赵祥华，王莉敏，元智玲

(信阳师范学院化学化工学院,河南 信阳 464000)

绿色综合化学实验改革及其人才培养

赵祥华，王莉敏，元智玲

(信阳师范学院化学化工学院,河南 信阳 464000)

在培养化学人才的同时兼顾环境保护是当前教育面临的难题。单一的验证性实验已经不能满足当前社会对人才的需求。综合化学作为提高大学生化学实验技能、培养创新思维能力至关重要。然而，在培养人才的同时，通常会造成不同程度的环境污染。绿色化学理念作为基础实验学科的指导思想应运而生。为了提高大学生实验技能，保护环境，实现经济可持续发展，本文初步探讨了将绿色化学和综合化学两种不同实验概念和方式有机结合，为探索培养科技人才提供有益参考。

绿色化学；综合化学实验；人才培养；改革

自18世纪末拉瓦锡发现质量守恒定律以来，化学的飞速发展在为人类带来巨大经济效益的同时也引发了一系列社会环境问题。如：生态环境恶化、生活环境危机以及资源过度开发和浪费等等。为此，1991年美国化学会（A C S）提出“绿色化学”，得到了全世界的积极响应。

绿色化学又称“原子经济化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”，是一门从源头上、从根本上预防和治理或消除污染的新兴学科，它能够调节资源、环境与经济发展的关系，是化学发展的高级阶段[1]。它涉及有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科,内容广泛。绿色化学的核心内容主要体现在两个方面：

第一，“原子经济性”：“原子经济性”的概念最早是由美国S t a n f o r d大学的B a r r y M.T r o s t教授于1991年提出，其核心是指在化学反应过程中尽可能的将所有反应底物转化为目标产物，从而能最大限度的减少废弃物的排放并节约资源，最终达到无污染或少污染，降低成本的目的。

第二，坚持“5 R原则”：

R e d u c t i o n——减量、省资源、无污染、零排放是其核心思想，主要包括两个方面：其一，在化学反应过程中，以不产生副产物或废弃物，实现废物“零排放”为宗旨，达到提高化学反应速率，降低成本的目的，实现“原子经济反应”的理想转化过程；其二，减少废气，废水，废渣等“三废”的排放量，努力实现其“零排放”。

R e u s e——重复使用，将化学反应过程中的原料及其催化剂等尽可能的回收，重复使用以便能够降低成本，满足减废的要求。比如在化学工业生产中一些稳定性好、易分离的催化剂及其载体、反应介质以及回收反应中所用的溶剂等，不仅要无毒无害无腐蚀性，而且设计者要考虑重复使用的工艺流程设计方案，保证其无限次的使用。

Recycling——回收，是指对反应过程中与产品无关的物质进行全面的回收，包括未反应的原料、副产物（含“三废”）、助溶剂、催化剂、稳定剂等非反应试剂，有效实现“省资源、少污染、减成本”的要求。

Regeneration——再生，包括废旧物质的再生利用和可再生能源、原材料的利用等，是变废为宝、减少污染、节省资源的有效途径；

Rejection——拒用，一方面是指拒绝使用非绿色化的工业产品、生活用品等；另一方面对于一些有毒有害，无法替代,又无法回收、再生和重复使用的原料及辅助原料等,拒绝在生产过程中使用。这是实现生产、生活绿色化的最根本方法[2]。

