分析化學教學中的課程思政設計與探索

徐彩霞，王悅，吳泓毅，沈永玲，戴智非，李建，肖艷華，李丹萍，李達學，張鴻鵬

防化學院，北京 102205

1 引言

教育部2020年印發《高等學校課程思政建設指導綱要》通知，要求“讓所有高校、所有教師、所有課程都承擔好育人責任，守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思政課程同向同行，將顯性教育和隱性教育相統一，形成協同效應，構建全員全程全方位育人大格局。”課程思政的目的是為了協同育人，作用是強調在所有課程中融入思想政治教育，實現培養“德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人”。

2 分析化學課程思政設計與探索

近年來迅速發展的分析化學成為了高等院校化學、化工、材料、生物、制藥、食品、環境等諸多專業學生必修的重要化學基礎課。分析化學是指發展和應用各種理論、方法、儀器和策略以獲取有關物質在相對時空的組成和性質信息的一門學科。目前國內分析化學教材多以經典定量分析為主，而由于各種大型分析儀器及先進分析手段的日新月異，如今的分析化學更應側重于儀器分析[1-4]，在教學過程中如何將分析化學動態的歷史發展與其傳統理論相結合通過課程思政的方式“潤物細無聲”地融入到課堂中，確保學生對分析化學課程內容的充分理解和把握，是當今分析化學教育工作者需要關注和具有挑戰的難題。為此，可根據分析化學教學內容模塊設計與探索分析化學課程思政案例，并在每個教學內容模塊后給出一個詳細的案例設計。

2.1 緒論及分析試樣的采集與處理

2.1.1 教學內容和思政設計與探索

緒論及分析試樣的采集與處理部分，內容主要是介紹分析化學的定義、任務作用、分類和計算，以及分析試樣的采集、制備和分解等[1]。課堂授課首先介紹新冠疫情與分析化學的具體案例(見2.1.2)，給學生一個日常生活中“分析化學無處不在”的深刻印象。此外，日常生活中各種食品添加劑以及大氣、土壤、飲水用中各成分，甚至血液尿液等人體各項生理指標的快速檢測都對分析化學提出了要求，更有賴于分析方法的發展與創新。課上從日常生活中的分析化學引入，可讓學生在課下發現并延伸，這不僅能使學生更好地理解分析化學的社會服務功能，還能激發學生學習分析化學的熱情和興趣。然后課中或授課將近結束時再引用曾任耶魯大學校長的理查德·萊文的話，“如果一個學生從耶魯大學畢業后，居然擁有了某種很專業的知識和技能，這是耶魯教育最大的失敗”，引發學生思考，學習知識不是目的，大學學習的目的是鍛煉和培養能力，尤其要有意識培養自己自主學習的能力、思辨能力、分析問題和解決問題的能力、語言表達和溝通能力以及團隊協作能力等，這些都是新時代大學生所需要的基本能力。

2.1.2 具體案列設計：新冠疫情中的核酸檢測——彰顯奉獻精神、責任擔當和家國情懷

2019年新型冠狀病毒感染的肺炎(COVID-19)疫情爆發后，迅速發展的疫情席卷全球，社會經濟和人們的生活方式受到巨大影響，引起國際社會高度重視。我國研究團隊最早從患者樣本中分離出了COVID-19病毒(SARS-CoV-2)毒株并通過基因組測序方法獲得了該病毒的基因組序列。之后面對SARS-CoV-2的迅速變異，雖然世界各國研制出的疫苗能提供有效保護、降低重癥感染，但最有效的手段仍然是快速識別感染患者后將其隔離治療。因此SARS-CoV-2的快速、準確檢測方法一直都處在不斷發展中。用核酸檢測方法檢測是否感染該肺炎的聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction，PCR)技術是一種廣泛應用的可用于檢測多種病原微生物的診斷方法，被認為是高靈敏度和特異性檢測的“金標準”。PCR實質是一種用于放大擴增特定DNA片段的分子生物學分析技術，它可看作是生物體外的特殊DNA復制，PCR的最大特點是能將微量的DNA大幅增加[5-8]。PCR反應試劑和反應步驟如圖1所示。

圖1 核酸采樣(左)；PCR反應試劑(中)；反應過程(右)

