周寧懷

(全國微型化學實驗研究中心,杭州師范大學材化學院 浙江杭州 310012)

海峽兩岸微型化學實驗之發(fā)展

周寧懷

(全國微型化學實驗研究中心,杭州師范大學材化學院 浙江杭州 310012)

回顧了海峽兩岸微型化學實驗的進展和成果,指出其發(fā)展特色及互補性。

1 微型化學實驗在內(nèi)地的發(fā)展

1988年底,在北京大學舉行的大學化學教學研討會上,作者在題為“美國化學教育的動向”的報告中,著重介紹了微型化學實驗 (microscale laboratory,簡寫為ML),受到不少與會教師的關(guān)注。隨即在高等學校化學教育研究中心的科研規(guī)劃中列入“大一化學的微型實驗研究”項目,成立了由作者牽頭的課題組。稍后,“塑料微型實驗儀器的研制”和“成套微型玻璃儀器的研制”均被列為原國家教委教學儀器新產(chǎn)品的研究項目。課題組從此開始進行了有關(guān)ML硬件 (儀器)與軟件 (實驗方案)的開發(fā)與研究工作。美國的 Journal of Chem ical Education雜志自 1989年 11期起開辟ML專欄,集中發(fā)表有關(guān)論文,至今此專欄仍在刊出。這是國際上重視ML,并在全球推廣應(yīng)用的標志?？梢?國內(nèi)開展ML工作基本上與國際同步。1990年 4月首屆全國ML研討會在杭州舉行。迄今此研討會已舉行過 8屆,每屆都有論文集出版。2009年 7月,在內(nèi)蒙古民族大學召開了“中國化學會第 8屆ML研討會暨第 6屆中學ML研討會”,共收到論文 120篇,來自海峽兩岸以及日本的學者共 125人參加了這次盛會。顯示了ML在中國內(nèi)地以及香港、澳門和臺灣地區(qū)都有了很大的發(fā)展。

實踐表明,ML不是常規(guī)實驗機械地減量或縮微,而是在綠色化學理念指引下,利用微型化儀器裝置進行的化學實驗的創(chuàng)新變革。ML的試劑用量可比相應(yīng)的常規(guī)實驗節(jié)約 90%左右,時間節(jié)省 1/3以上。兩套微型化學儀器于 1992年通過部級鑒定并批量生產(chǎn);與之配套的微型化學實驗教材也緊跟其后出版[1]。迄今采用ML的各類學校已有千余所,其中包括相當數(shù)量的師范院校,部分省市重點中學對微型化學實驗也非常重視,陸續(xù)進行了微型化學實驗的教學改革。經(jīng)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)同意,全國微型化學實驗研究中心作為高等學?；瘜W教育研究中心的專項研究機構(gòu)于 1999年成立,以協(xié)調(diào)推進國內(nèi)微型化學實驗的發(fā)展和開展國際學術(shù)交流。中心與香港浸會大學發(fā)起組建了亞太地區(qū)ML協(xié)作網(wǎng),并與該校合作成功舉辦了笫 2屆國際ML研討會(2nd IS MC)。近幾年來作者曾應(yīng)邀到日本、新加坡、泰國和墨西哥的多所院校主辦中國模式的普化微型實驗研習班 (workshop on general chemistryML——the Chinese approach)。在第 13屆亞洲化學大會(13th ACC,白春禮院士任大會主席)上,ML研究中心應(yīng)聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)和亞洲化學聯(lián)合會(FACS)之約請,分別與兩者合作舉辦了兩個ML專題研討會:①UNESCO-CH INA′sML workshop,共有 12個口頭報告和 20余套新開發(fā)的ML儀器的展講,著重展示大中華地區(qū)ML進展;②“hands-on microscale experiments workshop(動手做的ML的研討會)”,在研討會期間,與會者可以親自做 8～10個無機與有機的ML,反映很好。