根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》,要求提高高校人力资源适应市场需求变化的能力,向社会提供技能型和创新型科技人才,实现高校与地方经济有机融合。然而，目前大学生化学实验仍是以简单的验证性实验为主，多数学生按照实验课本上的实验步骤机械式地模仿，缺乏积极主动性，不能养成独立思考的良好习惯，导致学生实验结束后常常一无所获，教学效果甚微，这十分不利于我国素质教育人才战略的实施。当前，综合化学实验已经成为各大高校化学实验教育改革的重要方向之一[3]，主要针对已经具有一定基础知识和基本实验操作技能的大学生，运用一门或多门课程的知识，将一些简单的化学实验进行有机融合，从而达到激发学生兴趣，提高实验技能，培养学生独立思考及创新思维能力的一种复合型实验[4]。化学在为人类创造财富的同时，其废弃物的排放对生态环境造成的危害也日益严重，如何预防和治理、甚至消除污染，实现经济社会的可持续发展是当前化学发展的重要方向。绿色化学体现了化学与社会的相互依存关系,是化学高度发展与社会高速变化二者相交融的产物。大学生基础化学实验具有人员分布广泛、实验操作总体比较简单、实验资源回收利用率低等特点。因此，对高校大学生化学实验课程进行改革，将绿色化学与综合化学实验有机结合，既体现学生爱护环境、节约资源、减少污染的绿色化学意识，又能激发学生学习兴趣、训练学生实验技能、培养学生创新思维能力。学生在通过绿色综合化学实验的学习和开展过程中，逐步了解绿色化学的重要性，同时通过综合化学实验培养学生的综合能力、创新能力以及环保意识，在不断的实验学习中获得新感悟，从而在化学领域不断有新突破，新进展。为此，绿色综合化学实验可以从以下几个方面开展：

1 绿色综合化学理念指导实验内容的设计和选取

化学是一门以实验为基础的自然科学，实验是化学的灵魂，实验内容的合理设计和选取是体现化学魅力的关键所在。因此，精简、整合、优选、更新实验教学内容是实现实验教学绿色化的重要环节。既为了培养能够满足社会需要的高级技能型人才和创新科研型人才，又能够减少甚至避免环境污染和资源浪费，开展化学实验可从实验过程绿色化和实验知识综合化两个方面着手。

1.1 绿色角度合理设计实验方案

传统实验教学内容存在着很大一部分实验药品用量大、污染严重的实验，不但不利于师生身体健康，而且对环境污染严重。随着社会经济的迅速发展，工业化进程不断加快，环境污染问题也日益加剧。因此，合理调整实验教学内容势在必行。去除资源耗费多，毒性大，污染严重且对学生启发作用小的实验，同时减小实验药品用量，并开发毒性小，污染少的实验。例如，作为合成尼龙-66的主要原料之一的己二酸实验室制备法主要有两种：

实验方法（一）：硝酸氧化法

实验方法（二）：高锰酸钾氧化法

实验方法（一）中不仅产生有毒的氧化氮气体，而且常常由于学生使用滴液漏斗的熟练程度欠缺，使得环己醇的滴加速度不够稳定，实验易发生危险。此外，浓硝酸有强烈腐蚀性，如用同一量筒量取环己醇和浓硝酸，二者相遇发生剧烈反应，易导致实验事故。而实验（二）则明显不同，产生的实验废物M n O2便于沉淀凝结回收，对师生的危害系数远远低于实验（一）。又如基础有机化学实验中脂肪族酮的制备实验涉及环己酮、环戊酮的制取：

其一是重铬酸钠氧化法：

其二是次氯酸钠氧化法：

虽然重铬酸钠是强氧化剂，可以将环己醇氧化成环己酮，但是重铬酸钠具有中等毒性，且其氧化环己酮的副产物硫酸铬具有较强的毒性，并且还具有一定的腐蚀性，因而易产生污染。而次氯酸钠是巴士消毒液的主要成分，其毒性较小，且反应副产物氯化钠是食盐的主要成分，无毒害，是环境友好型反应的理想试剂。因而，利用次氯酸钠代替重铬酸钾氧化环己醇制备环戊酮是较为理想的绿色实验方案。然而，环己酮具有强烈的刺激性气味，且具有麻醉作用，易致癌。鉴于环己酮本身的危害性，在设计大学生实验方案时，可对其进行适当改进和优化。环戊酮与环己酮属于同系物，二者性质高度相似，环戊酮的的反应原料己二酸、氢氧化钡都是环境友好试剂，环戊酮的毒性远低于环己酮，副产物二氧化碳和水均是清洁产物。因此，用己二酸制备环戊酮来替代环己酮的实验制备方法，是一种较为理想的绿色化学改进方案[5]。

