在高中有机化学中引入绿色化学理念——以电化学有机合成为例.pdf

New Generation 64 2022 年 24 期 总第 653 期 新一代 New Generation 学科教育 G 在高中有机化学中引入绿色化学理念 以电化学有机合成为例 王青霞 尹一凡 陈虎（合肥师范学院 化学与化学工程学院 安徽 合肥 230601）摘 要:“绿色化学”理念当今社会深入人心,为巩固学生的“绿色化学”理念,本文结合有机化学合成及电化学基础相关内容在高中化学中展开一系列教学研究。有机合成是现代化工中重要组成部分,但在高中化学中,只浅显提出了有机物的各种性质及简单合成和电化学合成相关概念,未充分体现“绿色化学”理念。本文旨在帮助学生发展“绿色化学”思维，将其融入有机合成与电化学反应概念,对学生进行绿色化学教育。关键词:高中化学；绿色化学；电化学有机合成；化学教学 引言“十四五”规划发出指示，要推动绿色发展，不断改善环境质量以促进人与自然的和谐共生 1。从源头防治污染是最便捷、最直接的方法，因此教育高中学生使其具有绿色化学理念，形成绿色化学思维至关重要。自核心素养提出以来,对核心素养的研究与实际实施已经成为了一场席卷全球的教育风暴,核心素养对国内外教育界的影响日益增加。在化学课堂教学中培养学生的学科核心素养,将其融入真实的教学实践活动中,切实促进学生全面发展,成为目前化学教学的重中之重2。而普通高中课程标准（2020 修订版）也明确指出，“科学探索与创新意识”与“科学态度与社会责任”这两大核心素质，因为教材实验的规范和刻板，难以对素养的实现进行全面的探测3。于是基于实现核心素养评估这一任务，要求一线教师要准确解读以知识为载体的学科核心素养,切实通过实验对学生进行具有针对性的素养教育。绿色化学(Green Chemistry)从人类对自然的尊重问题、人与自然的和谐关系出发，采用无毒无害原料、溶剂、催化剂等多种化学方法改进发展途径，以探讨可持续发展战略问题。高中生作为国家的栋梁,提前对于国家政策和战略方针有所了解,对相关科学创新领域有所涉及,对学生的自身发展和社会发展都有所助益。在教育教学过程中，通过新技术以及微型实验的应用，通过引入电化学有机合成方法，都可驱动学生发展“绿色化学”思维，通过本文给予一线教师以教学参考，帮助一线教师更好的设计实验。一、实验教学镶嵌绿色化学理念 教学中我们常常会发现，许多学生喜欢化学实验，却不喜欢化学课。对于化学实验兴趣满满，但课堂上兴趣寡淡，难有高光表现。如果深入了解一下，会得到几乎一致的答案：化学课上，老师讲的内容，都是教科书上写得明明白白的，识字的人都能看得懂，普通的老师不过把文字变成语言，高明的老师也不过是深加工或精加工而已，没什么惊喜可言。吸引人的课堂一定是丰富多彩，趣味横生的课堂，课本之外丰富的补充就至关重要了。教材里的化学理论往往点到为止，而学生们对于化学知识点背后的故事以及实验更感兴趣。县级高中的孩子接触面相比城里的孩子还有欠缺，主动学习化学理论知识的意识淡薄，这就需要老师利用课堂教学活动，通过补充有趣的较为绿色的化学实验，有意识地引导他们在课后去主动搜索相关视频或材料进行阅读。因此，化学理论课就要以化学实验为基础，从而形成良性循环，课堂上兴趣浓厚，热情满满，势必带动课下主动阅读教材，积极探索，而课下的积极主动，又能激发他们参与课堂的意愿，并获得在课堂活动中展示自我的成就感。但每年从中国各地中学中所发生的实验室污染，却是中国环境污染的一个重要来源。有机实验室产生的污染是化学实验室污染的主要内容，并且主要是接受高等教育的学生进行有机实验操作，他们在离开学校走上社会后都会在各自的工作岗位上扮演重要的角色，在工作中的每一项决定都深深影响着社会发展的走向。因此，我们必须自觉地培养学生的“绿色化学”理念，让他们既要汲取专业知识，又从根源上建立绿色化学思维。