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趙廣宇,成都石室中學教學處副主任,四川省中學生物特級老師,四川省學術和技術帶頭人,四川師范大學碩士生導師,西華師范大學碩士生導師。
實驗題型是各地高考中的必考題型,它考查了學生的實驗設計能力、實驗操作能力、科學探究能力,還考查了學生的邏輯思維能力、理解能力、分析綜合能力、知識的應用能力和表達能力,這體現出高考對學生實驗能力和探究能力的要求,是對學生綜合能力的考查。同時,生物學科作為一門實驗學科,其研究思想、研究方法、研究原則也往往體現在實驗研究之中,對生物實驗的考查也就包含對生物學研究、生物學實驗的思想、方法、原則的考查。
一、實驗考題的類型
實驗類的題型比較多,從不同的角度可以分成不同的類型。下面著重從考查內容和要素分析考查操作技能類和探究能力類的試題特點。
1.操作技能類
操作技能類試題主要是考查教材實驗的實驗原理、操作方法、注意事項、實驗結果、實驗結論等,或者是考查學生運用教材實驗的操作方法完成新的實驗。操作技能類試題是選擇題的主要命題內容,同時,也是考查新課程選修一相關實驗的重要形式。
【例1】(2012年安徽卷第1題)某同學以新鮮洋蔥鱗片葉內表皮為材料,經不同處理和染色體劑染色,用高倍顯微鏡觀察。下列描述正確的是
A.經吡羅紅甲基綠染色,可觀察到紅色的細胞核
B.經吡羅紅甲基綠染色,可觀察到綠色的細胞質
C.經健那綠染色,可觀察到藍綠色顆粒狀的線粒體
D.經蘇丹Ⅲ染色,可觀察到橘黃色顆粒狀的蛋白質
【解析】典型的選擇題考查實驗操作技能。考查的知識內容是必修一中的教材實驗,知識屬于識記水平,技能屬于操作水平。第一是考查染色方法,第二是考查染色結果及能否觀察到,且二者的因果關系是否正確。
2.探究能力類
這是高考實驗類型試題的主要考查方式,包括原理分析類、實驗設計類、實驗評價類、實驗結果分析與處理類等。當然,許多高考題往往是上述類型的組合類,綜合考查學生的實驗探究能力。
(1)原理解析類
實驗原理通常包括實驗的生物學原理和操作原理,實驗的生物學原理是指該實驗所依據的相關生物學知識與規律、原理等;而操作原理則是指實驗過程中,其涉及的具體操作方法、步驟依據的生物學、化學等相關原理。以及實驗研究的基本原則和方法等。
此類試題通常是以某一生物學實驗為題材,題目給出實驗步驟、實驗現象或實驗結果,要求學生對實驗原理進行解析,并在此基礎上解決有關問題,以考查學生的觀察能力、邏輯思維能力及分析、解決問題能力。
【例2】(2012年江蘇卷第15題)下列關于“觀察洋蔥根尖分生組織細胞有絲分裂”的敘述,錯誤的是
A.解離和壓片都有利于根尖分生區細胞分散
B.先用低倍鏡找到分生區細胞,再換用高倍鏡觀察
C.顯微鏡下絕大多數細胞中能觀察到染色體
D.探究有絲分裂日周期性可為實驗取材時機提供依據
【解析】該題考查的是教材實驗的操作方法與操作原理,以及實驗研究過程中運用到的生物學基本原理。其中,A選項考查操作方法的目的,B選項直接考查操作方法:C、D選項則考查有絲分裂過程中的規律性變化。
【例2】(2012年福建卷第26題)回答下列問題:大菱鲆是我國重要的海水經濟魚類。研究性學習小組嘗試對大菱鲆消化道中的蛋白酶的活性進行研究。
(1)查詢資料得知,18℃時,在不同pH條件下大菱鲆消化道各部位蛋白酶活性如圖1。由圖可知,在各自最適pH下,三種蛋白酶催化效率最高的是_____。
(2)資料表明大菱鲆人工養殖溫度常年在15~18℃之間,學習小組假設:大菱鲆蛋白酶的最適溫度在15~18℃間。他們設置15℃、16℃、17℃、18℃的實驗溫度,探究三種酶的最適溫度。
①.探究試驗中以干酪素為底物。干酪素的化學本質是______,可用_______試劑鑒定。
②.胃蛋白酶實驗組合、幽門盲囊蛋白酶實驗組的pH應分別控制在______。
③.為了控制試驗溫度,裝有酶和底物的試管應置于______中以保持恒溫。單位時間內_______可以表示蛋白酶催化效率高低。
④實驗結果如圖2,據此能否確認該假設成立?_____。理由是:______。
【解析】此題是綜合類考題,重點是應用教材實驗的基本原理,解決新問題,屬于考查教材實驗拓展類的操作原理。從知識角度,本題主要考查酶的本質、檢測和影響酶活性的因素等相關的基礎知識。從能力考查角度看,主要考查探究性實驗設計的基本原理、基本原則、基本程序,對實驗結果的分析和實驗結論的獲得,包括探究實驗中無關變量的處理、因變量的觀測、曲線的分析等。重在考查學生分析問題的能力,這對學生分析問題的能力和生物學實驗探究能力有較高的要求。
(2)實驗設計類
要求學生根據實驗的目的和原理,選擇實驗器材,安排實驗步驟,設計數據處理的方法及分析實驗現象,最后得出實驗結論。重在考查學生的綜合知識和創新能力,考生需要運用多種理論知識,結合實驗操作的實踐經驗,做出科學、合理的實驗設計方案。這種試題包括完全設計類和補充設計類,現在高考試題中大多是補充設計類。
【例3】(2012年北京卷第29題)為研究細胞分裂素的生理作用,研究者將菜豆幼苗制成的插條插入蒸餾水中(圖1),對插條的處理方法及結果見圖2。
(1)細胞分裂素是一種植物激素。它是由植物體的特定部位______,再被運輸到作用部位,對生長發育起______作用的______有機物。
(2)制備插條時除去根系和幼芽的主要目的是______。插條插在蒸餾水中而不是營養液中培養的原因是______。
(3)從圖2中可知,對插條進行的實驗處理包括______。
(4)在實驗I中,對A葉進行實驗處理,導致B葉_____。該實驗的對照處理是_____。
(5)實驗Ⅲ、Ⅳ的結果表明,B葉的生長與A葉的關系是:____。
(6)研究者推測“細胞分裂素能夠引起營養物質向細胞分裂素所在部位運輸”。為證明此推測,用圖1所示插條去除B葉后進行實驗,實驗組應選擇的操作最少包括______(填選項前的符號)。
a.用細胞分裂素溶液涂抹A1葉
b.用細胞分裂素溶液涂抹A2葉
c.用14C-淀粉溶液涂抹A1葉
d.用14C-淀粉溶液涂抹A2葉
e.用14C-氨基酸溶液涂抹A2葉
f.用14C-細胞分裂素溶液涂抹A2葉
g.檢測A1葉的放射性強度
【解析】該題是綜合性實驗試題,涉及到對基礎知識、實驗原理、實驗研究的基本原則、實驗結果分析、實驗補充設計等多個方面。從知識角度看,考查植物激素的概念等識記層次的知識。從探究能力角度看,分別考查了實驗設計的基本原理和基本原則(包括設計對照實驗的目的,遵循單一變量原則,控制無關變量的等);實驗設計的能力,主要是實驗的具體操作方法:實驗結果的分析能力,及得出實驗結論。
(3)實驗評價類
對已有實驗方案的評價,是要求學生在掌握實驗研究的基本思想、實驗設計的基本原則和方法的基礎上,依據實驗的基本原理以及相關操作的基本原理,對相關設計或操作方法的正確性做出判斷,并在此基礎上,尋找解決問題的最佳方法。這是在考查學生對實驗設計嚴密性和科學性等方面理解的基礎上,重點考查學生的實驗探究能力、綜合運用能力。
解答此類題型,首先要了解實驗目的,其次要根據實驗原理、實驗方法和實際操作去判斷題干給出的實驗設計正確與否,最后對實驗設計做出評價,并設計周期的實驗方法和步驟。
【例4】(2012年全國大綱卷第33題)某同學為了探究pH對人唾液淀粉酶活性的影響,設計了如下實驗步驟:
①在A、B、C、D、E5支使觀眾分別加入pH5.0、6.0、7.0、8.0、9.0的適宜濃度緩沖液5ml,再分別加入質量分數為1%的淀粉液1ml。
