研究生專業課程“材料與化工現代研究方法”課程思政教學設計與實踐

吳青蕓 韓東梅 顧 林

(中山大學 化學工程與技術學院，廣東 珠海 519082)

習近平總書記在2016年全國高校思想政治工作會議上指出：高校思想政治工作關系到高校培養什么樣的人、如何培養人以及為誰培養人這個根本問題。要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[1]。在黨的十九大報告中，習近平總書記再次強調，建設教育強國是中華民族偉大復興的基礎工程，必須把教育事業放在優先位置，并且要全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務[2]。這就要求高校應將立德樹人與傳授科學文化知識并重并舉。研究生是高校科研群體的主力軍，也是高校向社會輸送的重要科研后備力量。他們具有自我意識和成才意識較濃，注重自我實現，獨立意識較強等特點[3]。因而，挖掘研究生專業課程的思政元素，探索研究生課程思政的實踐教學新模式，實現將思想政治元素有機融入專業課建設中，正確引導和塑造研究生的價值觀、人生觀、世界觀具有重要的社會意義。

“材料與化工現代研究方法”課程作為化學、化工、材料等領域研究生的專業必修課，具有專業性、理論性和實踐性強等特點。該課程內容涉及現代分析測試方法的基本原理、儀器結構和工作原理、儀器操作要點、樣品制備技術及應用案例等，主要包括光譜分析技術、色譜技術、質譜、電子顯微鏡學、能譜分析等。該課程的教學目標在于為研究生建立材料與化工領域現代研究方法的知識體系，掌握材料結構和組分分析的基本研究手段，培養分析和解決問題的能力，為開展科學研究奠定基礎。除此之外，該課程通過將思政元素與專業知識有機融合，在傳統的知識傳授教學過程中，落實價值引領和立德樹人的根本任務。作者旨在通過總結“材料與化工現代研究方法”研究生專業課程中的緒論、光譜學、色譜學章節的課程設計和教學過程實踐，為探索研究生課程思政教學提供案例，為開展同類型的研究生專業課程思政提供借鑒。

1 “緒論”章節教學設計

1.1 教學目標

該課程的緒論部分著重講透為什么要學這門課，即課程重要性，而且告知課程主要內容和考核方式，讓學生從思想上和行動上重視課程的理論學習和實踐應用。

1.2 教學方法

改變以“教”為中心進行教學設計的思路，確立以“學”為中心，變“教學”為“導學”，引導學生自主學習、合作學習、探究學習，培養學生的創新精神。緒論部分通過案例分析來引導學生認識該課程的重要性。

1.3 教學安排

參考化學發展史[4]，介紹研究方法發展歷程，講述研究方法學習的重要性。化學的發展史是由先進的理論、研究方法與技術共同推動的發展。重點介紹化學發展史上幾個關鍵研究技術的誕生如何推動化學科學的進步，引發同學們的興趣與思考。例如，希臘煉金術發展了蒸餾技術，進而推動了16世紀的西方醫學發展。進入19世紀之后，隨著物理學的發展，研究技術不斷進步，促進了人們對物質的認識和化學的系統發展。18世紀末至19世紀為近代化學時期，這個時期是化學走向系統科學的時期。在此之前，化學還不成體系，也不是一門學科。而化學革命之后，開啟了定量分析，基礎理論逐漸形成體系。20世紀60年代半導體技術的發展，使得集成電路、電路裝置小型化，高靈敏、高可靠性的技術以及各種激光器的應用，給化學實驗方法帶來了革命性的變化。現代研究方法的發展是多學科相互滲透、交叉發展的結果。在100多年前化學發展史中，有40多個諾貝爾獎與分析儀器或方法相關，如X射線、拉曼效應、分配色譜、電子顯微鏡、高分辨核磁共振等(見表1)。

