物理化学实验绿色化教学改革

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［摘要］

近几年东北大学在物理化学实验教学改革中引入绿色化学思想，在满足物理化学实验教学大纲基本要求、保证实验教学效果的前提下，合理选择和设计实验内容，采取环境友好的化学实验新技术、新方法，尽量减少或消除对环境或人体有毒、有害的化学物质的使用。在实验教学方式上，注意培养学生实验操作规范性，提高学生的绿色化意识。在教学实践过程中，提出了物理化学实验绿色化教学的一些具体措施。例如，更新实验设备、优化实验内容、实验微型化小型化设计、综合经典实验等。经过长期的努力和探索，增强了学生的绿色实验意识和环保意识，同时也改善了实验教学环境，基本实现物理化学实验教学的绿色化。

［关键词］物理化学实验；绿色化学；教学改革

随着科学技术的发展和社会的进步，人们越来越清醒地认识到经济发展所带来的环境污染问题已经对人类生存和社会发展构成了巨大威胁。引起生态环境破坏的污染物中很大一部分都是在人类自身的生产、生活过程中产生的。因此建设绿色生态环境已成为人与自然和谐发展的基本前提。绿色化学（GreenChemistry）就是近些年发展起来的与防治污染、保护生态环境密切相关的一门学科，目前已经成为国际化学学科领域研究的热点。绿色化学又称为“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”等。绿色化学倡导利用化学的技术和方法减少或避免在工业生产及日常生活过程中使用、生产对人类健康、社区安全、生态环境有害的化学物质。[1][2][3][4]高等院校中物理化学实验的绿色化改革正是契合了绿色化学的研究发展方向，向化学实验的无毒、无害化迈出了积极的一步。其目的是将绿色化学的研究思想传递给学生，使学生在今后的科学研究、生产、生活中也能积极主动地践行绿色化学观念；其方法是将绿色化学的实验设计理念融入基础物理化学实验教学进程之中；其核心内容是最大限度地减少或避免使用有毒、有害的化学物质，最大限度地减少或避免产生化学废物，也无需再处理废物，从源头处减少或消除环境污染。

一、物理化学实验教学绿色化的总体设想

物理化学是东北大学应用化学、生物工程、材料科学、冶金工程、环境科学、资源与矿物等专业的基础课程之一。而物理化学实验是物理化学教学的重要组成部分，是培养学生实践能力和科研能力的重要教学环节。[5]学校的化学实验中心每年为全校12个专业的近1200名学生开设数十个不同的物理化学实验项目。其中的“液体饱和蒸气压的测定”、“酸碱中和反应热效应的测定”、“铋－锡二元相图的绘制”等这些我们耳熟能详的、经典的物理化学实验项目曾经见证过几代学子的成长。毋庸置疑，这些实验设计得简单易行。通过实际的操作，实验者很容易理解其中蕴含的物理化学原理。然而，这些实验过程中都不可避免地会使用或产生某些有毒、有害的物质。如果不对这些物质进行无害化处理而直接排放，日积月累，不仅会影响师生的身体健康，还会污染周围环境。因此，物理化学实验绿色化是化学实验教学改革发展的必然趋势。在长期的物理化学实验教学改革过程中，我校化学实验中心高度重视贯彻绿色化学的教学理念，将绿色化学作为实验教学改革的重要组成部分。在对物理化学实验教学进行绿色化改革的进程中，我们从实验内容、实验设计、实验设备、经典实验项目整合、教学方法和教学理念等方面进行了积极的研究和探索，并取得了一定的效果。

二、物理化学实验教学绿色化的实践

（一）实验内容的绿色化

在实验项目的选择和实验内容的调整方面，尽量排除或减少对环境污染大、对人体毒性大的实验项目。在不影响实验效果的前提下，选用环境友好的试剂替代有毒或后处理困难的试剂，从而实现物理化学实验的绿色化。例如，“弛豫法测定铬酸根－重铬酸根离子反应速率常数”是以往我校应用化学专业学生必修的一个化学动力学实验项目。这个实验过程中需要使用的主要化学试剂是重铬酸钾。然而，通过对重铬酸钾性质的学习不难知道，它不仅有化学毒性和致癌性，而且还是一种强氧化剂，长期吸入，能破坏鼻粘膜，引起鼻膜炎和鼻中隔软骨穿孔，使呼吸器官受到损伤，甚至造成肺硬化。皮肤接触重铬酸钾溶液时易引起铬疮和皮炎。不仅如此，化学实验中心每年还需要投入高昂的实验经费用于处理由此产生的铬酸废液。因此，为保证实验教师和学生的身体免受危害，现已将其改为另一动力学实验“旋光光度法测定蔗糖水解反应的速率常数”，实验中用到的原料蔗糖无毒，而且使学生有机会学习旋光仪的使用方法。又如，在“气泡最大压力法测定溶液的表面张力”实验中，原来所使用正丁醇水溶液的最大浓度达到了0．35mol•dm－3。为了降低正丁醇使用浓度，我们曾对实验方案和实验装置进行了多次改进，使正丁醇的最大浓度降至0．1mol•dm－3。而且，实验操作也更加简便易行，实验中气泡的逸出平稳、连续。上述改进已经过多次教学实践检验，结果表明，正丁醇浓度的降低不仅节约了实验药品，而且低浓度正丁醇水溶液的表面吸附量随浓度的变化规律更符合吉布斯吸附等温式，有利于得出好的实验结果。