在緒論中介紹分析化學在日常生活中的應用實例時，讓學生了解新冠疫情防控過程中的多種化學相關知識，SARS-CoV-2的結構分析、基因組測序、核酸檢測、核酸檢測試劑、各種治療藥物、消毒劑等都與化學息息相關，更離不開被譽為科學研究與實踐活動“眼睛”的分析化學，如媒體報道最多的PCR核酸檢測技術從核酸采樣、反應試劑到試劑反應過程，展示了分析試樣的采集和預處理過程，反應試劑中所用的緩沖溶液也是分析化學中的一個重要概念。在治療COVID-19的有效方法中，我國的中醫和中醫藥也大顯身手，這極大地增強了我們的民族自豪感和文化自信，能培養學生的奉獻精神，社會責任感、使命擔當精神和家國情懷。

2.2 分析化學中的誤差與數據處理

2.2.1 教學內容和思政設計與探索

分析化學中的誤差與數據處理部分，主要涵蓋分析化學中的誤差、有效數字及其運算規則、顯著性檢驗、可疑值取舍及回歸分析等[1]，這部分內容十分基礎，對各個專業的數據處理都有很大幫助。科學研究以及大型工程設備的數據處理要細致嚴謹，容不得半點馬虎和作假。1996年阿麗亞娜5型火箭發射失敗的原因是因為火箭加速度值輸入到計算機系統的浮點數不一致。物理學家瑞利(Rayleigh)因不放過千分之五的定量誤差而最終獲得了諾貝爾獎(見2.2.2)。如今的我們處在一個互聯網的大數據時代，能有效運用數據處理分析挖掘出海量數據背后的聯系顯得尤為重要，因此更有必要學好誤差與數據處理這部分內容。

2.2.2 具體案例設計：千分之五的相對誤差——體現嚴謹細致、客觀求實的科學精神

曾任劍橋大學校長的英國物理學家瑞利(Rayleigh)十分注重嚴格的定量研究，對研究結果要求極為準確。1892年他在測定氮氣密度的實驗過程中，發現把空氣反復通過紅熱的裝滿銅粉的管子，清除掉氧氣所得到的氮氣密度為1.2572 g·L-1，而用氧氨的混合氣通過赤熱的氧化銅獲得的氮氣密度為1.2505 g·L-1，最初他先懷疑大氣氮中殘留了一些氧，但又認為“這不可能，因氮和氧密度相差很小，要混雜有大量的氧才會使密度相差千分之五”，他又疑惑來源于氨的氮氣中混雜有氫氣，但經仔細檢驗，也否定了。嚴謹的瑞利對這兩種方法獲得氮氣密度僅千分之五的相對誤差“迷惑不解”，經過反復實驗后他得出：這絕不是實驗誤差造成的。1894年4月，瑞利在英國皇家學會宣讀了他的實驗報告，皇家學院的化學教授杜瓦向瑞利反映“一百多年前有研究認為空氣中還有一種不與氧氣反應的氣體，總量不超過全部空氣的1/120”。在同時，倫敦大學的化學家萊姆塞(Ramsay)愿與瑞利合作進行這項研究。

于是瑞利和萊姆塞(圖2)合作研究，最終圓滿解決了該問題：即從化合物中制得的氮是純氮，從空氣中制得的氮不是純氮氣，空氣中還有一種密度比較大的氣體。萊姆塞根據該氣體性質將其命名為“氬”。1894年8月，瑞利和萊姆塞在牛津召開的自然科學家代表大會上宣布了他們的重要發現。瑞利和萊姆塞也因此分別獲得了1904年的諾貝爾物理學獎和化學獎[9,10]。瑞利和萊姆塞發現氬氣的過程向我們展示了科學的偉大發現，往往來自于精確的量度和從大量數據中的明察秋毫。兩位科學家嚴謹細致、客觀求實、不斷探索的科學精神更值得我們學習。

地形因子 地形因子是間接因子，其本身對植物沒有直接影響，但是地形的變化（如坡向、海拔高度、盆地、丘陵、平原等）可以影響到氣候因子、土壤因子等的變化，進而影響到植物的生長。

圖2 瑞利(左)；萊姆塞(中)；能斯特(右)