表1 部分與分析儀器相關的諾貝爾獎

1.4 課程思政元素

課程開展過程中，有機融入思政元素。例如，介紹18世紀產生的以氧為中心的燃燒理論時，引入拉瓦錫的勵志故事。拉瓦錫不僅是化學家，還是綜合稅務承包商和火藥管理局理事。為了兩方面的工作，拉瓦錫每天早上5點起床，6點至9點搞化學研究，上午在稅務承包事務局，下午到火藥管理局和科學學會，晚飯后的7點到10點在實驗室度過。作為科學學會會員，他撰寫各種報告，如催眠術、氫氣球、漂白、陶瓷器、火藥制造、染色、玻璃制造等。作為稅務承包人，他致力于改善鹽稅的征收，為防外敵潛入在巴黎周邊設置壁壘[4]。通過拉瓦錫的故事激勵研究生們珍惜寶貴的學習時光，充分利用優良的科研平臺，提高自身科研技能，創造面向國家戰略需求的科研成果。通過分析研究方法的發展歷程特點，即20世紀前半葉主要是靠個人的創意和小規模研究，20世紀后半葉開始就要依賴大型昂貴設備，告誡研究生，現代科學研究更離不開先進的研究技術和先進的儀器設備，研究人員更應該扎扎實實地學好研究方法，為今后的研究打好基礎。

2 “光譜學”章節教學設計

2.1 教學目標

通過該章節的學習，研究生掌握光譜學的基本原理，理解光與微觀粒子的作用方式，以及由此生成的光譜類型，進而理解光譜分析儀器的主要構成。以紅外光譜分析法為案例，掌握光譜學的學習方法。建立紅外光譜與分子振動形式之間的關系，使學生掌握常見分子基團的振動頻率和譜峰特點，了解分子振動的能級能量和波數計算，掌握影響光譜振動頻率的因素和光譜解析的方法。

2.2 教學方法

對該章節不僅采用啟發式教學方法，還引入思維導圖，幫助學生梳理光譜的形成原理(圖1)，進而掌握本章節學習的重點和難點。

圖1 光譜學原理的思維導圖

2.3 教學安排

通過介紹我國的嫦娥計劃，引出“嫦娥三號”“嫦娥四號”探測器到達月面后對月面礦物進行成分分析的設備是紅外成像光譜儀，進而引導學生思考為什么紅外光譜能研究物質成分，引出該章節的主要內容。

首先，介紹光譜法的發展歷史[5]。1666年，英國物理學家牛頓做了一個很有名的實驗。他利用棱鏡將太陽光分解為從紅到紫的彩色光帶，并再利用一個倒置的棱鏡將彩色光帶合成白光，證實了白光是由不同顏色的光組合而成。然而，光學在此后100多年間的發展非常緩慢。直到1859年，德國科學家本生、基爾霍夫二人才制成了世界上第一臺光譜儀，創建了光譜分析法，發現了元素銫和銣，發展了實用光譜學。量子力學、計算機技術、激光技術的發展，極大地推動了光譜理論和光譜分析技術的快速發展。尤其是激光的出現，對光譜技術產生了革命性的影響，極大地提高了光譜的分辨率。

然后，詳細講解光譜法的基本原理。從光、光譜、微觀粒子的結構以及光與微觀粒子的相互作用等基本概念出發，建立上述概念之間的相互關聯，引出光譜的產生原因、形成原理、特點等。

最后，詳細介紹紅外光譜法。從紅外光的特點和微觀粒子的分子振動、轉動之間的能量匹配出發，引出紅外光譜的產生原理。分類介紹分子振動與轉動的形式，及其對應的紅外活性或拉曼活性。詳細剖析特征基團的振動形式與光譜位置的對應關系，以及紅外光譜的影響因素。介紹紅外光譜儀的主要構造及工作原理和應用案例。

2.4 課程思政元素

該章節分別在課程導入、核心內容介紹、課后作業等環節設計了課程思政元素，用以激發研究生的愛國情懷、增強“四個自信”、掌握專業知識的有效學習方法等。

在課程導入環節，以我國的嫦娥計劃為案例，重點強調嫦娥三號和嫦娥四號所使用的紅外成像光譜儀均為我國自主研發的儀器，如圖2所示。

圖2 光譜學在嫦娥計劃中的運用(課程PPT)

