基于“绿色化学”理念的分析化学实验混合式教学实践——以葡萄糖含量测定为例

冯小庚 娄振宁 王月娇 毛全兴 许旭

辽宁大学化学院 （辽宁沈阳 110036）

分析化学实验课程作为化学、应用化学、食品科学、生命科学等专业的基础课程，在整个高校教学体系中起着至关重要的跨专业衔接作用[1-2]。辽宁大学（以下简称“我校”）化学院开设的分析化学实验课程在引领学生以实践形式掌握分析化学相关专业基础知识的同时，着力于提高学生的创新思维、创新意识和解决实际问题的能力，致力于培养能全面适应新时代背景要求、可推动社会和经济可持续发展的高素质创新型人才。作为辽宁大学化学院面向本科生的专业基础课程，分析化学实验课程所设实验项目丰富，参与课程的学生数量众多，因而教学过程中所使用的化学药品、试剂种类众多且使用量巨大，若处理不当，不但会对生态环境造成污染，还有可能对参课师生的身体健康造成威胁。此外，《辽宁大学化学院分析化学实验课程大纲》所规定的部分实验项目所用的化学药品、试剂，有的价格高昂，有的制备过程需要耗费极大的人力、物力资源，如不合理规划使用量，会造成严重的资源浪费。

综上所述，现阶段我校分析化学实验课程仍存在以下两个主要问题：（1）参加分析化学实验课程的学生数量众多且需独立完成实验，实验教学所需化学药品、试剂使用量大，不仅易对生态环境造成污染，也增加资源损耗，造成浪费；（2）部分参课学生因操作不规范、缺乏环保意识、实验原理及操作方法掌握不扎实等原因，需反复多次实验，进一步加剧资源损耗。

近年来，随着全社会环境保护意识与节约意识的提高，“绿色化学”理念在化学实验教学中受到越来越多的关注[3-5]。“绿色化学”又称为可持续发展化学，该理念提倡高校在进行实验课程教学时，通过合理规划教学内容、培养学生的环保意识等方法，从源头减少或避免使用对生态环境和人体健康有害的化学药品、试剂，以保护生态环境，降低实验成本[6-7]。受“绿色化学”理念的启发，我校分析化学实验课程教学团队依托《辽宁大学化学院分析化学实验教学大纲》，以葡萄糖含量测定实验为例，推行了强化课前预习、虚拟实验应用、“绿色化学”意识培养、微量实验法推广等多种手段相结合的分析化学实验课程教学改革与实践。

本次教学改革以葡萄糖含量测定实验为例，使学生深入理解并掌握间接碘量法测定溶液中葡萄糖含量的原理、培养学生“绿色化学”意识、强化学生对专业知识理解及实验技能掌握的同时，通过推广虚拟实验法和微量实验法，在保证葡萄糖含量测定实验结果准确性和教学效果的前提下，最大限度地减少碘化钾、碘酸钾等反应物的使用剂量，有效地保护生态环境，显著地降低实验教学成本。此外，本次教学改革与实践为我校分析化学实验课程中其他实验项目教学提供了良好的改革依据，有助于我校分析化学实验课程实现高素质人才培养与生态环境保护双维度可持续发展的教学目标。

1 利用线上资源，筑牢基础

在以葡萄糖含量测定实验为例的分析化学实验课程改革中，教学团队收集并筛选了大量包括教学视频、中英文双语教材、英文板书、实验现象视频在内的优秀网络教学资源，并对其进行拓展、整合、优化。以整合优化后的网络教学资源为基础，授课教师在课前利用校内小规模在线课程平台（下文简称“SPOC 平台”）向学生下达任务，安排学生对实验内容进行预习。与此同时，授课教师通过线上SPOC 平台发布葡萄糖含量测定实验相关的讨论话题，如葡萄糖含量测定对食品工业和医学研究的意义、葡萄糖含量检测的常用方法等，激发学生的学习兴趣，使学生了解葡萄糖含量测定的实验目的、实验原理、实验方法和实验步骤，也避免因学生预习不足引起的人身伤害和实验药品浪费。

学生完成实验预习后，可通过线上平台向授课教师提出问题，并带着问题进行课堂实验。在课后，授课教师也会利用校内SPOC 平台向学生发布与葡萄糖含量测定实验相关的拓展资源，例如国家标准规定的检测葡萄糖含量的方法、血糖仪的检测原理等，帮助学生更加深入地理解葡萄糖含量测定实验的原理，有效地将课堂所学的理论知识与实际问题相结合[8]。

2 引入虚拟实验，深化理解

教学团队根据授课进度引导学生进行虚拟仿真实验操作练习。学生可在虚拟实验室中身临其境地模拟实验操作过程、观察实验现象。这种方式既不产生实验废弃物，也不会对人体造成危害。此外，学生在参加实验课程前进行虚拟仿真实验，能够加深对实验原理、实验步骤的记忆与理解，有助于提高在实际实验操作过程中的规范性，避免因不规范操作导致的人身伤害和实验资源浪费。同时，线上虚拟实验不受时间、空间的限制，学生可充分利用课余时间反复操作练习，逐步总结和反思。