2.3 滴定分析

2.3.1 教學內容和思政設計與探索

滴定分析部分，包括酸堿滴定法、配位滴定法、氧化還原滴定法、沉淀滴定和重量分析法等[1]。配位化合物在日常生活中應用廣泛，如1922年諾貝爾獎得主者丹麥物理學家玻爾在二次世界大戰爆發期間曾把金牌溶于王水中以躲避法西斯的搜刮，就是金和王水生成了簡單配合物[AuCl4]-，而從金礦石用氰化法提金也是因為生成了配合物[Au(CN)2]-。氧化還原滴定法中重鉻酸鉀法微量鉻(VI)帶來的環境污染不容忽視，必須處理實驗室的含鉻廢液。如1993年美國加州的鉻污染事件甚至被拍成了電影《永不妥協》，2011年我國云南曲靖鉻污染事件等，這些案列可以讓學生了解保護環境對人類的重要性，能讓學生更能深刻理解“綠水青山就是金山銀山”的環保理念。

在水溶液的酸堿平衡中，共軛酸堿對爭奪氫質子，共軛酸和共軛堿作為矛盾的雙方，能夠相互轉化、相互依存，同樣在配位平衡、氧化還原平衡和沉淀溶解平衡中，平衡方程式的兩側即是矛盾的對立方，它們體現了矛盾的對立統一規律。在配位滴定中主反應的穩定常數是內因，是本質因素，外因包括溶液中的氫離子和氫氧根離子等其他共存離子的反應；而在氧化還原滴定中，氧化還原電對的電極電勢是內因，外因是其他能引起氧化劑或還原劑濃度改變的因素；內因是變化的根據，外因是變化的條件，在一定條件下，外因通過內因而起作用，如外因有時能改變氧化還原反應的方向[11-15]。還有酸堿滴定終點用酚酞指示劑時溶液為微紅、氧化還原滴定中的高錳酸鉀法的終點溶液也是微紅色，這些相同的終點是“現象”，透過現象看它們的反應“本質”則截然不同，這些辯證法思想相對來說比較容易理解。最讓學生印象深刻、反響熱烈的辯證思想莫過于酸堿滴定突躍時對滴定本質的認知(見2.3.2)。

2.3.2 具體案例設計：深入滴定本質——領悟辯證思維，培養辯證唯物主義世界觀

在酸堿滴定的強酸堿滴定中，用20 mL 0.1000 mol·L-1的NaOH滴定20 mL同濃度的HCl，滴定開始前純HCl溶液的pH為1.00；當NaOH滴入19.80 mL時，溶液的pH為3.30；但當滴定到化學計量點附近差半滴(NaOH不足量半滴)時，溶液的pH為4.30，氫離子濃度變化速度加快；滴定到化學計量點時，NaOH和HCl恰好完全中和，溶液pH為7.00；在化學計量點之后滴定劑NaOH過量半滴，溶液呈堿性，pH經計算為9.70。化學計量點前后僅一滴滴定劑之差，溶液pH突變為ΔpH = 9.70 - 4.30 = 5.40，即由“量變引起質變”。溶液pH的這種急劇變化被稱為滴定突躍。化學計量點之前的HCl溶液，隨著滴定劑NaOH的一滴滴加入，pH變化緩慢，這是量的積累階段；到化學計量時，強酸強堿完全中和，溶液為中性的NaCl溶液，pH = 7.00；一旦突破化學計量點，即突破了度的節點，隨著NaOH滴定劑的再滴入，溶液立即由酸性溶液變為堿性溶液，發生了突變式質變。同理，在配位滴定、氧化還原滴定、沉淀滴定突躍中也存在此“量變引起質變”現象，由量變和質變的辯證關系引導學生，質變是量變的逐漸積累和必然結果，大學的學習過程也要日積月累、循序漸進，畢業時才能“突躍”為質變——綜合素養和能力的突飛猛進，正所謂“不積跬步無以至千里”等警句所蘊含的深刻含義。滴定分析中這些樸素的唯物辯證法思想，一方面可以幫助學生更加全面、正確地理解和掌握滴定分析的本質；一方面可以培養學生的辯證唯物主義世界觀，實現授課過程中知識傳授與價值觀培養的有機統一。

