無機元素化學課程思政知識鏈構筑與教學實踐

鹿現永，高寧，胡濤，鮑浩波

1北京航空航天大學化學學院，北京 102206

2北京航空航天大學馬克思主義學院，北京 100191

3大連理工大學化工學院，遼寧 大連 116024

4高等教育出版社，北京 100029

課程思政建設，教師隊伍是“主力軍”，課程建設是“主戰場”，課堂教學是“主渠道”。《高等學校課程思政建設指導綱要》中指出：“落實立德樹人根本任務，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體、不可割裂。全面推進課程思政建設，就是要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，這是人才培養的應有之義，更是必備內容[1]。”

無機元素化學是化學類、材料類、理科拔尖類專業大一新生重要的核心基礎課，課堂教授效果事關學生正確科學觀的形成、科學研究興趣的激發以及科學研究能力的培養。無機元素化學教學內容作為人類數百年來認識大自然、改造大自然智慧的結晶，蘊含了豐富的思政元素。要紅昌等[2]提出將中國傳統文化所含的化學知識、化學智慧融入元素無機化學的課堂教學，激發學生的文化自信和民族自豪感。李艷強等[3]將愛國主義、環保意識和科學精神構筑無機化學課程思政體系，幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，并培養其對專業的認可及正確的專業倫理。馬亞魯等[4]將科學家生平事跡引入無機化學教學，培養學生的家國情懷，磨礪學生的優秀品質。王峰等[5]結合元素化學課程特色和當代大學生心理性格特征，提出以學生為主體，構建元素代言人，提升學生素養。胡芳東等[6]以化學元素課程思政案例踐行立德樹人使命。目前無機元素化學課程思政的建設，在挖掘無機元素化學各章節育人案例方面取得了很大的進展，但是還存在育人案例與知識點融合的深度和廣度不夠、育人案例缺乏背景多角度分析等問題。針對這些問題，筆者通過元素周期表發展史、化學元素發現史、中國化學史、中國化學家創新故事、化學元素“兩面性”、拓展課程思政的廣度和深度等方面深入挖掘課程思政內容，將思政知識鏈條融入理論知識體系，從而實現價值塑造、知識傳授和能力培養相統一。

1 以辯證唯物主義哲學理念，深挖元素周期表形成史

辯證唯物主義是揭示科學發展規律的哲學研究方法。無機元素化學作為無機化學的重要組成部分，化學元素的建立、化學性質的規律性和元素周期表的形成與發展均包含著豐富的辯證唯物主義哲學理念。這些哲學理念的挖掘，有助于學生樹立正確的科學世界觀、提供學生解決科學問題的正確方法和激勵學生探知未來科學的信念。化學元素概念的建立經歷了古代哲學階段、經驗分析階段、近代科學階段和現代科學階段四個過程，反映了人類認識事物的基本規律，體現了化學從哲學到科學的演變歷程[7]。

化學周期律與化學鍵是化學的兩個重要思想。其中元素周期表作為化學周期律的體現，是無機化學元素化學的精髓，其形成與發展(表1)是化學家創造性研究工作的積累和科學規律的總結。早期元素分類，主要以物質種類的經驗總結，比如拉瓦錫將化學元素簡單分為氣體、金屬、非金屬和地球化合物。化學家對元素原子量、物質的化學價態、物理性質規律研究的深入，使元素周期表的化學元素排列更具有科學性[9]。1862年俄國化學家門捷列夫在編寫《化學原理》教材過程中，突破元素化學周期系雜亂無章的堆積，將單質和化合物的性質周期性地隨著它們原子量的變化進行了科學的總結，形成了當代化學元素周期表的雛形。門捷列夫對化學性質與原子量之間關系的認識，不僅從感性躍進到理論，發現了元素之間存在的客觀規律，而且運用這些規律修正了一些元素的原子量[10]。特別是門捷列夫將元素周期表排出空位，預測了尚未發現的新元素性質。元素周期表的發現，是歸納-演繹這一科學思維方法的重要體現。

表1 元素周期表發展史[8]

