分析化學(1)思政育人元素的融入途徑探索

宦雙燕，王玉枝

湖南大學化學化工學院，長沙 410082

2020年教育部印發了《高等學校課程思政建設指導綱要》(高教[2020] 3號)[1]，明確指出全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的重要舉措，其中知識傳授要與價值塑造和能力培養融為一體。如何發揮專業核心課的“主戰場”和課堂教學“主渠道”作用，與思政課程同向同行，發揮協同育人效應，構建三全育人大格局，也是新時代落實立德樹人根本任務所要探索的重要問題。本文主要總結了湖南大學化學化工學院分析化學(1)教學團隊課程思政建設的總體思路、育人體系構建、創新教學設計方法、建設特色與思考，著重介紹了如何借助案例、事件或問題，以多元融合的創新教學設計構筑情感、態度、價值觀的鏈接點，在知識傳授的同時實現能力培養和價值引領，以期對同行在課程育人元素融入途徑的探索產生啟迪。

1 學科、學情特點與總體思路

分析化學是一門研究如何獲得物質化學信息的學科，按照原理可以分為化學分析和儀器分析，對應我校的兩門專業核心課課程：分析化學(1)和(2)。分析化學(1)主要對應化學分析的內容。分析化學是較早發展起來的化學分支，凡是涉及物質及其變化的現象和規律的研究都離不開分析化學。分析化學又是一門密切聯系實際的學科，當前的衣食住行、工農業生產、疫情防控、國防科技，方方面面都離不開分析化學。

我校學習本課程的學生處于大二下，具備了無機和有機定性分析的基礎，但缺少定量概念，對學科特點不了解，對身邊的事件缺少專業視角，對分析工作的素養和追求也缺少認知。結合我校“基礎扎實，視野開闊，德才兼備”的人才培養總要求，學生通過專業課的學習，需要具備以下核心素養：具有家國情懷和良好的科學文化素養；能夠較好地掌握化學基礎知識、基本理論和基本技能；具備知識運用能力、創新創業意識、終身學習能力和國際視野，能夠成長成為德智體美勞全面發展的高素質化學創新人才；畢業五年內，能夠成為德才兼備的杰出人才或骨干。為了支撐該目標，分析化學(1)教學團隊一直思考和探索如何圍繞“立德樹人”根本任務，從學生學習能力、社會認知能力和未來職業發展潛力等角度出發，將知識體系、育人元素、創新實踐多元融合進行創新教學設計，體現課程的“兩性一度”，構建與新時代人才培養目標相適應的課程育人體系。

2 課程育人體系構建

分析化學(1)的課程育人體系構建源于三方面考慮：

第一，本學科與其他學科相比在知識傳授上有什么不同的特點？化學學科有著“宏觀-微觀-符號”三重表征思想[2,3]是其他學科沒有的，三重表征與我國化學學科核心素養中提出的“宏觀表征與微觀探析”也是一致的。具體到分析化學，也存在宏觀上的化學分析現象和方法原理，微觀上的組成、結構、性質和變化，符號上的反應平衡方程式、誤差和定量分析計算等。在教學中，分析特色的三重表征思想、認識和解決問題的視角和思維方式，以及嚴格的“量”的概念都是需要潛移默化的。

第二，本課程教學中存在什么普遍性問題？分析化學主要講授如何獲得物質化學信息的方法、原理和初步應用，往往缺乏樣品預處理和實際樣品分析，缺少解決實際問題的應用；側重方法原理，缺少對方法的研究，如選擇、應用、評價和改進；知識原理偏基礎，難以與科研前沿思想結合。如果從學科和育人的角度去考慮，這些能力培養很重要，要提升課程的高階性、創新性和挑戰度，就要從這些方面加強。