因此，学生对与实验有关的内容进行认真的预习，能够加深对这些实验内容的认识，对有关的保护措施能够有所了解，在保证实验药物对环境、实验人员的人身安全无影响的情况下，对实验产品性质进行了进一步的界定，建立“三废”的正确处理思路。在整个试验中依据 5R 的原则，利用绿色化学方法来培养学生在新的政策形势下进行有机化学试验的能力，以促进整个试验内容“绿色化”，最后促成从常规的有机化学试验到绿色有机化学试验的转型。二、现代有机化学实验优化例举（一）现行实验内容中存在的问题 通读对各个版有机化学教材中有关实验的内容的研读发现，传统有机化学教材将试验内容主要分为以下三个方面，实验基本操作、制取有机物、有机物性质检验，并对实验内容进行了详细的讲解。一般情况下，每个学校都会在选取有机化学实验时，考虑到这三个方面以促进学生多种知识能力发展。由于传统的有机化学试验中大量的化学试剂使用了有毒有害、对环境与人体健康有影响的化学试剂，并且有机实验基本上都是隔离的，互相不联系的，导致了大量的药物重复浪费，碎片化的实验及理论知识使得学生对于有机合成难以对知识融汇贯通形成整体概念，也不符合绿色化学观念。（二）针对问题所作的改进 古语说：“施之于鱼”不如“授之于鱼”。教师教会学生化学理论与化学实验操作相结合，有利于提高学生的学习效率，还有利于帮助学生养成良好的学习习惯。有的理论与实验要多看多做，有的只要略读，教师在课堂教学中，可以引导学生进行详略结合的方法，从而提高学生的学习效率。在化学的课外实验中，因为学生会受到仪器与药品的获取限制，往往只能进行碎片化学习。但是对于一些内容比较简单，实验目的在于拓展教材中知识读物，学生可以进行实验操作练习。1.使用绿色试剂 由于传统的有机化学试验课本采用了大量的有毒有害化学试剂，因此，在学生能学到需要的知识和技术的基础上对有毒 New Generation 65 2022 年 24 期 总第 653 期 新一代 New Generation 学科教育 G 有害试剂进行替换，再进行实验。必须认识到在对环境、人体伤害的试验中，尽可能地利用无毒无害试剂取代有毒试剂。例如:在做苯萃取液溴实验时,用乙酸乙酯代替苯作为溶剂使液溴溶解在其中,不仅可以减少苯对学生身体健康的伤害,并且乙酸乙酯经济划算,降低了实验成本。从天然植物中提取植物油的试验，可将甲苯等有机物质替换为玫瑰花等天然植物，以完成实验基本运作，同时又能制取天然精油，防止环境的污染。此方法相对于传统教师授课、学生被动实验，学生动手能力、思考、质疑等能力均可获得改善。2.收集实验产物作为下一次实验试剂 加强对综合性实验的改进，降低重复浪费药物的出现。在选择实验及编排实验顺序时，可以根据实验的内容将实验连续化、综合化，以达到预先试验的结果，以节省试验药物，降低实验中的“三废”。具体操作大致为将某一实验中反应生成的产物保存好，用于后续实验。例如在制作“环己烯”的基础上，可以进行后续许多实验操作，帮助学生巩固分馏、蒸馏、萃取、干燥、沸点的测定等实验操作要领。并且后续的“烯烃性质检验”检验可以用此次实验的烯烃类产物。在进行“钠与水反应”实验中，可在切小钠块时称量其重量，再依据物质的量的计算，算出需要多少的水能制取 1mol/L 的氢氧化钠溶液，生成的氢氧化钠溶液可为后续的铁离子的性质检验提供反应试剂。3.推行微型实验 微型实验即将实验试剂用量减小却能看到反应现象的实验，将高中化学实验中部分实验改为微型实验有助于减少污染。如在探究究竟是氯气还是氯气与水反应产物具有强氧化性的实验中，课本教材指出在装有干燥氯气的集气瓶中将干燥的、湿润的有色纸条分别放入，作为有毒气体的氯气在放置纸条的过程中会有一部分氯气溢出到空气中，危害环境，危害人体。再如，在实验室制备氯气的反应中，教材中的实验在操作过程中需要用到大量的实验药物，同时不能很好地分组实验，整个装置缺少尾气处理装置，不能进行尾气处理，这样产生的氯气量很大，既污染了环境，又危害了教师和学生的身体健康，在实验过程中需要用到大量的实验药物，同时又不能很好地进行分组实验。