2 微型化學實驗在臺灣的發(fā)展

臺灣師范大學蕭次融教授在 1988年研發(fā)了簡易化學實驗箱,設(shè)計了系列有趣而實用的演示實驗;臺大余端林、劉廣定等開展“邁向零污染的普通化學實驗設(shè)計”;方金祥教授自 1993年起,圍繞減量減廢低污染的目標,對一些實驗進行了微型化的設(shè)計與研制,如微型水電解裝置、微型干餾裝置等,并于臺南地區(qū) 8縣市及金門等地舉辦離島及山地學校師生ML研習班與推廣活動,受到歡迎。通過實踐,方教授總結(jié)出微型實驗具有體積小、時間省、反應(yīng)快、效果好、易操作、又安全、動手多、趣味高、用藥小、污染低的優(yōu)點,即“小、省、快、好、易、安、多、高、少、低”十字訣[2]。2002年底,方教授邀請筆者到高雄師大共同舉辦ML研習班。方教授進而將ML與科普結(jié)合,設(shè)計出一系列有趣的微型科玩教具,如微型水火箭,聽話的潛水夫等等,用于師資培養(yǎng)。2007年,臺師大承辦第 2屆亞洲化學教育研討會 (2nd N I CE),ML亦是主題之一。不僅會上有ML專題研討會和報告[3],會后還組織學者到臺北建國中學等校宣講ML。洪文東、莊嘉坤教授、楊水平副教授等最近都發(fā)表了ML論文。

3 微型化學實驗在香港的發(fā)展

香港科技大學等校在 20世紀 90年代已在實驗室中引進Mayo型等微型儀器,但主要用于科研。1997年以來,香港浸會大學陳永康教授 3次邀請筆者前往該校作ML講座并商討有關(guān)合作事宜。在香港特區(qū)政府教育署的支持下,浸會大學近年來多次主辦面向全港化學教師的ML研習班[4],先后有近 800名教師參加,對推動香港中學開展ML起到重要作用。由浸會大學承辦的 2nd IS MC于 2001年 12月成功舉行,共有美、日、英、德、瑞典、以色列、南非、澳大利亞、新加坡、中國內(nèi)地以及香港和臺灣地區(qū)的 200多名學者參加 (含 workshop)。會后,陳教授被推舉為亞洲化學會低成本儀器及微型化學項目組負責人。在他的主持下,浸會大學開發(fā)出低成本光度計,并于 2002年 12月舉辦面向亞洲的低成本儀器與ML研習班,有尼泊爾、菲律賓、印度、中國內(nèi)地以及香港和澳門地區(qū)的學者參加,目前微型實驗已編入教育署的教材;許多大、中學校的教學開始應(yīng)用ML。

資深教師陳國民,退休后致力于ML儀器的研發(fā),研制出一些新穎的儀器,如綠色餾液收集器,微型量熱計等,有的已批量生產(chǎn)。他主辦的香港微型化學實驗室融研發(fā)與生產(chǎn)為一體,已有一定知名度,他多次受邀到新加坡、泰國等地舉辦ML研習班,推廣其儀器。

4 微型化學實驗在澳門的發(fā)展

1998年以來,澳門培正中學,濠江中學,培道中學等校相繼舉辦ML講座。培正中學在學生科技活動中采用微型實驗取得了成效,在該校校慶活動中展示了這方面成果,受到師生與家長好評。該校己與ML研究中心商討以采用ML為核心,建造綠色化學實驗室的計劃。濠江中學申報加強學生實驗探究能力培養(yǎng)的項目獲得澳門特別行政區(qū)政府的資助,已在試點班教學中采用ML。隨著大眾對生態(tài)文明建設(shè)日益關(guān)心,應(yīng)用ML的學校日漸增多。

5 兩岸微型化學實驗研發(fā)與應(yīng)用的主要成果

由于大中華地區(qū)投入ML研究與應(yīng)用的人員較多,迄今成果豐碩。據(jù)不完全統(tǒng)計已正式出版ML著作、教材[4-10]和論文集共 40冊,發(fā)表論文超過 1600篇[11-12]。

