《RSC Sustainability》：Sustainable from the start-an exploration of green chemistry utilizing second-year inorganic principles
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这篇综述探索了如何将绿色化学理念与二年级无机化学原理（如配体设计、金属选择和催化机制）相结合，并开发出一系列基于探究和游戏化的教学活动。这些活动成功应用于2025年加拿大化学会议与展览（CSC）的研讨会，并进一步整合到本科三年级无机化学课程中。文章强调了在保持催化效率的同时，运用系统思维、平衡环境、健康、安全与生命周期评估（LCA）以及公平、多样性、包容性、可及性和和解（EDI-AR）原则，以推动可持续的催化剂设计和绿色化学教育的创新。
引言
当思考绿色化学及其与联合国17项可持续发展目标（SDGs）的关系时，海洋塑料污染、全球变暖和环境毒性等问题是首要关注点。无机化学在推动这些目标方面扮演着重要角色，尤其是在开发清洁能源、负责任消费与生产以及气候行动相关的催化系统和新能源方法领域。催化是绿色化学十二原则之一，在工业中应用广泛。绿色催化领域的发展焦点在于使用基础金属（如锰、铁、钴、镍）或主族元素替代当前的贵金属（如钯、铑、钌）体系。在这一领域取得可持续的进步需要采取整体方法，平衡配体设计、添加剂、溶剂和能源消耗，在保持高效率的同时提升体系的可持续性。
为达成目标建立伙伴关系：公平、多样性、包容性、可及性与和解在创建可持续研究空间中的作用
可持续发展不仅要考虑开发绿色替代方案的化学因素，还必须考量绿色化学中“人”的方面，包括哪些社区受到影响、哪些个体参与创新以及如何分享知识财富。这更深刻地关系到优质教育、性别平等、减少不平等、和平、正义与强大机构等可持续发展目标。通过发展实践社区，我们可以更好地支持未来的可持续发展领导者，并为目标建立伙伴关系。在构建实践社区时，将公平、多样性、包容性、可及性和和解原则融入平台设计、教育干预和研究创新至关重要。例如，数据显示，多元化的团队通常表现优于同质化团队，并与更好的问题解决和创新能力相关。化学会议提供了一个独特的平台，有助于发展由学术界和工业界的初级与高级研究人员组成的多元化实践社区。
游戏化作为绿色化学的教育切入点
游戏化学习和游戏化学习活动创造了低风险的学习环境，使参与者能够参与内容。在大学课堂中使用这些策略已被证明可以提高学生的积极性、表现以及与同伴的联系。本文描述的互动活动在2025年加拿大化学会议与展览期间，由加拿大化学学会绿色分会主办的两场独立研讨会上实施。第一场研讨会“窥视迷雾：工业与政府中问题解决的跨学科结构”旨在弥合初级研究人员与职业生涯之间的差距，让与会者接触来自工业、政府和科学出版领域的专业人士。第二场研讨会“探索绿色催化：模式、方法与目标”重点关注绿色催化剂的开发与应用，包括贵金属催化系统的基础金属替代品、配体设计、更环保的溶剂和试剂等主题。大约有60名参与者参加了这场为期半天的研讨会。在CSC取得巨大成功后，其中两项活动被进一步整合到一个三年级本科生无机化学课程中。
活动详述
活动0 - 窥视迷雾：为达成目标建立伙伴关系的悬疑解谜活动
该活动有意将参与者置于一个陌生且部分模糊的问题空间中，模拟现实世界可持续发展挑战中存在的不确定性、信息不完整和观点竞争。参与者分组协作，通过分享角色信封中的线索（包含不同角色的数据和证据）和查看社区布告板上的共享信息，来解决一个“可持续性谜团”，确定可持续性失败的原因和责任人，并提出未来的预防措施。活动目标包括与不同资历的研究人员合作、运用系统思维分析环境挑战、理解热点分析和污染物环境转化等关键概念。研讨会的反馈表明，参与者认为该形式引人入胜，有利于职业反思和建立网络，特别是非正式、低风险的活动有效降低了社交壁垒，促进了不同职业阶段和部门参与者之间的互动。