第三，如何讓知識傳授承載價值引領的目標，實現從教學到教育的跨越？可以借助案例、事件或問題構筑鏈接點，如“鉻污染環境公益訴訟第一案”“三聚氰胺奶粉事件”“酸價超標”問題等，激發學生對事件的思考，形成情感上的共鳴，通過針對性的討論達成看法和態度的共識，進而形成對分析工作者職業素養和社會責任的價值認同。針對案例、事件、問題進行創新教學設計，引導學生從認知到思辨、感悟和實踐，從舊的案例中發現新的思想，讓思考從課內延伸至課外，讓思維從當下拓展到國家需求和人民健康等重大科學問題。這是研究型大學進行思政育人的核心問題。

圍繞我校化學專業人才培養總目標，基于課程知識內容和上述思考，教學團隊深入挖掘課程中蘊含的家國情懷、科創精神、社會責任、優秀文化傳承和社會主義核心價值觀，進一步凝煉出本課程的四大核心育人元素，如圖1所示：

圖1 課程育人體系構建的總體思路示意圖

(1) 精準定量。精準是一種追求極致的求真思想，需要嚴謹、實事求是的態度和嚴格的“量”的概念。

(2) 經世致用。“經世致用”是一種湖湘文化的傳承，其時代意義體現在關注和解決實際案例事件中的分析化學問題，體現在面向國家需求和人民健康開展研究的求實務實態度中。也契合了我校建設富有歷史文化傳承的中國特色世界一流大學，培養堪當民族復興大任的經世致用領軍人才的目標。

(3) 科學素養。科學素養涵蓋內容寬廣，分析化學的科學素養體現在如何從分子水平認識、理解、探究和創新上，培養去偽求真的科學精神，了解前沿創新的化學本質，形成看待問題的專業視角。

(4) 價值追求。分析化學是科技發展的“眼睛”，這一特點決定了分析工作者該有的家國情懷和責任擔當，但分析化學提供的是可靠的方法和數據，這就決定了分析工作者要有甘當幕后英雄的心態和境界，“功成不必在我，功成必定有我”。

圍繞核心育人元素進一步構建了課程思政案例庫和示范教學課件[4]。對知識目標、能力目標和價值目標進行了教學重構。精心設計了線下教學環節，靈活運用多種教學方法和舉措，采用智慧教學工具管理教學過程，將育人元素融入教學，實現了多元融合的創新教學設計，依此構建了分析化學(1)課程的育人體系。

3 多元融合的創新教學設計

多元融合的創新教學設計主要包括以下幾個方面。

3.1 緒論部分——從學科和“分析人”的角度融入德育

重構了課程和章節的知識、能力和價值目標，對教學內容進行優化和創新。學生通過緒論部分的學習，能夠掌握分析化學的定義、任務、分類和定量分析過程等基本概念，了解分析化學的發展變革史和學科發展趨勢。從蔬菜農藥殘留檢測等實際案例中辨別對應的分析任務、分類和特點，從發展變革的角度把握分析任務的變化和學科特點。設計了分析化學在衣食住行、工農業生產、新冠核酸篩查、國防科技中的應用案例，引導學生循序漸進地認識分析化學的“眼睛”作用，理解學科的重要性。

在介紹分析化學發展史時，國內外教材中大多介紹的是外國科學家對分析化學做出的貢獻，很少提到分析化學發展變革中的中國故事。通過對分析化學發展史的梳理，重點選擇了近代(分析)化學啟蒙者——徐壽先生[5]和現代分析化學——儀器分析之父高鴻院士作為代表性人物[6]，以他們的言行事跡講述一個分析工作者應有的樣子。不論是“不務功名，自學西學；學以致用，融會貫通；致力翻譯，傳播科學；創辦書院、雜志，普及科技知識”的徐壽先生，還是在硝煙彌漫的1948年毅然回國，編寫出我國第一部《儀器分析》教材，敢于質疑極譜分析權威，提出了19個電化學理論公式的高鴻先生，他們的言行無不體現著一個分析工作者的家國情懷、求實創新精神。

