基于OBE理論實施無機化學課程思政教學的案例

劉曉瑭，余林梁，陳潔2華南農業大學材料與能源學院，廣州 50642

2華南農業大學馬克思主義學院，廣州 510642

課程思政在國內眾多高校和專業開展得如火如荼，逐漸成為教育界的理論和實踐熱點[1–5]，教育部2020年頒布的《高等教育課程思政建設指導綱要》(以下簡稱《指導綱要》)具體提出了不同專業課程思政的切入點和重點內容[6]。無機化學的發展史以及與現代生產生活的緊密聯系中都蘊含著深刻的課程思政素材。一線教師們也在積極探討和實踐“課程思政”的建設理念、實施途徑和方法等[7–12]。我校應用化學專業是國家一流專業，材料化學專業是廣東省特色專業，在無機化學的課程思政教學中以“成果導向教育”(Outcome-Based Education，OBE)理論為基礎進行了一系列的探索，研發了無機化學課程思政微課件，已獲得軟件著作權授權[13]。本文嘗試用具體的教學案例說明課程思政素材與各教學環節的知識點有機融合的實踐。

1 基于OBE理論設計無機化學課程思政實施路線

OBE理論[14]強調在教學中采用“以學生為中心”的教學方法，幫助學生取得課程目標預定的學習成果。這里所說的成果是學生通過某一階段學習后所能達到的最大能力，其特點包括：① 成果不只是學生相信、感覺、記得、知道和了解，更不是學習的暫時表現，而是學生內化到其心靈深處的歷程；② 成果不僅是學生所知、所了解的內容，還包括能應用于實際的能力，以及可能涉及的價值觀或其他情感因素；③ 成果應兼顧生活的重要內容和技能，并注重其實用性。這三個特點體現了課程思政屬性。

基于OBE理論制定的無機化學課程思政實施路線如圖1所示。首先依據專業目標確定課程目標；其次依據《指導綱要》建立素材庫并在教學過程中不斷優化；然后采用反向設計正向實施的思路完成課堂教學各環節的設計和教學活動；最后通過考核與評價檢驗教學效果，并反饋到教學內容環節，為下次教學提供持續改進的依據。

圖1 無機化學課程思政實施路線圖

2 明確課程目標，建構無機化學課程思政教學素材庫

2.1 修訂課程教學大綱，明確課程思政目標

無機化學基于OBE理念設定課程目標。依據《指導綱要》我們將無機化學的課程思政教學目標分解為三個具體目標：① 具有追求真理、嚴謹治學的求實精神和勇攀高峰、敢為人先的創新精神，認識創新在我國現代化建設全局中的核心地位；② 具有胸懷祖國、服務人民的愛國精神和淡泊名利、潛心研究的奉獻精神，理解科技自立自強作為國家發展戰略的重大意義；③ 具有較強的持續學習、自我完善的人文素養和社會責任感、使命感，努力把自己的科學追求融入建設社會主義現代化強國的偉大事業之中。

2.2 建立特色鮮明的課程思政教學素材庫

課程思政素材庫的建立是課程思政教學體系的基礎。我們主要通過以下途徑挖掘課程思政素材，建立素材庫：① 從化學史中尋找影響科學前進走向的關鍵事件，了解無機化學發展中的重要人物為人類做出的學術貢獻和他們的經歷、品行及思想；② 從身邊的化學中挖掘素材，將任課教師或本專業教師的科研成果與課程知識點相融合，將化學化工產業發展中的案例與課堂知識相融合，將學校和地方特有的精神、人文等素材與專業知識相融合；③ 從傳統文化中挖掘素材，無機化學古而有之，但現代化學主要形成于近現代的西方國家，而同時期的中國正處于內憂外患的風雨飄搖之中，因此，我們將課程思政聚焦于融合中華傳統文化，弘揚愛國主義，立志奉獻國家、服務人民。

2.2.1 中華傳統文化和愛國主義情懷

愛國主義是人們對自己家園以及民族和文化的歸屬感、認同感、尊嚴感與榮譽感的統一。中華傳統文化博大精深、源遠流長，相關典籍浩如煙海，是思政教育和價值引領的重要載體。典籍論述和詩詞歌賦中包含大量無機化學的實驗和現象，將其融入到無機化學教學中，與學生一起從中華傳統文化的角度去審視無機化學，用無機化學的原理解釋和理解傳統文化中的相關表述，既有助于理解無機化學的知識、方法和內涵，又有利于繼承和創新傳統文化，復原民族根基，增強民族自信。表1是筆者在教學中常用的素材，對標課程思政目標③具有較強的持續學習、自我完善的人文素養和社會責任感、使命感，努力把自己的科學追求融入建設社會主義現代化強國的偉大事業之中。

