有機化學課程思政、美育融合的探索與實踐
——以手性為例

2022-11-23 06:21:54張群李秀艷李昕孫志敏姜延張秀芹

大學化學 2022年10期

張群，李秀艷，李昕，孫志敏，姜延，張秀芹

北京服裝學院材料設計與工程學院，北京 100029

自2016年全國高校思想政治工作會議召開后[1]，習近平總書記分別在2018年的全國教育大會和2019年的學校思想政治理論課教師座談會上強調了高校立德樹人的根本任務，提出了通過全員、全方位、全過程的路徑實現為黨育人、為國育才的教育目標[2]；2020年，教育部進一步印發《高等學校課程思政指導建設綱要》的通知，對課程思政的總體建設進行了全面部署[3]。全面推進課程思政建設，就是要將價值觀融于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀。

美育，即審美教育，也是情操教育，心靈教育。蔡元培先生曾說：“美育者，應用美學之理論于教育，以陶養感情為目的者也[4]。”因此，美育作為情感教育的重要途徑，在培育和塑造學生的價值觀方面同樣發揮著重要作用。與思政教育不同的是，美育側重于先讓學生通過具體可感的形象的魅力，獲得心靈上的滿足和愉悅，進而以感染、潛移默化的方式訴諸人的審美情感，以情感打動人心，從而達到教育的目的。當前，高校理工科學生的審美教育主要依靠美學類公共課程或者藝術鑒賞類選修課程進行，而美學或藝術專業教師的講授內容與理工專業學生原有的學習經驗還存在一定程度的脫節，不能完全實現教育目標。2019年，教育部印發《關于切實加強新時代高等學校美育工作的意見》，提出了“引領學生樹立正確的審美觀念、陶冶高尚的道德情操、塑造美好心靈”，“以美育人、以美化人、以美培元，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人”的指導思想，對美育與課程思政的融合發展提出了要求[5]。在這種背景下，教師將美育滲透專業課程，探究美育與課程思政深度融合的路徑，成為高校當前的重要課題。

北京服裝學院的校訓即“與美同行”。美，之于“美麗中國”，之于“人民美好生活”，之于“德智體美勞”，體現了新時代賦予教育的使命之美；美，之于行業特色院校，體現了美美與共、各美其美的傳遞與創新之美；美，之于個人自身，體現了心靈美、行為美的具象之美。有機化學課程是我校高分子材料工程專業、輕化工程專業的基礎必修課，手性是有機化學的重要章節，是闡述原子連接順序相同的化合物在空間排列順序上的差異。理解和掌握手性的概念、判別和標記、熟悉手性合成(不對稱合成)，對認識其在有機合成及生產、生活中的應用有著重要意義[6]。

實物與自身鏡像不重疊的現象叫做手性。手性現象不僅在自然界中普遍存在，在微觀分子層面也有類似現象：例如，組成我們生命的基本物質氨基酸、糖、乳酸等也具有手性，緩解人類病痛的藥物中超過一半具有手性。可以說，手性與自然、生活、生命息息相關。但歷史上手性現象也曾給人類帶來巨大災難。在教學過程中，教師要主動挖掘手性相關的歷史事件、社會熱點、重要科學進展等具有感染力的思政元素和案例，將價值觀與知識傳授、能力培養進行有機結合。另一方面，教師也需提高自身審美能力，結合本校“與美同行”的辦學理念，深入挖掘學科中的科學美、情感美等美的元素，注重教學過程的形式美，培養和提高學生欣賞美、創造美的能力，讓美育和課程思政同向同行、互融互通，在潛移默化中樹立學生崇高的思想品德，激發學生關注自然、關愛社會、熱愛專業、崇尚科學的情感。具體可從以下四個方面實施。

1 專業融入生活，感受自然和人文之美

教師向學生闡述手性的概念后，打破以往繼續進行理論知識講授的傳統，先向學生提出問題：除了我們的雙手，我們身體中還有哪些部位，也具有手性的特點？學生稍作思考，紛紛回答出雙腳，雙眼，雙耳等等。教師充分肯定學生的回答，緊接著又提出第二個問題：大自然中是否也有手性的現象呢？學生陷入思考，教師做些許停頓，繼而向學生展示了自然中的一些常見現象(圖1)，供觀察和討論。大到浩瀚的宇宙星云，小到細微之處的一只貝殼，一個海螺，一朵牽牛花的藤，它們都具有特定的“右旋”或“左旋”的旋轉方向，這些自然景物都具有手性的現象。

圖1 自然中的手性現象

在此基礎上，教師進一步引導：除上述手性現象，你還能列舉哪些手性現象？受到之前兩個問題的啟發，學生開始思考并列舉出若干具有手性的事物，此時教師需對學生的回答做出及時回饋并肯定學生積極思考的行為，課堂氛圍變得輕松、活躍。隨后教師又向學生展示四種具有中國特色的建筑景觀：故宮角樓、安徽民居、趙州橋和上海外灘(圖2)，并請學生根據手性的定義來判斷這些景觀是否具有手性現象。這些建筑與其水中的鏡像呈現出令人賞心悅目的對稱之美。其中故宮角樓、趙州橋結構呈現軸對稱的建筑結構特點，因此實物、鏡像可以做到完全重疊，不具有手性。而安徽民居、上海外灘，由于建筑本身沒有對稱性，鏡像、實物不能做到完全重疊，因此具有手性。

