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有机化合物是指含碳的化合物,有机化学又称为含碳化合物的化学,是研究有机化合物的结构、性质和制备的学科,是化学的一个重要分支。有机化学学科涉及到多方面的知识内容,例如:人口和健康问题、材料应用、能源、信息技术等,作为一种新型高科技术为社会的发展和科技的创新提供了动力,利用有机化学方法可以有效的解决国际性核心问题。
2有机化学与环境的关系
2.1有机化合物对环境的污染
有机化合物与人类生活的衣食住行息息相关,也是环境污染的罪魁祸首。随着合成技术的成熟发展,有机化合物的种类越来越多,他们每天以惊人的速度排放在人们生活的环境当中。目前环境中主要的有机污染物有金属有机污染物,;烃污染物;含氮、磷有机污染物;含氧、硫有机污染物;含卤素有机污染物、天然产物污染物。
2.2有机化学的应用是治理环境污染的重要手段
有机化学在农作物改良、医药研究、食品工程方面发挥着主要的作用,而且随着日益突出的环境问题,在治理污染、环境生物监测等方面发挥着重要的作用。虽然目前环境问题与化工行业有关,但是有机化学的合理应用对环境的保护作用也是显而易见的。例如将煤中的元素原子100%转化成对人类有益的有机产物,减少了煤燃烧过程中产生的废气,也在环保的基础上提高了利用率;有机化学研究出残留时间段、药效更专一的农药可以减轻对土地的污染等等。自20世纪90年代初,科学家们就提出了“绿色有机化学”的概念,旨在建设绿色的合成工艺环境,在增强经济建设的同时有效的保护了环境。
3在有机化学教学中提高学生的环保意识
在有机化学教学中提高学生环保意识的措施具体包括以下几个方面:
3.1在有机化学理论教学中提升学生的环保意识
我们可以利用多媒体技术具有图、文、声并茂的特点,直观、生动、活泼的表达教学内容,激发学生的学习兴趣[2],提高思想意识。例如在学习烃类化合物时,融入石油炼制有关能源危机的知识,介绍汽车尾气是城市污染的主要污染源;讲解烯烃时,介绍由塑料袋、一次性餐盒造成的白色污染;卤代烃学习中,介绍臭氧层破坏的主要原因是冰箱和空调的使用的大量制冷剂氟利昂;教学芳香烃类时介绍目前多环芳烃类的苯并芘是一种强致癌物;酮类化合物的教学中,介绍室内空气污染的主要污染物甲醛等。这样的讲解有利于学生加强对环境污染的认识并且可以增强环保的意识以及对化合物结构的掌握。
3.2在有机化合物实验教学中培养环保意识和方法
实验教学是化学教学中必不可少的一部分。在实验教学中更要重视学生的环保意识的培养,规范化学实验的方法,减少化学品的用量,有效处理实验结束后产生的废弃物,以达到尽量避免污染环境的目的[3]。教师应在实验教学中规范学生的实验行为,这样才能达到环保教育的目的。在化学实验中,教师必须教授正确的实验方法,指导减少实验中有机化学品的用量。要尽量遵循少利用资源,少产生废物的原则,尽量利用新方法和新技术,来预防和减少化学的污染。
3.2.1设计绿色化实验
所谓绿色化实验,就是指在实验内容、实验方法、实验试剂的选用上进行最优选。可以选择毒性小、污染低、现象明显的项目,对于部分必须要进行的实验进行试验路线的改革,采用污染小的原料进行[4]。开展有机化学教学的教师应不断学习有关环境保护的多方面化学知识,掌握新的化学工艺和当前社会发展的动态,将这些新鲜的化学环保知识与课程结合起来,设置一些创新性的绿色实验,提高学生学习兴趣同时,增强学生的环保意识。如甲醇羰基合成法是制备醋酸的最佳合成路线,具有反应的高选择性和对环境的友好性,现已代替了传统的乙烯氧化合成法路线。
3.2.2有机化学实验的微型化
有机化学实验的微型化是绿色化学的一个重要方面,微型化实验具有反应时间段、现象明显、节省实验用品和对环境污染小的特点。在实验的过程中,使用微型仪器,既减少了药品量也缩短了时间更减少了三废的排放。一氧化碳催化偶联合成草酸是一氧化碳在催化剂的作用下与亚硝酸酯偶联反应生成草酸二酯和氧化氮,草酸二酯水解得草酸和醇。反应生成的氯化氮部分氧化为二氧化氮。氧化氮和二氧化氮生成三氧化二氮,三氧化二氨与醇酯化反应生成亚硝酸酯,亚硝酸酯能够循环使用,这种微型化的实验具有极好的环保效果。
3.2.3设置连续化的实验内容
可以设计有关联的综合性的实验项目,将部分实验的产物或者废弃物应用到另一个实验当中,减少实验室废弃物的排放量[5]。这样既能避免各个实验孤立起来,也可以增强实验过程的连续性和综合性,使学生在掌握实验过程的同时增强了环保的意识,减少了环境的污染。苯胺的生产以前主要采用铁粉还原硝基苯的工艺路线,这种路线的主要缺点是设备腐蚀严重、操作维护费用高、生产过程产生大量铁泥、废渣和废水,其中含有对人体危害极大的硝基苯和苯胺,现在主要采用硝基苯经活性铜催化氢化制备,可进行连续生产污染小,弥补了传统实验的不足,避免了实验资源的浪费,两种合成方法介绍如图所示。
4结语
关键词:有机化学及实验;精品资源共享课;建设;共享;协同创新
“有机化学及实验”课程从2003年国家精品课程建设开始[1],经过有机化学教学团队近十年的建设,顺利实现转型升级[2],入选国家级精品资源共享课立项项目,上线接受社会的评价。总结近十年的建设体会主要包括下面三方面。
一、深化精品资源建设是关键
建设精品资源共享课的关键是结合课程的特点建设精品资源。包括深化教学内容和改革课程体系,研究教学方法,探索考核方式和考核内容,研制课程教学的新资源。
1.深化教学内容建设
(1)引入学科发展的新内容。“有机化学及实验”是技术基础课,在引进学科发展新内容时要有选择,既要保证课程的基础性,又不能增加课程的教学学时数。
有机化学课程引进了下述新内容:①有机化合物旋光性的螺旋理论――结构与旋光性的关系。国内外的有机化学教材中都没有解决有机化合物产生旋光性的原因,我国化学工作者提出有机化合物分子的螺旋结构使分子产生旋光性[3]。将这一观点引入教学,填补了有机化合物结构与旋光性的空白。②邻基参与反应――某些反应分子构型保持。邻基参与反应是1942年提出[4]、近年被有机化学工作者所共识,把这个反应引入教学,纠正了对某些反应的构型、构型保持的错误解释。③LDA低温反应――实现羰基化合物交叉缩合反应。一直认为两种羰基化合物交叉缩合是没有合成意义的,近年发现强碱LDA在低温下先与一种羰基化合物反应,然后加入第二种羰基化合物,实现了两种羰基化合物选择性地交叉缩合[5],变成了一种重要的合成方法。④科研新成果――酚羟基快速醚化。笔者科研专利成果,酚羟基在适当的溶剂中,可以在室温下,高转化率、高选择性、快速地被醚化[6],增添了教学新案例。⑤室温离子液体――多用途的新化合物。室温离子液体的概念很早就被提出来,一直没有引起化学工作者的注意,近年来其合成、反应、应用都发展很快,是有机化学教学的新案例。⑥有机氟化合物――有特殊性能的卤化物。有机氟化合物是近年有机化学研究的热点领域[7],其性能特殊,有特殊用途,引进教学拓展了卤烃的性质。⑦双氧水――绿色氧化剂。随着绿色化学的发展,发现双氧水能氧化多种官能团化合物,有的已实现工业应用。因此引入用双氧水替代污染严重的重铬酸钾作为氧化剂的教学案例。诸如这些内容的引入保持了教学内容鲜活性,又没有增加学时数。
(2)全面介绍有机化合物的内容。有机化学一直重视石油加工及其化学,而忽视煤、生物质加工及其化学。我国煤储量多于石油,近年来,煤加工生产有机化学品发展很快;生物质是绿色化学品来源,生物质炼制工程包括生物柴油、天然有机化合物的转化等。增加这两方面的内容,体现了《21世纪有机化学发展战略》所提出的有机化学的定义[8],也体现了有机化学发展方向。
(3)引入反应控制的基本概念。动力学控制/热力学控制是高等有机化学的内容,将这一概念引入有机化学,既提升了教学内容,又简化了一些繁琐的解释,如共轭二烯的1,2-加成与1,4-加成、芳烃的定位规律、迈克尔加成反应规律等的解释。