表1 無機化學課程思政教學中常用的中華傳統文化素材

(續表1)

促進無機化學發展的科學家燦若群星，無論是中外的化學家都深深地愛著自己的祖國(表2)。例如鎵、鍺、釙、鈁的發現者都用自己的祖國來命名其發現的新元素，其中鈁的發現者佩里是居里夫人的助手；為了祖國的發展，放棄優渥的生活和工作條件，是國內外偉大科學家的共有品質，如化學領域的阿累尼烏斯、戴安邦、唐敖慶、徐如人、鄭蘭蓀、……。無機化學課程要用這些與課程相關的事實塑造學生的愛國主義情操和堅定為國家、為民族奮斗的志向，認識創新在我國現代化建設全局中的核心地位，理解科技自立自強作為國家發展戰略的重大意義，努力把自己的科學追求融入建設社會主義現代化強國的偉大事業之中。

表2 科學家的科學精神和愛國情懷主要素材

(續表2)

2.2.2 科學精神和科學方法

科學的課程必然要講科學技術中包含的科學精神和共同體利益，要深刻體會科學發展中透射出的信仰真理之光，體現出的實事求是、探索創新的精神以及科學倫理、學術道德等?？茖W精神和品德主要包括崇實、貴確、求真、創新、存疑等精神以及樹立高尚理想、為道獻身、艱苦創業、勤奮不懈、謙虛好學、樂于協作等高尚品德[15]。無機化學作為典型的自然學科，在其發展過程和發現研究中必然蘊含著尊重實驗事實的科學精神和邏輯嚴密的科學思維，教師在課堂上有意識地總結和概括，必定會使學生感受到科學精神的力量，逐漸形成科學的方法論?；瘜W發展過程中經歷的重大事件，都蘊含著科學思維、科學方法和創新方法；百余年來諾貝爾化學獎的獲得者和獲獎理由以及我國無機化學各領域的創始人及其貢獻，都蘊含著深刻的科學精神和科學倫理，如表2和表3所示，體現了課程思政目標中“追求真理、嚴謹治學的求實精神，勇攀高峰、敢為人先的創新精神和淡泊名利、潛心研究的奉獻精神”。拉瓦錫發現了氧氣，從實驗的角度驗證并總結了質量守恒定律，將化學從定性研究轉向了定量研究。阿累尼烏斯在上大學期間突破權威思想，提出不同于主流觀點的電離理論。通過這些故事，學生既了解了科學事實，也體會到科學發展的艱辛，跟著科學家一起進行研究和探索，還感受了科學家尊重事實、追求真理的人格魅力，科學精神和科學方法論就這樣慢慢形成和建立。測定分子偶極距是確定分子結構的一種實驗方法，德拜因此獲得1936年諾貝爾化學獎，學生可以認識到科學的結論來源于科學的研究方法和嚴密的實驗數據，任何理論都要經過實驗的檢驗，要符合測定結果的事實，而不是相反。再如，徐光憲先生以身許國從事核燃料萃取化學研究，籌建核燃料后處理廠，制造原子彈原料钚。之后轉向稀土分離和萃取方面的研究，提出了稀土串級萃取理論，“一步放大”，直接應用于生產實際，引導稀土分離技術的全面革新，使中國稀土分離技術達到國際先進水平，促進了中國從稀土資源大國向高純稀土生產大國的飛躍，獲得2008年度國家最高科學獎。從徐先生的經歷中，不僅能夠了解科學研究方法和知識的遷移，更能感受先生胸懷祖國、服務人民的愛國精神。化學發展史上也不乏違背科學精神和科學倫理的實例，例如托馬斯?米基利的兩大發明四乙基鉛和氟利昂的興衰史，可以看到科學技術既能給人類帶來巨大的物質利益，同時也可能隱藏著致命的危機。在科學研究和成果推廣中，一定要兼顧經濟與社會效益。

(續表3)