同样是酮的制备实验，选择环戊酮不但满足了实验的要求，锻炼了学生的实验能力，降低了化学实验对学生造成的伤害，而且有益于环境保护。在目前的高校基础化学实验中，虽然我们不能真正做到绝对原子经济性，但应尽可能地选择、开发绿色化学实验，以减少化学实验对周边环境的污染，为国家可持续发展战略的实施做出应有的贡献。

1.2 纵向联合强化产物回收利用

近年来，随着教育改革的不断深化，素质教育的不断推广，社会对创新型人才的需求量不断加大。为了顺应人才市场需求变化，对化学实验教学内容也应进行合理改革。根据工科化学和理科化学对学生要求的不同，实验教学内容也应进行合理区分，从而有利于培养应用型人才和科研型人才，满足现代社会对工程师和科学家的需要。将原有实验教学内容进行有机归纳整合，并划分为基础性实验、综合性实验、创新和设计型实验等。改变基础实验自成体系，相互脱节的传统模式，充分发挥学生的主动性、积极性、创新性，培养出符合社会需求的高质量的化学专业型人才。

综合化学实验把单一的实验进行有机融合，如将上一步反应的产物作为下一步反应的原料即串联实验，或是同一实验纵向深入，即对这一反应本身的反应机理或者反应产物进行研究和探讨，由点及面，深入开展。对于串联实验，可以开展多步骤合成目标产物，即第一次合成的产物当作下一次合成的原料，如此往复进行，既减少了实验废弃物的处理，实现绿色化，又能提高学生的综合实验技能。例如，二茂铁及其衍生物的合成与性质测定实验:采用乙二胺法，即在无水无氧的惰性气氛下，以四氢呋喃为溶剂，先用铁粉将三氯化铁还原为氯化亚铁：

然后在乙二胺的存在下，氯化亚铁与环戊二烯反应生成二茂铁：

该实验能使学生掌握在惰性气氛下的合成技术，了解薄层色谱（T L C）和柱色谱作为分析和提纯手段的使用方法，学会红外光谱法（I R）、核磁共振氢谱法（1H-N M R）等波谱表征化合物的方法[6]。又如无机化学实验中，高锰酸钾的制备与含量测定，以软锰矿为原料制备高锰酸钾晶体：

如果产品直接倒掉，必将污染环境[7]。此实验可以深入开展，精制的K M n O4晶体可用于氧化还原实验和氧化还原平衡，或酸度对氧化还原的影响等实验，这样不仅节约了大量的试剂，降低了实验成本，而且避免了回收大量产品带来的储存和处理问题。

综合化学实验的开展不仅能提高学生的综合实验技能，提高综合素质，从而有助于科研能力的培养，而且能使实验原料与产物得到有效利用，利于绿色化学的开展实施。

2 倡导绿色综合化学理念

传统化学实验较大量地使用了低沸点、易燃、易爆、有毒的有机溶剂和试剂，再加上每年常将学生大量合成的各类有机化合物贮存于实验室，造成严重污染，学生实验中的酸、碱腐蚀，着火等实验事故也时有发生。另外，随着市场经济的发展，化学药品，特别是有机试剂和学生所用仪器的价格不断上涨，这使本来就紧缺的教学经费变得更加拮据[8]。因此改革传统实验模式已变得刻不容缓。

2.1 强化半微量和微量实验

半微量和微量实验即采用常规的小量实验仪器和设备，试剂用量少，实验现象明显，降低教学成本，安全省时。在有机化学实验中，可对一些有机化合物的合成的反应试剂及原料进行适当减少与控制，如乙酰乙酸乙酯的实验室合成：