（二）实验微型化、小型化设计，减少药品用量

所谓微型化实验是指在微型的仪器设备中，用尽可能少的试剂获取所需的化学信息的实验方法。在保证可观测到与普通实验相同的实验现象的前提下，微型化实验还具有节约实验材料和时间、减少环境污染、操作安全等优点。所以，开展微型化实验是实现化学实验绿色化的好方法。在长期的物理化学实验教学过程中，在保证实验方案合理、实验结果稳定、实验效果显著的前提下，我们积极推行实验的微型化、小型化设计。例如，在“差热分析”实验中采用微型化实验样品管后，每份CaC2O4样品使用量减少到不超过0．05克，每学期仅CaC2O4试剂的使用量就减少到原来的十分之一。对于目前尚无法实现微型化的实验项目，我们采取了小型化设计或减少化学试剂使用量等方法，以期将物理化学实验对环境的污染降至最低。例如，在“金属二元相图的绘制”实验中，由于金属铋和锡具有熔点低、化学稳定性好、数据重现性好、原料易得、价格低廉等特点，所以，铋－锡二元系统一直以来都是我们进行此项实验教学的首选系统。若使用以往的实验设备，在实验过程中，以各种比例混合的金属铋和金属锡试样被放置在瓷坩埚中，上面覆盖一层硅油，以防止加热过程中金属样品被氧化。但是，通过查阅相关化学数据手册可知，金属铋的熔点为271℃，而硅油的燃点为320℃，仅仅比铋的熔点高约50℃。这意味着，在加热纯铋试样时，若操作者没有控制好升温速率而导致系统温度上升过快，那么样品温度很容易冲高至硅油燃点而引燃硅油。这不仅会造成大量硅油的损耗，容易引起教学事故，而且硅油高温挥发及不完全燃烧的产物还会污染空气。为此，我们放弃使用瓷坩埚而改用金属样品管盛装样品。这样不仅使单个样品的质量从过去的120克减少到几克，而且使用时很容易将金属样品管抽真空后密封，并循环使用。这种全封闭的手段有效避免了大量使用硅油作为样品保护层所带来的空气污染问题的发生。又如，在“酸碱中和反应热效应的测定”实验中，我们更换了体积更小的杜瓦瓶，使氢氧化钠和盐酸的用量减少到原来的四分之一。减少试剂用量后的中和反应系统由于溶液体积大幅减少，搅拌效率更高，系统各处的温度更趋一致，对温度变化的监测更容易，温度数据也更准确。除此之外，我们对“凝固点降低法测定分子量”、“乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定”等实验项目也进行了小型化改进，不同程度地减少了化学试剂使用量，显著降低了实验成本，改善了实验环境。实践证明，物理化学实验的微型化、小型化设计不但可以达到与常规实验相同的实验目的和效果，而且可以大幅减少试剂用量、不同程度地减少实验过程中产生的化学废弃物、节约后处理费用、减少污染、改善实验环境，因此，此举已经成为物理化学实验教学改革的一个重要发展趋势。

（三）实验仪器和设备的选择

与其他化学分支学科的基础实验相比，物理化学实验需要的中、小型实验仪器设备种类较多。其中多个实验需要测定温度和压力。传统的测温、测压装置都是含汞的，不但操作步骤繁琐复杂，而且易造成实验室汞污染，危及教师及学生的身体健康。例如，在“液体饱和蒸气压测定”实验中，过去常用U型水银压力计测定系统压力差。此种压力计中需要使用大量的金属汞，汞面用水液封。然而，由于此装有汞的U型玻璃管不宜经常清洗，所以管壁会吸附环境中的气体分子及尘埃等颗粒物。而在实验过程中U型管内汞液面会不断变化，会有少量汞由于与管壁上的吸附物作用而产生挂壁现象，从而使汞暴露于空气中并挥发为汞蒸气，这会对人体产生极大危害。目前，我们物理化学实验室中全部的测压装置均用数字式低真空测压仪替代水银压力计，从根本上消除了汞蒸气可能对教师和学生产生的危害。又如，在“凝固点降低法测定物质的摩尔质量”、“酸碱中和反应热效应的测定”及“燃烧热的测定”等热力学实验中，过去一直使用贝克曼温度计来监测实验体系温度的变化。贝克曼温度计虽然测量精密度高，但在实际使用时，存在操作繁琐且易碎等缺点。目前我们用数字式温度温差测量仪替代贝克曼温度计，不仅使实验操作难度降低，实验过程简化，而且也规避了由于操作不当造成温度计破裂而引起环境污染的风险。上述实验仪器设备的替换无疑使物理化学实验的测温测压手段更安全、更方便。