②各試管中分別加入適當濃度的唾液稀釋液1ml,搖勻。
③將5支試管放入70℃恒溫水浴中,保溫時間相同且合適。
④取出各試管,分別加入斐林試劑2ml,搖勻。
⑤觀察各試管溶液的顏色,通過顏色深淺判斷唾液淀粉酶作用的最適pH。
上述實驗步驟中有2處錯誤,請更正并說明更正的理由(不考慮試劑的濃度和加入量、pH梯度以及實驗重復次數),以便實驗能得到正確的預期結果。
(1)____________________________________。
(2)____________________________________。
【解析】這是一道簡單的實驗評價題,運用基本的生物學原理,以及實驗操作中涉及的化學原理,進行分析,找出設計中的錯誤并加以改正。唾液淀粉酶的最適溫度為37℃,70℃的高溫使酶失去活性,干擾了pH對人唾液淀粉酶活性的影響,而斐林試劑應在沸水浴中參與反應。
(4)結果分析類
要求考生根據題目所設條件,整理實驗數據、分析實驗結果、驗證預期性假設、得出實驗結論等。可以考查學生掌握和運用各種科學方法的程度;考查學生運用文字、圖表、數學等表達方式描述生物學內容的能力;考查學生運用所學知識與觀點,通過比較、分析與綜合等方法對某些生物學問題進行解釋、推理,做出合理的判斷或得出正確結論的能力。這是目前實驗題型的重點考查方式,大多數試題都會包含對實驗結果的分析,尤其是與數學模型的分析結合在一起。
【例5】(2012年全國課標卷第29題)將玉米種子置于25℃、黑暗、水分適宜的條件下萌發,每天定時取相同數量的萌發種子,一半直接烘干稱重,另一半切取胚乳烘干稱重,計算每粒的平均干重,結果如圖所示,若只考慮種子萌發所需的營養物質來源于胚乳,據圖回答下列問題。
(1)萌發過程中胚乳組織中的淀粉被水解成_____,通過_______作用為種子萌發提供能量。
(2)萌發過程中在_______小時之間種子的呼吸速率最大,在該時間段內每粒種子呼吸消耗的平均干重為_______mg。
(3)萌發過程中胚乳的部分營養物質轉化成幼苗的組成物質,其最大轉化速率為______mg?粒-1?d-1。
(4)若保持實驗條件不變,120小時后萌發種子的干重變化趨勢是__________,原因是_____。
【解析】本題是典型的實驗結果分析類試題。題目以種子萌發為載體,從知識角度看,考查學生對植物細胞呼吸速率及測定、多糖的水解、有機物之間相互轉化等基礎知識的理解。從能力角度看,重點考查了學生分析數據坐標曲線,得出實驗結論的能力。
二、實驗:類試題的特點
1.分散與集中相結合
在全國各地的高考試題中,對實驗與探究能力的考查,不再是僅僅局限在單純的實驗題中了,在其他類型的試題都會涉及對實驗方法、實驗原則、實驗分析等問題的考查。實際上就是在生物試題中,充分考查學生對生物學研究的思想與方法。因此,整套生物高考試題,除了有一道特定的實驗試題外,其他試題也會從不同的角度,考查實驗與探究能力。
2.覆蓋面廣、題量增大
在多數省份新課標理綜試卷的高考試題中,生物學科所占分值有所增加。因此,試題量往往增大,或是一個選擇題和一個非選擇題,亦或是兩個非選擇題中都涉及實驗考查。同時,知識載體多樣化,幾乎全部高中生物學中涉及到的知識版塊都可以成為實驗考查的內容。
3.形式多樣化、能力考查全面化
由于考查內容的多樣化,導致考查形式復雜化,對實驗與探究能力要求的全面化。其中,考查實驗操作技能的試題及分值,比重加大,尤其是在考查選修一有關內容時,幾乎都會考查相關實驗的操作技能,這實際上是起著導向的作用。
三、實驗專題復習策略
實驗內容的復習,可以分成單元系統復習階段和專題復習階段,也可以將二者有機結合起來,但專題復習階段應該成為實驗復習的重點。
1.對教材實驗進行重組和拓展,培養和提高發散思維能力和創新能力
教材實驗應該是實驗復習的基礎,是單元復習的主要目標。教材中所包含的實驗原理、思想和方法是學生在新情景下設計實驗的基礎。通過教材中常規實驗的復習,可以使學生掌握生物學實驗的基本設計思想及分析方法,為學生的實驗設計提供依據和模仿的基本框架,將已有的知識、方法進行合理的遷移,做到舉一反三和創新設計。
因此,在單元復習階段,學生要初步掌握教材實驗的基本原理、操作方法、操作步驟、注意事項、以及相關的實驗結果和實驗現象,理解和領會教材中相關生物學史中蘊涵的生物學思想、生物學研究的方法和原則等。
而在實驗專題復習階段,學生要在單元復習的基礎上,展開對實驗研究的思想、實驗探究的一般原理和原則等理論知識的系統理解。可以通過教材中有關生物學史內容中的經典實驗、教材中學生實驗(考綱要求的內容)、高考題以及練習題涉及的實驗等等,通過加強科學方法的培養和訓練,提高實驗操作能力和實驗設計能力。
這樣,學生會掌握科學實驗的基本方法:根據實驗目的做出預期性假設、選擇實驗材料、控制實驗條件、設計實驗過程、設置對照、完成實驗操作和觀察、整理實驗數據、分析實驗結果、驗證預期性假設、得出實驗結論等。學生在加深對知識理解的同時,還要培養觀察能力、思維能力、實驗能力以及初步的研究能力和創造能力。
2.進行實驗設計理論的學習和專題訓練,培養實驗研究的思想方法,提高對實驗題型的解題能力
實驗設計的理論知識是貫穿在教材的科學史、演示實驗和學生實驗之中的,由于沒有系統地歸納、總結和升華,導致學生在完成創新類型的實驗題目時顯得較為困難。因此,在實驗專題中,學生要對實驗設計理論知識進行系統的掌握,包括課題選擇的原則、如何作出假設、實驗的一般原理、實驗材料和實驗儀器選用的原則和方法、實驗方法設計的原則和規律(包括應遵循的生物和化學原理的一些注意事項)、獲得實驗現象的手段和方法、實驗數據的收集與處理的方法與原則、實驗結果的分析等。這樣,學生便能掌握實驗設計的一般原則和方法,為完成實驗類型題目奠定了基礎。
學生要通過老師精選的典型實驗個案,引導自己學習生物學實驗理論,掌握一些基本的生物學實驗原理知識,例如關于變量的控制、實驗設計應遵循的原則、對照實驗的作用與類型、實驗設計的基本方法與步驟、科學探究的一般步驟等等,幫助自己形成科學的實驗思維,從而提高高考中的實驗解題能力。
1.基本框架。
通過對滁州市及周邊地區化工行業的深入探索和市場廣泛調研,以區域產業發展對人才的需求為依據,我院應用化工技術專業分設為化學檢驗、化工生產技術、化工儀表自動化和精細化工生產技術等多個方向,其專業核心課程的選擇與設置即與此相銜接。其中,《工業分析技術》課程旨在加強專業基礎,配套的分析檢驗專業實驗旨在強調實驗技能的提高;《流體輸送與傳熱》和《傳質與分離技術》課程(原《化工原理》)強調化工基本原理的分析和化工單元操作技能的培養;《化工儀表及自動化》課程突出化工儀表及化工自動控制系統在化工生產中的主導地位;《化工工藝》課程旨在拓展專業適應面,重在工藝過程的分析與工藝參數的整定;《精細化工生產技術》課程以典型精細化學品的生產過程為重點,保留鮮明的化工行業特色。
2.基本關系。
《工業分析技術》是基礎,《流體輸送與傳熱》是強化,《傳質與分離技術》是提高,《化工儀表及自動化》是主導,《化工工藝》是細化,《精細化工生產技術》是深入。以此為前提,在制定2013級應用化工技術專業人才培養方案的過程中,結合人才培養目標,突顯了核心課程的專業地位;綜合課程之間的銜接關系,優化與整合了課程體系;考慮課程之間的先后排序,新構了配套的實踐教學條件。
二、核心課程建設與改革
1.工業分析技術。