講述分析化學的發展趨勢時，引入農藥殘留檢測、水質監測、血糖檢測與研發中的實際問題，提供參考視頻，結合多屏互動智慧教學工具進行分組討論，引導學生思考如何從分析對象的具體需求出發，理論聯系實際建立合適的分析方法，如圖2所示。學生討論分享后，和教師共同總結出：農藥殘留快速篩查需要發展低成本、速度快、便攜的檢測設備；水質監測需要靈敏度高、選擇性好、多目標分析的方法，如果能實時在線、智能監測則更好；血糖儀的研發則是從病人的角度考慮，從有創到無創，從靜態到動態監測，從診斷到診療一體化。通過理論聯系實際的討論，理解分析化學“經世致用”的理念。

圖2 結合實際問題的任務驅動式分組討論示意圖

再如，在定量分析過程的學習中，結合“鎘大米”事件設計了“研究某地區大米中是否存在鎘超標問題”的分組學習任務，確定了從任務提出→討論分析→初步方案設計→總結質疑→二次修改提交的教學環節。結合方案設計討論如何將精準定“量”的思想落實到從采樣到最后報結果的步驟中。從方案設計的立足點，討論分析任務的目標是僅僅提供大米中鎘含量的數據，還是考慮土壤、水、空氣影響，結合其他參數綜合考慮，弄清鎘的來源、狀態、遷移和轉化，參與到鎘污染問題的解決中，去體會分析工作如何以置身事中的態度，成為問題的解決者。

在“兩彈一星”和“人工合成結晶牛胰島素”等科技強國實例中也有著分析工作者的背后故事，如參與核燃料質量控制分析重要工作，未因此發表一篇學術論文的分析化學家陳國珍[7]，參與人工合成牛胰島素兩百多步產物結構分析的無名分析工作者群體，他們為實現科技強國夢甘當幕后英雄，也體現了分析工作者“功成必將有我”，但“功成不必在我”的境界。緒論部分教學設計為2學時內容，實施中教師可根據實際教學情況進行內容的增刪。

3.2 分析質量保證——以情景任務結合實際案例拓展思政領悟

在分析數據的可靠性檢驗部分，從《中國機長》電影話題互動，導入可靠性檢驗的重要性，結合食品安全、飲水安全、環境安全等相關分析問題的問卷調查，引發學生對分析數據可靠性檢驗重要性的情感共鳴。

圍繞問卷中的一個選項“郊區冶煉廠有超標鉻廢水排放到上游河水”設計了情景任務，學生扮演分析鑒定專家的角色，需要回答居民提出的“鉻排放是否超標”問題，由此引入檢測方法、鉻排放標準的了解，再引入t-檢驗任務，如圖3所示。任務完成過程包括學生翻轉課堂講解基本檢驗步驟和板書計算過程，對于難點內容如單尾檢驗、雙尾檢驗等則由教師講解，教學過程中教師起到穿針引線的作用，通過互動引導學生明確任務、分析計算和完成檢驗過程，得出結論。面對“廢水鉻排放未超標”的結論，居民提出質疑，“能否用其他方法測一測，比較一下？”要響應居民訴求的改變，需要對兩種方法測定結果進行比較，又需要引入新的F-檢驗任務，教學環節設計與t-檢驗類似。教學過程中，從檢驗的目的和態度、如何響應居民訴求改變、數據的取舍等角度引導學生達成對可靠性檢驗態度的共識。通過角色體驗和任務完成，來體會分析工作如何服務民生訴求改變，如何樹立嚴謹求實的作風。

