儀器分析實驗“課程思政”教學探索與實踐

胡萬群，張萬群，邵偉，楊凱平，李維維，孫晴，朱平平

化學國家級實驗教學示范中心（中國科學技術大學），合肥 230026

習近平總書記在黨的十八大上將立德樹人作為教育的根本任務，在全國高校思想政治工作會議上再次強調高校思想政治工作關系高校培養什么樣的人、如何培養人以及為誰培養人這個根本問題。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]。大學生是未來國家創新體系的主力軍，身處信息化、自媒體技術之中的當代大學生的學習和生活均發生了較大的變化，其思想觀念趨于多元化。新時代背景下如何引導年輕的一代形成正確的人生觀、價值觀；既能培養具備豐富的學科專業知識，又具有較高的思想政治素養的當代大學生，成為當下高等教育的一項重要任務。如何將“課程思政”與專業課二者有機融合，既能“教書”又能“育人”成為目前高等教育研究的新課題，也是目前高校普遍研究的一種教學方法[2-4]。

儀器分析實驗是基于現代化大型分析儀器的一門課程，它的實踐性和社會應用性很強，廣泛地為許多領域內的科研和生產提供大量的構成、結構以至微區內元素的空間分布狀態等方面的信息，與諸多學科相互滲透，是培養化學、化工、制藥、生物、環保、材料等專業人才的重要基礎課，已成為高等學校中許多專業的重要課程之一。多年的實踐教學，我校的儀器分析實驗課程已形成了“基礎實驗-設計實驗-虛擬仿真實驗”三層次教學體系。新時代背景下，賦予課程與思政相融合的舉措具有更深遠的意義。因此，我們結合課程特點，依據分析儀器方法的特色及適用領域進行教學設計，挖掘課程思政元素，進行課程與思政融合的教學探索與實踐。

1 教學目標與思政設計

我校的儀器分析實驗課程從20世紀90年代開始獨立授課，已形成相對較為完整的實驗教學體系，授課對象為化學與材料科學學院大三學生和部分選修的少年班學生。儀器分析實驗課程的教學目標主要是使學生掌握儀器的基本構造、操作規范及應用，培養學生利用分析儀器方法解決分析問題和正確處理實驗結果、數據的能力。圍繞課程教學目標，加強“課程思政”元素在教學中的應用，實現教與學的教育教學新局面，課程思政融入教學中的設計示意圖如圖1所示。在課程教學中通過儀器的原理構造、選擇貼近社會熱點事件的實驗實踐項目和學生成績的過程性評價等方面，將課程教學目標與思政元素互融，貫穿儀器分析實驗課程教學全過程，課程思政融入教學中的實驗項目節選如表1所示。

圖1 儀器分析實驗課程與思政融合的設計示意圖

表1 儀器分析實驗課程與思政融合的實驗項目節選

2 教學實施

2.1 以分析儀器的結構組成特點和儀器的發展歷程為切入點，鼓勵學生不畏困難、大膽創新和勇于擔當的精神

每種儀器分析方法均對應著不同的分析儀器，分析儀器構造的不同，相應的工作原理和應用領域各有不同。無論是儀器分析的理論課程還是實驗課程，有關“分析儀器的工作原理與構造”的章節內容必不可少，而現代化的分析儀器技術集成度高，不大可能隨意地“解剖”它們。在儀器分析課程的教學中，涉及“分析儀器的工作原理與構造”內容的知識介紹多采用PPT動畫示意圖進行描述，對儀器結構的了解多停留在理性認識上，無法較好地實現實驗教學的實踐效果。為此，課程組利用使用年久而無維修價值的報廢儀器進行教具開發，實現儀器構造的清晰可見，有助于學生更好地掌握儀器的構造原理。圖2所示是利用報廢的傅里葉變換紅外光譜儀制作的可視化教具與完整的儀器外觀圖。在教學中，以教具展示傅里葉變換紅外光譜的構造組成，同時穿插儀器核心部件從棱鏡、光柵至現在的邁克遜干涉儀的發展歷程及國產儀器的現狀。學生身臨其境：現在的儀器光路更加準直，數據轉換更快，對儀器的結構、發展歷史了然于心；更深一層的收獲：感悟到不斷升級優化的儀器構造背后更多地凝結著科研工作者的智慧與汗水，鼓勵青年學子不畏困難、大膽創新和勇于擔當的精神。