(4)数字化模拟分子模型的使用。过去用鲍林提出的抽象的共振杂化体表示离域体系,如烯醇负离子的结构和性质,学生很难理解;现在使用可视化的数字化模拟分子模型表示,很容易理解离域体系的稳定性和反应性。
(5)简化一些叙述性的内容。如各类官能团化合物的物理性质不再讲解,而是让学生自己去查找资料,不仅加深了对物理性质的理解,还培养了学生自学的能力。
2.研究课程新体系
新体系把有机化学课程分成三部分,基础知识(或称概论)篇,主干内容篇,前沿交叉知识运用篇。
将分散在整个课程的各章节的化合物的结构与基本性质、命名、同分异构体、结构表征(四大谱)等内容集中,构成课程的基础知识篇。好处是提高了课程的基础,为后续课程内容学习做铺垫,节省学时,集成了知识模块。饱和烃、不饱和烃、芳香烃、卤代烃、含氧化合物、含氮化合物构成有机化学的主干篇,主要介绍各类官能团化合物的结构与反应。其中通过(2n+2)个π电子规律将具有芳香性的芳烃和杂环化合物组合成一章,由加成-消除反应机理将羧酸及羧酸衍生物融合成一章,卤烃/金属有机、含氧/含硫化合物、含氮/含磷化合物分别组合成一章,天然化合物分散到相应的章节中。组合结果强化了课程内涵联系,缩减了篇幅,节省了学时。糖、氨基酸蛋白质、类脂核酸、有机合成基础为前沿交叉知识应用篇,改用反应原理为主线组织课程,知识连贯顺畅,内容容易理解,前两篇的基本理论和基本反应得到了巩固、应用和深化。
改革后的课程体系,体现有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性能、应用及有关理论和方法的科学。课程的起点提高,内容深化,学时减少,体现课程的基础性,符合认知规律,为自主学习留有空间。
3.研究式教学方法的探索与实践
研究式教学方法起源于问题式教学的方法(PBL),是以学生为本的教学方法。笔者认为只要是实现以教师为中心向以学生为中心转变,以课堂单一教学形式向以图书馆、实验室、科学实践多种教学形式转变,以灌输的方法向以启发、引导、研究等多种方法转变,以“一次成才”为目标向培养“终身学习能力”为目标转变的教学都属于研究式教学方法范畴。不同的课程会衍生出多种形式,有机化学教学团队探索实践了多种教学模式,其中包括:
(1)研究式讨论课。基本做法分六个步骤:教学设计、提炼问题、公布问题、集中讨论、教师总结和提炼新问题等。多数学生对研究式教学模式是积极参与和支持的,学生由知识的被动接受者变为知识的主动构建者,教师由知识的传授者变为知识构建的引导者。不仅训练学生解决技术问题的能力,还要培养学生适应环境、与人沟通合作及协调各方面关系的综合能力。
(2)对比迁移式教学方法。对比迁移式教学方法是引导学生将已学的知识在变化的情景中对比分析并加以运用,以实现掌握新知识的教学方法。这一方法特别适合有机化学课程,例如:以反应规律为主线将烯烃的知识迁移到二烯、炔、小环烷烃,芳烃的知识迁移到杂环化合物、酚、芳胺、芳酸等,卤烃的知识迁移到醇、醚、环氧化合物,醛酮的知识迁移到羧酸及其衍生物,醇醛酮的知识迁移到糖等。每组前面的内容精讲、细学、讨论深透,后面的内容粗讲、引导讨论,给学生充分的自主学习空间。探索出“重点讲解-对比讨论-提高终身学习、知识应用能力”的有机化学教学新路子。
4.探索与教学模式相适应的考核方式和考核内容
依据课程体系的特点和当代大学生学习的特点,本课程实施大课化小课的考核方式,采用闭卷和开卷两种考核形式。大课化小课考核也可以期中考核50分,期末考核50分,考过的内容不再特意考核,促使学生把精力放在平时知识积累上,减轻学生的负担。闭卷考核增加主观题目,引导学生自主学习主动思考,展示知识运用能力,帮助学生弄清概念,从课程整体高度掌握知识体系。开卷式考核是一个包含所学过大部分内容的合成题目,给学生较长的时间,查阅资料,相互讨论,写出报告,完成考核。组织集中交流典型的试卷,相互借鉴,是一次复习深化过程。
5.研制课程教学新资源
配合研究式教学,有机化学教学团队研制出版了一批体现现代信息技术和教学手段的教材和教学辅助资料。
(1)在高等教育出版社出版四套立体化教材:“十一五”国家规划有机化学立体化教材(《有机化学》第2版、《有机化学学习指导》、《有机化学课堂教学软件》2.0版和《有机化学电子讲义》,共四部),其中《有机化学》第2版被评为2008年精品教材、“十二五”规划教材;“十一五”国家规划有机化学实验立体化教材(《有机化学实验》第4版、《有机化学实验助教性课件》2.0版、《有机化学实验助学性课件》附在书后,共三部),其中《有机化学实验》第4版获得大连市优秀科技著作一等奖;双语教学示范课用书立体化教材(Organic Chemistry、Organic Chemistry Experiments,共二部);校际联合编写工科基础化学系列课教材中有机化学立体化教材(《有机化学简明教程》、《有机化学简明教程学习指南》、《有机化学简明教程电子教案》,共三部)。
(2)研制新世纪“有机化学网络课程”,获国家优秀网络课程荣誉称号。这是精品课程之前的工作,“有机化学网络课程”是一种新的教学模式,又是一种新的教学手段,也是精品课程顺利转型升级为精品资源共享课的基础。
二、共享是精品资源共享课的特点
1.建设精品资源共享课,教学队伍是关键
有机化学及实验现有教学师资队伍包括六名教授、四名副教授、两名讲师和实验室工作人员。其中一人为高等学校教学名师奖获奖者,两人为辽宁省教学名师;一人在国外教学进修过一年,负责电子资源建设和网上传输技术处理;一人负责国家双语示范课教学;五人在教育部高等学校教师网络培训中心授过课,直接学习的有机化学教师上千人,录制了一批授课实况。优秀的教学队伍保证了课程能够实现共享。
2.基本资源系统丰富,适合网络传播
课程介绍、教学日历、教学大纲、课程结构、重点难点解析、习题作业、课程总结、试卷、重要参考资料(网络链接,纸质资料目录)、讲课录像等资料齐全,网上传输流畅。除此之外,还提供了有机化学及实验课程特有的基本资源:实验教学录像,实验整体安排要求讲课录像(在高校教师网络培训中心授课录像),数字化模拟分子模型的制备与应用授课录像(在高校教师网络培训中心授课录像),有机化学双语教学部分录像(在高校教师网络培训中心授课录像),2005年、2008年二次出版的电子讲义(高教出版社免费赠送)和开放实验教学等资源介绍。
三、协同创新建设教学资源
协同创新是指按照精品资源共享课的要求,研制拓展资源。有机化学教学团队研制了下述新资源。
1.研制数字化模拟分子模型库
研制了有机化学教学常用的近500个化合物的数字化模拟分子模型,每个化合物有8种分子模型,并用于教学,既是教学新内容又是教学新手段。在国外,数字化模拟分子模型用于教材编写仅限于近十年几本流行的优秀教科书,用于教学也仅是几所名校。将静电势能图模型的彩色标改成黑白色标,用于纸质教材可降低印刷成本。
2.研制模拟计算实验
随着教育教学信息化技术的发展,现代化学教育发展趋势是从单纯动手实验转向动手实验和模拟计算实验两方面培养学生解决实际问题的能力和创新研究能力。为此,有机化学教学团队研制了一批模拟计算实验,经少数学生试用效果较好。
3.校际联合编写工科基础化学系列教材
参考“化工类工程教育专业认证标准”(试用)和“化学工程与工艺专业指导性培养规范”(草案)的要求,大连理工大学(有机化学)、天津大学(无机化学)、浙江大学(分析化学)和北京化工大学(物理化学)联合研究编写了工科基础化学系列教材。高等教育出版社出版后,经过2年使用,反映很好。有机化学教学团队负责编写有机化学立体化教材(共三部)。其中《有机化学简明教程》是按精品课程研究的新课程体系编写(学时数为60左右),数字化模拟分子模型贯穿全书。
参考资料:
[1] 教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知[Z]. 教高[2003]1号.
