無機化學課程思政探索
——以“配位化學基礎”中部分內容的教學設計為例

楊艷華，王寶玲，李艷妮，董春燕，薛雅新

昆明學院化學化工學院，昆明 650214

2016年，習近平總書記在出席全國高校思想政治工作會議時提出，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[1]。本校通過加強思政教育和專業教育的有效融合，把思想政治教育貫穿于人才培養過程中，不僅要傳授基礎知識，更要注重培養學生的核心素養，做好育人工作。無機化學作為化學專業學生的學科基礎必修課程，對學生科學素養的培養和創新意識的提高有重要的啟蒙作用，同時也是學習后續專業課程的基礎和橋梁。在無機化學教學過程中融入課程思政元素，不僅可以提高學生對基礎知識的理解和掌握，更有利于培養學生科學的思維方法、樹立科學的人生觀和價值觀。

在無機化學教學中，選用由宋天佑等[2]編寫，高等教育出版社出版的《無機化學》（第四版）作為教學用書，在教學過程中結合化學發展史、化學家的主要貢獻、化學學科和生產生活的緊密聯系以及當代科學研究前沿等內容，將課程思政元素融入課堂，不僅可以使學生開拓眼界、豐富學識、增長見識，而且可以提高學生運用學科知識正確認識問題、分析問題和解決問題的能力，更好地掌握事物發展規律，成為滿足新時代社會發展需求的接班人。將化學發展史和化學家的主要貢獻與教學內容結合，可以引導學生從源頭了解學科產生和發展的過程，明確專業知識的重要性；將化學學科和生產生活的緊密聯系與教學內容結合，可以增強學生的專業自豪感和社會責任感，激發學生的學習動力；將當代科學研究前沿與教學內容結合，可以強化學生化學學科素養，樹立科技報國、科技強國的遠大理想。將中國化學家在配位化學中的貢獻與教學內容相結合，可以增強學生的民族自豪感和國家榮譽感，激勵學生刻苦學習、奮發圖強，為建設中國特色社會主義事業筑牢學科知識基礎。本文選取教學用書中配位化學基礎部分的教學內容，重點對教學中三個思政案例的設計思路和實施過程進行介紹。

1 以化學發展史為基礎，對“配位化合物的基本概念”進行設計

1.1 教學目標

（1）知識目標：掌握配位化合物的基本概念和命名方法。

（2）能力目標：通過對科學家事跡的了解，培養學生的科學思維方法，加強學生的創新意識，提高創新能力。

（3）素質目標：通過對Werner的經歷介紹，讓學生了解化學家具備的鍥而不舍、持之以恒的品質，樹立遠大的理想信念；激發學生學習興趣，養成自主學習的習慣。

1.2 課程思政素材——配位化學理論的提出

1866年Werner[3]（1866-1919，圖1（a）所示[4]）生于法國一個鐵匠之家，18歲開始進行化學研究（1884年），24歲獲得蘇黎世大學博士學位（1890年），主攻有機含氮化合物異構現象的研究。26歲任蘇黎世聯邦高等工業學校助教（1892年），27歲任蘇黎世大學副教授（1893年）。1892年的某個凌晨，Werner從夢中醒來，突發靈感，為解決當時存在爭議的金屬離子與氨的成鍵方式和結構問題，提出了“Werner配位理論”的三大假設，經修改后，便將這篇名為“論無機化合物的組成”的論文寄給了德國的《無機化學學報》。該論文于1893年被發表，打破了德國化學家Kekulé與英國化學家Couper關于化合價恒定不變的觀點，以及丹麥科學家J?rgensen與瑞典科學家Blostrand提出的Blostrand-J?rgensen鏈式理論，提出副價的概念和配合物的立體化學，從此開創了無機化學學科的新時代。Werner配位理論的主要內容為[5]：① 大多數元素具有兩種類型的價，即主價（相當于共價鍵）和副價（相當于配位鍵）；② 每種元素的主價和副價都傾向于得到滿足；其他原子依其與中心金屬原子結合方式的差異而分別處于化合物的內界和外界；③ 副價的空間指向是固定的。受限于當時實驗技術和實驗條件，Werner配位理論缺乏充足的實驗依據，引起了學術界的廣泛爭議。經過14年的不懈努力，Werner的學生King采用溴代樟腦磺酸銀作為拆分劑，經歷2000次結晶實驗，終于在1911年（45歲）成功拆分出具有鏡面對稱空間結構的cis-[CoCl（NH3）（en）2]X2（en =乙二胺，X = Cl、Br或I）配合物，如圖1（b）所示[4]，從實驗上證明了六配位的金屬配合物的幾何結構為八面體，進而為配位化學理論的確立提供了決定性證據。1913年，因其在配位化學的突出貢獻，47歲的Werner被授予“諾貝爾化學獎”。迄今為止，Werner配位理論依然是當今配位化學研究的基礎和指南。