（四）综合经典实验内容

通过长期的教学实践和教学研究我们发现，传统的物理化学实验门类齐全、架构完整，大量的基础实验内容至今仍值得我们继承和发展。但囿于当时实验条件的限制，导致许多简单的实验耗时费力。因此，我们在保留经典实验内容的前提下，致力于整合实验方案，不仅大幅减少了试剂用量，有效降低了环境污染风险，而且还提升了学生综合分析实验结果的能力。例如，“原电池电动势的测定”、“电解质溶液电导率的测定”及“原电池温度系数的测定”这三个实验同属于电化学基础实验，内容相对简单。但是在过去，由于实验设备和实验手段的落后，完成这三个实验中的任何一个都需要很长时间，所以每一个都被设计为一个相对独立的实验项目，而这显然不利于学生将所学到的电化学基础知识融会贯通。通过认真分析、研究这三个实验的目的及内容，我们将它们融合并设计成了一个新的电化学综合实验。经过精心的实验方案设计和内容的整合，这个新的综合实验得到了学生和教师的广泛好评。由于实验试剂循环使用，避免了浪费和对环境造成的污染，为化学实验中心节省了实验经费。同时，学生对理论课中学到的电化学基础知识也有了比较全面且更为深刻的理解。

（五）合理分工协作

在实验教学过程中，我们不仅对经典内容重新进行综合设计，而且还会根据不同实验的特点，实时调整学生所做实验的部分内容。例如，学生在进行“双液系气液平衡相图”实验过程中需要测定的实验点较多，做出一个完整相图大约需要6个小时的时间，显然在规定的4学时内是无法完成的。为此，我们设计由两组学生分别测定相图的左半支和右半支，之后将两组数据合并，从而做出一个完整的相图。这就要求每组学生在实验过程中都必须认真仔细地完成操作并记录好数据，否则可能会因而某一环节的失误而导致合作双方的数据都出现偏差。实践结果表明，这种分工合作，在保证实验教学质量的前提下，既节省了药品，又有利于培养学生的协作精神和良好的操作技能。因此，对于复杂的实验项目，我们认为这不失为一个值得尝试和推广的好办法。

（六）规范操作方法，提升绿色化意识

长期的教学实践表明，在物理化学实验教学过程中，严格规范实验操作方法、督促学生养成良好的实验习惯是学生科研素质教育的重要内容。规范的实验操作方法和良好的实验习惯不仅是提升学生实验操作技能的重要基础，也是培养学生自觉进行绿色化实验的前提。在实验过程中，指导教师要认真监督学生不要随意丢弃药品，并纠正学生中普遍存在的“药品用量越多，实验现象就越明显”的错误观念，杜绝学生在做实验时随意加大试剂用量的现象，鼓励学生用最少的试剂做出成功的实验。同时也要求学生每次实验之前都要充分预习，提高实验成功率，减少重复实验引起的药品损耗现象。此外，教育学生从实验过程中的每件小事做起，逐步树立起绿色化科研意识和对社会的责任感。

三、改革后的成效

多年以来，经过对物理化学实验教学改革的绿色化探索与实践，在提升了教师自身的绿色化学教学理念的同时，在培养学生的协作精神、综合科研素质等方面也取得了良好效果。这些效果体现在学生在校学习期间养成了良好的实验操作习惯，明晰并理解了实验设计中绿色化改进之处，学会了用绿色化学知识设计实验等方面。而且，近几年来，我们对大量本科生就业后反馈的信息进行了分析并从中了解到，经过我们多年的绿色化实验教学训练，毕业生们在各自的工作岗位上都表现出较高的实验技能和良好的团队合作精神，综合素质高，受到用人单位的广泛欢迎。

［注释］

［1］平措，马橘红．物理化学实验室绿色化建设初探［J］．实验技术与管理，2009（12）：132－133．

［2］张康华，曹小华，谢宝华，等．化学实验教学与绿色化学教育［J］．实验室研究与探索，2010（5）：123－125．

［3］徐英，王桂清，陈灵谦．物理化学实验教学改革的探索［J］．高校实验室工作研究，2010（4）：5－6．

［4］魏泽英，李树全，谢小燕，等．物理化学实验教学绿色化改革实践［J］．教育教学论坛，2014（1）：245－246．

［5］杨冬梅，王军．物理化学实验教学改革的总体设计及实践［J］．高等理科教育，2008（6）：103－105．

作者：杨冬梅 王军 单位：东北大学理学院化学实验中心