以“聚集誘導發光（AIE）”理論為載體開展化學類課程思政建設的研究與實踐

李愷，何占航，李中軍，臧雙全

鄭州大學化學學院，鄭州 450001

“聚集誘導發光”（Aggregation-induced emission，簡稱AIE）指的是一些含有特殊結構的分子，其在溶液分散狀態下無光致發光而在聚集狀態或固體狀態下具有強烈光致發光性能的一種化學現象[1]。AIE現象由中國科學家唐本忠院士于2001年首先發現并報道，經歷了近20年的發展，AIE分子已被廣泛應用于有機光電材料、熒光探針、生物成像、過程監測等諸多領域，成為國際公認的化學科學研究的前沿熱點之一[2]。值得驕傲的是，中國科學家在AIE領域的研究中一直處于國際領先水平，唐本忠院士也因在該領域的開創性貢獻獲得了2017年國家自然科學一等獎的殊榮。作為一種由中國科學家首先提出并被國際所認可的前沿科學理論，AIE理論為化學學科思政教育提供了一個極佳的載體。通過對AIE理論發展歷程以及唐本忠院士科學研究事跡的學習，可以增強學生的民族自豪感、激發學習熱情，為學生樹立科研報國、永攀高峰的光輝典范。

鄭州大學化學學院（原化學與分子工程學院）作為首批教育部高校“三全育人”綜合改革試點院（系），在課程思政建設方面具有深厚的積累和豐富的實踐經驗。早在2017年，鄭州大學化學學院就已經開始探索，嘗試把AIE理論作為課程思政元素引入本科教學[3]。2019年，鄭州大學化學學院在本科必修課“綜合化學實驗”中開設了“水楊醛希夫堿的合成、表征及其聚集誘導發光性能”綜合實驗。該實驗課融合科學前沿理論和課程思政元素，引起了學生的熱烈反響，多位同學受該課程的影響進入AIE相關領域開展研究學習和深造。結合學院特色，我們進一步將AIE理論這一課程思政教育元素拓展到理論課教學和實驗課教學中，打造了一個可復制、可推廣、易移植、普適性好的課程思政精品案例。本文介紹了鄭州大學化學學院圍繞AIE理論課程思政教學案例開展建設和進一步拓展課程思政元素的一些思考。

1 AIE理論作為課程思政案例引入教學的意義

AIE理論是一個由中國科學家首先提出并發展成熟的原創的科學理論[4]。通過對AIE理論的學習，有利于幫助學生厚植愛國情懷，提高學生的民族自尊心和自豪感。同時，AIE理論至今仍在不斷完善，其應用仍在不斷拓展，是化學學科十分活躍的前沿研究領域之一。通過學習AIE領域最新的進展，能有效激發學生的科研興趣，培養創新思維的同時提升其使命感和責任感。唐本忠院士在科學研究中體現出的卓越品質，為青年學生提供了光輝的榜樣。他提倡“見人皆所見，思人所未思”的科研理念，要求學生不但要有扎實的理論基礎，熟練掌握各種已有的知識，更要具備敢于質疑經典、突破傳統理論的勇氣和能力。“聚集誘導發光”理論就是一個顛覆傳統“聚集誘導淬滅”理論的創新發現。唐本忠院士在科學研究中還特別強調團結合作，“Together We Shine,United We Soar！”的協作理念[5]，使中國在聚集誘導發光領域團結了一大批頂尖學者，成功打造了國際高技術競爭中的中國品牌。這些研究理念，對初入科研的青年學生具有非常重要的啟發作用，有利于引導他們形成正確的人生觀和價值觀，培養良好的科研習慣。因此，AIE理論為化學學科思政教育提供了一個極佳的案例，通過對AIE理論發展歷程、發現人事跡、前沿進展的深入挖掘，可以體現豐富的思政教育意義，使思想政治教育與專業教育同向同行、深度融合、相互促進。這也完美契合了教育部《高等學校課程思政建設指導綱要》中對理科專業思政建設“要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。理學類專業課程，要注重科學思維方法的訓練和科學倫理的教育，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”的要求[6]。