针对上述实验,可以采用注射器这类微型实验装置来完成实验,将浓盐酸用针管注入盛有二氧化锰固体颗粒的微型反应装置中，让反应产生的气体通过饱和氯化钠水溶液除去氯化氢气体之后，通入黏有干燥的、湿润的紫色石蕊试纸，干燥的、湿润的有色纸条及干燥的、湿润的淀粉碘化钾试纸管路之中，最后将尾气用防倒吸的玻璃管通入氢氧化钠溶液中收集。这些装置还具备将氯气的制备和氯气性质探究关联在一起的优点,避免了氯气外泄同时还实现了实验装置一体化，优化了整体实验流程。在进行双液原电池的实验时，整个装置中的溶液分别用两个烧杯分装，中间用长导管灌满含有氯化钾溶液的琼脂，两种盐溶液及琼脂用量较大。可改进为微型实验，将 U 形管作为反应容器，向 U 形管底部灌入含有氯化钾溶液的琼脂使其堵住 U 形管中端，再分别在 U 形管左右两个口中分别注入对应电极所匹配的盐溶液，并放上对应的电极，以形成原电池闭合回路。在进行氨气的喷泉实验时，可用微型实验对其进行优化，用塑料滴管充满氨气，再用止水夹夹住滴管中端，放入盛有酚酞溶液的小烧杯中，用针管向滴管中打入少量水，再打开止水夹，氨气迅速溶于水使气压降低，酚酞水溶液被压入滴管中形成粉色喷泉，就可以完成氨气的微型喷泉实验了。这些方法都可以降低试验药物的浪费，降低“三废”的发生，实现经济发展和环境优化双赢。4.立网上阅读档案袋，有效进行实验评价 建立网上阅读成长记录档案袋，对同学们的绿色化学实验改进进行有效评价，保留成电子版留存。在化学教学中要想培养学生的学习习惯，不是一两天就可以完成的，而是一个漫长的过程，如果教师不及时的对学生进行督促评价，很容易就会自我放弃。教师为了激发学生有一个长久的学习兴趣，调动学生阅读的积极性和主动性，提高学生的学习质量，教师就可以在班级中定期进行或者不定期进行检查、评比。其中主要的形式有实验改进展示会、化学故事会或者是展览班级中优秀的化学理论与实验笔记、评比表彰班级中在课外化学进行绿色实验的积极分子等等。留存下来的档案对于以后的教学也会有很大的帮助。（三）新技术绿色化反应产物 随着有机化学实验的发展，科学技术的发展成果也越来越多，在实验教学中引入新科学技术成果的案例比比皆是，如微波实验、计算机辅助实验等6。近年来，微波、电解池、超声波等可作为实验仪器，绿色溶剂(水、甲醇、乙醇)、生物催化剂(酶、微生物)等新技术也得到了广泛的应用，并逐步在有机合成试验中占据重要合成方法的地位，例如加快反应速度，提高产率，减少能源消耗，减少对环境污染等。新技术的应用，既可以让学生与新技术接触，又可以在实验中简化有机合成步骤、降低试剂使用量。上述对实验的优化方式不仅符合绿色化学的理念,同时还培养了学生的学科核心素养以及绿色环保意识。通过许许多多电化学家和有机化学家的努力，有机电化学已成为一门独立的学科，且应用于有机合成已有 100 多年的历史。尤其是 1960 年代大规模的己二腈和四乙基铅电化学合成技术，给有机化学带来了一场革命4。学生在学习高中化学必修二时已具备较深的理论功底，如闭合电路、电极反应、放电顺序等微观电化学相关知识，但传统电化学知识仅介绍了无机物间的反应,所以把电化学合成的概念作为教学延伸渗透进高中化学选修四有机合成有助于增强学生对电化学合成的理解，明确利用电化学方法也可以合成有机物。其相关知识涉及简单的光催化取代反应,例如甲烷的取代反应中使用光照催化,目前我们可以也可以使用电催化取代反应,电催化和光催化都非常绿色。并且电化学作为一种新兴合成技术,用于有机物的合成有极大的优势,首先它的反应条件不需要过于严苛,常温常压的反应条件就可以满足。其次其反应速率可以设定由电压和电流控制，电流可取代许多昂贵的催化剂促使反应发生,甚至与常规反应相比会缩短某些反应步骤,便于实验操作。