圖2 傅里葉變換紅外光譜儀外觀圖（左）和報廢的舊儀器制作的教具（右）

2.2 “2015年屠呦呦諾貝爾生理學或醫學獎”——設計“中藥青蒿素的紅外光譜結構鑒定”實驗項目，激發學生的學習興趣、愛國主義情懷和民族自豪感

20世紀60年代，瘧原蟲對奎寧類藥物已經產生了抗藥性，嚴重影響到治療效果。中國科學家屠呦呦受中國典籍《肘后備急方》啟發，創造性地研制出抗瘧新藥——青蒿素和雙氫青蒿素，獲得對瘧原蟲100%的抑制率，為中醫藥走向世界指明一條方向，被譽為“拯救2億人口”的發現。屠呦呦因此獲2015年諾貝爾生理學或醫學獎，成為第一個獲得諾貝爾獎的中國人[5]。以此設計青蒿素的紅外光譜結構鑒定實驗教學項目，青蒿素的紅外光譜如圖3所示，該實驗涵蓋的知識點有：3461.90 cm-1歸屬為羥基伸縮振動吸收，2955.74 cm-1、2910.58 cm-1、2852.95 cm-1為―CH3、―CH2官能團的C―H伸縮振動吸收峰；1738.61 cm-1為羰基官能團的C＝O伸縮振動吸收峰；1459.83 cm-1、1375.73 cm-1分別為―CH3、―CH2官能團的C―H彎曲振動吸收峰；1188.06 cm-1、1113.30 cm-1、1026.09 cm-1為C―O伸縮振動吸收峰；883.58 cm-1為青蒿素O―O伸縮振動吸收峰，是青蒿素抗瘧原蟲的活性成分[6]。通過該項目的學習，學生掌握紅外光譜解析的一般知識，了解我們的先人和前輩在化學史上的重要貢獻；再結合今年遭遇的新冠疫情，我國的中醫藥和醫務工作者為戰勝病魔作出了不可磨滅的貢獻，生活在祖國母親的懷抱倍感幸福；激發學生的學習興趣、愛國主義情懷和民族自豪感。

圖3 青蒿素紅外光譜圖

2.3 以社會生活事件演化教學項目，進行誠實守信教育，培養學生高尚道德人格

子曰：“人而無信，不知其可也。大車無輗，小車無軏，其何以行之哉？”咸鴨蛋是日常生活中食用品之一，多數人對流著黃油的紅心鴨蛋心生好感，但卻有不良商家利用人們的這一心理，為使鴨蛋的賣相好，在飼料里添加了紅色工業染料蘇丹紅。蘇丹紅屬于化工染色劑，主要應用于油彩等產品的染色，有致癌性，對人體的肝腎器官具有明顯的毒性作用。毒理學研究表明，蘇丹紅在人體內的代謝產物為苯胺和1-氨基-2-萘酚，具有致突變性和致癌性[7]。蘇丹紅有I、II、III、IV四種分子結構，如圖4所示。已有文獻報道的蘇丹紅的儀器分析檢測方法有：紅外光譜法、拉曼光譜法、紫外-可見光譜法、液相色譜法、液質聯用法[8-12]。在儀器分析實驗教學中設置蘇丹紅的成分分析教學項目，多種儀器分析方法融會貫通；將誠信教育融入教學中，強化學生誠實守信的品德素養，德才兼備，施展才華，弘揚昂揚向上的人生觀、世界觀。

