微型化实验在高校化学基础实验教学中的实践与思考

王国祥 , 武 鹄

(湖南理工学院 化学化工学院, 湖南 岳阳 414006)

微型化实验在高校化学基础实验教学中的实践与思考

王国祥 , 武 鹄

(湖南理工学院 化学化工学院, 湖南 岳阳 414006)

由于微型化实验具有较好的教学效果及显著的经济与社会效益, 成为当前化学实验教学改革的方向之一. 本文通过化学实验微型化的教学改革和实践, 对常规化实验和微型化实验效果进行了评价, 总结了化学实验微型化的优势和存在的问题.

微型化实验; 实验教学改革; 化学基础实验教学

Abstract:Miniature chemical experiment has turned into one of teaching reform in chemistry experiments because of good effect of teaching and remarkable economic and social results. This paper evaluates teaching effects of general chemical experiment and miniature chemical experiment through teaching reform and practice chemical experiment microminiaturized, and summarized the superiority of miniature chemical experiment and open questions.

Key words:miniature experiment; experiment teaching reform; basic chemistry experiment teaching

随着社会的发展, 化学实验教学出现了较大的变化. 化学实验教学形式逐步向生活化、绿色化、微型化、人性化转变. 由于化学实验中使用的药品大都来自于不可再生资源, 因此实验过程的绿色化和微型化,不但可以减少化学实验对环境的污染, 对于培养学生的“绿色化学”思想也有极大的作用. 微型实验是上个世纪80年代在美国出现的, 它是在绿色化学思想指导下, 用预防化学污染的新观念, 对常规实验进行改革而发展起来的化学实验的新方法和新技术. 沈家骢院士指出: “化学实验的微型化是实验教学的新发展. 强化实验训练, 节约试剂, 减少污染, 一举多得, 值得推广”. 教育部和国家环保总局于2005年下发的《关于加强高等学校实验室排污管理的通知》(教技[ 2005 ] 3号), 标志着我国对高等学校实验室污染问题的重视上升到了新的高度. 微型化学实验体现了化学科学发展的趋势, 更符合可持续发展战略和科学发展观的要求, 因此受到国内外化学界的青睐.

1 化学实验改革的必要性

微型实验的宗旨是以尽量少的化学原料和试剂获得尽可能多的化学信息, 这是现代科学研究的重要方法之一. 湖南理工学院化学基础实验室于2006年成为湖南省基础课示范实验室建设单位, 2009年通过湖南省教育厅验收. 随着化学实验教学改革的进一步深入, 实验的微型化也提到了议事日程, 这是因为不仅要在实验教学体系上进行改革, 也要在实验项目的操作上及内容上进行改革. 常规实验存在着化学试剂用量偏大, 环境污染严重的问题. 对于普通高校来说, 随着招生规模的扩大, 实验耗材的消耗量也日趋增大, 学院实验教学经费的投入压力也越来越大, 化学实验造成的环境污染日趋严重, 因此, 引入微型化实验是大势所趋. 采用微型化学实验来代替常规实验, 既可节约实验成本, 又可相对降低实验室污染物的排放.

2 化学实验的微型化改革

微型化实验是化学实验方法的一项重要的发展与变革, 近20年来在国内外进展尤快. 微型化学实验方法于上世纪九十年代引入我国, 经过十几年来的开发与推广, 我国在微型化实验教学方面积累了许多宝贵的经验. 例如: 杨廷贤[1]乙酰水杨酸合成做了微型化设计, 水杨酸的用量为0.10g, 无水碳酸钠的用量为5mg, 乙酸酐用量为90μl, 得粗产品约0.11g. 从实验结果来看, 实验所消耗的药品数量大大减少, 水杨酸的用量仅为常规实验药品用量的3%, 且整个实验时间大为缩短, 实验准确度与旧方法无明显差异, 收率符合要求. 霍文[2]对过二硫酸铵与碘化钾反应速率测定进行微型化研究, 实验结果表明, 实验中溶剂的消耗量为常规实验的10%, 而且实验结果可靠, 既节约了资源, 又减少了污染物的排放. 徐军[3]对分光光度法测铁实验进行了微型化改进, 微型化后用量减少到, 得到的结果重复性好, 改进的微型邻菲罗啉实验与原来实验相比实验结果无明显差异, 而且操作条件简单、易于记忆、环境污染少、节省开支, 结果完全可以满足实验中对铁含量精确度的要求. 经初步估算, 以1000个学生为例, 一学期该实验药品原来需消耗人民币800元左右, 经过改造后只消耗人民币160元左右. 王如阳[4]对乙酸乙酯的合成进行了微型化实验改造, 他采用FeCl3·6H2O做催化剂微型化合成乙酸乙醋, 效果明显, 回流时间为1h, 产量可达1.1～1.5g , 实验时间约3.5～ 4h. 而且FeCl3·6H2O价廉、用量省、可多次重复使用, 稳定易保存, 既节约实验费用, 又减少对环境的污染. 该实验方法对加强学生环保意识, 建立绿色化学理念, 能起到实际的教育作用, 是一种值得大力推广的实验方法. 解庆范[5]对分析化学实验中的“食用白醋中HAc浓度的测定”及“有机酸摩尔质量的测定”进行了微型化设计及可行性研究. 微型滴定与常量滴定相比, 试剂用量为常量法的, 不仅节约大量化学试剂, 有效降低实验成本, 而且有利于培养学生的基本实验技能; 同时节省了时间, 提高了实验效率. 实验结果还表明, 微型实验的精密度与准确度符合分析实验要求, 适合学生实验, 且此方法可推广到其他定量分析实验中.

