用“鋅”看世界
——儀器分析實驗課程思政建設的探索

蘭景鳳，王威，沈永雯，樊衍昕，俞娥，李蓮花，陸廣農(nóng)

1化學國家級實驗教學示范中心（蘭州大學），蘭州 730000

2蘭州大學化學化工學院，蘭州 730000

教育是國之大計、黨之大計，承擔著立德樹人的根本任務[1]。高校化學教學中的大型分析儀器實驗教學是培養(yǎng)大學生科研能力不可或缺的手段，他們可以通過實驗去驗證從理論課上學來的知識，也可以在實驗的過程中思考，“動手、動腦加動心”相得益彰的實驗課教學在新時代下更迸發(fā)出蓬勃生機。習近平總書記在2016年出席全國高校思想政治工作會議時發(fā)表重要講話，指出高校思想政治工作關(guān)系到高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人這幾個根本問題，要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[2]。2019年3月，習近平總書記在學校思想政治理論課教師座談會上明確指出，要堅持顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，挖掘其他課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源[3]。大型分析儀器的實驗教學在教學方式上具有廣泛的空間和時間調(diào)控性，在充分挖掘?qū)嶒灲虒W中的思政元素后，將思想政治教育像“鹽于水”一樣，巧妙地融合在實驗教學里，讓學生在掌握科學知識的同時增加愛國情愫，實現(xiàn)從人生觀、價值觀、世界觀三方面微滲透的效果。

蘭州大學地處祖國西北、安于一地，在西北的高等教育方面具有示范輻射作用；學校在課程思政方面積極響應號召，早在2018年即開展全校范圍內(nèi)的課程思政比賽，同時邀請全國名師到我校進行教學培訓，積極引導全校教師將思想政治教育與專業(yè)課教育完美融合。化學化工學院在2019年開展第一次全院課程思政比賽后，曾會應老師代表學院以“有機化學課的生物堿[4]”為參賽課程參加學校課程思政比賽，獲得一等獎；2020年9月，學院舉辦第二次課程思政比賽，筆者將近2年實驗教學方面的經(jīng)驗進行總結(jié)和凝練，取得二等獎，在得到教學委員會專家的指導后，筆者運用實驗教學的優(yōu)勢，將思政融入實驗教學中，教學過程中學生反響強烈，課堂互動增多，筆者在教學相長的過程中獲益良多。

大型儀器分析實驗課覆蓋化學、核學、生物學、地學、藥學、大氣學、資源環(huán)境學等幾乎所有的理工科專業(yè)，因此，做好儀器分析實驗課的課程思政對理工科學生的思想政治教育將起到非常重要的作用。如何完美地將思想政治教育與實驗教學相結(jié)合就是此次課程思政建設探索的內(nèi)容。

1 因材施教，開展課程思政

大學教育是以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導思想，堅持社會主義辦學方向，落實立德樹人根本任務，堅持教育為人民服務、為中國共產(chǎn)黨治國理政服務、為鞏固和發(fā)展中國特色社會主義制度服務、為改革開放和社會主義現(xiàn)代化建設服務，扎根中國大地辦教育，同生產(chǎn)勞動和社會實踐相結(jié)合，加快推進教育現(xiàn)代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育，努力培養(yǎng)擔當民族復興大任的時代新人，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人[1]。

當前的在校大學生“自我意識”強烈[5]，有關(guān)自身問題思考較多。比以往任何時代更多的媒體技術(shù)，給學生提供了更廣泛了解世界的平臺，他們面對的機會多、資源多。在大時代背景下，大學生成為新時代的主力，他們是知識的受益者，手機和電腦的普及對高校學生的學習、科研和生活產(chǎn)生很深的影響，他們的思想更加多元化、發(fā)散化，他們對新事物的好奇驅(qū)使他們運用理論知識、科學實驗、文獻搜集、多媒體等手段去獲取信息。

大學時期學生的人生觀、價值觀、世界觀受外界影響較大，可塑性較強[6]，教師在開展實驗課教學時應充分考慮授課對象的具體情況，在平常的學習中滲透一些家國情懷、愛國情愫、工程倫理等信息，結(jié)合自身教學手段和特色，探索并把“思想政治”教育融入實驗教學中去，以期達到理論課與思想政治教育的完美結(jié)合。