圖4 蘇丹紅（I,II,III,IV）分子結構圖

2.4 倡導綠色化學課堂，根植環保意識，培養學生守護家園的社會責任感

經濟發展帶來的生態環境惡化和嚴重破壞愈來愈引起人們的關注。在儀器分析實驗教學中如何使環保、綠色的理念體現在課堂，根植于學生的頭腦中是值得思考的問題之一。現代化的儀器分析方法相對傳統的化學分析，試劑的用量已大幅減少。在我們的基礎實驗中，對已有實驗項目進行了綠色化改進，如紫外光譜教學原有實驗項目“苯酚的紫外光譜定量測定”，改為“色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的紫外光譜分析”。在后續的設計實驗教學階段，在和學生討論設計實驗方案時，充分考慮實驗方案中藥品毒性和投加劑量及廢液的集中回收，圖5是實驗室配備的廢液桶，每周有學院專人回收處理。而對一些高危和有毒有害的綜合實驗，中心相繼開發和在建了虛擬仿真實驗課程，其中課程組張萬群老師負責開發的原位變溫X射線虛擬仿真實驗截屏如圖6所示。守護美麗家園，從我做起，以上教學項目的實施較為有效地增強了學生的環境保護意識和社會責任感。

圖5 實驗室配備的廢液桶

圖6 原位變溫X射線虛擬仿真實驗截圖

2.5 以設計性實驗為載體，激發敢于嘗試的創新精神和勇于批判的質疑精神

學生通過查閱文獻、小組討論，自主設計擬定實驗方案，教師批閱并給出相應指導。實驗時，教師根據實驗方案提供實驗器材和試劑，由學生自主實驗，得到最后的實驗結果。實驗結束后，在教師引導下，集體討論，總結成功的經驗或失敗的教訓。如設計實驗項目“紅茶和綠茶中咖啡因含量測定”的樣品前處理階段，有的同學想到：“基于水和乙醇都是極性溶劑的共性，何不嘗試下它們的提取效果有什么不同呢？”。學生們除了采用文獻檢索的95%乙醇為溶劑提取法，還嘗試了不同比例的乙醇水溶液提取法。教學中學生用不同重結晶方法提取茶葉中的咖啡因產物如圖7所示，可以看出其產率、晶形和顏色均有不同。通過這樣的實驗項目教學，鼓勵學生大膽創新、敢于質疑、不怕失敗的精神，以親身經歷回饋好奇心和敢于質疑的精神正是推動科學進步的可貴品質。

圖7 學生實驗的咖啡因產物

2.6 實施過程考核機制，培養學生實事求是的科學作風

課程考試或考核的目的主要是檢驗教與學的效果，促進教學內容的完善、教學方法的改進，促進素質教育和人才培養。注重對學生和教師兩者在“教”與“學”全過程中的狀態及學習成果進行反思總結，形成課程教學效果評價的全過程考核機制。重視課程“教”與“學”的過程，增進師生互動反饋，培養學生嚴謹、務實、求是的學習態度。過程評價考核表如表2所示。

表2 過程評價考核表

3 結語

“有才無德，其行不遠矣。”高校是培養人才的搖籃，肩負著教書育人的光榮使命。深刻領悟習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上發表的重要講話，結合課程特點，找準定位，不斷努力挖掘課程思政元素，培養有理想、有道德、有文化、有擔當的具有家國情懷的當代大學生，具有深遠的意義。正如學生的課后討論：“儀器分析實驗課程的學習，不僅教會了我書本的知識，而且讓我學會了運用所學課程知識去分辨社會生活中的‘紅心鴨蛋’的‘真與假’”；“以前，我只是覺得學好儀器分析實驗課程是開啟科研之路的一把利器，沒想到通過該課程的學習還可以領悟更多的人生道理”。

課程與思政融合的實驗教學強化了對學生的家國情懷、科學精神、責任擔當的精神孵育，培養了學生對儀器分析實驗課程的探究性學習思維和實事求是的科學素養。教學實踐表明，在新時代背景下，課程與思政融合的教學方法可以實現知識傳授水到渠成、思政育人細無聲的教學效果，對高校踐行“教書育人”的使命有一定的積極意義。