基于绿色环保理念的综合化学实验教学研究*

王凯民，马钰璐，唐怀军，周 强，汪正良，叶艳青

(1 云南民族大学化学与环境学院，云南 昆明 650504；2 昆明医科大学药学院暨天然药物药理重点实验室，云南 昆明 650500)

随着社会经济的不断发展与进步，人们在关注经济价值的同时，也开始逐渐重视生态文明、生态平衡和绿色环保。习近平总书记曾指出：“我们既要绿水青山，也要金山银山。”[1-2]。现如今，绿色环保理念的建设与应用已经与各行各业息息相关，其不仅关系到未来社会的发展，也关系到全球人民的生活。因此，对于基础领域的化学学科来说，绿色化学理念的树立对很多从业者来说是一项必备的要求。而作为培养未来人才的高等院校而言，如何将绿色环保理念贯穿于学生的整个学习生涯，让其在进入工作岗位前就能认识到可持续发展的重要性，养成良好的行为习惯是非常重要的。

综合化学实验教学，是高校化学学科的一项重要组成部分，其作用拟在培养学生的实践动手能力和观察创新能力。在过去综合化学实验的教学中我们多关注于学生的实验操作、实验结果、实验中知识的获取情况，而未关注到实验中化学药品，尤其是有机物对环境造成的污染及学生绿色环保意识的构建与培养。因此，如何针对新时代对教学提出的新要求，结合绿色化学的理念，在综合化学实验教学中做好学生环保理念的培养、绿色化实验室的建设、实验内容的绿色化优化，教学的可持续整合优化，是高等院校综合化学实验教学模式研究的一项重要要求[3-4]。

1 综合化学实验教学中树立绿色环保理念的必要性

综合化学实验是我校化学、应用化学、化学工程与技术、药学、制药工程专业学生的基础必修课。这些学生毕业后多从事化学、化工相关工作，这些工作均需要同学们具备一定的环保意识，从源头上阻止污染、从过程中防治污染，以适应可持续发展的需求。如果不在学生的大学阶段，不在课程中潜移默化的给学生灌输绿色环保意识，学生很难在进入岗位的第一时间具备环保理念。因此综合化学实验教学有必要从观念上及实际行动上帮助学生树立环保意识。

除此以外，综合化学实验过程中常常会涉及有毒、易挥发、低沸点、易燃易爆、危险化学试剂的使用，如三氯甲烷、乙醚、甲醇、浓硫酸、重铬酸钾等。随着高等院校的不断扩招，每年授课的学生人数在不断地增加，产生的废气、废液、废渣等也在逐年增加。实验室管理难度越来越大，如果学生的环保意识未及时得到培养，实验室环境会逐年恶化，师生的实验安全性会逐渐降低，有害污染物的排放也会不断增加，因此我们有必要对综合化学实验的教学进行绿色化改革。将绿色环保理念融入课程，对我们的实验内容、实验设备、教学手段进行合理的设计优化，以从根源处将污染降到最低。

2 绿色化综合化学实验教学模式的改革探索

2.1 深挖课程，传输绿色化知识，多方面培养绿色环保理念

首先，深挖课程，从绿色化角度改进实验内容。综合化学实验课是有机化学、无机化学、分析化学及材料化学理论课的延伸，其内容常常是一些重要反应、重要现象及鉴定手段的验证，同时也涉及合成、提取、分离、纯化、理化性质、定性定量检测的技能培养。实验内容成熟，覆盖面广，但未从环保方面来选择实验。而上述化学课程中很多知识都与绿色环保相关。例如，在合成化合物时，合成路线、反应原料、溶剂、温度、催化剂的不同会关系到反应的时间、副产物、产率、三废(废气、废水、废渣)的不同；在分离提取实验中有机溶剂的选择面临同样的问题。因此，如何选择实验内容是我们需要研究的。我们应从相关化学理论课本出发，结合绿色化学中不用危险品(reject)、再回收(reuse)、减量化(reduce)、再循环(recycle)、再生化(regeneration)的理念[5-6]，选择出最合适的物质及条件来实现高效、低污染的实验操作。例如，将有效氯含量测定的实验换为水硬度的测定，以避免重铬酸钾造成的污染；在发光材料的合成中，将稀土配合物的合成改为Zn2+配合物的合成，以减少重金属污染；安息香缩合反应中，将毒性大的NaCN改为维生素B1，以实现条件温和、无毒、高产率的合成；在乙酰水杨酸的制备过程中，将浓硫酸，改为浓磷酸，以在保证产率的同时提供给更安全的实验环境；在青蒿素的提取实验中将易燃易爆溶剂乙醚，改为汽油同样可以在保证实验效果的同时，大大降低危险的发生，减少对环境的污染。

