绿色化学选修课教学模式探讨

第23卷　第1期大学化学2008年2月

绿色化学选修课教学模式探讨

颜鲁婷　刘莲云　郑妍鹏　戴春爱

(北京交通大学理学院　北京100044)

摘要　对绿色化学选修课的教学模式进行了探讨,包括绿色化学选修课教学内容、教学方法

的设计及课程评价。

绿色化学又称环境友好化学,是指从预防污染的基本思想出发,在化学品生产的始端就采用预防的一门新的化学分支学科。R.T.Anastas和J.C.W aner曾提出绿色化学的12条原则:(1)防止废物的生成优于其生成后再处理;(2)设计合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地转变成产品;(3)设计合成方法时,原料、中间产物和最终产品均应对人体健康和环境无毒、无害;(4)要设计高效、无毒的化工产品;(5)要选用无毒无害的溶剂、助剂;(6)应设法降低能耗,最好采用在常温常压下的合成方法;(7)采用可再生资源代替消耗性资源;

(8)尽量不用不必要的衍生物,如限制性基团、保护/去保护作用、临时调变物理/化学工艺;

(9)合成方法中采用高选择性的催化剂;(10)化工产品要设计成在其使用功能终结后,能分解成可降解的无害产物;(11)对危险物质在生成前实行在线监测和控制;(12)化学生产过程中物质的选择要使化学意外事故的危险性降低到最小程度[1]。绿色化学的核心是要利用化学原理和新化工技术,以原子经济性为基本原则,从源头上消除污染。

培养大学生(特别是化学及相关专业的大学生)具有绿色化学思想,并掌握绿色化学理论、方法、技术是高等学校义不容辞的责任[2～4]。目前,开展绿色化学教学的高校日益增多,其中四川大学胡常伟教授把绿色化学课程建设成了省级精品课。绿色化学课程的内容应既有原理,又有工艺和技术。一般可采用集中式教学和渗透式教学两种模式[5]。所谓集中式教学是把绿色化学作为一门独立的课程开设,可以是选修课,也可以是必修课。对化学化工专业的学生,可开设成必修课,教学内容具有一定的深度,应能反映当前绿色化学工艺和技术的最新发展水平。对于与化学化工联系较密切的专业,可以开设绿色化学选修课,主要介绍绿色化学的基本概念,灌输绿色化学思想,培养绿色化学意识。渗透式教学是把绿色化学的基本思想、原理、工艺等知识分散并渗透到相关课程中,是现有课程的绿色化。比如在无机化学、有机化学课程中,都可以添加有关绿色化学的内容。比较两种教学模式,集中式教学较易实施,是现在广泛采取的形式。而渗透式教学更容易让学生接受,具有一定的发展潜力。

开设选修课的目的是提高学生的综合素质,同时也可以充分发挥综合性大学的优势,使学生能够得到全面的教育[6]。尽可能使选修课形象、生动,让学生积极主动地参与课程,是选修课任课教师必须思考的问题,也是发挥选修课作用必须探讨的问题。作者从2004年开始在北京交通大学开设绿色化学选修课,已经积累了一些教学经验,下面结合这些经验,探讨绿色化

学选修课的教学模式。

1　教学内容设计

我校的绿色化学课程是面向非化学专业学生开出,通过本课程,学生将系统学习绿色化学的基本概念、基本原理和发展规律。教学内容涉及天然资源、绿色石油化工、绿色材料、绿色涂料、绿色有机合成、绿色农药和环境治理等方面。通过课堂讲授、课堂讨论、演算习题、课程小论文等教学环节达到教学目的。在教学内容设计上,着重强调以下三点。

(1)引入科研成果,适时向学生介绍绿色化学发展的最新研究动态。

为了培养学生的创新意识,在教学中,要从科研工作中选择一些相关的内容引入教学,进行探索式教学;在教学中设计一些讨论过程,和学生共同讨论教学内容。并对教材中的某些结论、规律加以拓展。

比如美国的总统绿色化学挑战奖,代表了美国在绿色化学领域取得的最高水平和最新成果[7]。在绿色化学课程第一讲中,我们在讲述绿色化学在各国的发展时介绍了这一奖项,包括它的历史、发展过程及目的。在接下来的第二讲中,介绍了2001年总统绿色化学挑战奖的获得者李朝军教授及他在水相有机反应中所作的贡献。在绿色农药的讲课中,介绍美国Dow2 Science公司与佛罗里达大学昆虫学教授苏南尧合作发明的含氟杀白蚁药荣获了2000年美国总统绿色化学奖。在绿色材料一讲中,介绍了2005年总统绿色化学挑战奖的小企业奖: Metabolix公司成功开发了以可降解材料(如植物淀粉)为原料,采用发酵工艺路线生产生物塑料聚羟基脂肪酸酯。

在绿色材料一讲中的绿色陶瓷材料部分,介绍了2004年国家技术发明奖一等奖“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”及获奖人西北工业大学张立同院士,大大激发了学生投身科研的精神。在讲到绿色催化剂时,介绍了大连理工大学蔡天锡教授利用杂多酸催化法由四氢呋喃开环聚合制备四氢呋喃均聚醚二醇的绿色工艺,中国科学院大连化学物理研究所奚祖威研究员以磷钨杂多酸盐为催化剂的丙烯环氧化绿色工艺,以及湖南大学郭灿城教授研制的金属卟啉催化空气选择性氧化碳氢化合物绿色仿生催化工艺。纳米二氧化钛光催化剂是最近广受关注的研究方向,我们在课程中用了较大篇幅向学生介绍二氧化钛光催化原理、光催化应用及光催化的最新研究进展,引起了学生极大的兴趣,有些学生在期末的课程论文中对此研究领域进行了较为深入的探讨。

(2)通过试题形式强化学生对绿色化学的认识。

试题形式简单明了,有意识地选择能体现绿色化学教育的试题,可以让学生在解题过程中自然地感受到绿色教育。原子经济性是绿色化学的一个重要内容,可以在试题中,通过计算原子利用率,让学生进一步理解原子经济性的含义。以环氧乙烷的两种制备方法为例:

第一种方法为二步反应,乙烯与次氯酸作用生成氯乙醇,氯乙醇与碱反应制得环氧乙烷。 CH CH

2

+HOCl HOCH2CH2C l

HOCH

2CH2C l+

1

2

Ca(OH)2C2H4O+

1

2

CaCl2+H2O

第二种方法是采用银催化剂,乙烯直接氧化成环氧乙烷。

CH CH

2+

1

2

O2

银催化剂

C2H4O