2 結(jié)合課程特點，細微處融入思想政治教育

2.1 從日常生活著手，引起學生對本次課程的關(guān)注

微量元素鋅是人體必需的微量元素[7-10]，被稱為“生命之花”，參與人體內(nèi)300多種酶的合成。人體內(nèi)鋅的總含量為2.5 g左右，主要分布在眼睛、毛發(fā)、骨骼和男性生殖器內(nèi)，缺鋅會導致兒童生長發(fā)育遲緩、注意力不集中、影響身高等；成年人表現(xiàn)為手指起刺、手指甲白斑、地圖舌、受傷后傷口愈合速度減慢、自身免疫力下降等。在這一環(huán)節(jié)給學生以圖片方式進行講解。大多數(shù)學生在本環(huán)節(jié)會低頭看看自己的手指，觀察自身現(xiàn)象。這里可以給學生科普我國約有1億人口受缺鋅的影響，其中30%-60%為學齡兒童，且主要分布在廣大的農(nóng)村地區(qū)[11]。1982年在我國新疆喀什等地發(fā)現(xiàn)人體缺鋅綜合癥[12]。我國人群的飲食習慣多以含鋅量較低的谷物類為主，導致體內(nèi)的鋅含量較低，一些以大量肉類為主要食材的國家人群則鋅含量則較高[13]。通過這一環(huán)節(jié)，引起學生對國家人民情況的關(guān)心、對鋅元素的興趣，同時拋出問題：如何去表征鋅元素呢？大型分析儀器實驗在教學大綱里需要積累大一、大二的基礎(chǔ)課程后才能開展相關(guān)實驗，學生已具有比較成熟的分析常量成分的方法和手段。他們會思考較之以前的分析手段，現(xiàn)在的微量元素分析[14]是否與以往不同？帶著這些問題，帶著他們進入下一環(huán)節(jié)“鋅的幾種不同分析方法”。

2.2 總結(jié)不同分析手段對結(jié)果的影響

在前人工作的基礎(chǔ)上，目前測量微量元素鋅含量的方法有：生化法、電化學分析法、原子吸收光譜法[14]。生化法：消耗樣品較多、準確度不高；電化學分析法：穩(wěn)定性差、誤差較大、對環(huán)境污染較大；原子吸收光譜法：分析準確、取樣量少、檢測速度快，但儀器昂貴；具體見表1。總結(jié)以上幾種方法，引導學生進行方法學比較，對原子吸收光譜法初步認識和產(chǎn)生好奇，在此基礎(chǔ)上引導學生選擇最佳的分析方法來解決實際問題。

表1 不同方法檢測微量元素鋅

2.3 展開本次實驗的目的

結(jié)合上面的準備工作，本次實驗選定適合表征微量元素的方法：原子吸收光譜法。實驗目的一：掌握原子吸收光譜法的實驗原理，復習朗伯比爾定律在光譜學實驗方面的理論計算；目的二：學會原子吸收光譜儀（島津AA6800型）的操作；目的三：學會毛發(fā)樣品在測原子光譜時的前處理方法；目的四：運用原子吸收光譜儀測出自己頭發(fā)中的鋅含量。這里強調(diào)本次實驗的目的，既能增強學生解決問題的主次能力，也將思考問題的方式滲透在日常學習、科研和生活中，鼓勵學生找到解決實際問題最適宜的方式。

2.4 由歷史引入實驗原理

從原子吸收光譜的發(fā)展歷史，滲透原子吸收光譜法的原理，使學生了解原子吸收光譜歷史的同時理解原子吸收光譜法是檢測暗線的一種方法[14]。

1802年，伍朗斯頓（W.H.Wollaston）在研究太陽連續(xù)光譜時，發(fā)現(xiàn)了太陽連續(xù)光譜中出現(xiàn)的暗線。1859年，克希荷夫（G.Kirchhoff）與本生（R.Bunson）在研究堿金屬和堿土金屬的火焰光譜時，發(fā)現(xiàn)鈉蒸氣發(fā)出的光通過溫度較低的鈉蒸氣時，會引起鈉光的吸收，并且根據(jù)鈉發(fā)射線與暗線在光譜中位置相同這一事實，斷定太陽連續(xù)光譜中的暗線，正是太陽外圍大氣圈中的鈉原子對太陽光譜中的鈉輻射吸收的結(jié)果。1955年空心陰極燈出現(xiàn)；1959年電熱技術(shù)出現(xiàn)；1965年氧化亞氮-乙炔火焰的出現(xiàn)。發(fā)展至今的原子吸收光譜等一系列歷史事件，都可以幫助學生打開原子吸收光譜的神秘面紗。通過這些歷史知識的滲透，激發(fā)學生對光譜學未來的期待，引起他們對光譜學實驗的興趣（圖1）。

圖1 原子吸收光譜的發(fā)展歷史

原子吸收光譜法是基于原子蒸氣中的待測元素對其特征光譜有一定吸收，根據(jù)特征光譜的輻射減弱程度來判斷待測元素含量，其理論計算依據(jù)朗伯（Lamber）定律：

