結(jié)構(gòu)化學(xué)思政教學(xué)的認(rèn)知理解與教學(xué)啟示

潘梅，李超捷，劉媛媛

1中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣州 510275

2珠海市第四中學(xué)，廣東 珠海 519015

近年來，中山大學(xué)深入貫徹習(xí)近平總書記在全國高校思政工作會議中提出的“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學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人”的方針政策，大力推動以“課程思政”為目標(biāo)的課堂教學(xué)改革。注重將專業(yè)課教學(xué)和思政教學(xué)結(jié)合在一起，在教學(xué)過程中有效地融入愛國主義教育，激發(fā)學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)欲望，提高課堂教學(xué)效果；培養(yǎng)學(xué)生良好的道德修養(yǎng)和高尚的人格情操，促進學(xué)生的健康成長和全面發(fā)展[1]。

結(jié)構(gòu)化學(xué)是中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院各本科專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，其核心知識的價值在于豐富學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的進一步認(rèn)識，掌握總結(jié)性概念，形成統(tǒng)攝性認(rèn)識；理解并掌握基本概念的發(fā)展，學(xué)會模型建構(gòu)的過程；熟練掌握用于分析結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的工具，提高學(xué)生解決實際問題的能力；清晰全面地認(rèn)識研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的價值，并能夠與生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等自然學(xué)科相聯(lián)系。但結(jié)構(gòu)化學(xué)的課程內(nèi)容理論性強，知識點抽象，離實際生活較遠，并且授課方式大多以充斥著文字、公式的PPT課件為主要的教學(xué)手段。因此課程的思政元素與專業(yè)知識很難做到有機的結(jié)合，易流于形式[2-4]。

為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的協(xié)同育人功能，本文試圖將思政元素與結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究方法和研究角度結(jié)合，并總結(jié)了相應(yīng)的教學(xué)啟示。我們在利用中國化學(xué)家在結(jié)構(gòu)化學(xué)中做出的杰出貢獻、目前科研前沿的熱點以及生活中物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的應(yīng)用作為思政素材的同時，也積極探索不同的教學(xué)手段，例如情境式教學(xué)、分組討論等。使學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識的同時，能夠培養(yǎng)“實驗-數(shù)據(jù)-推理”的核心思維，并能從物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能相互關(guān)系的基本規(guī)律出發(fā)，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。在教學(xué)過程中，可以將各種情境作為素材，使學(xué)生了解所學(xué)知識與科研實踐和社會發(fā)展的聯(lián)系，在多維模式中拓寬知識面、活躍創(chuàng)新思維，激發(fā)自主學(xué)習(xí)與探究真理的熱情[5-7]。本文旨在通過結(jié)構(gòu)化學(xué)與課程思政的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情操、做人準(zhǔn)則、社會責(zé)任感和集體榮譽感，努力成長為“德才兼?zhèn)洹㈩I(lǐng)袖氣質(zhì)、家國情懷”的高層次人才。本文著重從以下三個方面介紹我們在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中的思政教學(xué)啟示。

1 選取最新結(jié)構(gòu)化學(xué)科研成果作為思政核心統(tǒng)整教學(xué)

通過結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要能夠意識到，要想認(rèn)識物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)需要借助一定的實驗手段來測定，這些數(shù)據(jù)和信息可以為建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型或相關(guān)的實驗現(xiàn)象提供解釋和支撐。原子光譜、分子光譜、單晶X射線衍射等是測定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的常用方法和手段。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究可以為設(shè)計與合成功能性的新物質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。通過對結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)能讓學(xué)生在今后的科研中更加理解材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為優(yōu)化物質(zhì)結(jié)構(gòu)、改善材料性能提供幫助。