2 深挖無機化學元素發現史，激發學生科學原始創新動力

原始創新是國家科技競爭的制高點。化學作為基礎科學，其理論成果和科學研究的態度和方法是人類科學精神的重要組成部分。科學精神的孕育是產生科學原創能力的動力之一，有助于培養學生的意志、信念、氣質、品質、責任感和使命感。化學元素的發現史是科學家不屈不撓的創新探索過程。化學家經過不懈努力，化學元素被逐漸發現，其獨特的化學性質被逐步研究，使元素周期表不斷被補充[11]。在無機化學元素史上，氟單質的制備是研究持續時間最長、參與科學家最多、工作難度最大和危險系數最高的化學合成工程，如表2所示。自安培認識到氟是一種新元素，到莫瓦桑利用低溫電解法制備成單質氟，歷時76年之久。多位科學家，因氟化物或氟氣輕則中毒，重則喪命，在化學元素的發展史上留下極其悲壯的一筆[12]。化學家莫瓦桑閱讀大量文獻，在總結前人經驗和教訓基礎上，進行了大量的合成試驗，在低溫下電解合成得到氟單質。總結化學家莫桑瓦成功的經驗有以下幾點：1) 科學家為未知元素所癡迷的興趣驅動；2) 全面吸取了前人的經驗和教訓，站在前人的肩膀上進行創新設計；3) 勇于獻身、大無畏的科學探索精神。永不放棄、不屈不撓的科學探索精神，可以很好地激勵學生原始創新的恒心和毅力。

表2 氟元素的分離史

稀土元素被稱為新材料“寶庫”“工業維生素”，其發現同樣也經歷了漫長的時期。稀土元素為第三副族57-71號的15個元素和21、39號元素，共17種元素，如圖1所示。稀土元素，原子半徑接近，化學性質相似，在自然界中常常混雜在一起，難以分離提取。科學家從鈰土到發現钷經歷了144年，從釔土到分離出钷，科學家探索了153年[13]。稀土元素的發現分為重稀土(鈰組)和輕稀土(釔組)兩個路線。由于稀土元素化學相似性造成分離的困難，在1859年科學家本生和基爾霍夫發明光譜分析技術之前，科學家僅僅發現了5種稀土元素，甚至混淆鉺和鋱兩種稀土金屬多年。1878-1880年的三年內，科學家發現了6個新的稀土元素(鐿、鈧、釤、鈥、銩和釓)，這比平均9.6年發現1個稀土元素的效率提高了20多倍。這種高效率稀土元素的發現，一方面得益于光譜分析技術的發展，使科學家找到了新稀土元素的光譜指紋；另一方面也體現了科學家勇于探索的科學精神。其中，奧地利科學家韋爾斯基巴克(1858-1929)以堅強執著的精神，從吉基姆中發現稀土最難分離的雙胞胎元素鐠和釹，并將稀土光學特性和本生燈結合，發明了風靡全球應用于人類日常照明的“稀土燈”。科學家的故事，啟發學生在科學創新爆炸的信息時代，要放棄急躁的功利心理，堅持自己的科研方向，方可得到重大的原始創新成果。韋爾斯基巴克還發明了稀土打火石和發現了另外一種稀土元素——镥。兩個重大發明、三種稀土元素的發現者，對稀土研究的執著，足以彪炳人類稀土史冊。

圖1 稀土元素發現史

3 以傳統文化蘊涵的無機化學元素知識，激發學生中華文化自信

中華文化包含著中華民族最根本的精神基因。深入挖掘傳統文化蘊涵無機化學元素的知識，讓學生在學習化學知識的同時去體會中華文化的魅力和強大的生命力。古人的智慧、經驗與現代無機元素化學經典理論的統一，勢必會堅定學生的中華文化自信。

中國古代的一些科學著作，是古代先人通過觀察、生活體驗和生產勞作的經驗總結和智慧結晶，蘊涵著豐富的化學思想。古代的陶瓷、冶金、煉丹術、火藥、鹽、硝、礬等構成了中國古代化學的主要內容。無機元素的物質性質、化學反應、化學原理等在《抱樸子內篇》《夢溪筆談》《天工開物》等中國科學技術史原著中的內容體現，不但讓學生了解古人利用化學變化創造新物質和改善物質生活的故事，而且有助于培養學生的中華文化自信。英國著名的科學史專家李約瑟稱《夢溪筆談》為“中國科學史上的坐標”[14]，科學家這種正面評價更有利于中國科學史融入無機化學元素課堂，不但突出中國古人萌芽化學理念的先進性，而且激發學生作為中國人的民族自豪感。