2.2.3 馬克思主義哲學原理

科學的發展與辯證唯物主義和歷史唯物主義是不可分割的。無機化學的發展過程、具體內容都遵循著辯證唯物主義和歷史唯物主義的原理，主要素材如表4所示。在教學中與學生討論和總結其中蘊含的哲學原理，有助于他們形成正確的世界觀和掌握科學的方法論。無機化學中觀察到物質的物理化學性質歸根結底是由物質的結構決定的，體現著本質和現象的對立統一關系；物質結構百余年的研究發展史就是建立在世界是物質性的認識基礎上的，唯物論是其全部知識的基石。無機化學理論和實踐的發展也是對馬克思主義哲學思想的有力論證，教師用學科的最新研究成果來詮釋馬克思主義的唯物辯證法。無機化學發展史是曲折的螺旋式上升的，教師對科學史的客觀生動的講授和評述本身就是踐行馬克思主義哲學原理。

表4 無機化學中體現馬克思主義哲學原理的主要知識點

2.2.4 可持續發展的理念和實踐

全球可持續性發展不僅僅是一個挑戰，而且是21世紀的決定性挑戰?？沙掷m性作為一個值得研究的課題為學生提供了新的學習內容，作為一個值得解決的問題為學生帶來了可以思考和發問的新問題，幫助他們想象并實現可持續的未來[22]。學生在學習化學過程中應該有機會了解人類所面臨的問題、思考應該做什么和怎么做，以及自己在為人類的可持續發展提供可行的解決方案中能做的工作，并且準備好用化學知識為解決這些問題提供自己的策略。在課程學習過程中，應該給學生提供更多的可以使每個人的生活發生變化的化學信息，以便學生能夠利用這些信息以及對化學的深入了解，來應對今天和明天的挑戰。這也是我們課程思政中的重要內容，主要素材見表5。

3 反向設計、正向實施的課程思政教學

OBE理論的實施原則之一就是以最終學習成果為起點，反向設計，正向實施。在教學設計中依據課程教學目標，尋找實現途徑，將思政元素融入知識點(表1–表5)，即反向設計；在教學中則以知識點為根本，將隱含于知識中的思政元素顯化，在知識傳授中順理成章地帶出科學知識及其發展中蘊含的認知基礎、價值取向，使學生在“求真”的同時得到正確的世界觀和價值觀的啟示，涵養人文情懷和科技倫理，即正向實施。每次課的教學包括課前預習/自學、課堂講授和課后實踐三個環節(圖1)，在此重點介紹BOPPPS六環節課堂教學中的課程思政融合。

表5 體現可持續發展理念的課程思政素材

3.1 導入(Bridge-in)

成功的導入是課堂達成學習目標的首要環節，導入的形式可以多種多樣。多年來，筆者采用“Morning Buzz”環節作為導入，每次開始上課前，選取與課堂教學內容相關的詩詞歌賦、文獻典籍以及學科發展前沿、生活實例、國家政策、社會熱點、名人名言等與學生討論哲學、閱讀、科學、教育、時事、政策等，并順其自然地引入本次課的教學內容。例如，3月12日是植樹節、3月21日是世界森林日、3月22日是世界水日，都是引入可持續發展理念的素材和節點，從時事自然地進入課堂教學中的知識點。再如，用余音演唱明代詩人于謙的《詠煤炭》作為碳族課堂教學的導入，余音是焦裕祿的外孫，視頻中有焦裕祿的雕像和坐過的藤椅，在余音的深情演繹中，深刻體會到焦裕祿燃燒自己服務人民的精神，同時從詩句中提煉出化學問題。“堿金屬和堿土金屬”用于謙的《石灰吟》導入，學生通過作品感受民族英雄于謙的愛國情懷和“要留清白在人間”的人生氣節，詩句中涉及的化學反應式自然地將課程引入主題。配位化學基礎節選屈原“離騷”中的詩句(圖2a)，學生從中感受到詩人深沉的愛國情懷和自強不息的報國之志，并認識“茹蕙”，在《詩經》中用“縞衣茹蕙”描寫了身著白衣系著紅色腰帶的樸素姑娘，表明我國西周時期就使用配合物做染料(圖2b)。學生了解了文學作品中所蘊含的科學知識，既是知識和文化的傳承、也是愛國主義素材。

圖2 配位化學基礎第一次課的課件截圖

3.2 學習目標/成果(Objective /Outcome)