[2] 教育部关于国家精品开放课程建设的实施意见[Z]. 教高[2011]8号.
[3] 尹玉英,刘春蕴. 有机化合物分子旋光性的螺旋理论[M]. 北京:化学工业出版社,2000.
[4] S. Winstein et al. J. Amer. Chem. Soc. 1942, 64: 2780.
[5] Graham Solomons T W. Organic Chemistry,9th Ed[M]. John Wiley and Sons, Inc. 2008.
[6] 高占先等. ZL 2007 1 0158795.9(2008),申请号201110097447.1(2011),申请号201110233332.0(2012)[Z].
有机化学课程是工科院校一些专业的基础课,学习此门课程很重要。但随着教学调整,学时数在减少,针对少学时有机化学课程,我们在课程内容整合、教学手段多样化、实验内容选择等方面进行改革初探,使学生拥有会学习有机化学、学好有机化学的能力,也可以提高少学时有机化学的教学质量。
关键词
少学时;有机化学;教学改革
有机化学课程是化学类相关专业非常重要的一门基础课程。有机化学课程主要研究有机化合物来源、组成、结构、制法、性质、用途及其相关理论等问题,是许多有关学科的理论基础或技术基础。因此,学好有机化学对学习有关专业知识非常重要。
一、课程内容的革新
1.注意与高中所学相衔接
有机化学是螺旋式上升的课程,在新的课程标准中高中有机化学主要是让学习者初步掌握有机化学的基本知识,了解有机化学研究的基本方法,认识有机化学知识在日常生活和社会发展中的重要作用和意义。然而,本科有机化学则是在高中有机化学的基础之上进行一定的升华,学生得到一个完整的认识过程,使知识系统化。理论部分是在中学的基础上加以提高,在理论教学过程中,充分引用生活中常见的与有机化学相关的现象与实例,扩展和改变学生的思维,将理论与实践联系起来并应用于实践。
2.注意课程内容的取舍
有机化学发展到今天,其内容面广点深,绝不是短时间内可以掌握的和了解的,更不可能在如此少的学时内完成这一任务,这也要求我们在教学内容上采取少而精的原则,突出重点、难点,对于简单而必须了解和掌握的学生必须学会自学。从内容上分为基本理论和知识、主干内容(饱和烃、不饱和烃、卤代烃、醇酚醚、醛酮,羧酸等)。基本理论包括绪论里的内容(共价键的知识、杂化理论),还有命名,异构现象,电子效应、结构和表征,基本性质等。主干内容包括各类有机化合物的化学性质。每一类化合物中必有一个特征反应,或是亲电取代、或是亲电加成,或是亲核取代,或是亲核加成,这个和官能团的结构有着密切的关系,也是这一类化合物首先要掌握的反应。其次有的一类化合物还有氧化还原反应、α-H的反应,氧化、还原等等也是必须要学会的反应。还有的一类化合物独有的反应必须要着重讲明,如卤代烃和金属镁的反应。有的还要结合所讲专业的特点将某个章节重点突出讲解,以达到学习有机化学的目的。有些知识可以略讲或留给学生自学,如物理性质、聚合反应,等等。
3.注重教材选择
教材是学生学习的重要资源,课堂学习的参照,教材的重要性不言而喻。目前,工科类有机化学教材很多,我们选用的是天津大学高鸿宾主编的《有机化学简明教程》第二版,这本书增加了一些与有机化学相关的在生产和生活方面有实用价值的内容,与专业相关性连接紧密。我们学院还自己编写了习题集《有机化学导学》,这些习题结合上课内容,对学生针对性的联系很有帮助,实际效果良好。
二、实验教学的改进
工科的有机化学实验课时也较少,所以所做实验一定要突出有机实验基本操作、有机化合物合成的基本步骤、提纯的方法,为了更好的达到实验效果,就需要在有机化学实验教学中渗透创新性能力的培养。我们将实验教材中提到的知识点逐一加以分析,选择能够包含这些知识点的连续合成实验代替原有化合物的性质操作练习,以合成产物作为下一步合成的原料,此实验方案解决了长期以来学生对有机化学实验兴趣不高的现实,学生每步的实验过程都是最终产品的一个重要组成部分,强化了有机实验过程的逻辑性,使学生主动了解实验过程,分析实验成败与得失,在过程中不仅学习了实验基本操作,更以系统的观点掌握有机化学实验的要点。任课教师要不断提高自身的教学能力,加强实验教学的研究,提高实验教学质量。理论课老师兼带实验的模式可以跟好地将理论与实践相结合,在理论课上讲授基本原理,在实验过程中教师可以引导学生自行设计更优的实验方法,使学生的创新性思维得以发展。
三、授课方法的改革
苏霍姆林斯基说过:“不能使学生参与是教师的最大过失。”这就是说,只有教学过程中多与学生互动,才能引起学生对教学内容的高度关注,才能有兴趣去关心现实问题。在课堂教学中,可以适时向学生提问,或提出问题与学生共同讨论,用启发性的语言诱导学生的思维活动,使学生根据教师讲授的线索进行独立思考,开展积极思维活动,真正成为主体。启发式教学是以充分调动学生的主观能动性为教学指导思想的教学活动,启发式教学方法是现代大学教学方法的主要特征。启发式教学强调教师在教学中最大限度地调动学生的思维和学习的自觉性,引导学生融会贯通地掌握知识、培养发现问题、分析问题、解决问题的能力。
第一,在每章开始前把该章的教学目的、重点、难点明确告诉学生。在讲授时,对重难点讲深讲透,根据有机化学的特点辩证施教。学习有机化学需要抓住以下几点并联系起来看问题。一是结构决定性质,性质反应结构。所以知道化合物的结构至关重要,也要深入并用自己的语言来理解价键理论、杂化轨道理论等重要理论。二是官能团的定义。官能团是活泼的容易发生反应的原子或基团。有机化学课本都是根据官能团分类的结果来分配成相关章节讲解的,所以每一章中官能团首当其冲会发生反应。三是有机化学反应就是旧键的断裂和新键的生成。一定要看反应的部位和有机化合物中主要的碳原子的去向。四是电子效应(诱导效应、共轭效应和场效应)、立体效应。这两个效应是以影响有机化合物的结构和有机化学反应的重要因素,考虑问题时需要时刻考虑的。五是有机化学稳定性原理,从反应物到中间体再到生成物,越稳定越容易反应。
第二,短学时的课程注重知识间的衔接、对比和总结。烷烃、烯烃和炔烃是铺垫章节,重点让学生掌握sp、sp2、sp3杂化:有机化合物中主要的原子是碳原子,它都是杂化了以后去形成化合物的。不饱和烃、芳烃和卤代烃要深深理解官能团的特征反应(亲电取代、亲核取代、亲电加成和亲核加成)的意思。芳烃由于共轭效应形成了芳香大π键,所以虽有双键不容易加成而是取代的特殊一章,此章总结性讲解,五个化反应,一取代到二取代,二取代到三取代。卤代烃和醇,醇和酚,酚和芳烃,醛酮和羧酸及其衍生物中有相似的化学性质,可以对比着讲解。
第三,课堂中渗透学习有机化学反应的方法,学习起来就会变得容易很多。抓住官能团及其附近是容易发生反应的部位,再看旧键新键的变化、碳原子的去向以及一些规则就可以很好的记住化学反应方程式。第四,遇到上节课有重要的化学性质或理论时,都会回忆上节课所学习的内容,形式可以多样化,比如让学生回答上节课所学内容或者针对上节课的重点做几道相关的习题,并给学生进行打分制,记录到平时成绩里,这样可以使得学生关注每节课所讲的知识,使学生的知识由感性上升到理性,由分散到系统化、完整化,完成教学上的又一次升华。
总之,通过几年的有机化学教学,我们逐步探索出了一套少学时有机化学课程的教学规律和方法,优化了教学内容,改善了课堂教学效果,提高了有机化学的教学质量,取得了较好的效果。当然,有机化学的教学建设与改革仍在不断地向前发展,需要我们不断地提高教学水平,研究和分析少学时课程教学规律仍将是我们提高教学质量的一项重要工作。
作者:杨卉 李松波 郝燕 王延铭 单位:内蒙古科技大学化学与化工学院
参考文献:
[1]李龙,乌云.谈现阶段高中有机化学与本科有机化学的教学衔接[J].科教文汇,2013,(09).