针对葡萄糖含量测定实验，学生可利用虚拟实验平台进行溶液的配制、单质碘的制备和返滴定法操作练习等。操作结束后，虚拟仿真实验平台会根据学生各步骤操作自动生成实验数据，以便学生计算测定结果。虚拟实验结束后，虚拟仿真实验平台还会针对学生的各步骤操作给出综合性评价，帮助学生直观地认识到自己在实验过程中的不规范行为及错误操作，有效加深对葡萄糖含量测定实验原理及操作的理解。

3 推行微量法教学，践行绿色理念

参加分析化学实验课程的学生数量众多，实验过程中需使用的反应试剂品种繁杂。进行葡萄糖含量测定实验时，不可避免地要使用碘化钾、碘酸钾和硫代硫酸钠等药品、试剂。在这些试剂中，碘化钾和碘酸钾价格昂贵，且碘化钾是一种需要在实验过程中过量添加的反应物，反应结束后废液中仍有大量剩余。因此，基于传统常量法进行此项实验教学时，往往需要耗费大量的药品和试剂，并产生大量的碘排放。为践行“绿色化学”思想，降低实验过程中药品和试剂的使用量，保护生态环境，降低实验成本，教学团队推行了基于微量法的葡萄糖含量测定实验教学改革。教学团队通过严谨的理论设计，在确保葡萄糖含量测定结果准确性（测量相对误差不大于0.2%）的前提下，合理降低待测样本的采样量，进而降低整个反应过程中每一环节药品、试剂的使用量。在保证实验效果和教学效果的基础上，有效避免了实验资源浪费，保护了自然生态环境。

与传统常量法实验相比，改革后的微量法实验中多种药品用量明显降低，尤其是碘酸钾及浓盐酸。辽宁大学化学院分析化学实验课程年平均授课学生数量约为540 人，仅葡萄糖含量测定实验教学中，每年共计可减少碘酸钾使用量约810 g，减少碘化钾使用量约810 g,减少盐酸使用量约16.2 L。具体如表1所示。

表1 常量法与微量法实验药品使用量对比

4 规范实验操作，严守实验安全

众所周知，分析化学实验需严格按照实验相关标准与操作规范的要求进行，实验过程中的违规操作轻则导致实验失败和实验药品浪费，重则会直接危害实验人员的生命财产安全。在本次教学改革过程中，授课教师将“绿色化学”理念融入实验教学中，教导学生按照实验标准与操作规范，谨慎定量地称取实验所需药品，使学生意识到实验药品的正确、定量取用不仅关乎实验结果的准确性，更关系到人员安全、实验成本控制和生态环境保护。

在以往的葡萄糖含量测定实验教学过程中，部分学生忽视药品称量操作规范性，导致称量失败、重复操作，更有甚者将称量失败的药品随意倒入水槽或垃圾桶中；还有学生在实验结束后将实验废弃物不经处理就直接倾倒。针对这些问题，在本次教学改革中，授课教师结合学生在实验过程中出现的错误操作及时向学生解释“绿色化学”理念中的资源节约思想和环境保护思想，督促其改正不当操作。并在后续实验中严格遵守操作规范。

5 培养绿色化学意识，思政赋力

教学团队以辽宁大学化学院正式出版发行的化学类思政专著——《化学课程思政元素》和录制的思政微课为素材，在葡萄糖含量测定实验教学过程中，以思政案例为索引，向学生系统性地传递绿色化学相关知识与思想，培养学生的绿色化学意识。除此之外，教学团队还将“培养绿色化学意识”和“提高学科自信”有机融合，以树立、培养绿色化学意识，大力深化科技前沿信息理解，高效激发学生学习兴趣为目的，在教学过程中向学生推荐多种多样的与绿色化学、可持续发展相关的科技前沿报道和文献，并利用其中高质量的科研成果引导学生进行深入思考与讨论。

借助推荐、讲解和深入讨论中国学者发表的高质量研究成果等手段，在加深学生对科技前沿信息了解的同时，也能有效提升学生的文化自信和学科自信。例如，在葡萄糖含量测定实验的课后拓展部分，教学团队向学生介绍由我国学者发表在Science和Nature Catalysis 等国际高水平期刊上的利用二氧化碳人工合成淀粉和葡萄糖的前沿文献，并引导学生就淀粉、葡萄糖等物质的合成方法及研究意义等问题进行深入讨论。

6 结语

针对分析化学实验课程中的葡萄糖含量测定实验，设计并实践了基于“绿色化学”理念的混合式教学改革。

通过引入优质线上教学资源，激发学生学习兴趣，强化课前预习效果，提升线下实验教学质量和效果；通过引入虚拟实验平台，加深学生对葡萄糖含量测定实验原理和内容的理解，让学生可以随时随地进行实验“演练”，有助于线下操作的“知己知彼”；推行微量法实验代替传统常量法实验，将葡萄糖含量测定实验的年均试剂、药品综合消耗减少70%以上，有效降低实验成本、保护生态环境；通过严格规范实验操作，不仅有效避免了因不当操作带来的人身伤害，也减少了因错误操作导致的试剂、药品浪费，进一步节约教学资源，保护环境；引入与绿色化学相关的思政案例，在树立学生“绿色化学”意识的基础上，提高学生的学科自信、文化自信，实现培养适应新时代背景要求的高素质人才的教学目标。

此外，相信本次以葡萄糖含量测定实验为例的绿色化混合式教学改革与实践，能够为分析化学实验课程中的其他实验项目提供良好的改革依据，助力分析化学实验课程的“一流课程”建设工作和相关专业的发展。