其次，利用系统教授、反复强调、加强监管及考核等方式不断向学生灌输、培养环保意识。一方面，加强教师绿色环保理念的树立，在授课前统一对教师进行绿色化学知识的培训，让教师熟悉不同废弃物的处理方法，严格要求、统一规范授课时的操作及其对学生的引导。另一方面，在教学前，先利用网络视频对学生进行三废处理、绿色化学知识、实验室安全的讲授，让学生在进入实验室前就具备一定的意识；而后利用测试巩固知识；最后在实验教学过程中教师利用各个有利时机不断向学生灌输环保理念，通过反复提醒、不断强调、严格管理、及时纠正等手段逐步培养学生减少浪费、减少污染、爱护环境等良好的行为习惯，以实现学生绿色环保理念的构建。

2.2 优化整合实验，加强综合化学实验的绿色化

(1)科学优化实验，从源头上减少实验对环境的污染。为实现绿色化综合化学实验教学，我们从原有的综合化学实验内容出发，对实验中所涉及的各项化学试剂、实验操作流程、实验设备等进行梳理优化。

一方面，更新、精简、调整实验内容，将耗时较长、耗资较多、污染较大、毒性较大、危险性较大的实验进行删除或者替换。充分融入绿色化学的理念和成果，引入污染更小、耗资小，但仍能保证学生掌握基本操作技能和基本原理的实验。同时结合本地特色、学校特色、民族特色及学科前沿，开设具有实际意义，实用性更强的实验。

另一方面，在保证实验结果的同时，将有毒有害物质替换为毒性较小甚至是绿色环保的无毒无害物质。在优化中应避免含重金属的物质，避免腐蚀性较强的强酸碱的使用。尽可能选择能使用绿色环保溶剂的实验。例如能用水做溶剂的尽可能用水做溶剂；对于能将毒性较大、危险性较大的甲醇、乙醚等换为的更安全环保、耗资更少的溶剂如乙醇等的实验则进行跟换。尽可能选择原料本身污染性不大，产物对环境友好的实验，例如引入青蒿素的提取、分离、纯化实验，原料环保，产物也有可再利用价值。

此外，不断优化实验过程及实验装置，合理提高实验的效率，加强操作安全性。例如在部分合成及提取实验中，将电炉改为水浴可以提升实验过程中的安全性；在教授学生传统减压蒸馏装置搭建及使用的同时，引入旋转蒸发仪，不仅可以提升实验效率，还可以帮助学生更贴近、更了解科研或生产中的实际情况；在结晶时引入冰浴，调整良性和不良溶剂的比例，同样可在不影响结果的同时大大提高实验效率，减少时间成本。

(2)合理整合实验，充分利用实验中的各项资源。曾经的综合化学实验内容较为独立，例如在基本操作板块单独进行滴定实验、熔沸点测定、减压蒸馏、重结晶、柱色谱、薄层色谱的操作训练；在化合物性质板块单独进行各类物质的性质验证；在合成板块又仅是单独的进行合成制备训练，教学较为分散，重复性太大，没有合理的实现物质的循环或重复利用，也没有给学生树立一个整体的思想。通过合理的整合实验，可以有效改善以上不足。

一方面，设计并加强综合性实验的比例。将各板块内容进行整合，将基础性实验合理融合，减少实验的重复率。例如，在乙酰水杨酸的合成实验中，不仅让学生进行单纯的合成操作，还要融合进重结晶、减压抽滤、酚类化合物性质研究等基本操作。再如，我们设计的青蒿素系列提取实验中，不仅包含天然产物提取的基本操作，还引入了减压蒸馏、柱色谱分离纯化、薄层色谱鉴定、重结晶、熔点测定这些化学研究中必须掌握的基本技能(如图1所示)。综合性实验的设立在教会学生知识技能的同时，也培养了学生的整体科研思维，同时还实现了试剂、药品、产物的合理使用，减少了浪费，符合绿色环保的理念。