关键词:VOC;排污收费;制度
前言
挥发性有机化合物VOC(或VOCs)这个术语正为越来越多的人们所熟悉,但人们对VOC的真正含义了解并不多,实际上各国及国际组织所给出的VOC定义也不尽相同。例如美国ASTM标准定义VOC为任何可以参加大气光化学反应的有机化合物;世卫组织(WHO)定义TVOC(总挥发性有机化合物)为熔点低于室温、沸点在50~260℃之间的所有挥发性有机化合物;国内标准如《室内装饰装修材料 内墙涂料中有害物质限量》(GB 18582-2008)定义VOC为标准大气压101.3kPa下、初沸点≤250℃的任何有机化合物。VOC种类繁多,成分复杂,其中大部分为无毒或毒性很低,只有少部分有毒,并且可以致癌[1],因此大可不必闻“VOC”而“色变”。但是对于这少部分有毒甚至可致癌的VOC仍应引起足够重视。环境中的VOC存在天然排放源和人为排放源两个途径,一般来说有危害的VOC主要来自人为排放源,它们是由化工生产、燃料燃烧、矿物冶炼、工业加工、垃圾焚烧、香烟烟雾等以及VOC储藏、运输、使用环节的泄露所致。不同VOC对人体的危害特点并不相同,以室内装修释放出的甲醛为例,可引起急、慢性中毒,导致流泪、结膜发炎、视力减退、支气管炎等症状,还被国际癌症机构列为可疑致癌物。
目前,VOC已被视为仅次于颗粒物的第二类大气污染物,发达国家早已将其列入特别控制范围。我国在这方面也有所行动,除了不断完善VOC排放标准体系以外,VOC排污收费制度也在加紧酝酿之中,相信不会太久就会颁布并实施,这对于全面构建VOC污染防治体系将是重大突破和转折。本文基于VOC监测体系架构、污染物排放标准配套、法律支撑等方面,对VOC排污收费制度进行了分析和探讨,希望能为从事环保基层工作的广大读者提供一些参考和借鉴。
1 VOC监测体系架构与排污收费制度
1.1 排污收费制度概述
排污收费制度通俗地说就是“污染者付费”制度,通过对排放污染物的组织和个人征收排污费以实现污染控制的目的。我国从20世纪70年代开始实施排污收费制度,经历几十年的发展实践,现已成为我国的一项重要环境政策,对于减少排污以及推广应用污染防治新技术、新工艺起到一定积极作用。
1.2 VOC监测体系架构问题及对排污收费制度的影响
目前,我国环境监测体系已形成“国家-省、直辖市-地级市-县”的四级架构。基层监测能力与国家、省市相比,存在较大差距,其监测队伍、测试技术、仪器装备和监测投入方面离满足VOC监测工作需要仍存在较大差距。VOC监测涉及行业多、门类复杂,即使国家层面也远未完善,VOC监测更多以科学研究为主,全国和区域VOC污染特征、排放状况仍然未知,VOC排放量还采用欧美的排放系数进行测算[2]。在这种情况下基层监测机构要实现面向全行业的监测难度极大。另外,环境监测主要由环境主管部门下属监测站完成,如果监测能力不足肯定会影响VOC监测质量。监测数据是VOC排污收费的主要依据,其质量必会影响排污收费制度的落实效果。
1.3 完善VOC监测体系对策与建议
要完善VOC监测体系,必须打破现有监测体系中的桎梏,将环境管理与环境监测分开,建立多元化的监测体系。目前,环境监测站与环境管理部门存在隶属关系,环保部门为避免“肥水外流”,一般不允许外地监测机构染指自己管辖范围内的监测业务。多元化的VOC监测体系可从根本上解决VOC排污收费制度对VOC监测的需求。美国、日本等国政府只负责环境政策的实施和监管,而将监测工作推向市场,通过招投标等方式选择监测机构,而第三方监测机构的存在更利于保证监测结果的公正,这种做法值得推行VOC排污收费制度借鉴。
2 VOC排放标准配套与排污收费制度
2.1 VOC排放标准配套问题及对排污收费制度的影响
VOC污染物种类非常多,按照官能团的差别,可以分为烷烃、烯烃、炔烃、醇、醛、酮、酯、醚、酚、羧酸等十来个大类,每一类又可再细分若干小类,如烷烃就可再分为直链烷烃、环烷烃、芳香烃、卤代烃等,同时VOC来源又极其广泛。目前,国家环境空气质量标准还没将VOC包括在内,虽然一些行业标准已包含VOC排放限值,但覆盖范围还不够宽,并且VOC监测分析方法主要参考国外相关标准。在线监测技术是VOC排放监测的关键,因为不少行业间歇性排放VOC,如果没有完善的在线监测技术必将影响VOC排放监测的准确性,这方面的标准也是缺乏的。由于缺乏统一的技术规范,监测标准不配套,不同监测结果之间缺乏可比性,这对VOC排污收费制度的实施肯定会带来不少困难。
2.2 加强VOC排放标准配套的对策与建议
目前,《挥发性有机物(VOCs)污染防治技术政策》(环保部2013年第31号公告)已于2013年5月实施,其制定的发展目标包括:2015年基本建立重点区域污染防治体系,2020年基本实现从原料到产品、从生产到消费全过程减排,但是排放标准体系、检测标准体系等工作进度仍然比较缓慢。VOC排放行业接近100个,全面完善行业排放标准任务艰巨。广东在VOC污染控制方面走在前列,已颁布实施了一些地方标准,如家具制造、印刷行业、表面涂装、制鞋行业等VOC排放标准,但行业覆盖也还是不够的。建议首先完善VOC监测方法标准,在环境空气与固定源废气排放标准中加入典型VOC的限值,还要制定并完善VOC采样与分析方法标准,特别是在线VOC监测分析标准。
3 VOC法律支撑与排污收费制度
3.1 VOC法律法规方面的问题及对排污收费制度的影响
我国开展VOC控制时间不长,系统性不够,行业针对性也不强。《大气污染防治法》中甚至没有VOC具体描述。现行法律法规中尤其缺乏VOC污染源环保准入、日常监管方面的具体要求,而且《环境保护法》等法律相关规定对超标排放的惩治力度也不够,造成“违法成本低守法成本高”的怪现象,不利于VOC排污收费制度践行“污染者付费”原则,同时地方截留、占用、挤占排污费行为更会严重影响VOC污染防治。
3.2 健全 VOC法律法规支撑的建议和对策
在修订《大气污染防治法》时应增加VOC概念,加入排污收费管理等内容。制定VOC优先控制名录,实施VOC污染物环境管理登记制度,严格限制甚至禁止VOC污染物生产、使用,明确VOC控制与消减计划,建立针对VOC污染消费品环境税收制度等。
4 结语
VOC排污收费制度正在制定之中,乐观估计在2015年可能颁布实施。该制度实施后将会极大促进VOC污染的防治,然而现行VOC监测体系、排放标准和法律支撑方面仍存不足,本文对此进行探讨,希望发挥抛砖引玉之功效,能够见到更多真知灼见文章参与争鸣讨论,以便这项制度可以更好地发挥作用。
参考文献:
虚拟技术是使相关工作在计算机上实现或通过计算机模拟实现的技术[1],早在20世纪70年代便开始将其应用于宇航员培训。由于这是一种消耗低、安全有效的培训方法,现今已被推广到各行各业的培训中,并已在科研、教育、商业、医疗、生物制药、环境保护、农业生产、娱乐等多个领域得到广泛应用。在此,只简单介绍它们在教育、生物制药和医疗领域的应用状况。