2.4 光譜分析法

2.4.1 教學內容和思政設計與探索

光譜分析法，包括光譜分析法導論、原子吸收/發射光譜法、紫外-可見吸收光譜法、紅外吸收光譜法等章節內容。根據光譜分析儀組成結構上的差異，光譜儀一般可分為：吸收光譜儀、發射光譜儀、吸收/發射和光散射光譜儀三大類[1]。如1859年德國科學家本生(Bunsen)和基爾霍夫(Kirchhoff)用本生燈、三棱鏡和望遠鏡自制的世界上第一臺光譜分析儀，是最原始的原子發射光譜儀，用這臺簡易的光譜儀，他們先后發現了元素銫和銣，他們的發現為世界打開了光譜定性分析的大門。而在1852年的英國，科學家斯托克斯(Stokes)在用分光計觀察奎寧和葉綠素溶液時發現它們發出的光的波長稍長于入射光的波長，由此他認為是這些物質吸收了光并能重新發出不同波長的光，而不是由光的漫反射作用引起的，他把這種光稱為熒光；基于該發光原理設計的熒光光譜儀屬于吸收/發射光譜儀。還有一類光譜儀為吸收光譜儀，其設計的基礎為光吸收定律，見2.4.2具體案例。

比色法和光度法基本原理的光吸收定律，最早始于1729年法國物理學家布古厄(Bougouer)發表的一篇論文，其試驗光源為燭光，吸收層為玻璃片(圖3a)，試驗結果表明“一束光通過玻璃片后被吸收的份數與光源強度無關，若光路中玻璃片層數以算術級數增加，則光強度以幾何級數減弱”。1760年，德國物理學家兼數學家朗伯(Lambert)通過對布古厄結論的進一步研究，強調：布古厄的結論只對單色光才是嚴格準確的；于是，他表述該結論為“如果一束單色光通過某吸收層(玻璃片)，則光密度(透光率I/I0的負對數)與吸收層的厚度l成正比：lg(I0/I) = al”。1850年，德國數學家比爾讀到了這篇文獻，通過研究各種無機鹽水溶液對紅光的吸收，比爾得出結論“光的吸收與光所遇到的吸光分子的數目有關，如果吸光物質溶于非吸收的溶劑中，則光密度與吸光質點的濃度c成正比，即：lg(I0/I) =bc”。合并朗伯和比爾兩定律，于是得到：lg(I0/I) = klc，這就是著名的朗伯-比爾定律，其中a、b、k為比例常數。1854年，杜包斯克(Duboscq)等人將此理論應用于定量分析化學領域，并且設計了第一臺比色計。到19世紀30年代，隨著棱鏡制造及汞燈、氫燈等的出現，比色分析法的發展達到了高峰，各種類型的光度計相繼問世。至今典型的光度計仍然主要由光源、樣品池、單色器、檢測器和信號處理及顯示器五部分組成。最近發展的新型數碼比色分析和食品安全快速檢測儀(圖3b)，其定量分析的基礎依然是朗伯-比爾定律[9,16-18]。

圖3 關于光吸收定律的早期實驗示意圖(左)；食品安全快速檢測儀示意圖(右)

簡單的燭光和玻璃片組合的實驗，看似簡單的吸收公式，卻經過了科學家百余多年的研究。而幾十年之前的文獻，讀到后對文獻結論繼續研究的能有多少人？現代光度分析儀器設計的基礎仍然是古老的光吸收定律，但借鑒了現代數碼電子技術和電池發展技術，這有助于使學生了解現代光學分析儀器的設計原理及發展動態，有助于培養和提高學生的創新意識和創造性地運用知識的能力。

2.5 電分析化學方法

2.5.1 教學內容和思政設計與探索

根據物質在溶液中的電化學性質及其變化而建立的電分析化學方法，包括電解分析法、庫侖分析法、極譜分析法等[1]。曾于南京大學和西北大學任教的我國分析化學家高鴻院士，擅長儀器分析，特別致力于電化學分析的研究，通過系統地研究和發展示波分析方法，他開辟了一個分析化學的新領域。高鴻院士青年時期曾考取中央大學(原南京大學)航空系，后轉入化學系學習，畢業后赴美留學本欲攻讀有機化學專業卻因祖國需要而改學分析化學，后回國任教，對我國分析化學學科的發展作出了不可磨滅的貢獻。他的事跡可激發學生的愛國熱情和為祖國奮斗終生的理想信念。電化學分析基礎的能斯特方程是德國科學家能斯特在24歲時就發現的一個公式，能斯特事跡見2.5.2。