该化合物的实验室制备实验中，原有试剂用量 ：25 g (27.5 m l,0.38 m o l) 乙 酸 乙 酯 ，2.5 g(0.11 m o l),金属钠，12.5 m l甲苯，改进后:10 m l乙酸乙酯，0.7 g—0.8 g金属钠，5 m l甲苯。经过半微量实验改进后，不仅便于操作，减少了大量使用金属钠的危险性，节约实验经费，减少污染体现了“绿色化学”的时代特色，而且取得了良好的实验效果。又如无机化学实验中，平衡常数的测定，用到微量滴头，多用滴管，井穴板等微量实验仪器[9]，不仅实验药品用量减少，而且实验中含碘废液由于量少也便于回收利用。半微量和微量实验的研究推广受到普遍关注，在实验技巧、实验者自身能力的发挥、实验的精密度及实验的准确性等方面均对学生提出了更高的要求，显示了高效、经济、环保、安全等优点[8]。更好地体现当代实验技术和水平，但难度也随之提高，对学生综合利用思想的培养以及细致严谨科学态度的养成发挥着不可估量的作用。

2.2 制备与性质实验有机结合

在传统的无机化学实验教程中，经常将制备实验与性质实验分开。由于两种不同类型的实验开展时间间隔太久(如：性质实验是上学期，制备实验室是下学期)，这种将物质的制备方法与性质研究分开的实验，往往使得学生将物质制备方法与性质特点相脱离，学了性质忘了制备，或者学了制备忘了性质，学生收获不大，实验效果降低。若是将一部分制备与性质实验巧妙地有机结合，不仅使得学生在制备过程中能够深入思考，既探究了所制备物质的功能或者特点，又能在制备与性质探究过程中激发学生的学习兴趣。不再是为了制备而“制备”或是为了对照性质而对实验现象进行简单的描述。

如：高锰酸钾的制备与其性质，高锰酸钾制备通常用软锰矿（主要成分是二氧化锰）在强氧化剂（如氯酸钾）存在下与碱共融，可被氧化为为锰酸钾：

向含有锰酸钾的溶液中通入二氧化碳气体，经减压过滤除去固体二氧化锰后，溶液浓缩结晶，即可得到暗紫色高锰酸钾晶体：

可利用所制备的的高锰酸钾晶体配成溶液，作为第一过渡系元素——锰的性质鉴定实验：高锰酸钾作为常用的氧化剂之一，含有锰（Ⅶ），因反应介质的酸碱性不同，还原产物也不同：通过与不同酸碱环境下的亚硫酸钠反应，会产生不同的实验现象，从而激发学生对实验结果的思考与分析。

表1 高锰酸钾在不同酸碱环境下与亚硫酸钠的反应

学生通过对高锰酸钾氧化性的纵向深入，了解高锰酸钾的氧化特性。那么，还可以通过对高锰酸钾氧化性进行横向拓展，即利用其氧化特性进行一些简易的有机物质制备：

在碱性条件下，高锰酸钾与邻菲啰啉加热回流可制备4,5-二氮杂-9-芴酮。该化合物是一类重要的有机中间体，广泛应用与有机半导体、生物传感等领域。通过高锰酸钾的制备，从而尝试性质实验，而通过性质实验探究，了解其在不同环境下的氧化特性，进行新型化合物的合成与制备。这种系列化的实验，不仅要求学生实验前认真预习和准备实验，而且能够极大的锻炼学生的实验动手能力，并且激发学生的学习热情。实验将不再是仅仅制备或者是性质探究实验，而是通过系列化的综合实验过程，将制备、性质和应用能够很好地进行有机结合。另外，制备的高锰酸钾晶体不再是作为废弃物直接丢掉，而是可以有效的回收利用，因而也减少了污染和浪费。既突出了实验的综合操作意识，又能够节省资源和减少污染，充分展现了绿色化学的精髓和培养创新人才的核心意识。