通过对常规实验与微型实验的对比, 我们可以看出微型实验的诸多优点: (1)较大程度地节约了化学试剂和溶剂用量, 一般仅为常规实验用量的～. 由于试剂量小, 学生在实验过程中必须认真操作, 才能减少各反应步骤的药品损失, 有利于培养学生严谨的工作作风, 还可以激发学生对化学的兴趣、强化动手能力的训练, 培养创新思维; (2)由于有机溶剂以及化学试剂的消耗量明显地减少, 从而改善了实验环境, 又保障了操作安全; (3)大大节约了实验时间. 由于实验的时间缩短了, 学生有更多的时间思考问题, 有利于学生理解实验原理, 掌握实验方法. 而从培养计划上来看, 可以节约一定的课时, 用于增加专业课程的时数; (4)由于试剂用量少, 配套仪器小, 使过去因试剂用量大、原料贵、条件苛刻、溶剂处理不安全等多种因素而不能开设的近代新反应、新方法, 现在均可由学生在课堂顺利完成, 促进了教学内容更新.

3 目前存在的问题及解决办法

微型化学实验虽然有很多优点, 但目前仍然难以大面积推广. 这是因为: (1)缺乏相关配套教材. 现有教材与学校目前所开实验项目不配套, 有一些试验项目需要学校组织相关人员进行研究, 这样势必实验成本相对较高; (2) 微型化实验在实验中跑、冒、滴、漏比例相对较大, 需要学生在操作过程中有相当高的操作水平, 否则实验误差会相对较大. (3)每一个微型化实验对实验指导教师的要求比较高, 需要学校进行专门培训.

针对目前微型化实验存在的问题, 我们认为应从以下几方面进行改进: (1) 提高认识, 要认识到微型化实验是今后实验教学改革的发展方向, 对微型化实验在人才培养、经济、社会效益方面有一个全面认识; (2) 在实验教学中, 培养学生认真、科学、一丝不苟的实验态度; (3)对于学校来说, 加大对相关教学人员的培训.

[1] 杨廷贤, 黎厚斌, 蒋素芳, 等. 乙酰水杨酸合成的微型化设计与实践[J]. 内蒙古民族大学学报(自然科学版), 2003,18(5): 405～406

[2] 霍 文, 段漓童, 刘正猛. 过二硫酸铵与碘化钾反应速率测定的微型化实验[J]. 华北煤炭医学院学报, 2007, 9(5): 649～650

[3] 徐 军, 王春燕, 刘瑞斌. 分光光度法测铁实验的微型化改进[J]. 实验室科学, 2007, (2): 58～59

[4] 王如阳, 王 泓, 刘晓芳, 等. 微型化合成乙酸乙酯的实验方法改进[J]. 实验科学与技术, 2004(3): 64～65

[5] 解庆范, 黄汉杰, 郑志福, 等. 酸碱滴定分析微型实验研究[J]. 内蒙古民族大学学报(自然科学版), 2004, 19(1): 44～46

Consideration and Practice of Miniature Experiment in Basic Chemistry Experiment Teaching

WANG Guo-Xiang, WU Hu
(Faculty of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Science and Technology; Yueyang 414006, China)

G642.423

A

1672-5298(2010)03-0092-03

2009-12-18

湖南省普通高等学校基础课示范实验室建设单位(湘教通[2006]149号); 湖南理工学院教研教改自主课题(2009B02)

王国祥(1968- ), 男, 江苏杨州人, 湖南理工学院化学化工学院副教授. 主要研究方向: 高分子材料合成