图1 青蒿素提取实验流程图

一方面，加强各学科的资源整合，充分协调、利用各学科及科研实验的资源，实现实验产物及资源的最大化、循环化利用。例如，可以将该实验课得到的茶叶提取物咖啡，利用到仪器分析实验课中，让其作为标准对照品，同时可将剩余的茶叶作为实验样品。再如合成实验可以多设计为合成药物的实验，如阿司匹林(乙酰水杨酸)的合成、香豆素(1,2-苯并吡喃-2-酮)的合成，这可以让学生提前感知药物化学的魅力；同时可与药化教研组协调进度让其减少相同实验的占比，也可将产物提供给药理教研组进行后期实验，最终便可实现实验资源的最优化利用，贯彻落实再循环、再使用的环保理念。

另外，加强实验中三废的合理利用，加大实验再回收率。首先加强实验中实验溶剂的再回收利用，将使用过的溶剂分类统一回收，减压蒸馏后，重新分装供后期实验使用。其次将每届学生分离纯化后的固体进行统一回收储藏，以供下一届学生进行熔点测定。对于无法回收的实验废弃物，应加强过程管理，防止随意倾倒，分类收集，统一处理。

2.3 探索新型综合化学实验绿色化教学模式，多方位提升教学方法

(1)充分利用混合课堂教学模式，引入现代化手段，提升教学质量，巩固绿色化理念的深入。传统综合化学实验教学多为教师讲、学生听、动手做的模式。由于学生理解和动手能力的不同，常常会因为对实验操作的不熟系，导致试剂的浪费、耗材的损耗以及实验时间的消耗。充分发掘网络资源，分别录制原理及实验操作部分的微课；利用学校网络教学平台，将视频资源提前提供给学生进行学习；除此以外，开发购买仿真实验资源，构建虚拟实验室，让学生提前模拟实验。进入课堂以“提问+学生演示/回答+纠正/讨论”开始，加深学生对实验操作及注意事项的理解，然后再动手操作。此教学方式，不仅提升了学生学习的主动性，培养了学生的动手及思考能力，还大大降低了学生实验中的盲目性，减少了实验失误的发生，降低了试剂、仪器的损耗，也提高了实验效率，真正发挥了绿色综合化学实验的教学意义。

(2)加强微型实验的应用，从源头上减少综合化学实验对环境的污染。实验中后期，在学生掌握了一定基本操作的基础上，引入微型实验。在保证实验效果的同时，使用小型仪器、大大减少了化学试剂的用量，可以从根源上有效地节约资源、减少三废的产生、降低实验的危险、性有害性，并能节约时间[7]。例如，我们在乙酰水杨酸的合成实验中引入了微型实验，从合成、抽滤装置，到重结晶装置，再到纯度检查装置，所有仪器微型化，所有药品的使用量仅为原来的1/25。另外，由于微型实验本身误差比常规实验大，因此其对操作规范性的要求更高，微小的操作不规范会直接导致实验失败，其需要学生更为细心专注。因此我们在教学的中后期引入微型实验，还可以作为一种学生操作准确性的有效考核及监管方式，便于发现问题，及时纠正，真正实现更好的训练学生、提升学生的动手能力。由上可见，微型实验不仅是综合化学实验教学中的一个好帮手，也是绿色化学的好推手。

3 结 语

通过上述探索和研究可以看出，在综合化学实验的教学过程中构建绿色环保理念，推行实验绿色化改革，不仅可以实现从根源上降低课程对环境造成的污染、减少对师生的危害，还有利于潜移默化地培养师生环保意识，为今后的环境保护、生态平衡、社会可持续发展贡献一份力量。目前我校综合化学实验的绿色化改革已在开展，实践结果表明，此项改革已展现出了其在实验环境改善，学生意识提高上的优势。环境保护是每个人的义务，始终将绿色环保理念贯穿在实验教学中是高等院校的责任，虽负重致远，但只有不断探索、不断实践、全力以赴才能为社会经济的可持续发展贡献一份力量。