圖1 （a）配位化學的奠基者Werner；（b）cis-[CoCl（NH3）（en）2]X2（X = Cl、Br或I）鏡面對稱的八面體結構

1.3 課程思政元素融入教學過程的設計

在學習“配位化學基礎”這一章之前，首先以配位化學奠基者Werner的生平和配位化學理論的確立為主線，介紹Werner為追求真理，將畢生精力投入到配位化合物研究中的歷史事實。培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感，讓學生明白科學技術的進步并非偶然，要學會站在巨人的肩膀上，刻苦鉆研。同時，學習Werner不屈不撓、持之以恒的科學精神，特別是在自己提出的配位理論不被同行（如J?rgensen等）認可的情況下，堅持科學哲學思維，堅定理想信念（即金屬離子與有機物成鍵和結構問題），以辯證唯物主義為指導，以事實為依據，大膽假設（擯棄當時流行的Blostrand-J?rgensen鏈式理論），采用科學的研究方法，不氣餒、不畏縮，歷經十四年的不斷嘗試，反復實驗，找到最合適的拆分劑，取得成功。教育學生在自身成長過程中，不要因為一點挫折就一蹶不振、臨陣脫逃。在學習過程中要向老一輩化學家看齊，學習他們勇于探索、堅持真理、持之以恒的品質，培養學生模型認知的化學學科核心素養，引導學生不忘初心、牢記使命，確立一個化學工作者應有的遠大理想。強化學生“青出于藍而勝于藍”的思想，打牢學科基礎知識，為中國特色社會主義事業做貢獻打下堅實基礎。

以Werner歷經14年合成的[CoCl（NH3）（en）2]Cl2為例，引出教學用書中的配位化合物的定義、構成、配位原子和配位數、多齒配體和螯合物，及配位化合物的命名等內容，教學設計過程如圖2所示。

圖2 配位化合物基本概念的教學設計框架

2 以化學史和科學研究前沿為基礎，對“配位化合物的異構現象”進行設計

2.1 教學目標

（1）知識目標：掌握配位化合物的異構現象。

（2）能力目標：培養學生閱讀文獻的能力，以及從化學專業角度發現、分析和解決問題的能力。

（3）素質目標：通過介紹順鉑類抗腫瘤藥物的成功研制，增強學生的專業自豪感、社會責任感和使命感；通過Rosenborg發現順鉑抗腫瘤藥用的研究過程，引導學生從專業角度認識順鉑抗癌的機理，激發學生的學習熱情；強化學生善于觀察實驗現象的意識，學習化學家刻苦鉆研的優秀品質。

2.2 課程思政素材——順鉑的發現及發展

學生們大都看過或聽說過的影片《我不是藥神》圍繞普通慢粒白血病患者承擔不起正版抗癌藥的昂貴費用，只能使用印度仿制抗癌藥為主線展開故事，不僅反映出病患及其家屬的無奈和心酸，也體現了藥物對人民生命的重要性。鉑類抗癌藥物是化學治療腫瘤領域的首選，為了降低臨床使用過程中腫瘤細胞的耐藥性和毒副作用等影響，科研人員逐漸研發出第二代和第三代抗癌鉑藥，如表1所示。

表1 已經批準進入臨床使用的幾種鉑類藥物

那么第一代鉑類抗癌藥是怎么被發現的呢？1961年，美國物理學家Rosenborg[6]（1927-2009，如圖3（a）所示）前往密西根州立大學籌建生物物理系，在開展電場對細菌分裂絲狀物的影響研究過程中，選用不會表現出絲狀分裂的大腸桿菌為研究對象，以惰性金屬鉑為電極開展實驗，實驗發現當培養皿中的電解液同時含有氯離子和銨離子時，大腸桿菌停止生長和分裂，Rosenborg認為這是電極上游離的鉑離子與電解液中的氯離子和銨離子作用，可以產生抑菌的效果，這一成果于1965年發表在Nature雜志上[7]。經光化學實驗表明，起到抑菌作用的物質是電解時產生的順式-二氯二氨合鉑（II）（順鉑，cis-[Pt（NH3）2Cl2]），在美國國家癌癥研究中心的協作下，驗證了cis-[Pt（NH3）2Cl2]在體外細胞和老鼠體內組織中具有抗腫瘤的活性[8]。經試驗后，于1978年上市，成為第一代鉑類抗癌藥物，主要應用于膀胱癌和睪丸癌的治療，其中，睪丸癌的治愈率可達90%以上[9]。其實，早在1844年意大利化學家Peyrone在進行氯鹽實驗時就發現在實驗過程中會產生一種黃色物質和一種綠色物質，并將其中的黃色物質命名為“Peyrone鹽”。直到1893年，配位化學的奠基者Werner闡明其結構，Peyrone鹽就是順鉑[10]。

