微型有机化学实验及教学实践.docx

微型有机化学实验及教学实践王桂良(兰州师范高等专科学校 化学系 , 甘肃 兰州 730070)摘要 : 介绍了微型有机化学实验 ,以及它在实验教学中的应用和实践 ,就微型有机化学实验所特有的教学意义和实践中存在的问题做了初步的探讨 。关键词 : 有机化学实验 ;微型 ;实验教学 ;科学素养中图分类号 :o621文献标识码 : a微型化学实验 ( microscale chemical experiment 或microscale laboratory) , 是近 20 年发展很快的一种化 学实验的新方法 、新技术 。它是在微型化的仪器装 置中进行的化学实验 ,其试剂用量比对应的常规实 验节约约 90 %以上 , 具有实验仪器微型化 、试剂用 量少 、实验获得的信息量大这三项基本内容特征 。 微型有机化学实验是 20 世纪 80 年代早期由美 国的化学家 mayo 和 pike 等人在有机化学研究中首 先开始的 。最初他们着眼于环境保护及实验室安全 的需要 ,为改善实验室的空气品质作了较为系统的 测试和研究 。由于有机化学实验中所用的药品大多 为易燃 、易挥发 、毒性大的物质 ,使有机实验室的空 气质量很差 ,对实验者健康极为不利 ,减少实验中药 品的用量是改善实验室空气的极好措施 。因此 ,从1982 年起 ,mayo 、pike 和 williamson 等人在基础有机 化学实验中尝试将主要试剂在 mmol 量级上进行微 型制备实验 ,并取得了成功 ,从而掀起了 20 世纪 80 年代微型化学实验研究与应用的浪潮 ,对微型有机 化学实验系统的研究也由此开始 。微型有机化学实 验是化学实验方法的变革 ,是一种安全 、环保的化学 实验方法 。它试剂用量少 ( 一般只相当于常规实验 的几十到几千分之一) ,不影响化学研究结果 ,以及在化学教育 、工业上应用的质量水平 ,它作为绿色化学的一项内容在 21 世纪将会推广普及 。 微型化学实验在我国的系统研究始于 20 世纪90 年代初 ,1989 年底 ,杭州师范学院赴美的周宁怀 教授回国 ,介绍了微型化学实验在美国化学教育中的应用及研究情况 。同年 ,微型化学实验的研究课题被列入高校化学教研中心的科研计划 ,并由华东 师大和杭州师院牵头成立了相应的课题研究协作 组 ,从而开始了国内微型化学实验的系统研究和应 用工作 。虽然 ,我国微型化实验的研究和应用起步 较国外晚 ,但发展很快 ,所涉及的学科领域广 ,很有 特色 。并取得了很大成就 ,在经济 、环保以及教育等 方面发挥出了巨大的效益 。近年来 ,我国微型化学 实验研究和应用的进展受到了国际瞩目 。相继在国 际纯粹与应用化学联合会 ( iupac) 的学术大会 、欧 亚化学大会 ( euasc2s - 5) 等学术活动中均有我国学 者有关微型化学实验的论文发表1 。而且 ,到目前 为止 ,国内约有 800 多所各类高等院校和各类中等 学校不同程度的开展了微型化学实验教学与研究 。 我们也对微型有机化学实验进行了一些教学实践 , 就实践中的一些体会与大家一起探讨 。微型有机化学实验的特点1收稿日期 : 2004 - 03 - 03作者简介 :王桂良 (1955 - ) ,女 ,甘肃兰州人 ,副教授.微型有机化学实验有着突出的特点和常规实验38 兰 州 石 化 职 业 技 术 学 院 学 报2004 年所无法比拟的优势 。1 . 1 试剂用量更省 、实验更易微型有机化学实验中试剂的用量只相当于常规 实验的几十到几千分之一2 ,这是微型有机化学实 验与常规实验相比最突出的优点 ,也是公认的微型 有机化学实验的主要特征 。试剂用量省一方面在经 济方面有着巨大意义 。另一方面在微型仪器中进行 化学实验 ,微型化的实验装置和实验操作 ,比起常规 的仪器 ,体积更小 ,使用更为方便 。