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简论农业高校分析化学课程教学绿色化的改革探索

作者:2017-01-07 15:38文章来源:未知
  绿色化学是指设计在技术上和经济上可行、没有或尽可能小的环境负作用的化学品和化学过程,又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学,它是实现人类可持续发展的有效手段,是当今国际化学科学研究的前沿。近年来,已成为国内外企业、政府和学术界的重要研究与开发方向。分析化学是农业高校化学类本科生和非化学类本科生(如生物工程、农学和植物保护专业等)重要的一门基础必修课程,是培养大学生综合素质和创新意识及实践能力的重要环节。但是在分析化学教学的整个过程中仍不可避免地引入一些对环境有害的物理、化学等污染(主要是分析化学实验过程),这和绿色化学的理念相违背,也不符合未来人与环境和谐的发展方向。随着国内外分析化学课程改革的迅速发展,传统分析化学的教学内容和教学方法已不能满足时代需求。绿色分析化学正逐渐成为绿色化学的核心学科之一,一些学者纷纷对分析化学教学的绿色化进行了改革,但教学内容和教学思想未充分体现绿色化学的内涵及绿色分析化学新知识;在教学方法、手段及考核方式上,未充分展示绿色化学的新内容。因此,农业高校分析化学课程教学绿色化的改革势在必行。
  1绿色教育的内涵
  21世纪的化学是绿色化学,它要求原料和产品无害,在化学过程中不产生污染或使污染降至最低程度。在使用化学品时要遵循“5R”原则:拒用危害品(Rejection);减量使用(Reduction);循环使用(Recycling);回收利用(Reuse);再生使用(Regeneration)。关于绿色教育的内涵及发展包括3方面:①环境意识教育;②人文教育;③全球视野教育。笔者针对农业高校分析化学课程的特点,对理论课教学、实验课教学和考核内容等方面进行了教学绿色化的改革,以满足“5R”原则并强化低碳经济下对可持续发展化学人才的培养。
  2教学理念和指导思想
  在分析化学教学过程中,渗透绿色化学的理念,贯穿融合绿色化学思想,使学生明确绿色化学的概念和内涵,培养学生的绿色化学意识,增强环保意识。传统的教学理念注重“三基”(基本知识、基本理论、基本技能)的“知识型教学”,突出方法、技术,但是缺乏宏观层面的知识内容,因此应从环境和安全、资源、学科3方面更新教学理念。
  3改革理论课教学内容和方法,增加绿色分析化学新知识
  3.1合理安排绪论教学内容学习兴趣可以培养学生的求知欲,激发强大的学习动力。绪论课安排3个学时。主要讲授分析化学课程的知识体系,更重要的是让学生了解学习这门课程的重要意义。①介绍仪器分析与社会生活的紧密联系,如:生活产品质量(鱼新鲜度、食品添加剂、农药残留量)分析、法庭化学(DNA技术、物证鉴定)、兴奋剂检测、环境污染分析等;②介绍社会或科技重大事件中分析化学的作用,如:人类基因组测序、“嫦娥一号”探月、2008北京奥运会、苏丹红事件、三聚氰胺奶粉事件、举世文明的“六大污染”、“八大公害”事件等,从而引出绿色化学的思想与原理等内容,使学生初步形成绿色化学意识;③引入分析化学发展史和绿色分析化学发展史,增强课堂教学趣味性,如:捷克化学家海洛夫斯基发明极谱法的故事,俄国植物学家茨维特发现色谱法的故事,其他仪器分析背景知识和故事等,并向学生推荐绿色化学参考书、绿色化学网站等。
  3.2利用现代教学方法和手段通过应用多媒体教学手段可使分析化学和绿色分析化学理论知识变抽象为具体,化枯燥为生动,变静态为动态;分解仪器内部结构,模拟操作过程,使复杂抽象的内容及实物变得形象生动;加深理解并促进学生的想象力,用最少的时间达到最佳的效果;在分析化学教学过程中适当穿插一些绿色化学内容,从而更好地将绿色化学理念根植于学生心中。
  3.3教材中体现绿色分析化学新知识近年来,人们逐渐发现化学分析全过程实际上是化学物质污染排放源。因此,人们致力于少用或不用有机溶剂和其他化学试剂,进行绿色分析化学技术的研究与开发。所谓绿色分析化学是在新的分析方法和技术方面充分应用绿色化学的原理。目前的研究主要集中在环境友好的样品前处理技术(如微波消解、微波萃取、固相萃取、固相微萃取、超临界流体萃取等)和绿色分析测试技术,如X射线荧光分析法(XRF)、近红外技术(NIR)、扫描电镜(SEM)-能谱分析技术、电子探针(EMPA)技术和质子荧光分析法(PIXE)、毛细管电泳、顶空气相色谱等。这些测试技术中有的不需要任何溶剂,几乎不使用和产生有害物质,有的需用样品量少,使用有机溶剂少,对环境污染很小。无污染或少污染的绿色分析化学技术将成为今后分析化学的发展方向,因此,可通过编写和出版体现绿色分析化学新知识的教材。
  4改革实验方法和内容,充分体现绿色化学理念