2.5.2 具體案例設計：能斯特公式——尊師重道、堅持正義的能斯特，是青年學習的榜樣

德國著名科學家能斯特(Nernst) (圖2c)是能斯特方程的發現者，能斯特所取得的成就與他在多所學校學習的經歷有關：1883年4-7月，能斯特在蘇黎世大學跟隨導師主要學習物理和數學。同年10月，能斯特進入柏林大學主修物理，選修化學和天文學等課程；1885年，他前往格拉茨大學原計劃聽玻爾茲曼的理論物理課，但該課程在此學期恰好沒有開設，能斯特跟隨其他導師開始研究電學和磁學。1887年，能斯特又前往維爾茨堡大學學習實驗物理[19-21]。1889年，能斯特提出電池的滲透理論，并導出了電極電勢與溶液濃度關系的能斯特方程；此外，能斯特還引入溶度積概念來解釋沉淀平衡。他提出了被溶解物質在兩種溶劑中的分配定律。1906年，根據對低溫現象的研究，能斯特得出了熱力學第三定律，有效解決了計算平衡常數和許多工業生產的難題。能斯特也是能斯特燈(白熾燈)前身的創造者；他是第一個在高壓條件下研究合成氨反應的人；在合成硝酸方面作出了很大的貢獻；1920年，因發現熱力學第三定律和在化學熱力學研究上的貢獻，能斯特獲諾貝爾化學獎。不像諾貝爾化學獎獲得者哈伯替納粹研制毒氣彈，成為罪惡的化學武器之父，能斯特選擇堅持正義并公開批評納粹主義的暴行，因而他于1933年被迫終止了自己的科研生涯。

能斯特是一位尊師重道、注重傳承的科學家，跟隨不同的導師，他始終在不斷地學習、不斷地進步，青年時期多學科、高效的學習使他具備了過硬的專業知識和技能，更為他之后在物理和化學交叉領域的研究之路打下了堅實的基礎。從能斯特在科學研究中所取得的一系列重大成就和發現可知，能斯特是一位具有多方面才能的人，是青年學者學習的榜樣，但能斯特的成功離不開青年求學時期的勤奮努力和打下的堅實基礎，因此只有踏踏實實、循序漸進地夯實基礎，才能在以后的工作中厚積薄發，推陳出新。能斯特還是一位堅持真理和正義的科學家，面對納粹的威脅，能斯特寧肯放棄自己熱愛的科研工作也不愿與納粹同流合污，因而青年學子在求真務實的學研生涯中也要樹立正確的價值觀和人生觀，切記莫讓自己掌握的知識成為迫害人類的武器。

2.6 色譜分析法

2.6.1 教學內容和思政設計與探索

色譜法包括色譜法導論、氣相色譜法、高效液相色譜法和分子質譜法等章節內容[1]。色譜法也叫層析法、色層法，是一種分離分析方法。色譜法具有超高的分離能力，且分析對象都是混合物，為了分析鑒定他們的組成和含量，必須先用色譜分析法進行分離，因而色譜分析現在是分析化學的重要組成，是石油化工、化學工業部門不可缺少的分析檢測工具，是生命、材料、環境、醫藥、食品、司法鑒定以及航天科學等研究領域的重要手段。

色譜法最有名的應用案例莫過于2008年9月牛奶中的三聚氰胺事件；同年11月，三聚氰胺檢測的國家標準方法高效液相色譜法、液相色譜法-質譜法/質譜法和氣相色譜-質譜聯用法被公布。三聚氰胺事件可引發對企業家的良知、社會責任和擔當精神的思考。另一個案例是對我國色譜事業發展貢獻突出的被稱為“中國色譜之父”的盧佩章院士的介紹，盧院士研究色譜分析半個多世紀，他曾設計出我國第一臺體積色譜儀，使分析石油樣品的速度縮短到原來的1/30，而用樣量僅為原來的1/1000；他曾率團隊研制出當時世界上最先進的船用色譜儀；他一直堅持“科學家必須有堅實的理論和技術基礎，一顆熱愛科學的心”的創新理念，堅持“一個科學家最大的幸福是能對社會、人類做貢獻”的奉獻精神[22]。課上授課教師還可以通過展示氣相色譜、高效液相色譜儀、離子色譜儀等常用色譜分析儀，著重介紹我國精密儀器的整體現狀，讓學生對我國分析儀器的現狀有整體認識，并鼓勵他們在日后的學習工作中要學習老一輩科學家的敬業、奉獻和創新精神，從現在起嚴格要求自己，為把我國建設成世界科技強國而努力奮斗。在“色譜法導論”中包含色譜法的創建和發展，色譜法的創建和發展史有助于培養學生的科學探究精神和科學態度，可以向學生介紹色譜技術的產生、發展和色譜創始人茨維特的工作，見2.6.2。