活动1 - 我们的角色：探索个体在开发可持续替代方案中的角色
参与者随机选择本科生、助教、实验室技术员、教授/实验室主任或健康安全官员等角色。从各自角色的视角出发，运用系统思维，审查一份关于从二茂铁合成乙酰基环戊二烯基（环戊二烯基）铁（II）的本科生无机化学实验，并提出改进其实验或实验室空间的可持续性方案。参与者可利用十二项绿色化学原则、Beyond Benign的绿色溶剂指南以及常见有机溶剂的环境健康与安全评估和生命周期分析等工具。反思显示，大多数参与者的建议集中在实验程序改进上，如减少实验规模、用更环保的替代品（如用乙酸乙酯替代二氯甲烷）替换试剂、选择低溶剂纯化方法等，这些反映了对绿色化学原则的初步理解。但较少涉及无机化学相关的具体改进或绿色指标的提升，突显了更深入的、学科特定的绿色化学教育的必要性。
活动2 - 可持续性解谜：利用二年级无机原理进行可持续催化剂设计
此活动包含三个谜题，旨在挑战参与者对配位化学、配体设计及其对常见无机转化影响的理解，同时融入绿色化学设计原则。
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谜题1 - 解离机制：参与者利用实体模型（代表不同N-杂环卡宾和膦配体）来演示金属-配体键强度如何受配体给电子性和空间位阻影响，并预测遵循解离机制的配体解离相对速率。更强的卡宾供体会削弱反位的金属-膦键，从而允许更快的解离速率。
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谜题2 - 铃木-宫浦交叉偶联实验设计的考量：参与者需要为铃木-宫浦交叉偶联反应选择金属、配体、溶剂、添加剂和反应条件。在揭示隐藏的可持续性评级（以叶子数量表示）后，参与者发现虽然镍或铁作为金属中心更环保，但为了实现功能，往往需要更苛刻的条件或更高的催化剂负载量。这引发了关于“绿色”与“效率”平衡的深入讨论，例如“如果镍更环保、更便宜，但用量是钯的两倍，它真的可持续吗？”。最终，与膦配体配对的钯由于具有水耐受性和较低的催化剂负载量，反而成为最绿色的合成选择。
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谜题3 - 用于N2O还原的绿色催化剂设计：参与者比较不同钳式配体的给电子性及其与镍、钴、铁、铱等金属组合时对N2O（一种来自工业肥料的臭氧消耗污染物）活化反应的反应性。参与者需要平衡所描述的反应性和合成知识，选择最合理的催化剂设计（铱与配体B的组合），这突显了在催化剂开发中交替改变配体设计、金属组合和绿色化学考量的循环过程。
研讨会的参与者热衷于动手组装解谜材料，并在20-30分钟内完成了谜题。相比之下，在三年级无机化学课堂上，学生更倾向于阅读工作手册，需要更多提示才会使用实体材料，且团队成员间沟通较少，可能由于对教育工具的新奇感、理解不足或缺乏动力。
活动3 - 关键词：减少废物与危害的谜题
这是一个入门级的绿色化学内容复习活动，参与者通过回答一系列与绿色化学和催化相关的问题来拼出一个关键词或短语，答案与字母和颜色相关联。该活动提供了内部反馈，无需等待引导者。参与者大约需要10-15分钟完成。观察发现，初级研讨会参与者和希望单独参与的参与者更倾向于先进行此活动，因为它对学科特定知识要求最低，且无需参与大型小组讨论，从而为开始建立绿色化学网络的与会者提供了一个低风险的切入点。
活动4 - 行动中的研究：关于当前绿色化学研究的讨论