而且实验中的某 些仪器可以在日常生活中很容易的找到替代品 ,从 而为实验减少了许多仪器上的不便 ,在实验操作上 , 没有了常规实验中复杂的仪器装配 、拆卸和洗涤 ,仅 通过一些简单的操作就可完成 ,因而节省了时间 ,使 化学实验变得更加容易 。1 . 2有利于学生实践能力与创新精神以及科学态 度与价值观的培养 化学实验是化学教学的基石和灵魂 ,是培养和发展学生创新能力的最佳捷径 。培养学生的创新精 神和实践能力 ,就是要培养学生的科学态度和创新 思维以及收集处理信息的能力 。在微型有机化学实 验教学中 ,学生在了解已有实验仪器特点的基础上 , 可以独立开动手脑 ,尝试因陋就简的利用身边的材 料器皿 ,制作一些微型器件 ,独立设计实验方案 ,加 以试验 ,观察并做出结论 。改变了以往实验中照方 抓药的模式 。试验信息容量大 、教学形式活 、知识内 容丰富 ,学生通过实践和感受 ,能有效提高其创新能 力 。另外 ,在做这些自己设计的实验时 ,面对许多问 题的解决 ,能增强学生面对困难的自信心 。微型化学实验教学过程中 ,学生必须更加认真 仔细地操作 ,才能得到正确的结果 ,这有利于培养学 生严谨的科学态度和良好的实验习惯 。加上有些实验仪器可通过一些废物利用来代替 (青霉素瓶 、注射器 、输液管等) ,从废物的利用 ,到实验本身消耗试剂 较少 ,产生的有害物质少 ,对学生环保意识的增强是 十分有利的 。装置场地要求也大 ,所用的药品试剂多数是有毒易燃易爆 ,且具有腐蚀性 ,仪器又大部分是玻璃制品 , 实验中若不小心 ,就易发生割伤 、烧伤 、中毒 、爆炸 、 火灾等事故 ,在实验过程中危险性也大 ,是潜在的危 险场地 ,给带实验课的教师和上课的学生造成很大 的心理负担 ,学生实验操作不敢放开去做 ,教师也不 敢放手让学生做 。同时 ,有机试剂挥发性大 ,造成的 污染问题也很严重 。这是有机化学实验教学中长期 存在的两个棘手问题 ,严重地影响了有机化学实验 教学效果 。而微型有机化学实验 ,使实验所排放的 废水 、废气 、废渣等污染物数量大为减少 ,尾气 、尾料 和废弃物的处理也更加容易 ,从而对环境的污染大 为减少 ,也使实验操作过程中的危险性降低 ,提高了 安全系数 ,有益于实验者的身心健康 ,学生能在更为 安全和舒畅的环境中进行实验 ,从根本上解决了实 验室危险性和污染这两个难题 ,保证了实验教学的 正常进行 。这是我们感受最深的一点 。微型化学操作技术是以尽可能少的试剂来获取 所需的化学信息的实验方法. 它不仅与常规实验等 效 ,而且还具有节约药品 ,减少仪器损耗 ,节省时间 , 提高实验安全程度等优点 ,其经济效益和环保效益 是显而易见的 。同时 ,试剂用量少使得反应时间缩 短 1/ 3 左右 ,一些实验现象更易观察 ,这意味着在同 样的学时和经费的条件下 ,学生可以做更多的实验 , 这对改变学生动手能力较差的现状是一条可行的途 径 。2从教学方式的角度出发 ,微型有机化学实验有利于实验教学方式的改变微型有机化学实验以其所具有的开放性 、自主 性 、创造性 、探究性及安全性的特点 ,成为开展探究 性实验教学的一种教学模式 。在实验教学中 ,引导 学生积极主动发现问题 、探索问题 、解决问题 ,从这 个过程中获取知识 、提高能力这是教师一直所追求 的 。但在常规的有机化学实验教学中 ,由于存在潜 在的危险性 ,使实验教师不敢放手让学生做实验 ,长 期以来有机化学实验教学中 ,大多数情况都是先由 教师讲 ,再由学生做 ,教师为了安全的需要 ,每次实 验都要花约半小时的时间 ,把实验中可能出现的情 况和问题尽可能多的讲出来 ,唯恐有在不到之处 ,会 出现问题和发生事故 ,这就使得学生动手做实验的 时间显得很紧张 ,也缺少独立思考的时空 ,只能被动 的接受知识 ,按照教师讲的方式照方抓药 ,难以收到 好的效果 。微型有机化学实验解决了实验室安全问2 .2 微型有机化学实验教学实践体会2 . 