微型儀器的研制開發(fā)是開展ML的基礎(chǔ),呈現(xiàn)出百花齊放,多種類型并存的態(tài)勢?，F(xiàn)已形成 4大類型的微型儀器:(1)玻璃微型儀器。批量生產(chǎn)的有:微型化學制備儀 (HZ-1型),微型無機成套玻儀(天津大學),微型有機成套玻儀 (山東大學、云南大學各一套),少量-半微量有機制備儀(北京大學)等 5套用于大學教學;用于中學化學的微型玻璃儀器也有 5套 (重慶教院、貴陽師專、湛江師院、衡陽醫(yī)學院及 HZ-2各一套)。(2)以多用滴管、井穴板和帶導(dǎo)氣管的井穴塞為核心部件的塑料系列微型儀器,以其低成本,新穎性,功能多,藥品省而受到廣泛歡迎,已列入教育部頒布的中學理科教學儀器目錄而得到大面積的推廣。(3)微型定量儀器。如微量滴定管 (武漢大學研制,總體積 3mL,可讀出 0.001mL),以LED為光源的微型光度計,微型熱量計等。(4)其他類型的創(chuàng)新微儀。如微型離子交換柱,木材干餾裝置,新穎電解管,微型無水回餾蒸餾裝置等。

內(nèi)地的ML推廣應(yīng)用得到教育行政部門、專家和師生的高度評價,迄今為止,共有 5項以ML為主要內(nèi)容的教研項目被評為全國高校國家級優(yōu)秀教學成果獎,它們是:①微型化學實驗的研究與教學實踐(原杭州師院與華東師大,1993);②微型實驗在農(nóng)科有機化學教學中應(yīng)用(華中農(nóng)大,1997);③微型實驗在輕、化、紡專業(yè)的應(yīng)用 (齊齊哈爾大學 2001);④推廣微型實驗改革,促進創(chuàng)新教育的實踐(云南大學,2001);⑤化學創(chuàng)新教育模式的理論與實踐 (貴陽師專,2001)。獲得省、部級獎勵的ML成果更多。重視ML在各類專業(yè)、各級學校的教學中的應(yīng)用在內(nèi)地已形成潮流。在新近出版的各種化學實驗教材中,幾乎都增加了ML的內(nèi)容。

臺灣方金祥教授以綠色化學為指導(dǎo),從教學與環(huán)保需要出發(fā),用日用塑料制品或廢物制作出一批制作精美的微型實驗裝置。如微型水電解器、微型滴定裝置、氣體制備微型發(fā)生器、簡易噴泉裝置等,其中不少裝置多次獲得臺灣發(fā)明專利和環(huán)保大獎。匯總他的成果的著作《微型化學實驗之設(shè)計與制作》[2]和《化學教學資源——微型化學實驗教學理論與實務(wù)》均已出版。

香港浸會大學在推進ML在當?shù)貙W校的應(yīng)用的同時,致力于低成本儀器的研制。開發(fā)出價格在千元左右的光度計,現(xiàn)已批量生產(chǎn),可用于空氣中有害成分 NOx、SOx含量測定,使普化實驗的定量化與微型化邁上了一個新臺階。陳永康教授主持編輯了 Journal of Chem ical EducationML專輯,該校還出版了國際微型化學研討會論文摘要集和ML Workshop手冊 3本,對香港特區(qū)和亞太地區(qū)ML的推廣產(chǎn)生了積極影響。

澳門培正中學和濠江中學是當?shù)赜兄匾绊懙膶W校。它們對ML的重視與特區(qū)政府對教研項目的大力支持,必能在不久的將來,取得具有示范性的ML成果。

6 兩岸微型化學實驗發(fā)展特色

內(nèi)地的ML發(fā)展迅速,現(xiàn)已形成以下特色:

(1)ML研究與應(yīng)用的學科覆蓋面廣,包括無機、普化、分析、有機、物化、高分子化學實驗和中小學科學(含理化生)的ML。

(2)開發(fā)的ML儀器在規(guī)格與型號的多樣性、系列配套與低成本等方面在國際上具有優(yōu)勢,但在儀器的創(chuàng)新性、簡約化、精確性、優(yōu)化組合上還需努力。