在紅外光譜法的應用部分，該課程設計了“運用紅外光譜分析檢測奶粉中的三聚氰胺”“運用紅外光譜分析中藥成分”等內容。一方面，解析實際案例的紅外譜圖有助于學生們掌握紅外譜圖分析方法。另一方面，在講解上述案例的過程中，傳遞食品、藥品安全對人民生命健康的重要性，同時強調道德教育、社會公德教育、價值觀教育。

掌握有效的學習方法亦是課程思政的重要內容之一。為了讓研究生們能更好地鞏固課堂教學內容的知識點，該章節設計了兩個課后作業：(1)根據基團振動對應的紅外光譜特征吸收峰的特點，繪制成一張紅外光譜圖(包含峰強、峰形、峰位置)，如圖3。(2)根據紅外光譜分析技術的學習方法，利用思維導圖自學紫外—可見光譜法。

圖3 典型特征基團的振動形式及其常見的紅外光譜吸收峰范圍

3 “色譜學”章節教學設計

3.1 教學目標

該章節重點講解色譜學的基礎理論，結合色譜法原理分解色譜儀的主要組成部分，重點介紹氣相色譜和高效液相色譜分析方法中具有實操性的內容，比如操作條件的選擇原則、定性和定量方法、儀器操作與維護等。

3.2 教學方法

為了促進研究生們對課程內容的理解，提高學習興趣，教師在該章節通過案例分析、分享色譜儀使用過程中的常見錯誤、分解學院的色譜儀構造等方式，引導學生自主思考和學習課程內容。

3.3 教學內容及課程思政元素

教師在課程導入和應用案例解析部分融入課程思政元素，如表2所示。

表2 課程思政教學素材[5]

以茨維特植物色素分離實驗作為案例講解課程導入部分。色譜法是俄國植物學家茨維特在1903年根據實驗發現而創立的。他在研究中觀察到，石油醚極易溶解離析態的葉綠素和相關色素，但不能從植物葉子中直接提取這些色素。而乙醇甚至是加有少量乙醇的其他溶劑則很容易直接從植物葉中提取出色素。他認為這很可能是由于植物組織對色素分子的吸附力所造成的。為了進一步驗證這種想法，茨維特用濾紙進行了模擬實驗，先用乙醇提取出植物葉中的色素，再溶解于石油醚中，然后浸入濾紙。他觀察到，沾有色素的濾紙與綠色植物葉完全一樣，即葉綠素被濾紙吸附，而胡蘿卜素仍溶解于石油醚，但在石油醚中加入少量乙醇，被濾紙吸附的葉綠素將被洗脫。由于濾紙的纖維素與色素之間不存在化學親和力，因此他認為這是由于吸附力引起的。于是，他進一步推測某些粉末狀物質也可能有類似性質，并意識到對這一問題的研究“有可能建立一種以吸附為基礎的分離物質的新方法”。1906年，茨維特在《德國植物學報》發表了兩篇論文，《葉綠素的物理化學研究》和《吸附分析與色譜法》，詳細描述了他創立的新方法以及在葉綠素化學上的應用。基于此，茨維特設計了一套裝置，在一根豎立的玻璃管內填充碳酸鈣顆粒，然后從頂端加入植物色素的提取液，提取液中的色素吸附在碳酸鈣上，再加入石油醚不斷沖洗。一段時間后，在碳酸鈣柱中形成幾個清晰可見的色帶，就像一束光線通過棱鏡時被分成不同色帶的光譜現象一樣。因此，茨維特把這種現象稱為色譜，相應的方法稱為色譜法。茨維特用希臘文“chroma”(色)和“tographos”(譜)二字合并為“chromatography”(色譜)一詞。事實證明，茨維特創立的色譜分析方法是非常重要且有價值的。從茨維特發現實驗現象和創立色譜法的過程可以看出，在科學研究過程中細致觀察現象，對特殊實驗現象深入思考，設計實驗驗證，并且敏銳地洞察到新發現的價值是非常重要的。

4 結語

研究生專業課程應兼具專業知識傳授和立德樹人的雙重作用。作者通過介紹研究生專業課程“材料與化工現代研究方法”中的緒論、光譜學、色譜學章節的教學目標、教學安排等環節的教學設計，充分挖掘課程思政元素，融入課程體系中，以期為建設高質量的研究生課程思政示范課提供借鑒。