順鉑之所以能夠產生抗癌效果，主要是因為順鉑進入細胞后，氯配體被水分子取代，此水解過程為二級反應[11]。雙螺旋結構的DNA分子中，鳥嘌呤（Guanine）和腺嘌呤（Adenine）中N7活性最高，易與中心離子Pt形成配位鍵，從而破壞DNA的雙螺旋結構，抑制DNA轉錄，誘導細胞死亡[12]，如圖3（b）所示。

圖3 （a）Barnett Rosenborg；（b）順鉑抗癌作用圖

為了直接監測藥物或其代謝物在體內的情況，須進行復雜的藥物預處理，這可能會對藥理產生負面影響，而儀器操作復雜不利于實際操作、昂貴的購買費用不利于推廣使用。因此，運用生物成像技術對細胞中的藥物進行成像，就顯得很有必要。不久前，香港浸會大學Leung等[13]合成了一種硼二吡咯基熒光有機分子（簡稱PS），可以在A-549肺癌細胞中對Pt2+、順鉑和奈達鉑進行監測定位，這項技術為鉑類藥物及其代謝物監測和新的鉑類藥物研發提供了新的思路，如圖4所示[13]。教學用書中提及，順鉑的反式異構體無抗癌作用，但后期的研究發現，順鉑的反式異構體的一些衍生物是具有抗癌效果的[12]。

圖4 Leung等合成的PS可用于細胞成像中順鉑和奈達鉑的代謝檢測

2.3 教學過程設計及課程思政元素融入

首先講解知識部分——配位化合物的異構現象包括結構異構和幾何異構。其中，以PtCl2（NH3）2為例，講授具有平面正方形結構的配合物的幾何異構現象。從《我不是藥神》電影里面所講述抗癌藥物的重要性、價格昂貴等方面，提出自主研發抗癌藥物及擁有自主知識產權的重要性。引導學生認識到化學與人類的生命健康息息相關，當前，全世界80%的藥物都是由化學方法合成的，可以說，化學是人類生命健康的保障之一，由此強化學生對化學專業的認同感。結合表1可以看出，鉑類抗癌藥物已從第一代發展到第三代，接下來可以介紹離我們并不遙遠的昆明貴研藥業有限公司，該公司是鉑族金屬抗腫瘤藥物生產、科研和質量檢驗一體化公司，是我國重要的鉑族金屬抗腫瘤藥物生產基地與科技創新平臺之一。通過對本土抗癌藥物公司及其產品的介紹，激發學生強烈的使命感，鼓勵學生努力學習專業知識，將來成為國家和人民需要的螺絲釘，在合適的崗位上發光發熱。

其次，引出Rosenborg偶然發現抗腫瘤藥物順鉑的過程。在此，可再增加若干科學發現的偶然性事件，如青霉素的發現、石蕊指示劑的發現等，引導學生理解偶然性與必然性的辯證關系，偶然性不只是運氣，更是自身知識的長期積累和不斷實踐探索的結果。教育學生科學技術的發現和發展是不以人的意志為轉移的（Rosenborg是在研究電場對細菌分裂絲狀物的影響過程中發現順鉑具有抗菌性的），并且科學技術的發展不存在界限。每一項科技的發展，都有國家強大的經濟基礎、安定的社會環境和優良的教育體系等因素作為支撐，順鉑應用于抗腫瘤治療，既是科學技術不斷進步的結果，也是經濟發展提高的重要體現。我們對未知事物的探索過程，就是與未知事物不斷建立有效聯系的過程，需要我們對已有知識進行綜合，學會不同學科知識間的交叉融合應用。深入認識和理解化學與當今人類健康的緊密關系，增強學生的專業認同感和社會責任感；引導學生在堅持辯證唯物主義思想的基礎上，結合專業知識，養成勤于思考的習慣，真正理解成功不僅來源于偶然，也來源于自身知識的積累和不斷探索的精神的道理。教育學生學習是終身的，不能總是抱著在考試中“撞大運”的想法，只有平時不斷積累的“跬步”才能實現“千里”的宏圖。