(3)內(nèi)地ML的發(fā)展是與教學觀念更新、素質(zhì)教學的實施相互促進的。面向全體學生,以學生發(fā)展為本,以培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實踐能力為核心的素質(zhì)教育既給ML發(fā)展以指導(dǎo),又為它的推廣應(yīng)用提供廣闊平臺。如一些學校設(shè)立創(chuàng)新實驗室或微型實驗室,為開展學生探究性實驗,進行研究性學習和科技創(chuàng)新活動提供了有效的方法與基地。

臺灣方金祥教授多利用塑料廢棄容器及三通活塞等制作成具有可操作性、安全和趣味性的微型裝置,同時不斷推出新型裝置,體現(xiàn)了旺盛的創(chuàng)新精神和精湛的制作技巧。

香港學者充分發(fā)揮香港特區(qū)國際資訊與高科技優(yōu)勢,著重開展ML國際學術(shù)交流在低成本微型精密儀器研發(fā)方面取得顯著成果。在面向東南亞推廣微型實驗上做了大量工作。

綜觀兩岸微型化學實驗發(fā)展特色,可明顯看到綠色化和創(chuàng)新性是ML最受青睞之處,這也是ML魅力之所在。只有堅持不懈地把ML用于教學實踐,為提高學生科學素質(zhì)服務(wù),ML才能不斷發(fā)展,才能取得最大的社會效益和經(jīng)濟效益。

對照兩岸的ML成果,我們可清楚地看到各地間存在著很強的互補、互動性。香港與內(nèi)地都致力于開發(fā)通用型微型實驗的軟、硬件,但側(cè)重點不同。臺灣研制的系列微型儀器裝置體現(xiàn)出很強的創(chuàng)新性和趣味性。這些經(jīng)驗都是值得相互借鑒學習的。更重要的是,兩岸學者圍繞ML的各項工作,展現(xiàn)了開展微型化學實驗的實力和成果,使我們在國際微型化學實驗領(lǐng)域占有不容忽視的地位,例如,在 13th ACC的UNESCO-CH INA’sML workshop和 2nd IS MC兩個國際ML學術(shù)會議上,兩岸學者被錄用的論文占論文總數(shù)分別為 75%與 87%?？辞暹@一點,更激勵我們加強相互交流,相互促進。特別要培養(yǎng)造就一批有朝氣和干勁充沛的中青年ML骨干,把握當前機遇,把ML的研究與應(yīng)用推向更高的層次,為提高化學教育質(zhì)量和生態(tài)文明建設(shè)服務(wù),為國際化學教育事業(yè)作出更大的貢獻。

[1] 周寧懷,宋學梓.微型化學實驗.杭州:浙江科技出版社,1992

[2] 方金祥.微型化學實驗設(shè)計與制作.高雄:高雄復(fù)文圓書出版社,1998

[3] 臺灣師范大學科學教育研究所.Proceeding of 2nd N ICE(Network for Inter-Asian Chemistry Educators)Symposium,2007

[4] 香港浸會大學化學系.Manual forMicroscale ChemistryWorkshop.香港:香港浸會大學出版社,2000

[5] 關(guān)燁第,葛樹豐,李翠娟,等.小量-半微量有機化學實驗.北京:北京大學出版社,1999

[6] 周寧懷.微型無機化學實驗.北京:科學出版社,2000

[7] 李霽良.微型半微型有機化學實驗.北京:高等教育出版社,2005

[8] 赫春香,張淑敏,楊梅,等.微型定量分析化學實驗.大連:大連海事大學出版社,2001

[9] 黃濼.化學新課程中微型實驗探研活動的設(shè)計.北京:化學工業(yè)出版社,2005

[10] 李青山.微型高分子化學實驗.笫 2版.北京:化學工業(yè)出版社,2009

[11] 萬平,周賢爵.微型化學實驗.北京:中國石化出版社,2009

[12] 何樺,張義建.內(nèi)蒙古民族大學學報,2009(4):85