2.3 多媒体网络教学

随着教育改革的不断深入，多媒体网络技术也逐渐渗入到教学中。由于多媒体技术传递的信息生动形象，直观易再现。因此，将其应用于化学实验教学中，解决了操作意义大且污染严重的经典化学实验所面临的绿色化问题。

教师可以制作模拟实验动画及实验演示录像等数字化实验教学资料，讲一些基础性实验和实验仪器的使用等教学内容，不仅能节省大量的教学时间，而且图文并茂的动画效果提高了学生的学习兴趣，获得很好的教学效果。同时，高校可购买仿真化学实验软件，利用计算机对实验原理、实验装置和实验过程进行仿真，学生只需在计算机屏幕上，便能得到身临其境的实验感受。例如无机化学实验中，p区非金属元素与主族金属和d s区金属的性质与鉴定实验，涉及试剂种类多，内容繁琐；又如重金属汞盐以及砷化物等均是毒性较大，对环境污染较严重且试剂回收后不易处理。像这类毒害大、污染后果严重的化学实验，可通过仿真实验来替代。这样既让学生学会了实验的方法,又使得毒性大、危险系数高、试剂昂贵的化学实验对环境的危害消失于无形，既体现了绿色化实验的精髓，又能够让学生通过仿真实验达到与真实实验相同的教学效果。又如，高校实验要开设微波合成、微波消解、微波提取、超声波提取、电化学反应等实验项目，由于这类实验所用仪器耗资较大，且在学生基础实验室中不易开展，利用网络教学不仅解决了上述问题，而且也能使学生学会实验方法，掌握实验原理。对学生实验技能的提高以及绿色化学的实施有着不可小觑的作用。

在化学实验教学中，多媒体网络教学是一种化学试剂和仪器装置“零投入”和废弃物“零排放”的特殊实验方式，也是新时期人才培养的新模式。

2.4 实验废弃物处理及利用

自煤焦油加工工业与石油化学工业得到人类有效开发以来，众多新型的工业有机化合物如塑料、合成橡胶、合成纤维、医药、农药等给人们带来了巨大的福祉，但与此相对应的是化学对环境造成的污染也日益加剧，如长期使用的六六六、D D T等农药在杀死害虫的同时也污染环境，并且通过食物链富集且不易分解，对人类产生了极大危害[10]。对于化学实验室产生的实验废弃物，从形态上划分，可分为气体污染物、液体污染物、固体污染物三类（表2）。这些废弃物不仅量大而且成分复杂，如不经处理直接排入下水道，将对环境造成极大危害。常用的处理方法有吸物理吸附法、沉降、填埋、密封等方法；化学氧化、中和、焚烧、电化学等化学方法；生物降解、生物膜分离等生物处理方法[2]。同时，实验废弃物也应分类回收，可在实验室内放置储存不同废液的废液缸，废物杯等，使学生养成环保节约的习惯。

表2 三类污染物的特点与一般治理措施

因此，应用绿色综合化学理念，尽量减少废弃物的排放量并对实验废弃物进行分类回收、绿色无害化处理，不仅是保护环境的重要举措，也是素质教育对学生提出的高标准要求。

3 绿色化学教育机制及人才培养

在我国建设中国特色社会主义事业过程中，培养、引进创新人才并充分发挥其作用，正日益成为人才工作、科技工作的首要目标，成为实施人才强国战略和科教兴国战略的关键环节[11]。当今世界人才竞争已不再是数量和结构的竞争，而是人才创新精神和创造能力的竞争。创新是社会发展和人类进步的不竭动力。而高校作为培养创新人才这一顶级机构，对人才的发展及培养理念具有决定性作用。为实现我国经济社会可持续发展战略，在大力发展经济的同时兼顾环境这一课题已日益突出。因此，树立科学人才观及其人才培养环境至关重要。

