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淺論結(jié)合示范中心建設(shè)探索有機化學(xué)實驗教學(xué)改革論文
1引言
有機化學(xué)是一門實驗性很強的科學(xué)，在高�；瘜W(xué)、應(yīng)用化學(xué)、制藥工程、化學(xué)工程與工藝、藥學(xué)等專業(yè)的教學(xué)中，有機化學(xué)實驗占有十分重要的地位。教育部化學(xué)專業(yè)指導(dǎo)委員會提出參考學(xué)時數(shù)為每門實驗課的學(xué)時與相對應(yīng)的理論課學(xué)時之比為（1.1～1.2）∶1，并要求化學(xué)實驗課獨立設(shè)課。著名化學(xué)教育家戴安邦教授生前曾指出：“全面的化學(xué)教育要求化學(xué)教學(xué)不僅傳授化學(xué)知識和技術(shù)，更訓(xùn)練科學(xué)方法和思維，還培養(yǎng)科學(xué)品德和精神”。實驗教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、分析問題與解決問題的能力和創(chuàng)新能力。然而，由于有機化學(xué)實驗內(nèi)容和教學(xué)形式的局限性，嚴重影響了學(xué)生對有機化學(xué)教育的認識和興趣；同時，其自身的特殊性也一直被認為是校園的污染專業(yè)戶。
在江蘇省高等院�；瘜W(xué)實驗教學(xué)示范中心建設(shè)中，我院積極進行有機化學(xué)實驗課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等方面的改革，堅持以教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，積極引導(dǎo)學(xué)生樹立綠色化學(xué)的理念，從源頭上、過程中減少或消除化學(xué)藥品對環(huán)境的污染，為師生創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍和環(huán)境。通過實驗教學(xué)改革激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、挖掘?qū)W生的潛能、注重培養(yǎng)新時期下學(xué)生必備的“C3H3”（CleanHabit，ClearHead，CleverHands）實驗素質(zhì)，取得了較好的效果。
2傳統(tǒng)有機化學(xué)實驗存在的問題
有機化學(xué)實驗與其他化學(xué)實驗相比，有其特殊性。從江蘇等地高校實驗教學(xué)情況來看，長期以來存在的主要問題有：①實驗所用的化學(xué)原料、化學(xué)藥品、溶劑毒性大、易揮發(fā)、腐蝕性強；②化學(xué)試劑的用量比較大、反應(yīng)時間長，而且產(chǎn)生的廢氣、廢水和廢棄物“三廢”較多；③反應(yīng)得到的產(chǎn)物、副產(chǎn)物以及所用的有機溶劑沒有循環(huán)利用，直接當(dāng)做廢棄物排放。這些問題不僅污染了環(huán)境，而且浪費了資源�？梢哉f，從上世紀50年代以來，基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容從課程體系到教學(xué)形式上變動不大，期間雖然也做了一些改革的嘗試，但仍未從根本上解決問題。隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，環(huán)境污染、生態(tài)安全等問題日益突出。高�；A(chǔ)有機化學(xué)實驗教學(xué)過程中產(chǎn)生的少量污染排放日積月累，也將會危害到學(xué)校和周邊地區(qū)的環(huán)境。因此，如何從源頭上、過程中降低污染、節(jié)約資源、減少化學(xué)品對人體的危害是有機化學(xué)實驗課教學(xué)中遇到的迫切問題。
3有機化學(xué)實驗綠色化實施方案
3。1樹立綠色化學(xué)理念
化學(xué)化工行業(yè)提供了人類所需要的90%左右的產(chǎn)品，但傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)和分離過程中大量使用易揮發(fā)的有機溶劑，同時也成為污染環(huán)境的主因。所以一提起化學(xué)，人們往往聯(lián)想到化學(xué)反應(yīng)過程可能會產(chǎn)生有毒有害的氣體、液體、固體等物質(zhì)危害環(huán)境和人類。為了滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，提出了綠色化學(xué)的概念。綠色化學(xué)（greenchemistry）又稱為環(huán)境無害化學(xué)（environmentallybenignchemistry）、環(huán)境友好化學(xué)（environmentallyfriendlychemistry）、清潔化學(xué)（cleanchemistry），是一種能最大限度從資源合理利用、環(huán)境保護、生態(tài)平衡等方面滿足人類長期可持續(xù)發(fā)展需要的化學(xué)，既充分利用資源，又不污染環(huán)境。有代表性的綠色化學(xué)技術(shù)包括：超臨界流體CO2（Supercriticalcarbondioxide）作反應(yīng)介質(zhì)和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移載體；以水為介質(zhì)的水相反應(yīng)；全氟溶劑（Perfluorocarbons）—有機溶劑組成的氟兩相技術(shù)；離子液體（Ionicliquid）作溶劑/催化劑的非均相反應(yīng)。其最大特點在于從源頭上預(yù)防污染的發(fā)生，實現(xiàn)過程和終端均為零排放或零污染。世界上很多國家已把“化學(xué)的綠色化”作為新世紀化學(xué)發(fā)展的主要方向之一。隨著環(huán)保意識的逐漸深入人心，我國的綠色化學(xué)研究蓬勃開展，很多綠色化學(xué)技術(shù)在化學(xué)、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