由此得知：A（吸光度）與C（待測樣濃度）成K（系數(shù)）比例關(guān)系，鋅含量越高，對應的吸光度就越大。這里需跟學生強調(diào)：一銳線光源（不可用連續(xù)光源）、二稀溶液（不可用濃溶液）這里可用牛毛的稱量舉例（圖2）。

圖2 牛與牛毛舉例示意圖

在圖2中，可以看到：在稱量和減少牛毛的過程中，產(chǎn)生Δm，但相比較一頭重達500 kg的牛來說，減少的牛毛是不能顯現(xiàn)的，通過這張示意圖即順利展開了連續(xù)光源（牛）與銳線光源（牛毛）的區(qū)別，在檢測鋅元素特征光的發(fā)射能量變化時，必須用牛毛級別的銳線光源才能得到滿意的效果。學生在學習原子吸收光譜原理的過程中也涉獵分析方法中差量法的應用局限性，可拓展他們的發(fā)散思維。

2.5 儀器構(gòu)造講解中插入其他分析儀器的優(yōu)勢，拓展知識范圍

原子吸收光譜儀的構(gòu)造比較復雜，由四部分構(gòu)成：光源、原子化器、分光器、檢測器。利用動畫、插圖對儀器外觀與內(nèi)部構(gòu)造進行對比理解和學習（圖3）。

在圖3中，將原子吸收光譜儀的每一個部件都進行剖析，充分利用已淘汰老舊儀器的部分部件，如：能量很低已經(jīng)不能用于檢測的空心陰極燈，給學生實物展示和講解，結(jié)合具體組件使學生掌握內(nèi)部光路走勢，也能更清楚直接地掌握每一個重要部分的結(jié)構(gòu)。在此環(huán)節(jié)加入“綠水青山就是金山銀山[15]”的環(huán)保理念，探討節(jié)約成本、耗材的多次使用，培養(yǎng)學生的環(huán)保理念。

圖3 原子吸收光譜儀實物及構(gòu)造原理圖

2.6 借助歷史著名事件帶著問題展開實驗

本實驗涉及到毛發(fā)樣品的處理，在開始之前借助歷史事件——光緒死因展開實驗。從學生普遍認為的傳說是否為事實提出問題：光緒是否被毒死的？讓學生帶著問題去尋找答案（圖4）。

圖4 光緒死因——取發(fā)樣和骨骼

通過光緒發(fā)樣和骨骼發(fā)樣測定結(jié)果的巨大差異：在毛發(fā)根部沒有發(fā)現(xiàn)砷，但在其胃部附近的骨骼（如圖4紅色圓圈部分）表面發(fā)現(xiàn)了超過人類致死量的200倍的砷。此研究結(jié)果驗證了他的死因：急性中毒而死。這個幾乎家喻戶曉歷史事件，通過現(xiàn)代科學的驗證進一步坐實歷史傳說是真的。講解這部分歷史事件時引申到學生在以后的工作和學習中，會有人走向質(zhì)檢崗位、法醫(yī)學崗位、刑偵崗位等，需要掌握取樣知識：個體不一樣、取樣部位不一樣、時間先后順序不一樣都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生很大影響。學生表現(xiàn)出非常強烈的興趣，非常想知道他們自己毛發(fā)內(nèi)的微量元素，他們會帶著好奇全程參與整個實驗中去。

在調(diào)動學生興趣后，及時引入本次實驗處理毛發(fā)樣品的順序：選取樣品、洗滌干燥恒重后稱量、濕法消解、定容。具體操作流程如圖5所示。

圖5 毛發(fā)樣品處理過程

在如圖5所示的簡單流程圖里，學生可以明確每步要完成的任務，尤其采樣環(huán)節(jié)，學生非常積極提取自己的發(fā)樣，做實驗過程中參與度明顯提高。在這個環(huán)節(jié)滲透了集體協(xié)作精神在社會工作中的重要性，強化學生相互學習、借鑒和提高的學習氛圍。

2.7 操作原子吸收光譜儀檢測樣品

在操作原子吸收光譜儀過程中加入安全元素，強調(diào)學習工作過程中遇到危險情況時需沉著應對，多學習安全知識。具體操作時，加入乙炔氣的安全使用、個人對原子蒸氣的防護等講解。所有學習、工作和生活的正常運行都離不開安全，在儀器操作環(huán)節(jié)，在學生動手的過程中，結(jié)合不同類型的氣瓶展開乙炔氣瓶的特征性介紹。通過對安全工作的詳細分析，加入愛崗敬業(yè)、嚴肅認真等社會主義正能量思想政治教育。