1.1教育领域
随着虚拟技术的发展和教学要求的不断提高,虚拟技术已进入教育领域,并且已成为完成教育工作的一种有效方式。例如利用化学教育软件,展示化学实验的流程和结果。学生可以通过使用该软件,了解和掌握整个实验过程,然后再进行实践操作。这样,既可以减少实验的危险性,又可以提高学生的学习兴趣和效率,减少不必要的浪费。再如利用物理教学软件,开展“欧姆定律”的讲解,其效果生动,且学生便于理解。
1.2生物制药领域
虚拟技术在生物制药方面的应用主要是在药物的设计阶段:采用相关的分子设计软件,设计药物小分子,模拟小分子与受体的相互作用,预测小分子的生物活性、毒性、排泄、吸收、代谢途径、代谢物及其各类性质。目前,这种药物设计模式已被国际专业制药公司在研发新药时采用,并与实验相结合,以达到减少研发消耗,提高研发成功率的目标。1.3医疗领域虚拟技术在医疗领域的应用主要有:手术培训、手术模拟、医学影像检查和临床诊断。已经报道的“上海交通大学附属第九人民医院骨科专家成功完成真正意义上的3D打印骨盆重建手术”,是虚拟技术在医疗领域成功应用的又一案例。
2、化学信息学
化学信息学的研究领域并未经过刻意界定,很多化学家在各自不同的研究领域中力争发展和采用计算机的方法来处理大量涌现的化学信息,建立化合物的结构与性质的关系。在20世纪60年代,化学信息学的发展已初见端倪,到了70年代开始出现了飓风式的发展。因此,相关的化学信息学的定义有多种。
比较典型的有以下一些论述。
(1)采用分子模拟和数据分析技术与高分辨图形显示组合,得到了令人惊讶的结果。因此,化学信息学是通过应用信息技术帮助化学家研究新问题、组织并分析科学数据,以研发新化合物、新材料的过程。
(2)很多人认为化学信息学是化学信息的扩展,它涵盖了与化学结构、数据存储和计算方法相关的领域,如化合物登记系统、在线化学文献、结构-活性关系分析和分子性质计算[3]。化学信息学作为一个学科名称来说是很新的,但我们可以体会到,它存在于我们周围已经有了一段时间。不同的阶段常会给出不同的化学信息学的定义。
所以,在讨论这些不同观点的时候,我们认为“化学信息学是一门应用信息学方法和计算机技术来辅助解决化学问题的学科”[4]这个论述更具有普适性。
化学信息学方法主要有三种,即基于数据、基于逻辑和基于原理。
(1)基于数据的方法建立和利用多种化学数据库管理系统和化学数据库中的数据。该方法主要的作用是在数据库中获得已记录的相关信息。
(2)基于逻辑的方法利用已有的化学数据库中的数据,并在此基础上,利用归纳、推理和分类等方法将数据转化为知识,并对知识实施有效的管理,以便于知识得到广泛的应用。最终,能用于解决实际的化学问题。该方法适用于大量数据的处理,对象具有比较强的规律性。同时,它能解决数据库系统不能解决的问题。
(3)基于原理的方法利用已有的量子化学的理论,对化学对象作相关的量化计算,并根据计算结果,研究对应的化学问题。该方法能从原理上解释化学问题,但不适用于大批数据和大的体系的处理。在化学研究中,这三种方法相辅相成。对于不同的研究对象或不同的研究阶段,采用对应的方法组合。
3、化学研究
化学是研究物质的组成、结构、性质和变化规律的科学。有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质、用途和有关理论的一门学科,由于有机化合物都含有碳,同时以碳、氢化合物为母体,因此这门学科又可称为“碳化合物的化学”或“碳氢化合物及其衍生物的化学”,随着这门学科的发展,诞生出了高分子化学、元素有机化学等新学科,为合成染料、橡胶、纤维、药物、塑料等有机化学工业建立了理论基础。化学的研究内容主要可归纳为三部分:分子设计、合成设计和结构确定。利用相关技术设计具有特定功能的化合物即为分子设计[5];利用相关技术设计特定化合物的合成路线即是合成设计;结构确定包括两部分:结构解析和谱图模拟。结构解析是根据已有的化学谱图,推测对应的化学结构。谱图模拟是基于化合物的化学结构,预测其化学谱图。化学是重要的基础科学之一,它也是一门建立在实验基础上的科学。在化学研究中实验和理论这两方面一直是相互依赖、彼此促进的。化学是一门古老而历史悠久的科学,它的研究模式为灵感、经验和实验(见图1)。长期实验数据的积累,为现在和今后的化学研究提供了宝贵的财富。截至2013年12月,已有记载的小分子化合物达7600多万个,化学反应约5580万个。要有效应用如此大量的研究和实验数据,只有采用信息技术才能实现。在此,我们提出了化学研究的现代模式,即在化学研究的传统模式中融入虚拟技术(见图2)。分子设计是化学研究的内容之一。传统模式的分子设计流程如图3所示,某种化合物的性质,通常是在得到化合物之后,经过实验测试才可获得对应的性质。现代模式的分子设计流程如图4所示,化合物的性质,可以用相关软件预测获得。根据获得的预测结果和经验,决定是否要合成该化合物。图3和图4中的分子设计流程显示,两者的差异主要在合成之前。传统模式在合成之前的分析工作仅以文献信息作为判断依据。而现代模式,既以文献信息作为判断依据,又以软件预测结果作为分析判断依据。从原理上讲,采用现代模式合成的化合物,其符合需求的成功率要高于传统模式,研究过程中产生污染的几率要比传统模式的低。
4、结论
梳理基础知识的同时更要注重知识的综合运用
重温教材是临考必须做好的一个重要环节。对照《考试说明》,对教材各类知识内容作全面梳理,对重要化学概念、化学原理、化学定律、化学观念作一一归类总结,对易被忽略、难以记忆、容易混淆、易出错的知识内容进行仔细剖析。
最基础内容,像元素周期律、元素周期表、物质溶解性表、化学平衡移动原理、电离平衡常数、溶度积常数等,要熟记于心。化学方程式、离子方程式、电极反应式、热化学方程式、电子式、有机物名称等书写规则要印在脑中。课本实验的研究目的、关键操作步骤、重要实验现象等都要有清晰印象。
从某种角度看,高考主要是测试知识的综合运用能力,要特别重视不同模块知识的综合运用。如,元素周期律、物质结构、元素化合物间的综合题,化学实验、元素化合物、化学化学原理间的综合题,跟有机化合物转化相关的综合推断题,跟主干知识有紧密联系的社会热点话题等。
高考题常会以氧化还原反应原理为中心,与其它知识综合出一道题,后阶段复习要重视从氧化还原反应原理角度研究新问题。如,从氧化还原反应原理角度可理解钠熔法检验有机化合物时,有机物中氯、硫、氮等元素最终转化为NaCl、NaCN、NaSCN等产物。
提高解题能力的同时更要关注解题技巧