為了讓學(xué)生真正體驗到所學(xué)到的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識能應(yīng)用到實際科研生產(chǎn)生活中，以及我國科研工作者在結(jié)構(gòu)化學(xué)領(lǐng)域做出的杰出成果，我們選取了一些科技發(fā)展的前沿內(nèi)容，并要求學(xué)生在閱讀相關(guān)文獻后，舉例說明結(jié)構(gòu)研究對發(fā)現(xiàn)、制備新物質(zhì)以及解釋一些實驗現(xiàn)象上的作用。在結(jié)構(gòu)化學(xué)的考核上，除了傳統(tǒng)的期末筆試，我們還布置了通過閱讀指定文獻作主題討論，以及撰寫近年來中國科研人員在結(jié)構(gòu)化學(xué)前沿領(lǐng)域中取得的相關(guān)成果的課程論文等。最終結(jié)構(gòu)化學(xué)考核采用過程化考核，其中文獻主題討論與平時作業(yè)占20%，期中筆試成績占20%，課程論文占10%，期末筆試成績占50%。中山大學(xué)的結(jié)構(gòu)化學(xué)課程通過這樣的過程化、多元化的考核方式，讓課堂氛圍變得更為活躍，以及更多的學(xué)生能夠參與到教學(xué)活動中來。

比如在進行超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)時，我們以課題組的特色研究成果之一，有機金屬超分子籠為例，介紹有機金屬超分子籠的合成過程(圖1a)，讓學(xué)生更深刻地理解什么是超分子自組裝。通過讓學(xué)生閱讀指定的相關(guān)文獻，回答用何種實驗手段來對超分子籠的結(jié)構(gòu)進行表征(表1)[8]。并要求學(xué)生通過閱讀文獻找出分子籠與各類客體的相互作用的相關(guān)內(nèi)容(圖1b)，以此加深學(xué)生對課本中超分子識別、自組裝和次級鍵等概念的理解。課后再讓學(xué)生自主查閱有機金屬超分子籠在手性分離、光催化產(chǎn)氫、限域催化、熒光傳感等領(lǐng)域的文獻，并結(jié)合我國國情，撰寫課程論文。我們希望通過讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)的最新科研進展，進一步深化對相關(guān)基礎(chǔ)知識的理解和認(rèn)識，并對科研產(chǎn)生濃厚興趣，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)有優(yōu)秀科研潛質(zhì)的學(xué)生從事相關(guān)研究，實現(xiàn)教研相長。

表1 有機金屬超分子籠結(jié)構(gòu)分析手段列表

圖1 a) 有機金屬超分子籠MOC-51的自組裝過程示意圖；b) 有機金屬超分子籠MOC-16與客體芘的相互作用示意圖

在現(xiàn)代科技的發(fā)展中，結(jié)構(gòu)化學(xué)是不可或缺的，科研工作者可以根據(jù)所需物質(zhì)的性質(zhì)特點設(shè)計物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，進一步促進科研探索的步伐。通過讓學(xué)生深入認(rèn)識近年來中國科研人員在結(jié)構(gòu)化學(xué)前沿領(lǐng)域中取得的相關(guān)成果，可以有效地擴大學(xué)生的思想境界，并增進學(xué)生對所學(xué)知識的理解，深化對化學(xué)規(guī)律的認(rèn)識和對科學(xué)研究的循序漸進與去偽存真過程的認(rèn)識，以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識以及家國情懷。

2 將情境式教學(xué)作為重要思政教學(xué)方法引入教學(xué)

結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)難點在于知識點抽象，容易讓學(xué)生感到與實際生活距離較遠。而學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)與思維的形成需要通過在真實情境中運用所學(xué)的知識并能完成特定的任務(wù)來進行衡量，所以豐富的情境素材與任務(wù)有必要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的思政教學(xué)設(shè)計中。情境素材的種類如圖2所示。

圖2 情境式教學(xué)的類別

以日常生活情境為例，其可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生能主動去學(xué)習(xí)，并進一步激發(fā)科研興趣。比如貝殼中，有兩種晶體結(jié)構(gòu)不同的碳酸鈣，霰石和方解石，因為結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致起到的作用也不一樣；生活中常用的表面活性劑的去污原理；潛在能源天然氣水合物的結(jié)構(gòu)；能級躍遷理論在銫原子鐘制作上的應(yīng)用；氫鍵在生命中的作用；液晶顯示器中的液晶的結(jié)構(gòu)與用途；壁虎能在墻壁上行走自如的原因等等。