2 將AIE理論引入課程教學，開展思政教育的實例

在實際教學過程中，鄭州大學化學學院從理論課和實驗課兩方面同時入手，在多個教學環節中結合課程內容引入AIE理論，融入課程思政元素，拓展課程的理論深度和思想深度（圖1）。目前，已在無機化學、普通化學、有機化學、儀器分析等多門理論課程中加入AIE理論相關案例，并結合課程內容融入不同的思政元素，覆蓋化學學院本科生基礎必修課程和醫學、化學工程、材料科學、生命科學、物理學、環境科學等相關專業的化學類基礎課程。同時，在化學學院本科必修課“綜合化學實驗”中開設了“水楊醛希夫堿的合成、表征及其聚集誘導發光性能”綜合實驗，并計劃從2021年春季學期起，在“物理化學實驗”中開設“利用聚集誘導發光現象觀察分子的定向運動”實驗。通過這兩個實驗，使學生親自動手實踐，了解AIE現象、原理和其前沿應用。

圖1 鄭州大學化學學院以AIE理論為載體開展的化學類課程思政建設

2.1 在理論課教學中，以AIE理論為載體展開思政教育的實例

2.1.1 無機化學/普通化學教學案例

在化學專業一年級專業課無機化學和醫學專業、化工專業、材料專業等一年級普通化學課程的“分子結構”相關章節中，結合對“分子間作用力”和“相似相溶”原理的介紹，設計課堂例題，引入AIE的概念和特點。

例1 2001年，中國科學家發現一種性質奇特的有機分子1-甲基-1,2,3,4,5-五苯基噻咯（化合物1），結構如圖2a所示。該分子在聚集狀態或固體狀態下表現出強烈的光致發光特性，而分散在溶液中時卻沒有光致發光性能，這樣的特性被稱為聚集誘導發光，簡稱AIE。請結合本課所學的知識，判斷該分子在水和甲苯中光致發光性能的強弱，并說明原因。

解：從圖2a可知，1-甲基-1,2,3,4,5-五苯基噻咯是一個高對稱性的有機分子，其極性較小，分子間相互作用以范德華力為主，這與甲苯分子間的相互作用力相似，根據相似相溶原理，1-甲基-1,2,3,4,5-五苯基噻咯應易溶于甲苯，處于分散狀態，在甲苯中無光致發光性能；水分子是極性較大的分子，與1-甲基-1,2,3,4,5-五苯基噻咯分子間的相互作用力差別較大，因此，該分子在水中不易溶解，會形成聚集體，表現出強烈的光致發光性能。

圖2 （a）TPE在晶體中展現出的兩種對映異構體；（b）螺旋槳狀AIE分子實例

在該例題講授的同時，教師可將思政元素進一步拓展，介紹中國科學家在AIE領域的開創性貢獻，強調AIE是一個由中國人首先提出并被國際廣泛認可的科學理論，增強學生的民族自尊心和自豪感。

2.1.2 有機化學教學案例

在化學專業二年級專業課有機化學的“立體化學”相關章節中，以具有“螺旋槳狀”結構的AIE分子為例，講解手性有機物結構。例如經典的AIE分子四苯乙烯（Tetraphenylethylene，簡稱TPE），其所有的碳原子皆為sp2雜化碳原子，表面上看應為平面共軛分子，不具有手性。然而，由于相鄰苯環氫原子間的空間位阻作用，其共軛體系不能處于同一平面，從而導致了獨特的“螺旋槳狀”結構，在不同手性溶劑中結晶出的晶體即可出現兩種苯環向不同方向旋轉排列的手性異構體（圖2b）[7]。這些例子可以幫助學生更好地理解有機分子手性和結構之間的關系。同時，通過列舉不同的“螺旋槳狀”AIE分子并介紹其發展歷程（圖2a），引導學生展開思考和探索，嘗試從理論上設計新型AIE分子。通過這樣的課程設計，采用啟發式教學，使學生對所學理論的應用有直觀感受的同時，建立科學的思維方法。

2.1.3 儀器分析教學案例

在化學專業三年級專業課儀器分析的“熒光分析法”相關章節中，介紹AIE分子在熒光探針、生物成像、診療一體化等方面的應用。經過近20年的發展，AIE材料已經成為一類極為重要的熒光材料，在化學、生物學、醫學等領域被廣泛應用[8]。尤其值得驕傲的是，中國科學家在這些研究中起到了絕對的引領作用。教師在課堂上結合中國科學家報道的經典科研案例，介紹AIE應用領域和應用前景，使學生了解AIE材料的最新發展，激發他們對化學研究的興趣。這樣的課程設計，使學生在接觸科學前沿熱點的同時，提升其科學研究的使命感和責任感。