该活动旨在展示绿色与可持续化学的当前研究，同时支持跨职业阶段的社区建设和专业互动。活动分为两部分：第一部分包括三位研究人员关于绿色化学前沿课题的简短报告及随后的小组讨论；第二部分侧重于促进关于将绿色化学学习成果融入个人研究和教育实践的圆桌讨论。与往年相比，为每个讨论桌分配一名引导者，能够引导更深入、更具吸引力的关于将绿色和可持续化学纳入研究环境的对话。
讨论
这项工作为在专业和教育背景下实施基于探究、游戏化的绿色化学活动提供了设计导向的见解。在研讨会和课堂实施中，开放式问题和共享实体材料等功能支持了协作推理，但所需的引导和明确框架程度因参与者经验而异。这表明，将可持续发展活动从研讨会成功转移到课堂，较少依赖于改变活动机制，而更多地依赖于根据目标受众调整模糊性、任务框架和引导者干预。
文章将所述活动按其广义学习目标分为三类：1. 将个体融入绿色化学社区（如活动0、1）；2. 建立对绿色化学应用的信心（如活动3、4）；3. 参与学科特定设计（如活动1、2）。在会议上，这些活动分布在两场研讨会中。“窥视迷雾”研讨会旨在通过可持续性视角弥合初级化学家与职业生涯之间的差距，而“探索绿色催化”研讨会则旨在向参与者介绍利用加拿大二年级无机化学课程中探讨的基本原理进行绿色催化剂开发。
在成功应用于2025年CSC后，活动0和2被实施于一个三年级无机化学课程。活动0在学期开始时作为入门活动使用，但学生最初对活动目标如何分类数据表现出理解不足。活动2在同一课程中实施时，学生同样不情愿使用触觉解谜组件，更多地依赖于工作手册和高绩效同伴的指导。这种参与度的巨大差异可能与“课堂沉默”现象有关。在会议环境中，参与者是自我选择参与，其参与动机已然存在。而在课堂环境中，学生无论其驱动动机如何都被要求参与。学生“搭便车”行为、能力差异、同伴与教育者之间的情感关系以及集体认同都可能影响课堂沉默。通过增加学生对游戏化等主动学习工具的熟悉程度，增强绿色化学和无机化学内容的相关性和适用性，以及营造包容性的学习环境，有助于改善课堂沉默。
将活动应用于大型课堂
对于大型课堂，活动0和1可以轻松实施，因为它们主要以对话为基础，材料可以在线提供。活动2和3则更适合有桌子的教室空间，建议小组规模不超过4人，以确保所有参与者都能与材料互动。类似的密室逃脱式活动已在多达50名学生的辅导课中成功实施。
未来展望
为化学教育者和研究者提供通过新颖平台接触绿色化学内容的机会，在会议环境中持续显示出益处。我们预见，融合游戏化等主动学习技术的互动研讨会将继续被用来分享绿色化学内容。尽管主动学习对学习的益处已得到证实，但学生通常认为传统讲座更有益于他们的理解。早期向学生介绍主动学习的益处以及感知学习与实际学习之间的差异，可以提高学生参与主动学习技术的积极性。适当的团队合作支架、学习目标与相关任务的对齐以及充分的学生支持是有效团队学习活动的关键。未来的工作将侧重于将这些策略整合到本科二年级、三年级和四年级的无机化学课堂中，更好地理解游戏化学习干预和提升学生元认知能力带来的益处。
结论
本文讨论了几种基于探究和游戏化的主动学习工具及其在会议和本科课堂环境中的实施。这些活动旨在为初级和高级研究人员创造互动机会，以绿色化学作为共同框架支持跨学科互动。来自可持续绿色催化（包括配体设计、金属选择和反应条件的考量）的应用实例，突显了在实施绿色化学建议同时保持化学效率所需把握的平衡。除了在研讨会场景中的效用，这些工具整合了配位化学的基本概念，为无机化学教育者提供了一条无障碍途径，在不增加课程内容负担的前提下引入绿色化学内容。结合有意识的引导以及早期解决学生元认知和主动学习价值的课堂干预，这些方法为支持学科特定的绿色化学应用参与提供了机会，同时为来自不同背景的参与者创造了空间。