學生在開始學習前應明確本次課程的學習目標，或者可以取得的學習成果。筆者每次課都是用“今日主題”展示課程主要內容和學習目標，包括所要達成的課程思政目標，學生既可以有目標地進行學習，也可以作為檢驗學習效果的提示。

3.3 前測(Pre-assement)和后測(Post-assessment)

前測和后測就是在課程開始前和主要教學內容講授完成后，進行的快速的小測，用以檢驗上次課的學習成果或本次課的預習效果及本次課學習情況。一般用1–2個選擇題或填空題，測驗內容以知識點為主，也可以體現課程思政的內容。例如，在碳族用“以下氣體屬于溫室氣體的是：(a) CO2；(b) CH4；(c) N2O；(d) CCl2F2；(e) O3”作為前測或后測，就兼顧了元素性質的知識點和可持續發展的課程思政要素。

3.4 參與式學習(Participatory Learning)

OBE強調的是以學生為中心的教學，通過參與式學習學生不僅能知道和了解知識，還能提高實際應用能力和生活技能，從而將其中涉及的價值觀或其他情感因素內化到其心靈深處。在無機化學教學中常采用問題導向學習(Problem-based learning，PBL)、體驗式、探究式、小組學習等參與式學習方法。

3.4.1 案例1 綜合選用課程思政素材，設計小組探究式學習內容

在學習鉛的性質時，給出如下材料：① 葛洪是東晉道教學者、煉丹家(化學家)、醫藥學家。在《抱樸子》的《黃白》卷中說，“鉛性白也，而赤之以為丹，丹性赤也，而白之以為鉛”。② 葛洪的名著《肘后備急方》中記載了多種藥物，其中密陀僧(PbO)被現代醫學證明具有消毒殺菌作用，可用來做防腐劑。③ 民間釀酒，有時會出現酸味，有人用以下的方法除去酒中酸味：把在空氣中加熱過的鉛投入酒中，加蓋，不久酒的酸味消失并具有甜味。④ 四乙基鉛是托馬斯?米基利發明的汽油抗爆劑，為了隱瞞鉛的存在，刻意稱其為“乙基”；在回應質疑的新聞發布會上，米基利將四乙基鉛灑在手上，并足足聞了瓶子里的四乙基鉛一分鐘之久，以混淆視聽；米基利因此項發明獲得了金錢和地位；20世紀90年代含鉛汽油被各國禁用。⑤ 2019年1月，九部門聯合印發《廢鉛蓄電池污染防治行動方案》，整治廢鉛蓄電池非法收集處理污染環境，提高廢鉛蓄電池規范收集處理率。要求學生以小組為單位，查閱文獻并討論以下問題：(1) 材料①中的“丹”指的是什么物質？寫出涉及的化學反應；有人說“葛洪最早發現了可逆反應”，這樣的說法對嗎？為什么？(2) 古代和現代如何獲得密陀僧？(3) 寫出材料③中涉及的反應方程式，并評價這個方法。(4) 用化學反應式表示材料④中四乙基鉛的合成方法，并討論四乙基鉛合成和使用中的安全性，應如何評價發明者米基利的行為？為什么直到20世紀90年代才禁用含鉛汽油？(5) 鉛蓄電池的電極反應如何？計算其標準電動勢，并與實際標稱電壓對比。(6) 廢鉛蓄電池應如何處理？若不能規范收集處理會造成哪些污染？(7) 根據上述素材畫出物質間相互轉化的思維導圖，并總結鉛及其化合物的性質。

本設計中涵蓋了鉛的物理性質、化學性質、氧化還原反應的概念和計算、可逆反應的概念等知識點，包含了中華傳統文化、科學倫理、化學在生活中的應用和可持續發展等課程思政元素。在課堂上各組代表用ppt形式展示各自的學習成果。結果表明他們查閱了大量的資料，不僅包括知識點本身，也包括對歷史人物和政策文件的了解，對科學的雙刃劍性質和科學家的道德底限的思考。在課件的制作和展示過程中，不僅學習了相應的知識點、提高了自主學習能力，也將文化自信、科學精神、科學方法和可持續發展理念等潛移默化地融入每個人的價值觀體系中，增強了學生的責任感和使命感。