《工業分析技術》是分析化學在工業生產上的具體應用,與新時期“雙證書”教育這一新的“雙證融通”的高職教育模式相對接,[4]與“化學檢驗工”職業資格證書考試相銜接,其對化學綜合知識(包括無機化學、分析化學和有機化學)的整體應用能力有一定的要求。在第一、二學期已開設過《基礎化學》和《基礎化學實驗》(包含《無機化學》、《無機化學》和《分析化學》)的前提下,適當加大了實踐學時所占的比例,使得實踐與理論學時的比例達到2∶1,不斷強化學生分析檢驗技能的訓練與提高;同時,在學生熟練掌握相關操作技能的基礎上,還加強了學生專業基礎知識的積累,培養學生從實驗現象和教學過程中發現問題、分析問題、解決問題的能力,亦即讓學生不僅“知其然”,更要“知其所以然”。
2.流體輸送與傳熱。
《流體輸送與傳熱》與《傳質與分離技術》本身就是原《化工原理》課程的優化與整合,原《化工原理》課程教學推導過程繁瑣,理論性過強,工程實例不足,經過核心課程建設與改革之后,整合后的這兩門課程均采用了“項目化”的教學模式。通過教學模式、教學內容和教學體系的優化,將原《化工原理》中課堂授課部分和實驗部分整合為理實一體化的項目化教學,同時,增加了化工仿真實訓,并將原課程設計部分有機地融入其中,用以模擬實際工業生產過程,實現低成本、高效率地引領學生進入生產性實習的環節。《流體輸送與傳熱》在《物理化學》、《化工制圖》和《化工機械基礎》等前續課程的基礎上,開設在第三學期,按照項目化教學的需要,其理論與實踐學時的比例控制在1∶1左右,理論學時稍多,以便學生在接觸本課程之初,充分掌握必要的化工基本原理和主要單元操作典型設備的構造與操作原理等知識。
3.傳質與分離技術。
《傳質與分離技術》作為原《化工原理》的下半部分,緊隨《流體輸送與傳熱》課程之后,開設在第四學期,以“簡單化”(講清基本原理、避開繁瑣的數學推導,簡化教學過程)和“具體化”(通過具體工程實例,將基本原理與實際應用有效關聯,并與其他核心課程有機融合)為根本宗旨,理論知識以“必需、夠用”為原則,[5]強調技能的訓練,因此,其理論與實踐學時的比例控制在1∶2左右,實踐學時稍多,充分體現“工學結合”、“教、學、做”一體化的項目化教學原則。通過理實一體化的項目化教學,強調理論與實踐的有機結合,培養學生運用基礎理論分析和解決化工單元操作中各種工程實際問題的能力。
4.化工儀表及自動化。
《化工儀表及自動化》是應用化工技術專業一門應用性、實踐性很強的核心課程,也是核心課程群中教學內容整合最大的一門課程。過去以純理論教學為主的教學方式,與職業院校技能大賽嚴重脫節,理論講解抽象,學生學習被動,動手能力較差。通過基于“工作過程系統化”的課程體系改革后,實施“任務驅動、項目導向”的教學做一體的項目化教學模式,以工作任務為中心,以實踐行為為導向,根據職業崗位和職業能力培養的需要,改革課程教學內容,組織實施教學,施行以過程性考核為主的綜合考評方法。通過與全國職業院校技能大賽“化工儀表自動化”賽項對接的CS2000型過程控制系統設備的全面投入使用,對典型化工生產過程自動控制系統進行選擇與整合,通過對過程控制系統的操作與參數整定,培養學生的專業能力、職業核心能力和社會能力。
5.化工工藝。
《化工工藝》作為應用化工技術專業課程群中的一門核心課程,與其他多門核心課程存在明顯的交叉和互通之處,亟須進一步互相優化與整合。其理論知識部分優化的方向在于:通過與《化工儀表及自動化》等專業核心課程的知識對接,精簡理論知識點,針對典型化工生產過程,重點分析其工藝流程,培養學生分析問題的能力。在此基礎之上,結合化工工藝仿真軟件,細化與整合實踐內容,通過對典型工藝過程的分析與工藝參數的整定,加深學生對“工藝流程”的充分認識和理解,拓展學生的專業適應面,培養學生的工程實踐能力、創新能力及全面分析工程實際問題的能力。
6.精細化工生產技術。
《精細化工生產技術》作為高職應用化工技術專業的一門核心課程,其行業特色鮮明,內容繁雜,知識面寬,要求學生掌握典型精細化學品生產必備的基本知識和操作技能;同時,對化工生產設備、化工單元操作、化工工藝流程等知識點又有較高的要求。為此,本課程在實施的過程中,還需要《基礎化學》、《化工機械基礎》和《化學反應過程與設備》等相關課程的配套與支撐。通過這些課程之間的優化與整合,以市場需求為導向,以專業技術應用能力培養為主線,與全國職業院校技能大賽“化工生產技術”賽項對接,在教學過程中通過以典型精細化學品的生產過程為任務引導學生,通過項目引導、任務驅動、工作過程系統化的課程設計和教學模式,充分發揮學生的主動性,培養學生的創新意識,激發學生對專業學習的興趣,同時通過開放精細化工實訓室,充分調動學生的學習積極性,進一步培養學生的動手能力和創造能力,教學效果顯著提高。
三、配套措施
為了更好地實踐與推行核心課程建設與改革,依托中央財政特色專業建設項目,在省級示范實驗實訓中心的基礎上,本著貼近生產、淡化理論重實踐、綠色環保低碳的建設理念,配套新建了化工仿真實訓室和精餾實訓室。
1.配套的實踐教學條件。
通過化工仿真實訓室的建設,滿足了大型分析儀器仿真實訓、化工單元操作仿真實訓、化工工藝仿真實訓、化工自動化基本控制單元仿真實訓,以及化學檢驗工、化工總控工、化工儀表自動化等技能大賽仿真操作的要求,極大地豐富了本專業的實訓項目和實訓內容。
2.對接職業資格和職業技能大賽。
通過與“化工總控工”職業資格證書考試和全國職業院校技能大賽“化工生產技術”賽項的對接,新建了精餾實訓室,引進了全套新型精餾操作實訓裝置。該裝置是化工單元操作實訓最接近化工生產的理想設備,不僅滿足了學生技能訓練的需要,即可實現流體流動、流體輸送和精餾單元操作的實訓任務,同時也可用于化工總控工職業資格考試(實踐部分),服務于職業技能大賽,亦可對企業員工進行崗前培訓之用。
四、改革成效
1.加強課程整合,優化課程體系。
在專業核心課程群構建的基本原則和基本框架下,通過核心課程,以及相互之間的優化與整合,突顯了核心課程的專業地位,銜接了課程之間的關系,優化了課程體系。
2.創新課程內容,改革教學模式。
在教學內容體系設計上,秉承“簡單化”、“具體化”的宗旨,淡化理論重實踐,以國家職業技能標準要求為依據,創新與完善課程內容,構建以“項目引導、任務驅動”為一體的項目化教學模式,體現工學結合的工作過程系統化和工學交替的教學做一體,形成“實訓環境職場化,教師學生角色化,實訓內容工作過程化,專業技能培養遞進化,實現教學做一體化”的“五化”教學模式,提高了教學質量。
3.改進教學組織方式,強化工程意識。
在教學組織方式上,采取“三個相結合”,即理論與實際相結合、課堂教學與實驗實訓教學相結合、常規課堂教學與現代教育技術相結合的方式。同時,還采用了包括參觀企業、企業調研、工廠見習、案例教學、策劃方案、開展實訓、開放實驗室、小組討論、專業講座等多種形式作為補充,強化了學生的工程意識。
4.培養職業素質,拓寬就業面。
1.綠色化學的涵義
綠色化學,顧名思義,就是對環境無害的化學,也通常被稱為無公害化學.從環境保護的角度說,綠色化學可以定義為利用化學相關知識,減少或者消除對人體、環境有害的物質,達到化學無公害化.有關學者提出了原子利用率理論,本質含義就是盡量做到把每一個原子都充分利用,做到真正的百分百利用.隨著科技的發展,綠色化學成為了一門交叉學科,不僅涉及化學工藝學,而且還可能涉及機械、化工、電子、自控等多個學科門類.隨著世界各國積極倡導綠色化學,大力扶持相關產業,也使綠色化學成為一門朝陽產業.
