过程做了详细的描述, 学生可以在网络教学平台上预习, 学会实验原理和实验方法, 再到实验室中去做, 明显提高了实验的成功率, 减少药品试剂的浪费, 有效地减少了实验带来的污染和不安全因素。
总之, 通过绿色物理化学实验教学的探索和实践, 不仅有效地减少了环境污染, 改善了实验环境, 而且使学生受到绿色化学教育, 增强了环保意识, 同时我们也深切地感受到, 实验教学绿色化是教学改革发展的必然趋势, 我们有责任和义务将绿色化学理论、方法引入到各项教学内容和课程改革中, 为国家培养具有绿色化学理念和创新能力的、适应可持续发展需要的高素质人才。
摘要：阐述了开展绿色化学实验教学对培养学生绿色化学理念、提高环保意识的重要性, 并从建立绿色课程意识、改进实验内容与方法以及运用现代教育技术等方面探讨了实现绿色物理化学教学的方法和实践经验。
关键词：实验教学,物理化学,绿色化改革,教学实践
参考文献
[1] 闵恩泽, 傅军.绿色化学的进展[J].化学通报, 1999 (1) :10～15.
[2] 白林, 陈明凯.绿色化学实验[J].化学教育, 2002 (7) :51～53.