高校實驗教學(xué)作為推行綠色化學(xué)概念的重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)著向大學(xué)生傳輸綠色化學(xué)理念和綠色化學(xué)技術(shù)的新任務(wù)。在基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)積極采用適合于高等教育的新的科學(xué)研究成果，改革現(xiàn)行的有機化學(xué)實驗教學(xué)模式，努力把綠色化學(xué)的思想引入到有機化學(xué)實驗教學(xué)課堂上，成為化學(xué)教育家們的共識，是今后化學(xué)實驗教學(xué)改革的方向。目前，我院從08級基礎(chǔ)有機實驗開始實施某些綠色化實驗項目，并且已經(jīng)取得了良好的效果。
3。2有機實驗教學(xué)內(nèi)容的綠色化
在國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的帶動下，江蘇省于2006年成立了“江蘇省高等院�；瘜W(xué)實驗教學(xué)示范中心主任聯(lián)席會”，在2006～2008年期間召開示范中心建設(shè)研討會，與會專家學(xué)者一致認為要提高江蘇省高校的實驗教學(xué)質(zhì)量，關(guān)鍵之一是要有一個符合江蘇省高校特點的實驗教學(xué)體系以及與之相適應(yīng)的先進的教材。其中21世紀高等院校化學(xué)實驗教學(xué)改革系列教材“有機化學(xué)實驗”由我院與東南大學(xué)共同負責(zé)。在教材的編寫過程中，積極倡導(dǎo)綠色化學(xué)的理念，按照“科學(xué)性、先進性、實用性、趣味性、綠色化”的原則選編了一些試劑毒性較小、實驗方法較為先進的實驗。由于性質(zhì)實驗對操作技能的要求不如制備實驗要求高，實踐中有一定的局限性和被動性，而且這些性質(zhì)實驗學(xué)生可從課堂中獲取相關(guān)知識，甚至有些知識已在中等教育過程中接觸過，因此，在制定有機化學(xué)實驗教學(xué)計劃表時刪除了性質(zhì)實驗，選取了基本操作實驗+有機化合物的制備實驗。
基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗基本操作實驗部分主要包括回流、蒸餾、分餾、水蒸氣蒸餾、減壓蒸餾、重結(jié)晶、折光率測定、熔點測定等，所使用試劑一般為教材上指定的有機化合物，這些試劑都有不同程度的毒性，而且有的氣味很難聞。因此，新教材編寫時改進了試劑，以無毒試劑、毒性較小的試劑作為基本操作實驗的原料，如水蒸氣蒸餾采用橘皮或橙皮來代替過去常用的苯甲醛，蒸餾得到具有光學(xué)活性的檸檬烯可以作為旋光度測定的原料。經(jīng)化學(xué)化工學(xué)院08級4個班級約200位學(xué)生實驗，師生一致反映良好，整個實驗操作簡單、安全可靠，對周圍環(huán)境及人體沒有危害，實驗所用的純天然材料成本低廉。實驗室中由過去的苦杏仁氣味變成了檸檬的清香氣味，學(xué)生從過去怕做到喜歡做水蒸氣蒸餾，教學(xué)效果、環(huán)境效果均十分顯著。
3。3有機實驗實驗方案的綠色化
�。�1）減少源頭上污染。綠色化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。四大典型的綠色技術(shù)，以水為介質(zhì)的水相反應(yīng)以及離子液體作溶劑/催化劑的非均相反應(yīng)，目前最有可能應(yīng)用于基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗中。
現(xiàn)階段在很多情況下都要用到溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，那么用水作溶劑具有環(huán)境、經(jīng)濟雙重效益，由于水相有機反應(yīng)具有普通有機反應(yīng)無法替代的優(yōu)點：反應(yīng)條件溫和，副反應(yīng)少，對環(huán)境污染小，而且催化劑容易回收利用并保持其催化活性不變，所以水相有機反應(yīng)值得引起人們的重視。
另外，溶劑并不是所有的有機反應(yīng)所必需的，大量研究表明，在無溶劑的反應(yīng)體系中，一些反應(yīng)反而具有更高的效率和選擇性。無溶劑反應(yīng)條件不僅避免了溶劑的使用，而且使反應(yīng)后的處理過程變得非常簡單。如通過Biginelli反應(yīng)合成二氫嘧啶酮就是一個無溶劑反應(yīng)的很好的有機化學(xué)實驗。