2.綠色化學的核心內容
通過對上文中綠色化學的多角度定義可以得知,綠色化學的核心是綠色,綠色當然是一個替代詞.綠色化學的理念基礎就是我們通常所說的5R原則,所謂5R原則來源就是五個綠色化學關鍵詞的英文首字母,具體為減量(含義為盡量減少相關污染物的排放)、循環使用(對涉及的原材料循環使用,達到高利用率)、回收(對相應的污染物進行回收處理,做到不浪費一點資源)、再生(再生的含義就是盡量使用可以再生的資源,在原料的選擇上下功夫,以利于環境保護)、拒用(拒用的含義就是拒絕使用有害物質,積極研發替代品).通過對5R原則的介紹,我們知道,綠色化學的核心理念就是節約資源,保護環境.
二、化學教學中引入綠色化學的必要性
1.綠色化學與中學化學教育
化學教育是中學生必修的一門科學基礎課,也是我國實施科教興國戰略的重要組成部分,對于培養高素質人才至關重要.在中學階段,化學課程的主要任務就是普及化學知識,激發學生的興趣.中學階段的化學課程處于啟蒙階段,所以在學生啟蒙階段積極培養學生的綠色化學觀念十分重要,對于實現可持續發展也有一定的教育作用.
2.在中學化學中如何引入綠色化學
熟悉中學化學教材的人都知道,在教材的相關章節中提到了綠色化學的重要性,為了從感官上培養學生的綠色化學觀念.如在制備有毒氣體時,我們一般的常識是在通風櫥中進行,現在結合現有的實驗設備,為了提高反應效率,可以在完全密封的環境下進行反應,這樣既可以獲得較高的反應效率,又可以做到有毒氣體零排放,通過有毒氣體的制取實驗,也可以引入綠色化學概念,提高學生的綠色化學修養.
三、實驗教學中滲透綠色化學理念
1.培養學生綠色化學意識
查閱相關資料得知,我國中學生在綠色化學素養培養方面普遍較差,為了改變這一現狀,積極倡導綠色化學觀念,必須在化學教學與實驗中培養學生的綠色化學素養.我國化學教育現狀是重視學生的理論成績,不重視學生的綜合素質培養,特別是綠色化學理念的培養,在這種背景下,教師要承擔起綠色化學理念傳播者的重任,以身作則,在化學實驗中積極倡導并身體力行綠色化學理念,積極響應國家可持續發展號召,以5R原則為指導原則(5R原則即減量、循環、回收、再生、拒用)來培養學生的綠色化學理念.也可以作為實驗準則,解決教學實驗中容易出現的浪費和污染環境的系列問題,相關教學單位,可以考慮把5R原則作為實驗室守則予以公布,真正發揮5R原則的作用,切實讓學生知道綠色化學的重要性.
2.應用綠色化學原理,改進化學實驗設計
在5R原則的指導下,以綠色化學理念的培養為契機,積極應用綠色化學原理,改進中學化學實驗設計,真正做到綠色化學在理念上深入人心,在實際行動上做到實處,結合當今中學實驗室實際,本文詳細介紹如何利用綠色化學原理,對現在的中學化學實驗進行徹底改造,為了脈絡清晰,本文從以下幾個方面介紹:
(1)積極探索新方法
化學是一門奇妙的學科,方法多樣性是其主要特點,化學反應不是固定的,其反應效率和反應速度可能因為環境溫度、反應物濃度或者催化劑的不同而有天壤之別,有的反應自然反應極慢,但是加入相應催化劑后可以上百倍的增加反應速度,基于這個原理,我們在設計化學實驗時,一定多探索,積極開發新的催化劑,盡量使反應發生的快而徹底,減少廢棄物的產生,從源頭上踐行綠色化學理念.
(2)實驗的器具多樣性
隨著科技發展,化學器具更新很快,在這種背景下,我們要把綠色化學理念融入到化學儀器的設計生產中,結合中學化學實驗室實際,我們在進行相關實驗時,既可以利用常規儀器,也可以利用高科技的微型器具,也可以我們自制實驗器具,在實驗過程中要充分考慮綠色化學理念,積極探索適合綠色化學的新器具,比如,在濃硫酸與金屬銅反應制備硫酸銅的反應中,中學實驗室提供的常規儀器太大,容易造成浪費,在這種背景下,我們可以利用微型實驗儀器,這樣既滿足了實驗要求,又大大節省了反應原料,充分體現了綠色化學的相關理念,可以對學生達到良好的教育作用.
(3)實驗場地和環境多樣性
通過查閱相關資料得知,中學化學實驗一般不具有很大的危險性,所以有時候試驗場地不僅僅只局限于實驗室,比如在做pH測試實驗時,一般實驗室會提供多種酸或者堿性物質以備檢測,但是這樣會浪費大量的實驗原料,為了積極踐行綠色化學理念,教師可以把學生實驗室放在野外,學生采集相關標本,研磨成汁,再用相關試劑測試物質的酸堿性或者具體的pH,這樣既可以節省實驗材料,又可以給學生主動性.因為,實驗室的物質已經知道酸堿性,所以學生做的只是驗證實驗,而上述新方法,由于不知道所采集標本的酸堿性,所以這就成了探索性實驗,大大喚起了學生的積極性,也十分符合綠色化學的理念.
3.藥品利用綠色化
藥品利用綠色化也是綠色化學理念的重要方面,藥品利用綠色化就是在化學實驗時,要節約藥品,合理使用藥品,對于價格昂貴的藥品,還要積極探索替代品,以節約珍貴的資源,從藥品利用層面上踐行綠色化學理念.
四、化學教學中滲透綠色化學教育理念的行動研究
1.充分挖掘教材中的綠色化學資源
現在的中學化學教材都十分重視綠色化學理念,在課本中都隨處可見綠色化學理念,通過實際閱讀中學化學課本,教材中的綠色化學理念主要體現在以下幾點:
(1)節省資源作為主體.在中學化學課本中,以節約資源作為整本書的理念支撐,例如在氯堿工業中采取了循環操作,體現了綠色化學中節省資源能源的基本原理.
(2)在設計中學生化學實驗時,把綠色化學理念貫穿其中,在設計實驗結構圖時,尾氣處理必不可少.