圖2 中國特色建筑

以自然和傳統人文景觀為載體引入知識的學習和討論，學生更易于理解和接受。通過分析身邊熟悉事物的特點，強化了專業知識的學習，又引導學生發現看似陌生的專業概念，原來早就普遍存在于自然和生活當中。同時，這些極具感染性的自然及人文風景圖片，也是教學過程中美育的滲透。審美活動是層層推進、環環相扣、逐漸深化的過程。從學生的反饋中也可以發現這一點：在閱覽圖片時，賞心悅目的景物讓我們不禁精神為之一振，心情愉快地獲得初級的審美感受。在對美的欣賞過程中，我們又從化學的角度感受自然造物的神奇之處和中國特色的人文之美，體會到化學、自然、人文之間的奇妙連結。最終通過對美的感知，逐步形成了生態文明的理念，激發出熱愛自然、熱愛生活的情操。

在以上教學基礎上，教師繼續從生活入手，用牛奶中的乳酸和運動后產生的乳酸作對比(圖3)，拋出問題：兩種乳酸分子是同一種物質嗎？帶領學生逐步進入微觀的化學世界，并引導學生應用新學知識對兩個有機分子進行判斷。教學過程中，教師還需要注意教學形式之美，運用學生常用的“流行語”、豐富的多媒體手段和生動形象的分子模型等，將理論知識以趣味性、視覺性的方式呈現出來，不僅讓學生在輕松活躍的課堂中接受課程內容，提高了課堂效率，同時也提高了對美的認識和審美情趣。

圖3 牛奶中的乳酸(左)和運動產生的乳酸(右)

2 立美育德，明辨善惡美丑

講授“手性結構的標記”一節時，待學生掌握R/S構型標記規則后，教師再次舉起兩個手性分子模型向同學們展示，并闡述：我們已經直觀地看到，互為實物和鏡像的兩個手性分子，其基團組成、基團間的鏈接順序完全相同，唯一的差別就是基團在空間中的排列順序。而這一差異，曾經導致了歷史上著名的沙利度胺事件[7]。20世紀50年代，德國一家制藥公司研制出了一種叫做沙利度胺的藥物來治療妊娠初期婦女的惡心、食欲減退等反應。由于療效確切，很快就推廣到歐洲等全球46個國家使用。1961年，3位德國醫師在婦產學科國際會議報告了海豹肢畸形胎兒病例。經調查證明，這種畸胎兒與孕婦在妊娠期間服用沙利度胺密切相關。

沙利度胺是由一對手性分子組成的混合物，分別為R和S兩種構型(圖4)。其中R構型沙利度胺具有良好的鎮定作用，而S構型沙利度胺卻具有強烈的致畸性。據了解，當時該藥物缺少嚴格的臨床實驗，僅憑幾乎全部來自動物實驗的安全性評估，便向多個國家推廣，從而導致全球約12000名嬰兒出生時帶有嚴重畸形。與此不同的是，當時的美國卻基本幸免于難。一位名叫弗朗西斯·凱爾西的美國食品和藥物管理局(FDA)審查員認為反應停臨床數據不全，且由動物實驗獲得的毒理學數據并不可靠，因此連續六次拒絕其進入美國市場，并要求更多的臨床數據。憑借對實驗數據的認真和執著，凱爾西將沙利度胺拒之門外，從而挽救了整個國家新生兒的健康和生命，成功阻止了悲劇在美國重演。凱爾西嚴謹求實的科學精神和高尚的職業道德感動了整個國家，被《華盛頓郵報》稱為美國的“女英雄”。

圖4 沙利度胺的兩種手性結構

通過學習沙利度胺事件，學生表示：德國制藥公司由于對實驗數據的草率而導致上萬畸胎兒出生的“惡”，和弗朗西斯·凱爾西求真務實，最終挽救千萬家庭的“善”，形成了強烈的對比，帶給我們極大的震撼。前者讓我們心情沉重，而后者所展現出的職業道德讓我們感受到崇高美，不由心生崇敬。我們認識到在科學研究上，需要認真嚴謹地對待實驗數據，并具備實事求是的科學精神。體會弗朗西斯·凱爾西的職業道德之美，鍛煉了我們明辨是非、美丑、善惡的能力。

在講解完沙利度胺事件后，教師進一步提問：為什么一對手性分子之間僅僅是空間結構上的差異，就能帶來生理活性上的巨大差異呢？通過設問牢牢抓住學生的好奇心，帶領學生拓寬知識的廣度。致畸機制是一個微觀的、復雜的生理作用過程，為了將其形象、簡潔地呈現在學生面前，教師采用比擬的方法，設計了手性分子與生物體作用的演示圖(圖5)。組成我們生命的蛋白質和部分氨基酸等具有手性。當外來手性分子進入到人體的手性環境后，能夠與生物體手性匹配的分子，才能產生有效的生理作用。手性不匹配，則難以奏效，甚至有害。