圖3 情景任務結合實際案例教學總體設計示意圖

本情景案例中檢驗結果鉻排放未超標，如果“三廢”排放存在鉻超標會有什么后果呢？在總結拓展部分引入云南曲靖歷時9年的“鉻污染環境公益訴訟第一案”[8,9]，從破壞人與自然和諧共生所要付出的代價——漫長的治理恢復過程所耗費的大量人力、物力、時間和成本，引導學生認識到維護人與自然和諧共生的新發展理念的重要性。同時思考如何避免這類污染事件的發生，作為分析工作者，我們可以做什么？對環境污染問題需要德法并濟來治理，關鍵要從污染源頭上加強對污水排放綜合指標的監測，而這就需要依靠分析工作者建立精準、多指標同時分析的方法，實現實時、在線、智能化的監測。從而引導學生形成對分析工作職業素養和社會責任的價值認同。

上述內容為45分鐘課堂設計，同時布置了課前查詢和課后思考任務，如課前對t-檢驗和F-檢驗知識點、鉻含量檢測的國家標準與檢測方法進行預習和查詢，課中采用了互動問答和對特定知識點的翻轉課堂講解；課后提出“該公益訴訟案件歷時9年，問題和困難在哪里？”的思考任務，讓思政領悟從課內延伸到課外。

3.3 化學分析法——基于核心素養形成的創新教學設計(以氮含量測定為例)

在酸堿滴定部分，圍繞氮含量測定對知識內容進行重構和創新，補充該方法的應用、評價和改進等內容，圍繞學生的核心素養形成進行教學環節設計：方法原理→反應與計算→準確滴定判據→操作糾錯練習→不同氮含量測定方法(凱氏定氮法)的比較和評價→實際案例：三聚氰胺奶粉事件[10]→事件原因分析與發言→教師總結提升→挑戰任務，如圖4所示。

圖4 基于核心素養形成的氮含量測定創新教學設計示意圖

教學中引入與凱氏定氮法應用于食品中蛋白質含量測定密切相關的“三聚氰胺奶粉”事件，關于2008年的這起食品安全事件，學生也都有一定了解，通過分組討論分析奶農奶商的行為動機、分析方法本身的不足和改進、國家標準和市場監管、奶制品企業產品質量控制等問題，并做代表發言。以三聚氰胺等氮含量高的物質添加替代蛋白質，與熟悉該方法相關人員的職業道德缺失也有直接聯系。教師總結中可以從分析工作者的角度引導學生思考，面對食品安全問題，我們可以做什么？如建立精準的方法，樹立嚴謹的態度和遵守職業道德等。這次事件后，我國《食品安全法》和《生乳》新標準得以頒布，奶粉開始實行“配方注冊制”，取消免檢實行普檢，奶制品也逐步開始溯源管理。奶粉企業也開始自建牧場，購置大型檢測儀器，保證奶源和產品質量，市場和行業進一步規范。從分析方法本身考慮，凱氏定氮法應用于測定食品中氮含量時非蛋白干擾的問題如何解決？可以結合提供的參考資料布置課內或課外的挑戰任務，讓學生提出改進的策略。

3.4 四大平衡與科研前沿——以科研實例滲透求真、求實、求新思想

在教學設計中，將四大平衡與人體中的平衡反應相關聯，如酸堿性食物與人體酸堿平衡，“鉛中毒”與解毒，人體的氧化還原與氧化應激，牙釉質的沉淀平衡等，從個體健康的角度引導學生形成情感共鳴。借助相關話題討論和觀點真偽辨析，形成對身邊與健康密切相關問題或事件的態度共識，如針對“酸堿體質理論”“抗氧化劑防癌”等偽科學的認識，對齲齒形成、活性氧自由基的作用、有益與有害的配位作用的辯證認知等。而針對“酸價超標”、重金屬污染清除問題，活性氧物種及腫瘤的檢測與成像等問題，則結合科研實例來說明分析工作者是如何面向國家戰略需求、服務人民健康，開展創新性的科學研究，引導學生形成對分析化學前沿研究的價值認知。

與酸堿平衡和緩沖體系相關的科研實例：比如腫瘤部位的細胞代謝發生了變化，局部會累積大量的乳酸，所以腫瘤的微環境是偏酸性的，利用酸性微環境激活探針信號，可以實現腫瘤部位的精準成像，如果能改變該微環境，則可能逆轉基因表達，治療癌癥。發展微環境響應型惡性腫瘤診斷治療新方法也屬于國家重大需求。