高考是通过笔试来测试考生的,《考试说明》中提出的三项高考能力要求都会体现在解题能力中,所以复习要主要围绕提高解题能力展开。临考前,更要关注实用性强的解题技巧,掌握高考常见题型的解题技巧。
要特别重视选择题解题技巧。多个省市选择题是单选题,抓住“单选”特征,利用“逻辑筛选”“极值估算”等技巧快速确定答案。
另外,还应重视研究有机框图推断题、元素化合物推断题、化学实验大题、化学计算题等的解题技巧。如,解答计算题关键是剖析相关化学原理,最实用的技巧是根据相关化学反应原理寻找隐含在其中的“守恒关系”。
做好定时模拟练习的同时更要重视精细审题、规范表述
限时模拟练习类似“实弹”演习,临考阶段必需做好。定时模拟练习要特别注意强化精细审题、规范表述答案等习惯。
遇到“熟题”勿大意、遇到“生题”要冷静。审题时,一定要有“蝉要捕”“黄雀也要防”的意识,不要因一时大意而顾此失彼;要看“树木”,也要见“森林”,不要因一念之差铸成大错。
有机化学又称为碳化合物的化学,是研究有机化合物的结构、性质、制备的学科,是化学中极重要的一个分支,也是高等院校化学体系的四大基础课程之一。有机化学又可分为有机合成化学、生物有机化学、物理有机化学、元素有机化学和金属有机化学等分支。众所周知,任何生命体的结构都是有机元素构成的,我们生活的环境和能源物质也都是有机物,所以有机化学发展迅速,内容丰富且社会应用性强,在生命科学、材料科学、环境科学和能源科学等诸多学科领域中均有所体现。随着现代科学技术的迅猛发展,有机化学的教学内容虽然在持续增加,然而教学课时却有逐渐压缩的趋势,所以教学内容多、学时少也就随之成为教学工作中的矛盾主体。因此,作为一名化学学科的教师要传授给学生的不应该仅仅是定义、公式和实验方法,而是要尽可能提高学生学习热情的同时,让学生更多地了解各种化学现象在现实生活中的作用以及如何准确快速寻求到解决今后所遇到的化学问题的方法和思路。高校有机化学教学要适应新世纪对新人才的需求,迫切需要由理论公式型向现实应用型模式转变,以培养真正适应科技发展需要的复合型人才。
二、教学目的转变催生教学方法变革
著名教育学家陶行知先生曾经提出“生活即教育”的理论。学生不管接受何种形式的高等教育,最终都要学以致用、需要面向生活,融入社会为导向。教学的目的就是教给学生一技之长,让他们学会做人、学会做事,顺利过渡。在知识经济与信息更新飞速发展时代,很多毕业生面临着“刚毕业就失业”的现状,就业岗位更新快、技术淘汰快,再长年限、再宽泛的专业高等教育也无法把学生培养成一劳永逸、无须“更新升级”的人才,所以这就急需我们的高等教育从教育的根本目的开始转变,让学生把课堂上学到的东西真正的做到学以致用,才能少走弯路,更快的适应社会,融入新的工作中。
有机化学学科的特点是化学知识来源于生活,又走向生活解决问题,与日常生活息息相关。而我们的教学过程就是将有机化学知识蕴藏在生活问题中,使化学教学成为还原生活的过程。尽量从学生的衣食住行出发,帮助学生认识有机化学与人类生活的关系,激发学生的学习热情与兴趣,感受化学的魅力,促进学生素质的全面发展。摒弃传统教育填鸭式机械化的教学方式,寓教学于生活,以掌握解决现实问题的方法能力而不是掌握知识的数量多少为教学目的;无论是理论还是实验教学都要以了解生活本质,解决生活的实际问题为目的。例如,对我们最为重要的水与有机化学有什么关系?普通的自来水,纯净水,矿泉水,地下水等诸多种类水的界定标准是什么?其中挥发性(VOC)和半挥发性(SVOC)有机污染物分别会对人体产生怎样的危害,怎样避免这种危害?我们应该怎样健康的饮水?水源的污染对整个人类生存环境带来怎样的影响?如何有效的保护水源等都是学生感兴趣的教学点,虽然从表面看所涉及的知识似乎很浅显,但就像树的根系一样有着许多深层的有机化学知识点,从化学反应的方程式到最新的精密检测仪器的应用都可以包含在内,非常值得师生一起探讨研究。
三、教学内容转变是教学改革的精髓
教学内容和课程体系直接反映了教学目的和人才培养目标,是教育创新的核心。因此,要搞好有机化学的教学工作,提高教学效果,使学生轻松掌握教学大纲的知识,就必须对教学内容进行全面改革。这也是教学改革中的灵魂与精髓。
(一)教学内容改革以教材改革为起点
教材是开展教学的依据。实现教学内容改革,先要选定恰当的教材。根据自身院校以及专业的特点重新选定教材,根据不同专业特色合理安排教学内容,有所侧重的变化授课内容。有机化学教学内容丰富、理论深刻、实践性强、与其他各学科交叉渗透性强等诸多特点,但目前各高等院校所选用的有机化学教材可谓是纷繁芜杂,教材质量也是鱼龙混杂。这就需要教师用心甄别,充分考虑本专业实际和学生的接受能力,选择最为适合的教材,事半功倍。比如曾有环境专业的教师将“氨基酸”“蛋白质”“碳水化合物”“周环反应”等与本专业关系不强的内容和分析化学里边讲过的“四大谱”内容删去,把有限的教学学时充分分配给与本专业关系密切的必学内容。这样做的优点是有的放矢,既学到了学生认为有用的精华内容,同时也减轻了学生的课业负担。
(二)将前沿问题引入课堂是教学改革的点睛之笔
教学内容要站在学科前沿,紧跟时代步伐。将最新专业动态融入日常课程,是教育教学向前发展、培养高科技人才的必由之路以及有效途径。
科学技术日新月异的年代,随着国内外有机合成技术的迅速发展,新的有机化合物不断涌现,其种类和数量甚至正在以几何数列增长,其应用也是深入到了人类生活的方方面面,有机化学正在向全世界展现它无可替代的地位和旺盛的生命力。时代的发展呼唤创新,教学方法和教学内容的更新迫在眉睫。有机化学作为基础学科,广泛渗透在工业生产、科学研究、日常生活的各个方面,业已取得翻天覆地的变化。将国内外学科发展的前沿问题引入课堂教学,不仅能够丰富课堂教学,还能够促进教师能力发展提高。也将极大提高学生的学习兴趣,取得更好的教学效果。
在教学中,向学生推介诺贝尔化学奖中的前沿问题,尤其是与有机化学紧密相关的内容;或是在教材相关章节中,把自己的科研项目和研究成果的最新进展,向学生予以讲述介绍,既丰富了课堂内容,又对学生生动展现了从理论到实践的飞跃。教而不研则浅,研而不教则空,这充分说明了教学与科研亟需密切合而为一。教学中应该密切注意培养学生综合运用知识解决问题的能力和科研创新能力。
网络如此发达的今天,信息检索已不再是难题,全球范围内的有机化学前沿成果,最新的科技文章只需一台连接了互联网的电脑便尽收眼底,在讲授基础知识的同时向学生渗透一些最新的国际动态,不仅启发其创新思维并同时提高学习热情。教师自身的超前意识往往会潜移默化地给学生最为深刻的影响,例如,在讲授绪论部分时对航天材料中有机部分的介绍,结合我国最新的航天成果,将纳米塑料等概念引入课程中。或将最近北大在重碱土金属有机化学研究中取得新进展――首次实现了多氟戊搭烯衍生物的合成,以动态方程式的方式展示给大家,从而鼓励激发学生学习的兴趣和热情,以课程为纽带带动师生的互动,使学生深切感受到科学技术的飞速发展给社会发展带来的巨大变革。