2.6.2 具體案例設計：茨維特開創的色譜法——科學研究需保持尊重事實、謙虛謹慎的科學態度

最初色譜法只是一種分離手段，1850年有學者記錄了觀察現象“把一滴染料混合物溶液點滴到吸墨紙上會擴成一層層的圓環”。1861年德國物理學家申拜恩(Sch?nbein)觀察到：如果把上端被懸掛的濾紙的下端浸在混合鹽溶液中，則各組分會以不同的速度緩緩“上爬”。他的學生高貝爾斯勒德(Goppelsr?der)接著便系統研究了多種有機和無機化合物在濾紙上的行為，并在1901年發表了他的研究報道。1906年俄國植物學家茨維特(Tswett)因欲分離植物色素而注意到了這種分離方法，茨維特系統地試驗了近百種吸附劑和幾種淋洗液的性能，他最有名的實驗是在一根玻璃管的狹小一端塞上棉花，在管中填充碳酸鈣沉淀，然后將該填充柱與吸濾瓶相連，使植物葉的石油醚溶液自柱中通過(圖4)。結果植物葉中的色素在柱上展開，柱最上面的是葉綠素，接著是兩、三種黃色的葉黃素，最下面是黃色的胡蘿卜素；按照色素的位置分別剪開，再用醇溶劑分別溶解它們，就得到了各組分的純溶液。他把這種方法命名為色層法，一種分析化學中極重要的實驗方法。這種方法是分離鑒別復雜混合物的一條嶄新有效的途徑，依靠這種方法，許多化學反應的過程都能被探討。

圖4 葉綠素分離示意圖(左)；俄國植物學家茨維特(右)

但由于1905年獲諾貝爾化學獎的德國化學家維爾斯泰特對色譜法的排斥和不信任，茨維特的實驗在當時并沒有受到科學界的重視。25年后的1931年(茨維特已去世12年)，奧地利化學家庫恩(Kuhn)等利用茨維特的方法將過去多年公認為單一的胡蘿卜素分離成α和β兩個同分異構體，并解析了其分子式。同年他又分離提純并解析了其他8種新的類胡蘿卜素以及維生素A和B2的結構式，為此庫恩獲得了1938年的諾貝爾化學獎。他的獲獎也使色譜法獲得了“重生”，色譜法很快便進入了飛速發展階段。據統計，迄今為止諾貝爾化學獎得主中有超過12位科學家的獲獎工作與色譜是分不開的[9,23,24]。

色譜法的發展史告訴我們如果沒有維爾斯泰特等權威的排斥，茨維特和他的色譜法或許能更早地為人類服務。這可以告誡學生日后從事科研工作須保持尊重事實、謙虛謹慎的科學態度。茨維特是植物學家，因分離植物色素的需要而開創了色譜層析法，這也表明：科學研究沒有學科劃分，以解決問題為驅動的研究就是科學研究，科學研究的根本目的就是為了更好地服務人類和建立人與自然更加和諧發展的關系。

3 結語

利用有限的課堂時間，授課教師既要完成課堂教學目標，又要無縫且有效地插入一些課程思政內容，把知識技能上的“成長”和精神上的“成人”有機結合起來，讓學生發自內心地“悟道”，同步實現專業知識學習和道德情操修為的統一。為此，高校教師應嚴格要求自己，不斷學習兼收并蓄；不忘初心堅守師德師風，教書育人立德樹人；緊跟時代步伐，積極主動挑起“思政擔”，努力成為業務能力精湛、育人水平高超的好老師[25]。