2.2 在實驗課教學中，以AIE理論為載體展開思政教育的實例

2.2.1 在綜合化學實驗課程中，以AIE理論為載體展開思政教育

2019年起，我們在鄭州大學化學學院三年級必修課程綜合化學實驗中開設了“水楊醛希夫堿的合成、表征及其聚集誘導發光性能”綜合實驗。該實驗利用苯酚和氯仿，在堿性條件下通過Reimer-Tiemann反應合成水楊醛，再利用所合成的水楊醛與水合肼反應，得到具有AIE特性的水楊醛縮肼席夫堿化合物。通過對水楊醛縮肼熒光性能的表征以及和經典熒光分子羅丹明6G熒光性能的對比，讓學生了解光致發光的基本原理。作為一個專門實踐AIE分子合成、展現AIE現象的實驗，該實驗引起了化學學院學生的熱烈反響，已有多位同學受該課程影響進入了AIE相關領域開展研究學習或繼續深造。在本課程中，我們融入思政內涵，通過講授AIE現象的發現過程，對比聚集誘導淬滅現象和聚集誘導發光現象，向學生傳遞“見人所未見，思人所未思”的科研理念，培養創新思維。通過講解AIE理論的發展歷程，將唐本忠院士在AIE研究過程中使命擔當、勇于開拓、堅忍不拔的事跡在課堂上進行詳細的介紹，為學生樹立科研報國、勇攀高峰的光輝典范（圖3）。該綜合實驗課程所需儀器設備簡單、易于推廣，相關實驗在《大學化學》發表后得到了國內同行的廣泛關注，半年內已經下載超過360次[9]。

圖3 臧雙全教授為鄭州大學化學學院2016級本科生講授AIE綜合實驗課

2.2.2 以AIE理論為載體開展創新實驗，將思政元素引入物理化學實驗課程教學

2019年，鄭州大學化學學院設計了“利用聚集誘導發光現象觀察分子的定向運動”的教學實驗。該實驗將AIE、“分子機器”等科學前沿問題引入實驗教學，將熒光性能表征和化學動力學測試相結合，提升學生利用課本知識解決實際問題的能力。利用熒光信號觀察分子在固體狀態下的運動規律是2019年之后才逐漸發展起來的一項新興技術[10]，該實驗也是基于2019年最新報道的科研成果拓展設計而成的[11]。在該實驗中，學生利用4-丁氧基苯胺水楊醛席夫堿的AIE特性，觀察該分子在聚集狀態下研磨前后的熒光性能的變化，探索其作為一種簡單的具有自發定向運動能力的“分子機器”所表現出的運動規律，還可以進一步利用理論課所學的物理化學知識，探索隱藏在該“分子機器”背后的化學動力學和化學熱力學原理。我們計劃在2021年春季學期中，將該實驗引入化學專業必修課程物理化學實驗中。通過該實驗讓學生掌握化學動力學理論在研究實際問題中的應用方法，同時展示AIE研究領域的最新科研成果，幫助學生打破思維定式，提升思辨能力。

3 進一步拓展課程思政元素的一些思考

課程思政元素的引入方式，除了理論課和實驗課課堂教學之外，還可以進一步拓展。例如，在由鄭州大學承辦的“第33屆中國化學奧林匹克（決賽）暨冬令營”的比賽試題中，題目6-4中將AIE思政元素融入其中[12]。在題干中，向學生介紹“聚集誘導發光現象是一種由中國科學家首先發現的光致發光現象”，提升學生民族自豪感，促進其對化學的熱愛。又如，嘗試將課程思政案例編入教材，在鄭州大學化學學院無機教研組主編的河南省十四五規劃教材《無機化學原理》中，將例1作為例題編入其中，該書已確定將于2021年由高等教育出版社出版。再如，采用微視頻等新手段將AIE思政元素引入課堂教學。在設計“利用聚集誘導發光現象觀察分子的定向運動”教學實驗時，我們曾有幸邀請到唐本忠院士為團隊進行指導并錄制視頻。以該視頻作為素材，我們進一步擴展制作了微視頻，在課堂上與學生分享，讓學生感受大師風采，提高思政育人效果。

4 結語

在化學類課程教學中融入課程思政理念，在潤物無聲、潛移默化中實現教育目標，切入點十分重要。選擇合適的切入點，進行深入思考和拓展，開發可復制、可推廣的課程思政案例是我們不斷的追求。本文介紹了鄭州大學化學學院利用AIE理論為載體開展的課程思政教學案例，分享了進一步深化課程思政建設的思考，希望能為相關高校開展化學類課程思政建設提供有益的參考。