(三)注重交叉学科的课堂教育是教学改革的重要组成
诸多化学学科中,有机化学这门课涉猎其他学科最为广泛,集历史性、趣味性、实用性为一体。为了培养学生学习有机化学的兴趣,可以在学期初绪论部分重点介绍有化学的发展史、著名科学家所作出的贡献、有机化学研究的新领域、各种国际化学奖项中最新的有机化学研究成等以及相关学科的发展简史。教师在备课过程中,除要保持知识的准确性外更要力求每堂课都注入新的知识动态,结合专业特点丰富课堂教学内容,联系日常社会生活,有意识的将食品学、生物学、材料学、物理学甚至艺术等其他专业融入有机化学的教学中,从多角度、多层次诠释每一个知识点,让学生不再觉得化学是枯燥乏味的,而是一门令人充满探索热情的、魅力四射的学科。多学科交叉学习有机化学不但能解释大部分生活中的化学现象,还能提高学生整体素质,是行之有效的提高教学质量的方法。
四、教学改革呼唤教学形式的转变
(一)授课形式多样化是现代有机化学教育的基本要求
有机化学知识点繁杂,公式变化多样,如果教师仍然拘泥传统的以信息传递为主的教学方法(讲授法,谈话法,讨论法,读书指导法等)必定会使学生感到枯燥乏味,但是若将以直接经验为主的教学方法(参观法,演示法,实习法,练习法等)引入课堂必将收效显著,中国的学生普遍动手能力差,大学中的实验科目又大部分是教师在准备和教授,如何有效地增强学生的创造能力和分析解决问题能力是当今高校教育亟需改善的通病。教学的组织形式也可以由以往普遍的班级授课适当转变为分组教学、个别教学,道尔顿制或特朗普制的形式,相信多样化的授课形式一定会令学生每次课程都有所期待,激发了好奇心从而锻炼了思维能力,同时带动了课程知识点的学习。
(二)多媒体技术在教学中的广泛应用是现代化学教育的内在要求
有机化合物以分子结构复杂、反应条件严格、副反应多、反应机理难掌握而著称,多媒体及网络技术的迅猛发展为有机化学教学注入了活力,有望改变有机化学难学、难懂的观念,极大地改善传统教学模式的弊病。
多媒体课件作为辅助教学手段,具有很多优点。首先,它使现代化学教育更形象更生动。它具有高信息涵盖量、色彩丰富、呈像生动、动感形象等长处,作为高科技教学手段,其引入与应用,积极促进了现代有机化学教学改革的发展。Flash对化学实验的图像解构,将微观世界里的有机化学反应形象而又生动地呈现出来,使对各种反应机理的描述不再晦涩抽象难懂。
其次,多媒体教学可以使有机化合物空间立体结构更加形象直观,其动画功能可以利用不同颜色、不同大小、不同形状代表各化合物上的原子或基团,把有机反应过程直观地表现出来,变静态为动态过程。多媒体演示可用于代替昂贵但高效灵敏的仪器的操作,如气象色谱-质联联用仪(GC-MS),液相色谱-质谱联用仪(HPLC-MS)等。
价格昂贵一般学校难以引入课堂教学实验之中,但利用CAI课件即可向学生模拟这些仪器的操作,让学生对有机测试先进手段有更加直观的理解,任何教学手段都是为教学内容服务的。
再次,多媒体教学手段为师生之间沟通提供了便捷途径。通过开拓网络教学平台,可实现教师在线答疑,学生可根据自己在学习过程中遇到的问题在网上与教师交流讨论,也可以与其他同学进行讨论。这种教学平台的应用弥补了大学教师科研任务重、不坐班,学生在课余时间找不到教师答疑的缺点,在空间上和时间上相对自由。目前网络平台辅助教学在我们的教学工作中得到了良好的运用,用于答疑、公布教学信息和教学资源共享等方面。今后将进一步研究完善教学平台的应用,以实现无纸化提交、批改作业,提高工作效率。
【关键词】:挥发性有机污染物;监测技术;研究;进展
化工原料的大规模使用,燃料的不完全燃烧等多种因素所产生的大量挥发性有机物,造成大气污染日益严重,对生态环境带来难以估量的破坏,对居民的身心健康带来长久负面影响。同时,挥发性有机化合物通常都会伴随着光化学反应,其产生的二次污染物杀伤力仍不能小觑。如何采用大饣肪吃谙呒嗖狻⒍量遥感监测等多种手段,对大气污染进行有效跟踪,并反馈相关部门及时做好预案,从而降低污染指数,保障居民的正常的生产生活,成为防治大气污染的重要措施。
1、挥发性有机污染物的来源及危害简介
1.1挥发性有机污染物(VOCs)的来源
挥发性有机污染物,是由于挥发性有机物对人们的健康会产生危害,因而把这些挥发性有机物称作“挥发性有机污染物(VOCs)”。本文所提到的挥发性有机污染物,亦即挥发性有机物。关于对挥发性有机物的定义,最为权威的当属1989年世界卫生组织下的定义。该组织指出,挥发性有机物的两个基本特征:一是熔点低于室温;二是沸点在50~260℃。VOCs的化合物主要有脂肪烃、芳香烃、卤代烃、萜烯、含氧有机物等其他类,大致有9类。产生这些化合物的行业涉及制药工业、印刷工业、石油化工、涂料装饰业和交通运输以及表面防腐等。其中:脂肪烃这一化合物主要由木制家具和家庭日常用品“贡献”;芳香烃是由室内烹饪、吸烟、燃油燃料和涂料“贡献”;卤代烃是由粘合剂“贡献”;萜烯是由木制家具和胶粘剂“贡献”;含氧有机物是由建筑装饰材料和粘合剂“贡献”。
1.2挥发性有机物(VOCs)的危害
根据目前行业界和学术界对挥发性有机物危害的研究可知,VOCs的危害主要是表现在有毒、恶臭和破坏大气臭氧层等两个方面。挥发性有机污染物带有毒性,味恶臭,浓度超过标准后能对人的身心健康造成危害。比如:对人的心、肺、肝等内脏有害,会造成人的记忆力衰退,出现急性和慢性中毒,严重的会致癌。另外,挥发性有机污染物对臭氧层造成破坏后,会加大太阳紫外线辐射对人体的危害,同时引起光化学烟雾,从而导致大气呈酸性化,助长酸雨的发生。VOCs的危害,必须引起全人类的警惕和防范。
2、挥发性有机污染物的监测方法分析
目前,挥发性有机污染物的监测方法主要有检测管法、袖珍式有毒害气体检测器法、便携式傅里叶变换(FT)红外光谱仪法、便携式气相色谱仪法和气相色谱/质谱联用分析法等几种主要监测技术。前面4种是最基本的监测方法,但随着空气环境的恶化,这4种监测方法通常不能满足监测需要,主要是运用气相色谱/质谱联用分析法。
2.1检测管法
对挥发性有机污染物进行监测的最原始的监测技术是检测管法。所谓检测管法,是指通过判定被监测气体通过某一检测管时,检测管上填充的颜色变化情况来对被监测气体进行分析。使用检测管法时,检测管通常会被涂满颜色,并标有长度或刻度标尺,以用来测定某一有害气体在空气中的含量。
该方法的优势是操作简单、快捷,能够用来对挥发性有机污染物定性和半定量测试。其劣势是在不能确定污染物及其种类未知的情况下,比如有机污染事故,使用这种方法难以满足现场定性和定量分析的要求。