�。�2）減少過程中污染。基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗課多年來一直實施常量實驗教學(xué)，這種實驗?zāi)Ｊ椒磻?yīng)時間長、化學(xué)原材料消耗較多。但是，無論從培養(yǎng)應(yīng)用型人材，還是提高學(xué)生觀察推理能力，常量反應(yīng)都是不可缺少的環(huán)節(jié)。根據(jù)新編教材的要求，在實驗教學(xué)中，學(xué)生剛接觸有機化學(xué)實驗時，對于那些比較重要的基本操作實驗，如蒸餾、分餾、重結(jié)晶、減壓蒸餾、水蒸氣蒸餾等仍以常量實驗為主，而通過選用無毒、低毒的實驗原材料來實現(xiàn)有機實驗的綠色化，如分餾實驗使用水—乙醇的混合物，還有前面提到的橘子皮作為水蒸氣蒸餾的原材料等；待學(xué)生基本操作掌握了之后，所進行的有機合成類的實驗便可以小量、半微量實驗為主，以進一步提高學(xué)生有機合成訓(xùn)練的綜合素質(zhì)。1年來的教學(xué)實踐證明，小量、半微量與常量實驗有機結(jié)合不僅在提高學(xué)生素質(zhì)教育、增強環(huán)保意識、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面起到了積極的作用，而且減少了“三廢”排放量，改善了師生的實驗環(huán)境并減少事故的發(fā)生。這方面的研究工作正處于起步階段，目前還在進一步探索中。如何進一步促進基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗的綠色化、更好的利用綠色化學(xué)技術(shù)設(shè)計更多更好的綠色的有機化學(xué)實驗，對高校化學(xué)教育工作者來說仍是一個嶄新的課題，值得投入更多的精力進行研究與探索。
�。�3）減少實驗后的污染。設(shè)計串聯(lián)實驗以促進試劑的回收利用，減小環(huán)境污染。如環(huán)己醇脫水制備環(huán)己烯的實驗，得到的產(chǎn)品環(huán)己烯可以作為原料，用于相轉(zhuǎn)移催化二氯卡賓加成實驗中。此外，溶劑、萃取劑的循環(huán)再生利用也是減少“三廢”排放的重要環(huán)節(jié)。基礎(chǔ)有機實驗中常用的一些溶劑乙醚、乙醇、丙酮、氯仿等，用完后如果隨意倒掉，一方面會造成藥品的浪費；另一方面還會造成對環(huán)境的污染。因此，我們在每個基礎(chǔ)有機實驗室中配備了4臺旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，實驗中使用過的有機溶劑要求學(xué)生用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進行回收后加以利用。
3。4計算機輔助有機實驗教學(xué)
示范中心研制了基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗指導(dǎo)課件，對基礎(chǔ)有機實驗課的計算機輔助教學(xué)作了一些有益的嘗試。以多媒體技術(shù)文字、圖像、聲音等多種表現(xiàn)手法對有機實驗內(nèi)容進行加工。對于有機化學(xué)實驗基本操作部分的實驗，利用PowerPoint和Photoshop等動畫功能來模擬組裝的儀器裝置，逐條演示如回流、蒸餾、攪拌、加熱等裝置的搭建。對于制備部分的實驗，學(xué)生不僅可以參考上述基本操作動畫模擬搭建裝置，而且還有真實的實驗錄像可供觀摩，部分實驗講義以網(wǎng)頁的形式將內(nèi)容、要點、思考題在網(wǎng)上發(fā)布，供學(xué)生下載學(xué)習(xí)。擔(dān)任基礎(chǔ)有機教學(xué)任務(wù)的教師正積極編制有機化學(xué)實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程，并且正在研究如何將這些網(wǎng)絡(luò)資源更好地運用于實驗教學(xué)。通過多媒體教學(xué)能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)積極性和實驗課的教學(xué)效果。特別是，網(wǎng)絡(luò)實驗無化學(xué)品消耗，沒有時間地點的限制，具有環(huán)保、清潔、經(jīng)濟等特點，可以作為有機化學(xué)實驗課堂教學(xué)的一種有益互補。
3。5加強實驗廢棄物的管理
經(jīng)常對實驗教學(xué)工作的人員進行安全教育和消防器材使用的訓(xùn)練，對參與實驗的學(xué)生進行有關(guān)防火、防爆、防毒、防傷害的安全培訓(xùn)。示范中心各實驗分室都配備了數(shù)量充足的消防設(shè)施，還配備了應(yīng)急醫(yī)藥用品，以便在出現(xiàn)緊急情況時使用。基礎(chǔ)有機實驗室還制訂了“三廢”回收處理制度，實驗教學(xué)樓外有專門的廢液回收地點。對實驗中產(chǎn)生的廢酸、廢堿、其它廢棄物，能回收的回收，不能回收的則統(tǒng)一集中傾倒于指定地點。
4結(jié)語
通過有機化學(xué)實驗的綠色化教學(xué)模式的實踐，達到了“夯實基礎(chǔ)、旨在創(chuàng)新”良好的預(yù)期效果：①較好地解決了環(huán)境污染和實驗藥品的純消耗，取得環(huán)境、經(jīng)濟雙重效益；②提高了學(xué)生的環(huán)保意識，樹立了綠色化學(xué)的理念；③改進了有機實驗教學(xué)手段，提高了有機實驗效率；④激發(fā)了學(xué)生對有機化學(xué)實驗的興趣，歷練了與時俱進的創(chuàng)新思維。
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