第三，介紹順鉑的抗腫瘤機理，結合科技前沿對鉑類抗腫瘤藥物作用過程的檢測等內容，讓學生理解當今學科間的交叉互融，不僅有利于學生對所傳授知識的理解和掌握，而且有利于培養學生宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養，引導學生不斷進取，做新時代中國特色社會主義建設事業的合格建設者。

接著介紹旋光異構知識，教學過程設計如圖5所示。

圖5 配位化合物的異構現象的教學設計框架

3 運用科學研究前沿內容，對“過渡金屬化合物的顏色”進行設計

3.1 教學目標

（1）知識目標：學會分析和解釋配位化合物顯示顏色的內部因素。

（2）能力目標：通過對科學研究前沿內容的了解，培養和提高學生獲取化學新知識的能力。

（3）素質目標：通過了解當代配位化學研究前沿的典型內容，培養學生從分子水平和物質結構角度理解結構決定性質的客觀規律，幫助學生養成認真、實事求是的美好品德，樹立唯物主義觀念，端正學習態度，增強學生的專業認同感和家國情懷。

3.2 課程思政素材——有機配位化合物前沿研究

如前面提到的，順鉑是一種黃色物質，那么其他的配合物又是什么顏色的呢？影響配合物顏色的因素又有哪些呢？

（1）d-d躍遷。

首先介紹教科書上的吸收光譜顯色原理，即當可見光照射到物質上時，部分可見光被吸收，而未被吸收波長的光（與被物質吸收的光互補）通過物質或被物質反射，物質就顯示出這些未被吸收波長的光的顏色。除了物質本身的吸收和反射，物質的顏色通常還受到哪些因素的影響呢？

在光照射下，配合物的晶體場d軌道中處在低能級電子吸收能量，躍遷至高能級d軌道，稱為d-d躍遷。d-d躍遷是配合物顯色的原因之一，發生d-d躍遷一般都會顯示顏色。在講解完教科書中關于[Ti（H2O）6]3+和[Mn（H2O）6]3+分別呈現紫紅色和粉紅色的理論解釋內容后，以科學研究前沿內容為基礎，介紹具有d-d躍遷的配合物體系的實際應用。

研究人員用過渡元素金屬離子Co2+（3d7）、Ni2+（3d8）和Cu2+（3d9）與具有八面體空間結構的Ti（3d2）金屬有機框架配合物Ti-MOF進行配位，制備過程如圖6（a）所示[14]。三種過渡金屬離子進行配位后，MOF的顏色發生了變化，經紫外可見分光光度計測試可知，這是金屬離子中的d-d躍遷導致了MOF顏色發生變化，物質顏色如圖6（b）所示[14]。實驗表明：M2+離子與Ti-MOF的配位明顯促進了配合物的d-d躍遷在可見光區域的吸收，并且多金屬配位加速了電荷載體的快速分離，可以作為催化劑，提高太陽光驅動H2O分子產生H2的反應活性，在清潔能源燃料領域具有應用潛力。

圖6 （a）三種金屬離子與Ti-MOF配位的示意圖；（b）三種金屬離子配位后的MOF顏色比較圖

（2）電荷躍遷。

電子組態為d1-d9的配合物容易發生d-d躍遷而顯示顏色，電子組態為d0和d10的配合物沒有d-d躍遷，但一些d0和d10的配合物也會有顏色，這是配合物內電荷從陰離子配體向陽離子配體轉移造成的，這種顯色機理稱為電荷躍遷。在講解完教科書中的內容后，以Pt（II）（5d8）為中心離子的樹狀大分子配合物為例，介紹具有電荷躍遷的配合物在生產生活中的重要作用。

香港大學Yam院士團隊[15]合成了以Pt（II）（5d8）為中心離子的樹狀大分子配合物，如圖7（a）所示[15]。物質的顏色隨咔唑基團數量的增加而發生變化，這主要是電子從不同數量的配體單元（含陰離子）轉移到中心離子（含陽離子）的電荷遷移作用造成的。電荷遷移除了可以造成結構相似的物質發生顏色改變外，還是配合物在光敏劑、分子存儲和有機發光二極體（OLED）等方面的作用原理（圖7（b）[16]），而這三個領域也是當今科學研究的熱點。

圖7 （a）Yam等制備的含Pt（II）樹狀大分子配合物；（b）運用電荷遷移理論在光敏劑、分子存儲和OLED方面進行研究的三種分子結構式示例

（3）溫度和外力。

在講授了“d-d躍遷”和“電荷躍遷”兩種經典的顯色機理后，采用提問和討論的方式鼓勵學生參與到配合物顏色的影響因素的討論中。為了拓寬學生的眼界，以Pt（II）配合物Pt（ppy）（trpy-C6H13）]SbF6（簡稱3aSbF6）為例介紹溫度和壓力對配合物顯色的影響，并通過我國科學家最新的科研成果的介紹來幫助學生鞏固所學知識，進一步認識配合物的應用前景。