3.1 树立科学的人才观

国家副主席李源潮曾指出：人才是最活跃的先进生产力，是科学发展的第一资源，要树立人人皆可成才的社会理念，不拘一格选才、育才、用才，让每个人都有成才的机会，让每个有志成才的人都有发展的空间，让每个为国家和人民作出贡献的人都能得到社会尊重。树立科学的人才观，是适应经济全球化和国际人才竞争的客观需要，是全面建设小康社会、不断开创中国特色社会主义事业新局面的客观需要，更是促进人的全面发展的客观需要[11]要坚信人才资源是第一资源，人人都可以成才，以人为本的理念，培养指导学生。教育工作者要向学生不断普及科学前沿知识，培养学生良好的科学道德，大力支持大学生开展科研活动，全面提高科学素养和科研能力。

3.2 营造人才培养的教育环境

优质的高等教育和大学文化对学生以后从事专门的科研工作可以打下坚厚的基础。良好的校风、教风、学风在潜移默化中会对师生形成无形的力量。高校、师生这两个紧密联系的命运共同体，双方互利互惠，达到双赢。高校应坚持自己的办学特点，不断优化学风、教风、校风，为师生创造优良的生活学习环境。在化学实验中，学生是实验的主体，对学生进行思想教育是教育工作者义不容辞的责任与义务。教师在上课时，用自身言行去感染学生，并充分利用一切条件向学生传递正能量，提高学生的思想意识，以便形成良好的教育机制。对于绿色化学这一新兴的化学分支，与化学、与生活的联系却又是非常紧密的。向学生讲述传递绿色化学知识，对大学生科学研究活动的开展也有着至关重要的作用。创新作为人的一种潜能，是需要不断被发掘的，而扎实的科学知识储备是重要的前提条件。只有通过深入的学习，不断的实践，创新素养才能不断形成与完善。

高校通过教育对学生的专业知识进行不断积累，通过各类化学实验的大量开展提高学生的实验技能。在实验中要培养学生的绿色化学意识，环境保护意识，成为具有创新精神和实践能力的高级专门型人才，为我国“两个一百年”奋斗目标的早日完成和可持续发展战略的实施打下坚实基础。

4 结语

随着经济社会的快速发展，人们的生活条件有了很大改善，然而经济快速发展的负面影响使生态环境不断恶化，环境问题日益突出，对我国可持续发展战略的实施产生极为不利的影响。化学作为支撑国民经济发展发展重要学科之一，其在造福于人类的同时其废弃物的产生不可避免的会对环境造成一定的危害，如何“变废为宝”或者减少危害，实现环境和经济的和谐发展是当前化学工作者所面临的重要课题。因此，环境友好的发展理念，即“绿色化学”这一人才培养理念及其实施方案，对今后化学专业的毕业生能有效的完成从高校步入社会这一过渡，及时有效的投入化学化工行业或是其相关行业中，发展我国经济，实现社会经济和生态环境协调发展。与此同时，高校作为化学人才培养的顶级机构，特别是培养大学生化学实验技能、创新意识以及绿色化学理念，应从源头上对实验方案进行改革，实现“综合化学”和“绿色化学”相结合。既能节约资源、保护环境、又能提高学生的实验技能和创新意识，用“绿色”思想培养“绿色人才”，用综合化学实验培养学生创新意识提高实验技能，是当前高校培养大学生成长为科技型人才和应用型人才所面临的战略性难题。而实施绿色综合化学实验是解决这一难题的关键。让学生在良好的绿色意识的氛围中进行探索，培养其创新能力，绿色意识，从而构建生态文明社会，实现伟大复兴的中国梦。

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责任编辑：张隆辉

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1672-2094（2017）04-0107-06

2017-05-03

国家自然科学基金资助项目(11547122，61405170，21606188),河南省教育厅项目(14 B 150011,16 B 110012)，信阳师范学院大学生科研基金资助(N O.2016-D X S-22),信阳师范学院“南湖学者奖励计划”青年项目,国家级大学生创新创业训练(201510477017).

赵祥华（1982-）,男,安徽广德人，信阳师范学院讲师，博士。研究方向：有机电致发光材料及显示技术。