再以化學(xué)史料情境為例，在“量子力學(xué)基礎(chǔ)知識”這章內(nèi)容的教學(xué)過程中，不建議教師一味地向?qū)W生介紹知識，而可以考慮讓學(xué)生以小組為單位來介紹人類對微觀粒子運動特征認(rèn)識的化學(xué)史，尤其是讓學(xué)生能夠深刻理解微觀粒子的波動性思想是如何產(chǎn)生以及被加以證實的。通過借助科學(xué)史料情境從多個角度向?qū)W生展示人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程，這樣才能有效地促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解(圖3)。

圖3 原子結(jié)構(gòu)的化學(xué)史料情境

原子光譜的教學(xué)是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的重難點之一，從學(xué)生已有的學(xué)情出發(fā)，不僅可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)的門檻，也可以增強知識之間的聯(lián)系。下面用“活動-素養(yǎng)線”來進行教學(xué)流程的設(shè)計，進一步將化學(xué)知識與核心素養(yǎng)融合(圖4)。比如學(xué)生在中學(xué)階段都學(xué)過焰色試驗，知道不同的金屬離子在酒精燈上能看到不同顏色的火焰，以及焰色試驗可用于檢驗許多的金屬離子。中學(xué)所學(xué)的“焰色”實際上就類似于金屬原子的發(fā)射光譜，進而介紹氫原子的線狀光譜與經(jīng)典的玻爾模型，再通過鈉原子的線狀光譜對玻爾模型所產(chǎn)生的挑戰(zhàn)，激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)原子光譜的興趣和學(xué)習(xí)欲望。生活中煙花和霓虹燈的顏色豐富多彩，正是因為不同的元素原子結(jié)構(gòu)不同，所以各自具有獨特的原子光譜。中山大學(xué)在同期還開設(shè)了儀器分析課程，光譜項的教學(xué)內(nèi)容與原子吸收光譜、發(fā)射光譜以及拉曼光譜關(guān)系密切。不同元素的原子具有不同的光譜項、光譜支項和微觀能態(tài)，即能級結(jié)構(gòu)不同。所以可以根據(jù)原子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時所發(fā)射出的特征譜線位置以及強度對元素進行定性和定量的分析。學(xué)生由此切實認(rèn)識到原子光譜是原子結(jié)構(gòu)的一種表現(xiàn)。課后作業(yè)是讓學(xué)生以小組為單位，通過收集相關(guān)文獻資料，結(jié)合課堂所學(xué)內(nèi)容解釋為什么激光晶體中要摻雜稀土離子作為激活離子，讓學(xué)生將結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論知識與化學(xué)實驗相聯(lián)系。

圖4 “原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的活動-素養(yǎng)線

3 我國化學(xué)家在結(jié)構(gòu)化學(xué)上取得的成就作為思政素材引入教學(xué)

創(chuàng)新是技術(shù)發(fā)展的核心，而科研是一條漫長而艱辛的路，讓有這方面志向的學(xué)生在本科期間樹立學(xué)術(shù)研究的信念是關(guān)鍵所在。基礎(chǔ)科學(xué)的研究直接決定了一個國家的硬實力，近年來我國非常需要優(yōu)秀的科學(xué)家投身于基礎(chǔ)學(xué)科的研究。新中國成立之后，大批老一輩的科學(xué)家為新中國的建設(shè)添磚加瓦，他們散發(fā)著愛國情懷的耀眼光輝，對本科生堅定愛國信念有重要作用。在每個板塊的教學(xué)內(nèi)容中，都可以向?qū)W生介紹我國科研工作者在結(jié)構(gòu)化學(xué)領(lǐng)域取得的成就(表2)，教育學(xué)生立足基礎(chǔ)研究、增進學(xué)生對技術(shù)、方法、創(chuàng)新的理解，激發(fā)愛國理念和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)高尚的職業(yè)道德和人格素養(yǎng)，建立報效祖國、努力奮斗的人生態(tài)度。