2.2袖珍式有毒害气体检测器法
袖珍式有毒害气体检测器法所采用的仪器性能高,其灵敏度也是非常高,并且检测范围广泛,易于携带,能够用来测定VOCs的总量和单项气体,这是一种快速用来处理有机污染事故的有效方法。然而,该监测技术对那些较复杂的挥发性有机污染物则“束手无策”,对这些污染物难以进行定性,只能进行简单的初期防护、后期处理和去除污染确认和恢复过程的污染确定等较浅层次的分析工作。
2.3便携式傅里叶变换(FT)红外光谱仪法
便携式傅里叶变换(FT)红外光谱仪法,也是曾经对VOCs进行监测的一种监测技术。其基本原理是通过借助化合物能够吸收红外光的特性,并且这种红外光的吸收量能够被测定,加上每种化合物都是以固定的频率吸收红外光,这种频率呈现一定的特征和规律,从而通过使用红外光谱就可以“认出”挥发性有机污染物。当需要进行应急监测时,通过使用该技术能够对有毒害的未知气体进行定性和半定量分析。
其优点体现在性能强大、处理速度快、便于携带和简易等方面。其不足是对于某些频率相同或相近的多种化合物复杂气体,由于存在相互干扰的现象,使用这种技术会使监测仪器出现误差,监测人员也难以进行校准。
2.4便携式气相色谱仪法
处理和防范频繁发生的环境污染事件的问题,催生和推动了环境科学的发展,而环境科学的出现和发展,则是环境分析监测技术不断发展和创新的动力。由于人们生活水平的不断发展和对环境监测技术的要求提高,比如被监测气体的浓度应以更低为宜,加上被监测气体其结构类似的化合物对环境有着不同的影响和监测气体存在的时间性和空间性问题,研究出一种能够更加适应人们环境监测需要的监测方法,成为对挥发性有机污染物进行监测的客观要求。
在这种背景下,随着新型灵敏的广谱型检测器的出现和高效毛细管柱的广泛使用,人们通过借助电子技术研究出了一种全新的便携式气相色谱仪监测技术。使用便携式气相色谱仪法进行监测,优点是高性能、灵敏度高、重量轻、体积小、便于携带;缺点是仅限于对已知保留时间的化合物进行分析,不能够用来定性判断挥发性有机污染物质,不是最佳的污染物定性手段。
2.5气相色谱/质谱联用分析法
随着社会生产技术和经济水平的不断发展,人们在原有的监测方法基础上研究出了一种全新的VOCs监测技术―――气相色谱/质谱联用分析法。该方法能够用于污染事故的应急监测(快速监测),对快速分离和鉴别复杂的混合挥发性有机物提供了有效的途径,能够进行定性监测,同时完成对多组份物质的定量分析。
结语
随着全球对挥发性有机污染物排放标准和要求的日益提高,对VOCs的监测工作也将带来更多的挑战。监测技术的确定既要能满足对监测区域污染排放和变化特征的识别,又要兼顾监测地区的实际情况,选择有针对性和具有可操作性的监测方法,亦可选择多种方法相结合。
【参考文献】:
课堂是学生学习的重要场所,在实施新课程的今天,化学课上老师讲、学生听,老师说,学生做的模式已不能适应时代的要求。我们必须努力构建一种既能发挥教师教学主导作用,又能充分发挥学生主体地位的教学模式。鉴于此,教师在授课时应以探究的方式突出学生主体地位,以诱发、培养和维持学生兴趣和积极性。
2教材分析
醇和酚是自然界中广泛存在的两种含有羟基的有机化合物,在生产、生活中有着非常广泛的应用。本节是在学生学习《化学2(必修)》的基础上,将醇的知识的学习从乙醇上升并扩展到对醇类物质的学习,实现由必修到选修、由点到面的扩展。必修中的乙醇是针对所有学生开设的,要求所有学生对其性质有感性认识,了解结构及结构与性质的基本关系。选修中的醇是针对在理科方面又进一步发展要求的学生开设的,通过选修学习,能进一步形成系统的化学知识,理解结构决定性质,并能从乙醇类推到其他醇类的性质,从而形成有机物官能团决定性质,醇类知识由点到线到面的知识体系。再加上本节是在反应类型及反应规律的学习之后,学生已经具备了预测一定结构的有机化合物可能与什么样的试剂发生什么类型的反应、生成什么样的物质的思路和意识的基础上学习的,因此探究的侧重点在于结构决定性质,以增强学生对醇类的理性认识。
3教学目标
3.1知识与技能。
认识醇的组成和结构特点;掌握醇的重要化学性质,进一步理解结构决定性质,官能团对有机物性质的决定作用。
3.2过程与方法。
理解并掌握通过分析物质结构预测物质化学性质的方法;学会运用已有知识的迁移和应用。
3.3情感态度与价值观。
让学生体会学习有机化学的规律性及系统性;培养学生分析问题、归纳问题、演移推理的能力。
4教学过程
图片引课:名酒―假酒成分及危害,南方雪灾――乙二醇汽油抗冻剂,化妆品―甘油。给出结构式,要求学生观察并找出其共性――为何把他们都称为醇?
给出醇的定义,并要求学生运用定义判断芳香醇与酚类。
探究1、给出甲烷、乙烷、辛烷的相对分子质量与沸点的具体数据,能得出什么结论?
探究 2、给出甲醇、乙二醇、丙三醇的相对分子质量与沸点的具体数据,探究其中规律,归纳出结论。(从碳原子个数、羟基数及相对分子质量形成氢键的几率角度分析)
探究3、给出第一组甲醇、乙烷、乙烯,第二组乙醇、丙烷、丙烯的相对分子质量与沸点的具体数据,能得出什么结论?
生:烃的相对分子质量越大沸点越高;醇的相对分子质量越大,羟基数越多沸点越高;相对分子质量接近时,醇的沸点比烃的沸点高得多。
师:同类分子晶体,相对分子质量越大分子间作用力越强,沸点越高。而醇的分子有跟水相似的羟基,分子间存在着氢键,因此,其沸点要高得多。另外,乙醇能跟水混溶也是因为两者有氢键,相似相溶。请大家猜想:乙二醇、丙三醇能否于水混溶?高级脂肪醇也能与水混溶吗?
探究4、乙醇能跟钠反应,水也能与钠反应,请大家回顾两者活泼性比较,你能从结构上分析水比乙醇反应更激烈的原因吗?结合交流、研讨分析1-丙醇结构中化学键的类型,分析哪些化学键容易断裂,以1-丙醇为例预测醇能发生哪些类型的化学反应,生成何种产物。
生:小组讨论,完成探究。醇发生的反应主要涉及分子中的碳氧键和氢氧键。断裂碳氧键脱掉羟基,发生取代反应或消去反应;断裂氢氧键脱掉氢原子,发生取代反应或氧化反应。写出相应的方程式。
探究5、醇的消去反应:写出乙醇、丙醇消去反应的方程式。分析结构,引入 氢,预测下列醇能否发生消去反应?若能,写出方程式。甲醇、2-甲基-2-丙醇、2,2-二甲基-1-丙醇。归纳小结:醇消去反应的断键位置及规律。
探究6、醇的催化氧化:写出乙醇、丙醇催化氧化反应方程式。分析结构,引入 氢,预测下列醇能否发生催化氧化反应?若能,写出方程式。甲醇、2-甲基-2-丙醇、2,2-二甲基-1-丙醇。归纳小结:醇催化氧化反应的断键位置及规律。
师:本节课以乙醇的性质为基础,探究了醇类的性质,那么其他醇也能发生相应的断键吗?又会有什么性质?
5课后反思