進入17世紀后，西方進入資本主義社會，西方科學家成為構建了近代化學科學體系的主體。此時作為泱泱大國的中國，由興盛轉為衰落，中國人缺失了“化學成為一門科學”的角色。究其原因，自給自足的封建小農經濟使國人與外界交流減少，對新生事物接受能力差，過于注重經驗實用而缺少探究理論的動力[15]。這些思考從另外一個方面激發學生在化學學習和科學研究中，不但要樂于探究，而且要究其本源，將經驗和現象上升到基本理論。中國科學史的興盛與衰落，引導我們教師和學生一起進行積極反思。我們既不能陶醉于古代化學的輝煌，又不能沉淪于近代化學的落伍。我們要滿懷熱情地弘揚優秀中國古代化學思想充滿中華文化的自信，又要引導學生正確認識我們近現代化學與西方先進國家的差距，激發攀登世界化學科學高峰的動力。

4 以中國化學家為榜樣，教育學生樹立正確的民族觀和國家觀

文化自信是民族復興的力量之源，愛國則是個人的立德之源和立功之本。學生要愛國，要有正確的民族觀和國家觀，要有濃厚的愛國情懷，這樣才能成為具有責任擔當的中華民族偉大復興的建設者[16]。

在無機元素化學的授課中，培養學生的家國情懷，促進個人發展與祖國強盛的統一性理念尤為重要。將中國化學家故事融入課堂，他們的成長背景、成才歷程、為國奉獻、為國育才、高尚品德和人格魅力等，均是培養學生愛國精神和民族意識的優秀素材。如在無機元素化學堿金屬章節中，碳酸鈉的合成是堿金屬鹽類重要的知識點。化學家侯德榜先生及其發明的聯合制堿法引入是構筑堿金屬課程思政知識鏈的重要素材。從童年私塾到美國哥倫比亞大學博士，侯德榜的求學歷程就是一部立志成才的奮斗史。侯德榜協助民族實業家范旭東創辦中國首家制堿企業，發明聯合制堿法為民族化工嘔心瀝血。侯德榜出版巨著《制堿》揭穿“索維爾”制堿技術秘密，砸開技術封鎖的鐵鏈，使制堿技術成為全人類的財富[17]。侯德榜先生從個人小我融入民族大我的“家國情懷”，用制堿托起中華民族化工工業的大廈。

元素化學稀土元素部分，在介紹稀土電子結構和性質造成的稀土分離困難時，我們舉例中國稀土之父徐光憲院士，他在科學研究前期以服務國家為目標，以應用為導向進行核燃料萃取、稀土元素分離與提純的工藝研究，實現基礎科學與工業技術的巧妙結合；后期，他又結合研究興趣，對國際前沿科學問題進行研究，利用量子化學計算實現稀土萃取理論研究的突破。徐光憲院士一心為國，為國家戰略需求，多次改變自己的研究方向，發展了串級萃取分離科學技術，打破國外技術壁壘，成功實現“工業味精”稀土金屬的高效分離，使我國的稀土分離技術達到了世界先進水平[18]。在稀土應用方面，我們舉例我校徐惠彬院士、宮聲凱院士團隊利用鈰酸鑭作為熱障涂層材料，打造中國航空發動機葉片“金鐘罩”，大大提高了發動機的推力和效率，這對激發學生學好化學基本理論，培養投身我國航天事業的愛國精神具有很好的促進作用。

侯德榜聯合制堿法和徐光憲先生的串級萃取分離技術理論，均是我國被國外技術封鎖、引進國外技術被漫天要價“逼”出來的創新。結合目前中國航天技術在世界的一枝獨秀、中國高端芯片和中國航空發動機困境，兩種截然不同情況對比激發學生要學好基礎科學，讓核心技術掌握在自己手中。總之，在元素化學教學中融入中國化學家的家國情懷可觸動學生報國信念；基礎科學與核心技術的緊密聯系又觸發了學生學習無機元素化學的動力。