在偏光顯微鏡下，另一種含Pt（II）配合物3aSbF6（如圖8（a）所示[17]）在不同溫度下呈現不同的顏色（圖8（b）[17]）；而且經過研磨等機械外力后，3aSbF6從黃色變成橙紅色，加熱或用有機溶劑熏蒸后，又可從橙紅色變為黃色，發生一個可逆的顏色變化過程（圖8（c）[17]）。該研究結果表明，溫度和外力都可以使配合物顏色發生變化。

圖8 （a）配合物3aSbF6的結構式;（b）3aSbF6在不同溫度下相偏振光顯微鏡的成像；（c）3aSbF6的可逆壓敏變色圖像

我國科技工作者在配合物研究方面也做出了許多貢獻，例如廈門大學夏海平教授長期從事配合物的研究工作，以中國傳統的龍文化元素為理念，創立了具有過渡金屬配位的“碳龍化學（Carbolong Chemistry）”概念，碳龍配合物的結構如圖9所示[18,19]。2019年制備出了具有最高碳配位數，且吸收光譜寬、穩定性好的金屬配合物，在生物醫學和太陽能領域應用前景廣闊[20]。夏海平教授的相關研究成果入選2013年“中國高校十大科技進展”，并且“Carbolong Chemistry”概念于2020年入選了國際經典有機化學教科書《March’s Advanced Organic Chemistry》（第八版）[21]。

圖9 夏海平課題組合成的一些碳龍配合物結構（M表示過渡金屬）

3.3 教學過程設計及課程思政元素融入

大一本科生作為無機化學的初學者，夯實基礎知識是重要的第一步，成為社會主義合格的建設者是一生的修行。為了幫助學生明白只有學好晦澀枯燥的理論知識才能成為科技強國宏偉藍圖的設計者，以當代科學研究前沿內容為基礎，以配位化合物的顏色成因為主線，列舉四類有機配位化合物的最新研究進展，將與教科書知識內容緊密相關，并且實驗現象明顯或潛在用途與生活緊密相關的科學研究前沿內容介紹給學生，開拓學生視野，增長見識，激發學生進行科研實驗的興趣，培養學生透過現象看本質的意識，培育實驗探究與創新意識的化學學科核心素養和科學的探索精神。教育學生學無止境，學習不能局限于課本和課堂，課外學習也同樣重要。介紹中國化學家在配位化學發展中的引領作用，激發學生學習興趣，強化科技報國理念，增強民族自豪感和國家榮譽感；讓學生深刻理解各學科間的交叉互融，明白學習知識也要融會貫通，深刻感受中華民族傳統文化在科學研究中的融合與發展，增強文化自信。引導學生筑牢學科基礎知識，教育學生深刻理解化學學科的學科特點，培養良好的團隊合作精神、積極向上的生活態度、優秀的自我調控能力、獨立思考問題的能力和成熟穩重的人格，培養創新性人才具備的優良品質，為成為中國特色社會主義事業的可靠接班人做好充分準備。

以素材中導致配位化合物顯示顏色的本質特征為例，結合教科書中過渡金屬配合物呈現顏色的d-d躍遷和電荷躍遷的理論解釋，將科學研究前沿內容穿插其中，使學生能更好地理解和掌握理論知識。教學過程設計如圖10所示。

圖10 過渡金屬化合物的顏色教學設計框架

4 結語

通過將思政元素與專業基礎知識體系教育有機統一，不僅可以提高學生的思想政治素養，真正將“國家意識、科學精神、專業素質、人文情懷、國際視野”的育人理念落實到課程教學中[22]，而且可以使思想教育工作貫穿于學科體系和課程體系，進一步提升學生的學科專業素養，更好地踐行和發揚社會主義核心價值觀。如何在專業課程的教學過程中融入課程思政元素，并且做到潤物無聲、立德樹人，需要教師深度挖掘提煉專業知識體系中所蘊含的思想價值和精神內涵，科學合理拓展專業課程的深度和廣度。從課程所涉專業、行業、國家、國際、文化、歷史等角度，增加課程的知識性、人文性，提升時代性、引領性和開放性。教師可以通過同行間的相互學習和經驗交流，提高自身的政治素養和專業能力，更好地服務學生，進而提高無機化學課程的教學質量，使自身更加符合新時代中國特色社會主義發展的需求。