與配位作用相關的科研實例：對于“兒童鉛中毒與解毒”和“稻米中鎘污染和治理”等比較切入健康與環境的重要問題，復雜生物和環境體系中重金屬離子的特異性檢測也是分析化學的前沿研究領域。如何特異性檢測重金屬離子？從原理來分，有基于光學、電化學和生物化學的重金屬分析儀。測量思路上，既可以利用重金屬離子自身發射或吸收譜線性質，或氧化還原電位差異進行選擇性檢測，又可借助特殊配位劑配位后引起的吸收或熒光等光譜變化進行測量，還可以借助金屬離子對酶的抑制作用或特定DNAzyme的識別作用來設計生物傳感器檢測。儀器的發展逐步向自動化、智能化、微型化邁進，如將比色分析自動化的“全自動間斷化學分析儀”，基于智能手機系統的便攜式重金屬離子檢測設備，利用微加工工藝的芯片實驗室(Lab-on-a-chip)。

與氧化還原與氧化應激相關的科研實例：比如動脈粥樣硬化引發的心腦血管疾病，目前是危害國民健康的“頭號殺手”，也嚴重影響了我們“健康中國戰略”的實施。與活性氧相關的氧化應激是目前公認的啟動因素，但具體機理還不明確。分析工作者可以提供分子工具，捕捉到微量的活性物種，再轉換成可檢測的信號。借助國家重點研發計劃的資助，分析化學團隊的教師們開展了相關研究，利用研發的活性氧響應探針，可以靶向富集到動脈粥樣硬化的斑塊區域，對活性氧水平進行實時監測，為疾病的早期診斷提供了一種可視化的手段。

與沉淀平衡相關的科研實例：沉淀反應也可以被應用于前沿研究中，如本科研團隊構建的分子探針，識別目標物后，就會激活生成沉淀型固態發光的納米顆粒，沉積在目標物附近，產生不容易擴散的信號。教學中結合虛擬仿真動畫演示“原位型”和“擴散型”探針的區別，以及利用沉淀型探針精準識別并切除腫瘤的過程。利用該實例引導學生從目標物與沉淀劑反應→沉淀沉積→指示劑變色→定量分析的化學分析思維，拓展到目標物與探針識別后反應→原位沉積→固態發光→指示目標物位置→精準成像的研究思維，初步理解沉淀型探針的前沿研究與沉淀分析法在化學本質上的相通之處[11]。基于該最新研究開發的“腫瘤原位熒光標記技術設計和探索虛擬仿真實驗”(http://hnuygbj.dlvrtec.com) 2021年獲評湖南省虛擬仿真實驗教學一流課程，可以輔助學生課后的科研探索。

通過這些話題觀點的討論辨析去偽求真，對身邊的健康問題形成正確認識，并傳播科學觀念。通過四大平衡密切相關的科研實例，讓學生了解基礎理論與科研前沿之間的相通之處，理解如何以服務人民健康為目標，從分子水平上解決其中的分析科學難題，體會科學研究中蘊含的“求真”“求實”和“求新”的思想，其內在聯系如圖5所示。

圖5 基礎理論與科研前沿之間在求真、求實和求新上的內在聯系

3.5 課外拓展——結合飲用水安全問題開展創新課程實踐

為了將所學化學分析的方法原理應用于實際問題的解決，選擇了與環境和健康密切相關的飲用水安全問題設計創新課程實踐。第一周就布置了課程實踐項目任務：“一個月前，從岳麓山流下的泉水可以安全地被飲用。現在，飲用該水的人們感覺肚子疼痛，為什么？怎樣才能使它安全地被飲用？”