圖5 手性分子與生物受體的作用

學生反饋：手性分子與生物受體的作用機理以生動、形象的圖片呈現，帶給我們非常直觀的視覺感知，對復雜致畸機理的了解豁然開朗，因而也加深了對沙利度胺這一歷史事件的感悟，同時也更加認識到手性學習的重要性。

3 激發愛國情懷，感受科學之美、創新之美、奮斗之美

講授“手性合成”這一節時，教師可引入中國科學家在手性方面的突出貢獻。例如周其林院士在手性合成中的重要工作，供學生討論學習。

周其林院士致力于手性研究已有20多年。而早在2001年，已有科學家在手性領域獲得了諾貝爾獎。很多人認為，若在這樣的高度上再進行原創性的突破，其難度如同攀登科研上的珠穆朗瑪峰。而周其林甘坐基礎研究的“冷板凳”，以極大的專注投入到科學研究中，最終合成出一系列手性螺環催化劑(圖6)。這類催化劑在多個反應中展現出了很高的催化活性和對映選擇性，被應用于200多種反應和多種手性藥物的生產，在合成化學中發揮了巨大功效[8]，手性螺環催化劑也因此被稱之為“周氏催化劑”。2019年，憑借“高效手性螺環催化劑的發現”項目，周其林院士團隊獲得了被譽為原創性最強、科技含量最高的國家自然科學獎一等獎。

圖6 手性螺環催化劑(左)及其X射線晶體結構(右)

教師通過介紹中國科學家在手性方面的突出貢獻，激發學生的民族自豪感和愛國主義情懷，使學生意識到有機化學的進步離不開像周其林一樣的科學家們的無私貢獻。與此同時，教師要注意拓展學生多角度的審美視野，向學生滲透化學審美觀念，避免只重視感官體驗。不僅引導學生感受手性分子的結構之美和反應之美，還要通過感受這些外在的“形式美”，切身體會到科學家發現“美”的艱辛過程，以及追求“美”的鍥而不舍的科學臻美精神。

教師通過課前布置資料收集任務、課后布置小論文的形式，讓學生談談“你所了解的身邊的手性分子及中國科學家在手性方面的貢獻”(1000字左右)。通過學生的反饋，可以看出此次課程思政和美育的融合實踐較好：“在對手性知識的學習后，手性分子的新奇結構，手性在生活、生產中產生的重要應用，給予了我們極大震撼，讓我們感受到科學創新的美好所在，極大地推動了我們的學習積極性，也激發我們立志繼承和發揚前輩事業，在科學研究的道路上繼續探索的決心。與此同時，我們也感受了科學家們甘坐冷板凳，堅持科研探索的奮斗之美。”

4 藝工融合，培養學科交叉型的創新人才

在講授“手性化合物的應用拓展”時，教師向學生提問，手性除了在藥物分子上的應用之外，還可以用于哪些領域呢？激起學生好奇心，教師再結合北京服裝學院“藝工融合”的辦學特色，引入手性材料在服裝藝術上的應用案例。

膽甾相液晶(圖7a)等含手性結構的液晶材料，具有周期性的螺旋狀空間結構(圖7b)。這樣的結構可選擇性地反射可見光。當環境溫度升高時，液晶分子的空間構象發生變化，導致反射波長發生改變，最終呈現出不同效果的視覺色彩[9]。

圖7 手性液晶分子材料(a)及溫感變色示意圖(b)

利用手性液晶材料，一件“變色龍”服裝在英國的一場時裝秀上，呈現出了時尚和科技的完美融合。設計師將手性液晶微膠囊加工成可印染的油墨并涂敷至纖維表面，隨著模特身體不同部位的體溫變化，服裝表面展現出了迷人的色彩(圖8)。

圖8 “變色龍”服裝的變色前(左)、變色后(右)

畢業于英國皇家藝術學院的勞倫·鮑克是這件變色服裝的設計師。當她還在學校學習紡織與面料時，便以化學材料的開發作為產品的設計核心，同時又利用藝術的特長賦予了作品更多的時尚氣息。在科技和時尚的雙重加持下，勞倫·鮑克的變色化學油墨及衍生設計品最終為世人所知，一舉斬獲全球期貨獎和最具創新力品牌獎等多個大獎。

以往傳統的有機化學課堂上，較少展示與藝術有關的案例。教師引入“變色龍”服裝的應用案例和設計師的“藝工融合”經歷，不僅激發了學生的學習興趣，同時使他們感受到科技與藝術融合后的神奇和美妙。通過調查問卷收集學生的學習反饋，發現美育與課程思政結合下的實施效果較好：“紡織設計師的成功‘跨界’，讓我們意識到震撼人心的藝術作品后面，往往也閃爍著科學的智慧。科技創新能夠促進藝術創作，而藝術創意也可以啟發科技創造。我們感悟到作為祖國未來棟梁，在扎實掌握科學知識、關注科技前沿的同時，也要不斷提高藝術素養，才能夠成為將科技與藝術緊密融合的創新型人才。”

5 結語