“綠色化學”是以綠色意識(生態環境意識)為指導,研究和設計沒有(或盡可能少)環境副作用,在技術上和經濟上可行的化學過程,又叫環境友好化學。“化學實驗綠色化”即化學實驗潔凈化。化學實驗綠色化就是將綠色化學的基本原理和理念應用于化學實驗中去的一項技術,是一個在傳統化學實驗基礎上的創新過程。
二、中學化學實驗綠色設計理念的意義
(一)中學化學實驗綠色設計理念有利于保護自然環境
在中學化學實驗教學中所使用的化學試劑中有不少是有毒有害的,很多學校在實驗后將這些廢棄物直接排放到下水道或空氣中,沒有做任何處理,勢必會對環境造成很大的污染。而我國目前也沒有化學實驗廢棄物處理和排放標準,不利于治理和監督。中學化學實驗綠色設計理念的將從源頭上降低化學試劑的使用率和污染物的排放量,對廢棄物進行有效的處理,保護生態環境。
(二)中學化學實驗綠色設計理念能夠保障學生的生命安全
長期的化學實驗,化學事故是很難避免,時有發生,嚴重威脅著學生的生命安全。很多時候學生由于對化學試劑不了解,操作不當,發生事故。而在實驗后教師沒有及時的回收化學試劑,學生將其帶出,惡作劇或者由于好奇心將其與其他東西進行混合,發生悲劇。想從源頭上化學實驗的危害性,還需要采取綠色化學理念,在化學設計過程中充分考慮到它的危害性,采取有效的措施進行預防。
(三)中學化學實驗綠色設計理念符合素質教育的要求
實驗是人們認識世界的重要活動之一,是進行科學研究的先決條件。素質教育提倡培養學生的實踐操作能力和創新精神,而實驗正是培養學生創新能力和實踐能力的重要環節。隨著高考制度的改革和教育觀念的改變,人們的對中學化學實驗的要求更注重全面的開發學生的潛能,培養他們的科學素養。中學化學實驗綠色理念不僅能夠加強學生的環境保護意識,還能教給學生防治污染和處理污染物的有效方式。
三、中學化學實驗綠色理念建設的具體措施
(一)教師先要樹立中學化學實驗綠色理念
教師作為教學過程中的主導者,首先要樹立中學化學實驗綠色理念,給學生樹立榜樣,以身作則,在實踐過程中幫助學生建立中學化學實驗綠色理念,增強他們保護環境的意識。在進行之前將所有的注意事項提前和學生溝通,避免學生受到傷害,而且要教育學生學會保護環境。將廢棄物的危害性告訴學生,也可以舉身邊實驗廢棄物排放不當而造成的事故講給學生,讓他們切身體會環境污染的危害性,培養他們愛護環境的意識,增強他們保護環境的責任感。
(二)中學化學實驗綠色化設計
在化學教學中,有些時候一些實驗是可以被代替的,這時候就需要教師發揮創造性,通過改進教學設計來減少或避免污染。比如毒性大的、危險性大的和化學試劑價格較高、試劑不易儲存的實驗我們可以利用多媒體進行實驗仿真;對于那些一般的實驗,為了從源頭上控制污染物,實現中學化學實驗的綠色化,可以控制化學試劑的用量,無論是教師的演示還是學生的自作都應遵守“節省資源,降低污染”的原則,在化學試劑的包裝外應該明確標明用量達到限制用量的目的。這種方法不僅可以減少化學試劑的用量,縮短實驗時間,降低環境污染,還有利于學生中學化學實驗綠色理念的建立,強化學生的環保意識。
(三)進行有效的實驗廢棄物處理
關鍵詞:西藥制藥;新工藝;新技術;應用
隨著人類社會的進步和人們對醫療日益需求,粗俗西藥制藥工業不斷發展,西藥已經成為世界科研發展最快的行業之一,醫藥工業的迅速發展與制藥技術的不斷創新與科技的發展離不開。尤其是最近二十年,高科技技術的蓬勃發展,促使制藥工業大道新的水平。
1、當今西藥制藥技術工藝的介紹
當今的西藥制取正朝著綠色化學領域邁進,綠色化學的昨天與今天化學科學的研究成果和化學知識的應用,使我們衣食住行各個方面都受益匪淺,更不用說化學藥物對人們防病祛疾、延年益壽、更高質量地享活等方面起到的作用。但是另一方面,化學品的大量生產和廣泛應用,給生態環境帶來了各種嚴重的環境問題,威脅著人類的生存健康。
20世紀80年代中后期人們對污染預防和清潔生產的認識逐步提高,污染的全過程控制模式逐步代替終端污染控制模式。
2、新技術新工藝的發展方向
隨著科學技術的不斷發展,各種先進科學理論不斷涌現。微生物技術和基因工程技術早已成為當前生物科學發展的主導方向。隨著這種趨勢的督導之下,制藥技術也在不斷的向著這種趨勢靠攏。在當前制藥新工藝的發展方向是采用無毒、無害的原料、催化劑和溶劑,選擇具有高選擇性、高轉化率,不生產或少生產副產品的對環境友好的反應進行合成,其目的是通過新的合成反應和方法,開發制備單位產污系數最低,資源和能源消耗最少的先進合成方法和技術,從合成反應人手,從根本上消除或減少環境污染。
新技術新工藝的發展不僅注重人類的健康,還包括考慮對整個生命周期中對生態環境、動物、水生生物和植物的影響,具體地來說,這些綠色化學的原理和概念包括以下三個方面的內容:原子經濟性“原子經濟性”的概念是美國StandfB名化學家TrostM在1991年提出的.這一念引導人們如何去設計有機合成.原子經濟性(atomeconomy),即原料分子中有子轉化成了產物。一個有效的合成反應不但有高度的選擇性,而且必須具備較高的原子經濟性,盡可能地利用原料分子中的原子。顯然,“子經濟陛”的概念是綠色化學的基本原理之一。
3、手性合成
我們周圍的世界是手性的,構成生命體系的生物大分子的大多數重要的構件僅以一種對映形態存在.生物活性的手性化合物,例如藥物,與它的受體部分以手性的方式相互作用。因此,藥物的兩個對映體以不同的方式參與作用并導致不同的效果就不足為奇了。現代藥物化學已經使人們越來越認識到手性的重要性,手性合成的研究正逐步從實驗室的科學探索走向工業技術,人們電越來越認識到手性技術對人類的健康和生態環境的重要意義。
4、新技術新工藝的發展前景
在生活方面,人們開始追求綠色消費、使用綠色產品。目前人們最熟悉的綠色產品可能是綠色食品。據報道,國際組織對于綠色食品尚無統一的定義,一般指盡量避免化學肥料和農藥栽培、且加工過程盡可能少用食品添加劑的食品,盡管它們的價格比普通食品高出O.5―1.5倍。基于對“科技異化”的認識,綠色科技觀的主要觀點是:人類應該以協調人與自然之間的關系為最高準則,以不斷解決人類發展與自然界發展之間的矛盾為宗旨,、利用科技與自然和平相處、和諧發展,努力避免負效應。
5、新技術新工藝的應用
“原子經濟性”的概念是1991年美國著化學家Trost提出的。他提出在合成設計中地利用原子,避免使用保護基團及離去基團,這樣就不會產生廢物而對環境友好。'Frost合成效率包括兩個方面:一是選擇性,一是原子經濟性,即原料分子中轉化成產物的原子可占的白分比。一個有效的合成反應不但有高度的選擇性,而且必須具備較高的原子經濟性,盡可能地利用原料分子中的原子。原子經濟性“是綠色化學的基本原理之一。人類周圍的世界是手性的,構成生命體系的生物大分子的大多數重要的構件僅以一種對映形態存在。生物活性的手性化合物,例如藥物,與它的受體部分以手性的方式相互作用。百分之幾的原此,藥物的兩個對映體以不同的方式參與作用并導致不同的效果。因此開發單一對映異構體的手性藥物已經成為國際上制藥工業的發展趨勢。
在當前科學技術發展的過程中,人們對環境破壞的逐步增大,各種病菌的變化也日益增多,細菌對藥物的抗病性也在不斷的增大。使得當前制藥過程中藥品研發的力度不斷的加大。現在越來越多的藥物、食品添加劑和香料全合成制備。通常,這些化合物是通過在合成程的最后一步對其相應的外消旋混合物進行拆分而獲得。這樣很可能對環境造成污染。從綠化學的角度講,就是原子經濟性較差。因此,化的不對稱合成,即手性成成為有機化學研究的熱點和前沿。未來的合成化學必須是經濟的綠色的、環境友好的以及節省能源和資源的,要達到100%的選擇性和100%的收率,只目標產物而不產生廢物。實現催化劑的高效率和高選擇性是實現不對動:催化反應的實用性工業化的關鍵。通過不對稱催化不但可以提供醫藥、農藥和精細化工所需的關鍵中間體,而可以提供環境友好的綠色合成方法。手性合成的研究正逐步從實驗室的科學探索走向工業技術,人們也越來越認識到手性技術對人類的健康和生態環境的重要意義。
5.1不對稱催化氫化
有不對稱催化氫化是第一個在工業上使用的不對稱催化反應。早在20世紀70年代,美國山都(Monsant0)公司就成功地應用不氫化合成了用于治療帕金森病的L一多巴。Pf等設計合成了手性雙毗陡麟配體的釘配合物,對2一(6’一甲氧基一2一萘基)丙烯酸和酮醋的不對稱催化氫化具有極高的對映選擇性,可用于制備非+