5 結合無機元素化學中的“兩面性”，做好職業底線思維教育

職業素養和專業素養一樣是全面育人的重要組成部分。對于學生職業素養的培養，要做好堅持職業底線的教育。職業的底線思維就是職業的最低目標，是量變到質變的唯物主義辯證法的重要體現，突破底線會產生不可預料、無法承受，甚至顛覆性后果[19]。在氮元素章節講授中，我們通過德國化學家弗里茨·哈伯的事跡講授合成氨工藝。哈伯使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面，加速了世界農業的發展和溫飽問題的解決，獲得1918年諾貝爾化學獎。但在一戰中，哈伯擔任德軍化學武器廠的廠長，負責生產氯氣、芥子氣等化學武器，用于非正義的戰爭，又使其臭名昭著[20]。化學家創造新物質，為人類社會貢獻了大量有用的物質和材料，推動社會的進步；而為了某種目的創造新材料，也會給人類社會帶來災難。無機元素化學中的正反面案例恰恰是職業底線思維教育的良好素材，也是觸動學生心理的緊繃弦。

在無機元素化學授課過程中，我們要講好無機元素化學在人類社會發展與進步中舉足輕重的作用，激發學生學習興趣和利用化學創造美好生活的動力；更要講突破化學職業底線的危害。面對社會大眾對于化學的反面認知，任課教師在課堂上旗幟鮮明地引導學生正確認識和理解化學的成果，傳播無機元素化學的正能量，引導學生正面思考，培養學生正確的價值觀；態度堅決地教育學生要樹立法治觀念、堅守職業底線，不能為一時之利，違反法律，利用化學作為工具污染環境、制造毒品、使用化學武器等給人類帶來災難。

6 突破課程思政空間和時間維度限制，創新育人載體和育人場地

課程思政作為“三全育人”的重要抓手，構筑全方位和全時空的三維育人體系尤為重要。科學精神、愛國情懷、中國傳統文化等課程思政因素與無機元素專業知識的精準對接點、課堂教學中無機元素專業理論知識與思政元素有機融合線、無機元素化學隱性價值融會貫通面，三者有機結合打造全面育人的無機元素化學課程思政體系。隨著教學改革的不斷推進，無機元素化學的課時被不斷壓縮。任課教師在有限的線下課堂內，很難在專業知識學習和價值培育實踐的全局角度達到深入融合。現代化信息化教學手段，為課堂教學和課程建設提供了可視化、動態化的教學利器。因此我們要充分發揮信息化教學技術手段，利用線下和線上兩個教學育人陣地，突破授課時間和空間的限制，充分展現無機化學元素相關的精彩圖片、生動視頻、中外化學家的人物傳記、化學元素的最新科學進展等思政素材。例如，在講述鈦元素性質時，舉例我校中國科學院院士江雷教授基于自然界荷葉仿生理念，采用二氧化鈦納米材料構筑超浸潤界面，并將其應用到國家大劇院外墻自清潔玻璃的原始創新故事。這些精選素材，不僅可以激發課堂活力，而且可以培養學生學習元素化學的興趣和原始創新動力，更為重要的是把育人元素高度融合了無機化學元素化學教學內容。

針對新型冠狀病毒肺炎疫情對高校正常開學和課堂教學造成的影響，2020年春季，我校利用線上MOOC、騰訊課堂、微信課程群/公眾號、雨課堂、課程QQ群等現代化信息教學手段，展開了平穩、有序的線上教學。充分的課前準備、充滿師生互動的在線課堂和課下真切的課堂反饋，都是高質量完成無機元素化學在線授課的重要因素。全心投入的教學態度、科教融合的教學風格、角色植入師生溝通的交流方法，均是讓學生最為真切的感受，也容易受到教師所呈現出來師德師風的感染和影響。現代化信息化教學手段彌補了線下課時缺陷，實現了育人載體和場地的創新，形成了無機元素化學課程思政教學閉環化流程，從而促進“三全育人”目標的實現。

7 結語

本文從無機元素化學課程特點出發，提出將思政知識鏈條融入理論知識體系的課程建設理念。借助“線上”和“線下”兩個渠道實施無機元素化學課程思政教學，突破空間和時間限制，形成課程思政閉環式教學流程，拓展教育效果最大化。課程思政是落實立德樹人根本任務的教育理念創新和實踐創新。我們要提高自身的育人能力，重視課程建設，精心設計課堂、興趣牽引激發學生探索未知、追求真理，勇攀科學高峰的責任感和使命感，實現價值塑造、知識傳授和能力培養全面育人目標。