1从实验教学角度出发 ,微型有机化学实验解决了 有 机 化 学 实 验 教 学 中 最 棘 手 的 两 个 问 题安全和污染常规 的 有 机 化 学 制 备 实 验 , 试 剂 用 量 多 为 0 .5mol ,玻璃仪器多为 250 - 500ml ,试剂用量大 , 仪器39 王桂良 1 微型有机化学实验及教学实践题 ,教师可放手让学生自己讲实验 ,讲原理 、仪器装置 、实验的关键及应注意的问题 ,让学生在做实验的 过程中发现问题 ,提出问题 , 与教师一起讨论解决 问题 ,使学生由被动学习转为主动学习 。还可将一 些验证性实验改为探究性实验 ,把问题的解决设计 成一个探究性过程 。把科学工作者进行科学研究过 程加以模拟 、简化 ,使之变成学生具体的认识过程 , 在学习中 、实验中发现问题 ,用微型实验去分析解决 它 ,得出科学的结论 ,可使学生在解决问题的过程中 学到知识 ,提高能力 。在探究性实验的操作过程中 , 进行科学方法的学习与过程的体验 ,有利于培养学 生探究精神和创新意识 。利用微型有机化学实验进 行探究式教学 ,显示了它在培养学生科学素养 ,提高 学生综合素质方面的优势 。实验证明 ,微型有机化 学实验教学效果十分突出 , 它在知识技能 、过程方 法 、情感态度和价值观等方面都对学生有很好的教 育作用 。改变了传统化学实验在人们心目中的不良 印象 ,使学生们的实验积极性提高 , 乐于做化学实 验 ,提高了动手能力和实验技能 ,真正发挥学生在学 习中的主体作用 。在实验设计 、探究中 ,学生们形成 了敏锐的观察力 、培养学生勇于发现问题 、解决问题 的能力 ,为实验教学提供了一种新的以微型化学实 验为载体的探究式教学模式 。微型器件 ,使每一个器件能完成多项操作 ,以尽量减少实验中物料转移步骤 。因此 ,微型有机化学实验 不是常规实验的简单减量和微缩 ,而是要在微型化 的条件下 ,对化学实验进行重新设计 ,再表现 ,以达 到运用微 、少量试剂来获取尽可能多的化学信息目 标 ,因此 ,要实践微型有机化学实验教学 ,首先需要 相配套的实验仪器装置这个物质基础 。其次 ,微型 有机化学实验需要实验者根据具体实验内容精心设 计 ,加上实验中试剂用量少 ,操作要求高 ,对实验教 师的要求较高 ,对学生的实验操作要求也高 ,同时 , 我们认为 ,从培养学生的角度来说 ,微型化学实验有 许多优点 ,学生应掌握该实验技能 。当然 ,常规实验 技能也必须掌握 。因此 ,我们在有机实验教学中有 选择的进行微型实验教学 ,在没有现成配套实验仪 器的情况下 ,找代用品 ,自己设计并采用一种过渡方 法 - 小量 、半微量实验的方法3 ,来实现在现有实验 条件下的微型有机实验教学 ,收到了比较好的效果 。实践证明 ,微型有机化学实验教学效果显著 ,在 激发学生有机化学实验兴趣 、强化动手能力 、培养创 新思维 ,实施素质教育方面具有特殊的功效 。它可 使有机化学实验在有限的经费条件下 ,收到更好的 教学效果 ,是有机化学实验教学改革的一条有效途 径 。微型有机化学实验在教学实践中存在的问题及对策微型有机化学实验仪器装置 ,是开展微型有机 化学实验的物质基础 , 称 为 m. l 硬 件 。由 于 m. l 的试剂用量少 ,一般主原料试剂的用量在 5ml 以下 , 固体试剂在 0 . 5g 左右 ,仪器器壁的粘损和多步转 移等操作的机械损耗就成为影响微型制备产率的主 要因素 ,解决这方面问题的关键是要设计多功能的3参考文献 :周宁怀 ,王德琳 . 微型有机化学实验 m . 北京 : 科学出版社 ,1999.周宁怀 ,宋学梓. 微型化学实验 m . 浙江科学技术出 版社 ,1992.12白 林 , 陈明凯. 绿 色 化 学 实 验 j .(4) : (7 - 8) .化 学 教 育. 2002 ,3microscale organic chemistry experiment and teaching practicewan g gui - liang(department of chemistry , lanzhou