5.2不對稱催化氧化
1980年Sharpless報道了用手名過氧叔丁醇對烯丙醇進行氧化,成功地實現了經濟不對稱環氧化的過程,這一方法的出現促進了實驗有機合成和工業有機合成的發展。比如用認為,來合成盡受體阻斷劑治療心臟病藥物s一心得安。
5.3酶催化拆分異構體
心血管病藥物心得安的藥效主要在于(魯)異構體;(R)一異構體則可以用作一種避孕藥為了分別得到單一異構體,Lagos等發展了化的方法。最近,叢方地將脂肪酶PSL器賠固定化生物反應來代替酶粉應用于該中間體的拆分。結果發現其催化活性是同質量酶粉活性的10倍,得到了95%e.e.的(R)一1一氧)一2一丙醇,并進一步合成、結晶得到99的手性(s)一心得安鹽酸鹽。
【關鍵詞】燃煤鍋爐 SCR法 煙氣脫硝
大氣中的氮氧化物和揮發性有機物VOC達到一定濃度后,在太陽光照射下經過一系列復雜的光化學反應,就會產生以高濃度臭氧和細顆粒物為特征的光化學煙霧,形成夏季城市天空經常出現的藍色煙霧。由于我國大氣中VOC濃度較高,光化學煙霧的產生主要受氮氧化物制約,大氣氮氧化物的微小增加都會加重光化學煙霧的污染。光化學煙霧是一種二次污染,污染區主要位于污染源下風向30-50km。由于臭氧和細顆粒可以長距離傳輸,造成區域性的氧化劑污染和細顆粒污染,使區域空氣質量退化,太陽輻射減少,氣候發生變化,對生態系統造成損害,使農作物減產。由于大氣的氧化性,氮氧化物在大氣中形成硝酸和硝酸鹽細顆粒物,同硫酸和硫酸鹽細顆粒物一起,發生遠距離傳輸,從而加速了區域性酸雨的惡化。我國在近些年來一直倡導綠色無污染的生產方式,并且國家頒布了很多相關條例來限制各類工廠的排放廢氣中有害物質含量。因此我國的電力供應企業都紛紛開始地實行煙氣脫硝技術應用,但是由于我國的煙氣脫硝技術應用時間相對較短,和其他國家相比還有較大的差距,要向國際其他技術比較成熟的國家進行學習和借鑒。
1 SCR法的基本原理及工藝流程
鍋爐煙氣脫硝,在降低環境污染、改善大氣氣候等方面起著非常重要的作用。SCR技術對鍋爐煙氣氮氧化物控制效果十分顯著,占地面積小,技術成熟,易于操作,氨逃逸率低,脫硝效率高達90%以上,對煤種適應性強,并能適應燃煤含氮量在一定范圍內的變化,吸收劑氨來源可靠,幾乎無二次污染,可作為我國煙煤電廠控制氮氧化物污染的主要手段之一。對于SCR法煙氣脫硝工藝,如電廠地處城市遠郊或遠離城區,且液氨產地距電廠較近,在能保證安全、正常供應情況下,宜選擇液氨作為還原劑;處于大中城市及其郊區的電廠,宜選擇尿素作為還原劑,基于此,下面對其工作的基本原理和工藝流程進行深入分析和研究,以便能夠使相關工作人員對其有著更為詳細的認識和了解。
1.1 基本原理
SCR法以氨氣為還原物,以氨儲罐、盛放催化劑的容器以及還原劑為主要的反應裝置。煙氣中氮氧化物是重要的大氣污染物之一,其主要組成成分是一氧化氮和二氧化氮,其中一氧化氮的比例最大,可達93%,因此脫硝反應通常都是以一氧化氮、氨氣還有氧氣為反應物,生成氮氣和水。除了以上主要反應以外,還會產生一些有害物質,煙氣中的二氧化硫、氨和氧氣反應生成硫酸銨等有害物質。催化劑在這些反應中可以起到提高活性、加快反應速度的作用,尤其是對于一氧化氮的還原反應有著非常明顯的作用;來自煙氣的氧氣在這些反應中起到很大的作用,整個反應都需要有氧氣源源不斷地供應才能維持反應持續進行。SCR技術中想要保證反映的順利進行,就必須要將SCR區域溫度控制在290~430 ℃,溫度過高過低都不可以,過低會導致反應物硫酸銨產生結晶現象,進而覆蓋在催化劑表面,降低催化劑的活性,而溫度過高則會造成催化劑高溫燒結進而失活,降低脫硝效率。
1.2 工藝流程
SCR工藝系統流程主要由貯氨、混氨、噴氨、反應塔(催化劑)系統、煙道及控制系統等組成。液氨由汽車運至液氨儲罐儲藏,無水液氨的儲存壓力取決于儲罐的溫度(例如20℃時壓力為1MPa),液氨經過蒸發器加熱為氨氣,再通過減壓閥進入氨氣緩沖罐,稀釋風機通過氨氣混合器與氨氣成一定比例混合,其作用一是稀釋氨氣,二是增加反應器處氧含量。經稀釋的氨氣通過噴氨系統中噴嘴進入到煙道格柵中,與原煙氣混合,在催化劑作用下,煙氣中的氮氧化物與氨氣發生化學反應。
2 SCR法脫硝反應塔布置方案
2.1 高溫高飛塵煙氣段布置
由于反應塔布置在空氣預熱器和省煤器之間,這樣就可以輕松地將煙氣反應溫度控制在300~400℃,有利于大部分反應的順利進行,這樣安置還有利于節省燃料,因為煙氣的溫度早已經達到反應溫度,不需要進行二次加熱,就可獲得好的氮氧化物凈化效果。因此,這種煙氣布置方法具有初期投資低、技術成熟、能夠獲得較為理想的反應效果的優點,在新建電力供應企業中得到很廣泛的應用;這種反應塔的布置方法除了有上述優點之外,還具有一些不可忽視的缺點:高溫煙氣由塵含量相較于其他種類煙氣較高,這就加大了煙氣和催化劑之間的摩擦力,使得催化劑顆粒表面更容易受到破壞和磨損,還會加大催化劑被飛塵以及反應物顆粒覆蓋的可能,引起催化劑表面透氣孔的阻塞,除此之外,飛塵中含有的有害物質如K、Na、Ca、Si、As等,易造成催化劑失去活力,喪失其原有的功能及作用。通過催化劑的硬化、吹灰器的安裝、催化劑的及時清理等可以降低上述情況發生的可能。
2.2 高溫低飛塵煙氣段布置
對于這種溫度較高但飛塵含量較低的煙氣適宜布置在反應塔中除塵器和空氣預熱器之間,這樣的煙氣布置方法能夠保證煙氣的高溫度,并且煙氣粉塵含量大大減少,可以降低飛塵對于催化劑的磨損及消耗,還會大大減少飛塵中有害物質對于催化劑的毒害作用,這些都是相較于高溫高飛塵煙氣比較優勢的地方,但是高溫低飛塵的煙氣中飛塵含量雖然降低了,但是包含了更多的硫氧化物,并且飛塵直徑及數量的減少使其更容易造成催化劑表面孔徑的堵塞,從而使催化劑表面的粉塵更難清理,換熱效率大大降低,影響脫硝反應的順利進行。因此,對于相關工作人員在進行SCR法脫硝反應塔布置時,必須做好高溫低飛塵煙氣段布置,大大提高換熱效率,進而能夠有效確保脫硝反應的順利進行。
2.3 低溫低飛塵煙氣段布置
和上述高溫高飛塵煙氣以及高溫低飛塵煙氣的布置不同,低溫低飛塵煙氣段的布置的反應塔要安裝在脫硫系統以及空氣加熱器之后,由于這種煙氣的溫度較低且飛塵含量不高,硫氧化物的含量處在一個極低的數值,催化劑不易遭到大量的磨損和破壞,表面的孔徑也不會輕易堵塞,保證了催化劑作用的正常發揮,使其的活性及壽命都得到很好的延續,因此可以選擇表面孔徑較小的催化劑作為反應的催化物質,但要注意的是一定要選擇比表面積相對較大的催化劑,另外,這樣還可以保證煙氣運輸更加流暢,加快了煙氣運輸的速度,提高了煙氣運輸效率,因此,使用較少的催化劑就會達到一個比較好的催化效果,從一定程度上降低了電力供應企業對于催化劑的資金投入,從而降低了企業的運營成本,為獲取更多的利益奠定了一定的基礎;除了上述優點之外,這種反應塔的布置方法還有如下缺點:由于煙氣溫度不是很高,在煙氣進入反應塔之后溫度一般都是在45~65 ℃之間,離煙氣脫硝反應需要的溫度還差很遠,需要使用價格高昂的氣體加熱器對低溫煙氣進行二次加熱,氣體加熱器的運行需要大量的燃料維持,對于那些新建或者是整修的火電廠來說是一筆不小的投資,想要維持設備的運行還需要很多后續資金的投入,另外,還需要專業的維修人員對該設備進行日常維修,雇傭這些專業人才又需要很多的費用,這都是新興的火電廠難以支付的龐大支出,即便能夠付出這些費用,對于火電廠未來的發展也是極為不利的。
3結語
SCR技術作為適用于我國大多數電廠的重要脫硝技術,對于煙氣脫硝有著十分重要的意義。只有合理采用SCR脫硝技術才可以將燃煤鍋爐產生的煙氣中的硝含量降低到國家標準之下,電廠氮氧化物的排放才可以得到有效制約,才會減緩周圍生態環境及大氣質量的繼續惡化,進而減少惡劣天氣給居民生活帶來的不良影響,為企業的可持續發展奠定良好的技術基礎和社會基礎。綜上所述,SCR技術在我國得到較為廣泛的應用,國家有關部門也倡導相關企業采用此種技術進行脫硝處理,還要求企業大力研發脫硝技術,提高脫硝效率,促進電廠的可持續發展,和我國的經濟發展齊頭并進,獲得更多的經濟效益和社會效益,并為我國生態環境的保護貢獻一份力量。
參考文獻:
[1]馬忠云.燃煤鍋爐煙氣脫硝(SCR法)工藝及特性[J].節能與環保,2015(2).