3.4.2 案例2 通過課堂討論和課程論文，不斷強化可持續發展理念

在化學熱力學的教學中，課前發布預習提綱、閱讀素材及查閱資料的思路，在課堂教學中與學生討論能量的獲得、煤的燃燒、生物燃料等替代能源的獲得以及結合化學動力學影響因素來探討綠色化學家特別重視催化反應的原因，得出高效利用能源和尋求綠色能源的方式。在元素的學習中，將物質性質的學習融合在相應的環境問題和解決策略之中，然后通過總結引發討論和思考。在鹵素的學習中圍繞氟利昂等對臭氧層的破壞討論應對氣候變化的策略(圖3a)，以及由次氯酸作為凈水劑引出的關于自來水凈化和節水方式的討論，在氧族的臭氧學習中更進一步討論相關的機理；在氧族的學習中，通過H2O2的制備方法，重點了解“零排放”的綠色化學工藝這種實現可持續發展的重要途徑，在今后設計實驗和研發新物質時要關注到綠色化生產、節約能源等問題，樹立可持續發展的觀念；氮族的關注點是海洋酸化和酸雨的形成及治理方案(圖3b)，以及由氮和磷造成的水質富營養化問題；碳族聚焦于溫室效應及應對策略(圖3c)。在此基礎上，學生通過討論、查閱文獻，自擬題目按照學術論文的格式每人完成一篇3000–8000字的課程論文(圖3d)。

圖3 元素教學中與可持續發展理念相關的討論和課程論文的課件截圖

3.5 總結(Summary)

課堂小結包括本次教學涉及到的知識點和價值取向，不是戛然而止的羅列，而是余音繞梁的思考。配位化學基礎的最后一次課是晶體場理論及配合物的顏色，課程的總結包括兩點：1) 配合物的顯色機理有d–d躍遷和電荷躍遷，若中心原子為稀土離子則會發生d–f躍遷和f–f躍遷，如北京大學黃春輝院士團隊制備的Eu配合物中Eu的發光機理為d–f躍遷和f–f躍遷(圖4)，可應用于OLED顯示領域[23]；2) 配合物結構的理論不止價鍵理論和晶體場理論，這些理論中還未解決的問題將在唐敖慶先生建立的配位場理論和其他理論中獲得解決，用唐先生學術報國的情懷為學生后續學習提供動力。

圖4 Eu-1 (a)和Eu-2 (b)的單晶結構及對應的熒光光譜(c)和(d)

4 教學反饋

無機化學課程思政教學的評價和反饋多年來都有一定的共性。學生學習成果調查表明，學生印象最深的環節是每次課的“Morning Buzz”，感覺別開生面，超越了學科和時空界限，思路開闊、受益匪淺；大多數的學生認為自己的學習方法、研究方法得到了提升，了解了科學精神和科學本質，提高了質疑能力和創新意識；在課程中了解了學科前沿進展，提高了學習興趣，發現了學科和專業的研究方法，看到了學科和專業發展的延續性和廣闊的前景；感受到了自己的社會責任感和歷史使命感，有強烈的國家和民族自豪感，并有勇氣用自己的能力和努力建設更美好的國家。每學期三次小組探究式學習環節，從單一主題的探究到綜合性的探究，學生自主學習的能力和交流展示的能力在不斷地提高，從單純探究知識點到綜合思考化學與社會、與未來的關系，再到思考科學的本質和科學家的道德和品質。從學生撰寫的課程論文中可以深刻地感受到學生的學習能力和研究能力的提高，也能感受到他們的社會責任感和家國情懷。

5 結語

課程思政是新時代中國語境下的“課程觀”，在無機化學教學中我們用“以學生為中心”的教學理念，基于OBE理論精心設計每個教學環節，將知識傳授、能力提升和價值引領凝聚為統一發展的整體。依據課程特點和學生原有的價值觀念和態度傾向，選取中華優秀傳統文化和愛國情懷、科學精神和科學方法、馬克思主義哲學原理以及可持續發展的理念等課程思政元素，用形式多元的設計和新穎的教學活動促使學生討論、反思和體驗，獲得最大的學習成果，推動學生在參與式課堂學習中理解認同課程的價值目標并內化為自己的價值自覺和實踐行動，學生學習專業知識更主動積極，思想認識，特別是民族自豪感和社會責任感顯著提升。學生的收獲和進步是我們堅定課程思政的信心，不斷更新素材和教學方式的動力。