表2 我國科學(xué)家在結(jié)構(gòu)化學(xué)中取得的成就[9-11]

我國著名化學(xué)家徐光憲院士，在朝鮮戰(zhàn)爭爆發(fā)、中美關(guān)系緊張之際，毅然放棄即將到手的工作回國，為中國的化學(xué)教育事業(yè)和提高我國的科研水平做出了巨大貢獻。徐光憲先生在國際上首次合成了四核稀土雙氧配合物，并對各種稀土化合物進行了量子化學(xué)的計算，最終得出金屬有機化合物中的化學(xué)鍵往往是帶有離子鍵性質(zhì)的共價鍵的結(jié)論。共價鍵中原子的4f軌道對鍵的貢獻很小，所以稀土的簇合物和金屬有機化合物同樣也適用于18電子規(guī)律。

晶體學(xué)家陳創(chuàng)天的生平事跡詮釋了科研工作者應(yīng)有的特質(zhì)，并弘揚了核心價值觀以及科學(xué)家精神。從小他就確立了“要通過我們自己的努力，為國家在科學(xué)事業(yè)上打個翻身仗，要進入到國際最先進的方面去”的目標(biāo)。以民族復(fù)興和國家強盛為己任，醉心研究無機功能晶體材料，立足原始創(chuàng)新，提出了晶體非線性光學(xué)效應(yīng)的陰離子基團理論，兼顧國家需求和世界科學(xué)前沿，取得了多項世界級創(chuàng)新性成果。

2007年，我國首顆探月衛(wèi)星嫦娥一號在進入天空后，形狀記憶合金制成的天線在陽光的照射下重新伸展開，發(fā)揮天線的作用。嫦娥一號是我國第一顆月球探測衛(wèi)星，從接到任務(wù)到嫦娥一號成功發(fā)射，3年時間內(nèi)，“嫦娥之父”葉培建的研究隊伍不畏艱苦，攻克了一個又一個的技術(shù)難題，拿下了一大批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。

2013年，中國國家納米科學(xué)中心研究員裘曉輝博士和副研究員程志海領(lǐng)導(dǎo)的實驗團隊在國際上首次直接觀察到了氫鍵，為80多年來有關(guān)氫鍵的爭論提高了直觀證據(jù)。這一成果讓人類在認(rèn)識微觀世界上前進一大步。國際頂級期刊《科學(xué)》雜志上也對該成果給予了很高的評價，評價該發(fā)現(xiàn)具有深遠的意義和價值。

中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院的陳小明院士，作為一位土生土長的廣東科學(xué)家，是當(dāng)今國際化學(xué)熱門研究領(lǐng)域——功能配位化學(xué)與晶體工程研究領(lǐng)域的創(chuàng)新者和開拓者。他的團隊在國際上首次合成并公布了一種金屬——咪唑微孔材料ZIF-8，已經(jīng)成為國際上研究最多的金屬-有機框架材料之一，有望廣泛應(yīng)用于石油化工和精細化工中的分離、催化過程，為國家、廣東的科學(xué)研究和社會發(fā)展做出更多貢獻。

4 結(jié)語

在課程思政教學(xué)中，教師需要從實際出發(fā)，明白專業(yè)課程不是思政課，思政元素如果全盤地灌輸給學(xué)生必定會引起學(xué)生的反感。本文從三個方面介紹了結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過程中融入思政元素的方法，將思想政治素材和結(jié)構(gòu)化學(xué)知識有機地結(jié)合在一起，在教學(xué)過程中滲透德育教育，促進學(xué)生全面發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生健全人格。在具體的實施過程中，以課堂教學(xué)為載體，以學(xué)生為中心，結(jié)合學(xué)生特點和教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)真實的情境，有效地融入愛國主義教育、科學(xué)發(fā)展史，以及結(jié)構(gòu)物化學(xué)前沿內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)欲望，提高課堂教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生良好的道德修養(yǎng)和高尚的人格情操，促進學(xué)生的健康成長和全面發(fā)展。