關鍵詞:科學性;安全性;可行性;簡約性;經濟性;綠色化學
一、化學實驗方案的設計
(一)化學實驗方案設計的基本要求
1.科學性:在設計實驗前一定要有足夠充分的理論依據,每一個裝置、每一個步驟都要有足夠的理論支持,使我們的實驗設計具有科學性。
2.安全性:實驗設計要避免危險性實驗,設計時要考慮到實驗的安全系數,避免使用危險性較大的裝置和有毒的藥品。如不可避免涉及到有毒藥品時,要提前考慮到保護人身安全的方案。
3.可行性:設計實驗時,要從現有設備、藥品的基礎上著手設計,保證實驗的可行性。
4.簡約性:實驗方案應遵循簡約的原則,裝置盡量簡單。同時,實驗中使用的藥品要盡量使用經濟實用的藥品。在使用過程中要提前做好精確的藥量計算,保證藥品不浪費。同時也保證實驗效果。
5.經濟性:設計實驗時,要充分考慮器材、藥品的價格,在保證實驗效果的前提下,盡量選用經濟實惠的藥品和器材。
(二)化學實驗方案設計的基本內容
化學實驗設計前一定要充分了解與實驗相關的基本內容,提高設計實驗的準確性及設計效率。實驗方案設計主要包括以下幾方面內容。
1.實驗名稱,保證別人看到名稱能夠大概了解實驗內容。
2.實驗現象,即實驗過程中要驗證的內容,也就是我們的實驗目的。
3.在實驗過程中涉及到的基本原理,包括反應原理、裝置原理等。
4.實驗中運用到的具體器材、藥品等。
5.實驗過程中,實驗裝置的具體安排,藥品的添加以及其他具體的操作步驟。
6.對實驗中容易出現錯誤或安全隱患的地方加以標注警示。
7.詳細記錄實驗過程中現象出現時間以及實驗的最終結果。
8.實驗完成后對實驗的總結反思。
(三)化學實驗方案設計的注意事項
1.藥品和儀器是需要補充還是在限定范圍內選擇。若藥品和儀器只部分給出,則應作出必要的補充,若限制范圍,則應進行篩選和淘汰。
2.條件有無特殊要求。如采用最簡單或最合理的實驗步驟,這些要求對我們考慮反應原理、選擇藥品和裝置、確定操作步驟都作了限定,必須高度重視。
3.實驗過程中的隱蔽性操作。如某些必要的干燥、除雜、冷凝等,這些都是實驗中必不可少的,但容易被忽略。
4.儀器、藥品的描述。有些題目要求指出藥品的名稱,一定要指出試劑的全稱,如:硫酸銅粉末、澄清石灰水、酸性高錳酸鉀溶液、濃硫酸、飽和NaHCO3溶液、NaOH溶液等。此外也應該注意某些儀器的規格。
5.會畫簡單的實驗裝置圖。考綱要求能夠繪制和識別典型的實驗儀器裝置圖,有時要求繪制實物圖,有時則按要求畫出簡筆畫。
6.其他注意事項。如冷凝回流的問題;冷卻問題;防止倒吸問題;具有特殊作用的實驗改進裝置,如為使分液漏斗中的液體能順利流出,用橡皮管連通裝置;為防止氣體從長頸漏斗中逸出,可在發生裝置中的漏斗末端套一支小試管等。
二、化學實驗方案的評價
化學實驗設計中非常重要的一步就是方案的自我評價。我們要從實驗的實際操作情況入手,評價實驗的嚴密性、科學性、環保性、安全性等幾個方面。
(一)全面分析實驗設計的可行性
實驗設計的可行性是實驗能否正常開展的前提也是對實驗設計評價的開始。對于實驗的可行性評價,應注重從以下幾點著手。
1.實驗設計是否有足夠的理論支持,是否遵循實驗要求,能否有效得到實驗結果。
2.實驗設計的操作過程是否安全可控,是否合理。
3.實驗步驟是否簡潔方便,是否可以用最少的步驟得到明顯的實驗效果。
4.實驗設計是否涉及安全問題,如有涉及,有沒有合理有效的防范措施。
(二)從“綠色化學”視角對實驗方案做出評價
“綠色化學”要求設計安全的、對環境友好的合成路線,降低化學工業生產過程中對人類健康和環境的危害,減少廢棄物的產生和排放。據此,對化學實驗過程或方案從以下4個方面進行綜合評價。
1.反應原料是否易得、安全、無毒。
2.反應速率是否較快。
3.原料利用率以及合成物質的產率是否較高。
4.合成過程中是否造成環境污染。
(三)化學實驗的評價要符合高考理綜考試的要求
理綜實驗試題的設計無論是客觀題還是主觀題,都把問題編制在特定的材料之中,如何提高得分率是每個考生必須高度重視的問題。在做好實驗知識復習準備之后,還需要有針對性地做一些練習題,練習要以學科內綜合為主,適度進行跨學科綜合訓練,有利于我們形成解題新思路、新角度、新視點和新方法。具體要做到以下。
1.認真讀題審題,讀懂材料在說什么,從中提取有效信息;讀清設問在問什么,搞清設問的特殊指向性,即從什么角度,運用什么知識,切忌沒讀清題意就盲目作答,那只會離題太遠,影響得分。
2.聯系教材,回扣教材,針對問題,反饋教材、發散思維,找準切入知識的角度,一般會涉及多個角度,把這些知識點羅列出來,然后,聯系材料概括作答。
3.精心組織答案,一目了然,答案要序號化、步驟化、要點化,并且字跡要整潔,語言要流暢,這些都是影響得分的因素,都值得注意和參考。
理綜中對實驗的要求是必須緊緊抓住課本,突出重點和主干,又不放過任何一處細小的知識點,還要掌握每一個實驗知識點,每一節與其他章節的聯系,從而構建自己的知識體系網絡,提升自己宏觀駕馭實驗的能力。
三、結語
高中化學實驗教學,是化學教學中的重中之重。我們每一名化學教師都應做好實驗設計以保證實驗教學的有效開展,提高學生的學習效率和學習興趣。同時,教師引導學生學會自己設計實驗。實驗方案設計應注意以下幾點。
1.從教學內容出發,充分分析教學涉及到的知識點,保證實驗的切題性,并選用最能體現教學內容的實驗原理。
2.確定好實驗原理后,選用經濟實惠的藥品和能夠使實驗效果最明顯的顯示出來的實驗裝置。
3.實驗設計好后,要反復驗證實驗的有效性,現象是否能夠呈現,原理運用是否正確,進一步完善實驗。要針對實驗中的裝置、藥品與實驗中涉及到的實驗原理反復驗證,保證實驗能夠順利進行。對實驗中容易出現錯誤的地方,要反復思考。
參考文獻:
1.張芳賢,《新課標下中學化學課堂教學如何引導學生進行實驗》,2008.1
Science and Technolgy
The Proceedings of the 5th
Asia-Pacific Drying
Conference vol.1 & Vol.2
2007, 662pp;699pp
Paperback
ISBN:9789812779984; 9789812779991
陳國華編
ADC是亞太干燥會議(Asia-Pacific Drying Conference)的簡稱,是每兩年一屆的國際會議。它為干燥學術界和工業界人士提供了一個交流思想和介紹最新成果的機會。語言為英文。
本書是該系列會議的第五屆會議論文集。該會議于2007年8月13-15日在香港科技大學舉行。會議榮譽主席是新加坡國立大學工程科學系和機械工程系Mujumdar教授,主席是香港科技大學化學工程系陳國華教授。會議收到了來自33個國家和地區的論文摘要245篇,全文218篇,195篇論文在會議上發表。會議論文集分為兩卷,精選論文在《Drying Technology Journal》,《 Journal of Applied Thermal Engineering,》 and 《International Journal of Food Engineering》 和《中國化學工程學報》(英文版)等專業刊物上發表。
來自29個國家和地區的166名代表參加了本次會議,會議期間,與會代表就干燥技術理論與實驗研究的現狀與發展展開了熱烈討論。
本次會議除了與各種干燥會議相類似的一般專題之外,還涉及以下專題的文章:干燥過程的能耗;綠色干燥技術;干燥過程的生態狀況;干燥產品的質量特征;新型干燥器結構;新型替代干燥技術;干燥在生物技術領域的作用;干燥在納米技術領域的作用。