最后，有机合成中使用电化学方法,可培养学生的现代绿色化学理念以及化学学科核心素养中的科学精神与社会责任要求。作为绿色化学的一个重要研究方向，绿色化应用绿色溶剂或无溶剂进行反应，不仅在保证人体的健康和减少环境污染上有着很大的优越性，而且在试验和生产成本降低上也具有值得肯定的推动作用。总结与展望 总体而言，绿色化学作为化学科学为促进人与自然和谐共生生成的高度发展的产物，较充分践行了我国的可持续发展战略，帮助新世纪的一代认识绿色化学，接受绿色化学，发展绿色化学也是我们义不容辞的任务。在今后的实验发展中，希望微型实验及电化学有机合成等技术能更广泛的应用到教学实验改进中，以增强学生绿色化实验意识，减少环境污染。（下转第 68 页）New Generation 68 2022 年 24 期 总第 653 期 新一代 New Generation 学科教育 G 调的是自己学习，不是依赖于教师，而是通过学习和实践来解决实际问题。在中学物理课上加入一些实验，可以极大地激发学生的学习积极性，促进素质教育的成效，许多研究表明，学习的兴趣是提高学习效率的主要因素，兴趣是最好的教师。但是当前中学物理教学中仍有“理论与实践”相脱离的情况。一些教育注重理论，忽视了学生的实际动手能力，造成了他们的实际动手能力较差。因此，在教学过程中，应注重培养学生的综合实践能力，增强其核心素养，使其早日进入全面的素质教育。（八）优化学习方式，实现知识迁移 物理学习同样需要构建知识网络，明确新旧知识关系，有助于构建物理体系。但是目前物理的教学和学生的学习方式还比较流于形式，如学生对知识缺乏一定的兴趣，容易学了新的忘了旧的，不利于对问题的深刻理解，更难建立有效的知识体系。在 STEM 教学理念下，教师应该采用更灵活的教学方式，通过层次性，促进性，有关联性的学习过程，培养知识深层次的内化。物理学习的过程可以分为三个阶段，输入阶段，内化阶段，输出阶段。其中，重要的内化阶段的关键在如何把新知识和原有知识有效练习起来，实现知识的迁移。科学的知识迁移，能够帮助教师发现学生在运用知识时出现的问题，通过对学生的思考、动手能力的测试，有效地提升教学效果。在物理教学中教师要充分挖掘新旧知识的联系，使前面的知识为后面在做铺垫，后面的知识又加强了原有知识的熟练度，实现学习能力的提升。除此之外，学习不是一节课讲了多少知识，而是要让学生成为主体,老师居身配角,注重学生的主体地位,最终达到树立人才的目的。教师优化学习方式，进行知识迁移,从而提高课堂教学时学生参与教学的积极性,让学生体会到物理学的美感与价值，使他们对物理学的学习产生真正的兴趣。结束语 在中学物理教学中应用 STEM 教学是一种行之有效的方法。当然，我们并不是完全否认传统的教学方式，而是希望通过 STEM 来充实我们的物理教室。从生产、生活、科技、环保等多个角度进行物理知识的讲解，使学生对物理的认识更加深刻，并能将其应用到生产、生活、科技、环保等领域，以输入为输出，从而达到更好的教学效果。参考文献：1郭峰.浅析信息技术在初中物理教学中的渗透C/.对接 京 津 区 域 辐 射 基 础 教 育 论 文集.,2022:227-231.DOI:10.26914/kihy.2022.022782.2韩波.浅谈在“减负增效”环境下初中物理作业的优化J.新课程,2022(30):208-209.3江燕.基于 STEM 教育理念探究初中物理课堂教学策略J.教师,2022(20):84-86.4张雅慧.STEM 教育理念下的初中物理教学实践研究D.扬州大学,2022.DOI:10.27441/ki.gyzdu.2022.002432.5成婕.基于 STEM 教育的初中物理综合实践活动分析J.新智慧,2022(14):15-16.（上接第 63 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