2.8 實驗結(jié)果的討論，舉學生身邊的例子

加入歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)并進行比較，引入人們生活水平提高相關(guān)內(nèi)容。筆者將近10年的數(shù)據(jù)庫進行整理展示給學生，數(shù)據(jù)采集對象中既有他們的上一級師兄師姐，也有他們同年級的同學，尤其是將最近一年內(nèi)學生的數(shù)據(jù)結(jié)果（表2、表3）進行分析后，特別列舉出的檢測對象是他們身邊熟悉的同學、舍友（圖6），引導學生覺察鋅的含量和他們的生活關(guān)系密切，激起他們對本次實驗的好奇心，并能主動在課后進行延展學習。

表2 不同性別學生的含鋅量（各50位）

表3 鋅含量較少的學生個體

圖6 兩位毛發(fā)具有代表性的學生實際數(shù)據(jù)

從表2、表3可以看出：男性比女性平均鋅含量少20 μg·g-1；長期素食、熬夜、缺少運動等生活方式都不利于鋅的攝入和保留。

從圖6中可以明顯看到燙發(fā)學生A的特征，此次檢測的是該名學生燙發(fā)后的毛發(fā)，鋅含量為74.5 μg·g-1，不能真實反映他的健康情況，因此根據(jù)人體毛發(fā)的生長速度1.6 cm/月，強調(diào)他需在一個月以后回來復檢，彼時檢測的結(jié)果即能如實反映他身體的真實狀況。圖6中熬夜學生B的檢測結(jié)果不容樂觀，只有136.8 μg·g-1，是能真實反映他體內(nèi)的鋅含量的，這時老師會給全組學生留一個懸念：課后查閱相關(guān)文獻，讓身為同學的學生給予熬夜同學指導，這個作業(yè)不但能激起學生對科學的好奇，還能增進學生之間的友誼，讓他們學習科學知識的同時，帶著“幫助他人”的目的去查閱資料，鼓勵他們關(guān)心同學、友愛團結(jié)，增加集體榮譽感。

此實驗自2010年面對本科生開放，有很多數(shù)據(jù)的積累，筆者將近10年的數(shù)據(jù)進行整理匯總，如圖7所示。

從圖7可以看出，在被檢測對象平均年齡沒有變化的情況下，學生毛發(fā)中的鋅含量隨著時間推移在不斷增加：男生頭發(fā)中鋅含量由2010年160.8 μg·g-1增加至2020年的181.1 μg·g-1；女生由2010年173.6 μg·g-1增加至2020的202.4 μg·g-1。近年來通過國家和各級政府的不斷努力，我國人民的身體素質(zhì)在不斷增強，人體缺鋅狀況在不斷改善。

圖7 2010至2020年收集的男性、女性毛發(fā)中的鋅含量

這個環(huán)節(jié)是學生討論問題最多的，他們將自己的檢測結(jié)果與這些大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果進行比較，并且開始根據(jù)自身的一些生活習慣進行對照，引起他們對微量元素檢測的濃厚興趣，這時鼓勵他們多查閱文獻，表述檢測機理以及實驗步驟可從學校網(wǎng)上學習，并利用學校提供的如圖8所示的線上資源（https://vpnx.lzu.edu.cn/http/77726476706e69737468），繼續(xù)學習，進一步鞏固他們學習的效果。

圖8 原子吸收光譜線上資源示意圖

2.9 學生對課程思政的反饋

筆者經(jīng)過2年的課程思政探索，面對774名學生開展本次實驗教學，學生對每一次的實驗教學更有期待，他們的投入度也由原來的只求分數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的想去學、要去學、期待去學。從學生的眼神和課堂互動來看，他們對實驗的專注度提高顯著，并且在課后線上實驗課件中學習的熱情大大增強。教師在課后收到學生對實驗相關(guān)細節(jié)的問題反饋較之之前提高顯著，學生的問題由原來儀器原理的部分明顯向儀器構(gòu)造、方法拓展等方面增多。

3 結(jié)語

在學校沒有進行課程思政建設之前，教師沒有意識到學生對知識的掌握是需要情景協(xié)助進行才能達到完美效果的，因此在實驗教學中只一味地將理論知識如何結(jié)合實踐知識作為工作重點，也沒有意識到潛移默化的思政教育對專業(yè)課實驗來說就像一把鹽和一碗沒有鹽的水之間是會完美結(jié)合的，學生學得有滋有味、教師在教育中也會不斷思考教學意義、教學方法。通過本次用“鋅”看世界的課程思政建設，教師除在實驗教學方法上豐富了很多實操的技巧，同時在思想理論水平方面也得到很大提升；作為授課對象的學生在本次課程具體改革中受益良多，對于激起他們科學研究的熱情起到非常大的助益。在大型分析儀器實驗教學中實施“課程思政”，充分發(fā)揮化學實驗課程的育德育人功能，對培養(yǎng)理工科學生的家國情懷、生態(tài)意識、科研視野等科學素養(yǎng)具有重要意義。