要完成該項目，需要弄清楚什么是“清潔”和“污染”的水？什么是飲用水標準？水中的成分有哪些？如何檢測？如何使水凈化？等基本問題。針對項目任務引導學生分組設計與污染源、定量分析、國家標準、水質凈化等問題相關的小課題，其中至少包含2個定量分析問題(如飲用水中總硬度、總堿量、溶解性總固體、化學需氧量、各種離子和污染物的定量檢測)和1個拓展性的思考問題(如飲用水安全與“健康中國2030”有什么關系？要實現飲水安全，需要關注哪些方面的問題？飲水安全方面，分析工作者可以做什么？)，在此基礎上回答大的項目問題。具體實施中采取組長負責制，每組制作相應課件，在專題討論課中進行成果匯報。成果評價采用教師評價結合組間互評的方式，該成績計入平時成績。對課題感興趣的同學課外可進一步去岳麓山進行山泉水采樣，選擇特定目標物進行滴定分析操作測定含量。

該課程實踐采用了基于產出導向理念(OBE)的項目驅動教學法(PBL)，不僅拓展了學生對實際樣品分析、國標方法的理解，從解決小課題到完成項目任務和拓展性思考，循序漸進地鍛煉了學生的綜合應用能力，如圖6所示。實施過程加強了組員的合作意識，提高了解決飲水安全中的分析化學問題的能力。在拓展性思考的基礎上，教師進一步結合疾病與飲用水污染問題，引導學生理解水質安全是實施“健康中國2030”的基礎，從建立精準分析技術，助力水質安全監測的角度理解分析工作者的社會責任。

圖6 創新課程實踐示意圖

4 結語

在教學設計中，跳出章節知識邏輯的思維慣性，對知識內容進行重構和創新，靈活運用多種教學方式和智慧教學工具，強調啟發式互動教學和主動參與式合作學習，將知識、案例事件、學科問題、育人元素進行多元融合。對知識內容的教學設計符合學生從記憶理解→應用分析→評價創造的認知維度變化規律，而該過程的實施不僅實現了科學素養、高階思維和創新能力的培養，還借助案例、事件或問題，實現了從情感共鳴到態度共識和價值認同的延伸，以教學設計為橋梁，讓能力培養和價值引領呈雙螺旋式攀升，從教學走向教育，如圖7所示。

圖7 分析化學(1)課程思政建設特色與創新示意圖

如何建立課程思政效果評價的有效方式和途徑，也是我們思考和探索的問題。分析化學(1)的教學評價將過程性評價和終結性評價相結合，通過前測、后測、當堂測、問卷等發現教與學中的不足，及時調整教學方案；而課堂互動情況、慕課堂測試、慕課學習情況、課程實踐等數據則記錄了學生的過程性考核情況，能夠反映出學生的學習軌跡和行為表現。期末終結性考試中設計了5分主觀性問題，內容與實際問題或具體案例分析相關，考查學生在思想、責任和倫理等方面的綜合認識和表現。從教師的角度，基于多元融合的教學設計，將育人元素深度融入到分析化學(1)的知識內容中，通過啟發式互動教學和參與式合作學習，實現了知識傳授、能力培養和價值引領三者融為一體的教學目標。分析化學(1)也獲評了教育部課程思政示范課程。但學生才是課程思政的直接學習者、感受者和受益者，他們主觀上的獲得感、言行上反映出的價值觀和社會責任感才是需要持續關注的。通過當下的課程學習，增強了學生運用正確的世界觀和方法論分析解決問題的能力，采用主觀性問卷調查抓取詞云圖了解到，學生通過這樣的學習確實課堂參與感更強了，對分析化學“精準”思想和“經世致用”理念有了深入理解，對分析工作者的科學素養和價值追求有了認同，通過學習有了專業知識之外的獲得感。但課程思政實施是否對學生價值觀改造起到影響還需要長期跟蹤評價，是否知行合一，在學習、生活、工作中的行為表現等都需要進行持續性跟蹤評價。