會議一共有12個主題報告,分別為:1.Arun S. Mujumdar 和 Wu Zhonghua,熱干燥技術的新發展與研發前景;2. Xiao Dong Chen和 Kamlesh Patel,使用噴霧干燥及后處理生產優質食品顆粒;3.Yuan Yuejin和Liu Xiangdong等,多孔介質干燥中的不規則毛孔網狀結構數值與實驗研究;4. Hidefumi Yoshii等,運用噴霧干燥技術的蛋白質封裝及晶體轉化方法;5.Andrieu Julien,藥用蛋白質小瓶冷凍干燥過程中冰晶形態結構的特性、實驗數據及控制;6.Natalia Menshutina,制作納米多孔固體材料的基本原理;7.Hosahalli Ramaswamy,滲透干燥技術的原理、技術及建模;8.T Tao, XF Peng和 DJ Lee 等,泥塊的對流干燥模型;9.Wei Wang 和Guohua Chen,含水溶液冷凍干燥中的幾個難點;10.Bhaskar N. Thorat等,工業干燥中處理技術的發展;11.Dixit和 W.J.Murray Douglas等,干燥對銅版紙結構、表面及應力特性方面的影響;12.Ingvald Strθmmen等,一種用于干燥生物材料的新的可能技術――使用熱泵的常壓冷凍干燥技術。
最佳論文3篇:1. Kamlesh C. Patel 和 Xiao Dong Chen:使用反應工程方法對濃縮乳清蛋白噴霧干燥進行建模的靈敏度分析;2.G.R. Askari, Z. Emam-Djomeh 和 S.M. Mousavi:涂層與微波輔助熱空氣干燥對蘋果片顏色動力學變化的綜合影響;3.J. Kowalski 和Andrzej Rybicki:干燥后應力體的復水。
本書匯集了近兩年在干燥技術領域最新的實驗與理論研究進展,對于干燥技術將來的發展方向也進行了分析與展望,對于從事干燥技術及相關專業的科研人員具有重要的參考價值。
論立勇,博士生
(中國科學院理化技術研究所)
有機化學是一門實踐性很強的學科,掌握有機化學實驗的基本操作技能是學生以后進行有機化學實驗的重要基礎。針對藥學學科特點設計技能實驗項目,如有機物物理常數的測定、有機物分離提純等,加強學生的基本操作訓練,使學生掌握規范的實驗技能。藥學實驗中安排了21學時的基本操作實驗,占總實驗學時的38.9%,幾乎涵蓋了所有有機化學實驗的基本操作。同時,將藥學專業的基本操作實驗分為獨立實驗和綜合實驗兩部分,如將有機物熔點的測定與咖啡因提取實驗結合、將有機物折光率的測定與檸檬烯提取實驗結合等,既培養了學生的基本實驗技能,又提高了學生對有機化學實驗的認識,讓學生認識到基本技能在實際工作中的重要性,為學生今后獨立工作打下了堅實的基礎。
2整合實驗教學內容,注重新技術的應用,培養學生的科研意識和創新能力
我們通過在教學實踐中不斷分析和探索,整合了藥學專業有機化學實驗教學內容,避免了一些實驗的重復設置。如有機物折光率的測定實驗學生已經在物理實驗中學習過,有機化學實驗中不再單獨設置,而是把折光率的測定與有機物的提取、合成實驗整合在一起,不僅節省了時間,而且使學生對基本操作的運用范圍有了全面的認識。同樣,考慮到學生在中學階段已經接觸過諸如醛、酮、醇、羧酸等化合物性質的驗證性實驗,繼續保留這些實驗不僅重復,而且對學生技能的提高及能力的培養沒有大的幫助,在實際應用中也存在一定的局限性,因而在教學安排中調整了驗證性實驗,并將驗證性實驗學時壓縮為有機化學實驗總學時的16.6%。事實證明,壓縮上述實驗為藥學專業學生節約了時間,有利于學生將有限的學時用于強化操作技能、培養科研能力和拓展創新思維上。綜合性實驗和設計性實驗在考查學生對基礎理論知識的掌握及實驗技術的應用上具有重要作用。所以,我們針對藥學專業的特點,突破實驗內容的限制,在教學實踐中增加了綜合性實驗及設計性實驗的比例,使此兩類實驗占到有機化學實驗總學時的44.5%。如將阿司匹林的合成、熔點的測定和高效液相色譜技術3個不同類型的實驗整合成一個綜合性實驗,要求學生在合成阿司匹林后,對阿司匹林進行熔點測定,在獲得阿司匹林基本物理常數后,利用高效液相色譜儀對阿司匹林進行色譜分析。通過上述實驗的整合,不僅加強了學生基本技能的訓練,而且培養了學生綜合運用知識分析問題和解決問題的能力。同時,積極引導學生對實驗中出現的問題進行研究探索,激發學生參與實驗的熱情,提高學生對有機化學理論知識的掌握與應用。設計性實驗針對藥學專業學生未來的工作實踐及繼續深造的需要,結合本學科教師的科研內容,讓學生直接參與教師的科研課題,培養學生的科研意識和創新能力。如我們在教師科研的基礎上為藥學專業學生設置了大黃中蒽醌苷元的提取、分離和檢驗識別實驗,學生在完成該實驗的過程中,在教師的指導下進行文獻資料的檢索及分析,并運用專業知識進行實驗方案的設計及實驗結果的分析等。通過類似的設計性實驗,培養了學生查閱文獻的能力,使他們及時掌握了國內外相關專業的研究現狀及發展趨勢,大大開闊了學生的視野,拓展了學生的思維,培養了學生的創新精神,使學生主動參與實驗的意識明顯增強,同時使學生對科學研究有了一個較完整的認識,培養了學生的科研意識及科研能力,為其今后工作及繼續深造打下了一個良好的基礎。
3實現有機化學實驗的微型化、綠色化,加強學生的環保意識
x做到實驗的絕對綠色化,但我們積極探索對部分實驗的改進,實現綠色化設計,盡量選擇低毒或無毒試劑,刪除對環境危害大的實驗,選擇對環境污染小、用藥少的實驗,盡可能將實驗對環境的損害降至最低。如在教學中將原來水蒸氣蒸餾實驗“從煙絲中提取煙堿”改為“從橙皮中提取檸檬烯”,降低了實驗對環境的污染和對學生造成的傷害。同時,增加以天然無毒物質為原料的實驗,如實驗中設置了從茶葉中提取咖啡因、綠色葉子中色素的分離等實驗,做到從原料到產物都對環境無污染,達到了保護環境的目的。積極改進實驗方法,嘗試開展微型化實驗。微型化實驗起源于埃及學者E.C.Grey的《化學實驗的微型方法》一書,1982年,美國Mayo和Pike等人在有機化學實驗中采取主要試劑為mmol量級的微型制備實驗,取得了成功,從而掀起了研究與應用微型化學實驗的熱潮,并受到環保界的大力贊揚。在教學實踐中,我們在保證實驗成功的前提下,積極探索實施微型化實驗,不僅降低了實驗中藥品用量過多造成的資源浪費和環境污染,而且幫助學生樹立了藥品定量的意識。此外,相對于常量實驗,微型化實驗對實驗者基本操作、實驗技巧及實驗的準確性都提出了更高的要求,這就促使學生提高實驗技能并在實驗過程中形成認真細致的作風,同時培養了其縝密嚴謹的科學態度。在教學中將綠色化學的理念融于實踐中,讓學生樹立起綠色環保意識。在有機化學實驗中常常不可避免地產生一些廢棄物,如不及時處理則會對環境造成極大污染,而且會淡化學生的環保意識,使其養成不良的實驗習慣。因此,在有機化學實驗教學中,應把廢棄物的回收處理作為一項重要的教學和科研任務來完成。如柱層析中的洗脫劑、合成實驗中的副產品等都要進行回收或進行無害化處理后再進一步利用。應將實驗中廢棄物的處理作為考核項目,要求學生在預習時設計實驗產生的廢棄物的相關處理方法,并在實驗中付諸實施。通過訓練,使學生靈活應用了所學的理論知識及實驗技能,并養成了廢棄物及時回收處理、循環使用的良好習慣,具備了從事綠色化學研究與開發的基本素質與能力。
4改進實驗考核機制,培養學生良好的實驗素質和綜合能力