  4.1优选实验内容传统的分析化学实验课程内容以实验本身的性质分类,包括基本操作、验证性实验、设计性实验等,实验产物废弃多,回收利用少,造成资源浪费和环境污染。“绿色化”实验教学对教学大纲的实验内容安排进行适当调整,重组实验内容,将基础操作融合到设计性实验中,基本上选作绿色无害无毒的实验,减少环境污染。在实验项目的选择上,可根据大纲要求,尽量选择低毒、耗费低的实验。在实验内容的安排上,将基本操作实验尽量分解在每次滴定实验中进行。如酸碱溶液的配制及比较滴定实验,在实验过程中训练学生使用移液管和吸量管、容量瓶、滴定管等基本操作技能,而不必专门占用课时训练基本操作技能。可将剩余的酸碱收集起来用于后续实验“食用白醋中HAc浓度的测定和混合碱的测定”。这样,既节省了时间,又减少了相关实验所需的药品开销,同时还降低了环境污染。
  4.2推行微型化实验和模拟化学仿真实验微型实验(ML)不是常规实验简单地减量或缩微,而是在绿色化学理念的指引下,在微型化的条件下,化学实验的创新变革。ML的试剂用量较常规实验节约90%左右,可节省时间30%以上。微型实验具有现象明显、效果良好、节约实验材料和时间、减少污染、安全、便于携带等优点,是实行绿色化教育的重要手段。对此,笔者在实验原理、方法、操作与常量滴定分析相同的情况下,在滴定分析实验中将一直沿用的50ml滴定管、25ml移液管、250ml锥形瓶等玻璃器皿,更换为10ml移液管、100ml锥形瓶、10ml滴定管,进行小量化滴定分析。实验结果表明:测定结果的精密度和准确度能够满足常量分析的要求。同时,样品用量和标准溶液用量为常规用量的12.50%,其他试剂(如指示剂、缓冲剂及掩蔽剂等)用量仅为常规用量的25.00%,大大节省了实验时间,节约了试剂和经费,降低了仪器破损率以及有毒物质(如重铬酸钾)的排放和环境污染,也有利于培养学生细致严谨的科学态度,有助于学生树立环保意识。另外,采用现代教学手段,建立网上实验室,模拟化学仿真实验,保证了一些毒性大、无条件开设的实验教学过程的正常进行。
  4.3重视分析废弃物的回收利用分析实验室常见的有害废液,主要有废酸和废碱、锰离子、铬离子、氯化银、铋离子和铅离子等,要求学生收集每次实验的废液,并引导学生利用所学分析化学知识进行处理和回收利用。如:“胆矾中铜的测定”和“亚铁盐中铁的测定”2个实验过程中产生的废液含有铬。“亚铁盐中铁的测定”实验产生的废液中含有Cr3+、Fe3+、K+等阳离子,SO2-4、PO3-4等阴离子,少量Cr2O2-7,另外还含有二苯胺磺酸钠指示剂。这就要求教师引导学生正确处理废液,将其对环境的污染降至最低。通过对实验中产生的不同废液进行适当地处理与回收,既可消除它们对环境和人体造成的损害,又能节约资源和实验经费,还可以培养学生的环保意识、学业水平和动手能力,使分析实验室达到低碳环保的要求。
  5改革考核内容
  平时成绩中适当加入绿色分析化学新知识。如:课程结束时要求学生完成一篇关于比较绿色分析化学与传统分析化学的小论文,以加深学生对绿色化学的认识。期末考核内容中适当涉及一些绿色分析化学新知识,通常以选择题、是非题和论述题等题型考察学生的掌握情况,试题难度小但知识面广。通过对2届学生实行该考核方案,学生都能取得理想的成绩,教学效果明显提高。通过改革考核内容,一方面能督促学生学习绿色分析化学新知识新内容,了解分析化学学科前沿,循序渐进地弘扬绿色化学精神;另一方面,加强了学生科学素养的内涵建设,使学生受益终生。
  6效果分析
  通过以绿色化学为主线,对农业高校分析化学课程进行教学绿色化的改革和实践,取得了良好的教学效果。增强了环保意识,培养了学生的“绿色化学”理念;扩展了学生的知识面,提高了学生的学习兴趣与热情;全面提高了学生的实验技能、创新能力及学生综合素质,提高了教学质量。同时也促进和提升了教师知识结构与实验方法的变革,提高了教师的专业素质。
  7结语
  实践证明,将绿色化学内容穿插融合于分析化学教学中是完全可行的,学生的学习成绩有明显的提高。通过绿色化学教育在分析化学教学中的不断渗透,扩展了学生的知识面,提高了学生的学习兴趣,增强了学生的环保意识,使学生充分认识到科学技术进步与人类社会发展永恒的辨证关系。在分析化学实验教学中进行绿色化学教育,有利于学生综合素质的提高和实验技能的培养。同时,分析化学实验教学绿色化,促进和提升了教师知识结构与实验方法的变革,对提高教师专业素质具有积极的现实意义。高校教师要站在时代的前沿,不断实践、不断探索、不断创新,不断学习绿色分析化学新知识,更新绿色分析化学教学理念,充实教学内容,综合运用各种教学方法和教学手段,努力提高教学质量,以满足现代教学和低碳经济下对创新型及环保型人才培养的要求。
 

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