元素化學(xué)“課程思政”教學(xué)設(shè)計與實踐
——以碳族元素為例

陳春霞，彭進松，周志強，郭麗

東北林業(yè)大學(xué)化學(xué)化工與資源利用學(xué)院，哈爾濱 150040

課程是課程思政建設(shè)的“主渠道”。元素化學(xué)是無機化學(xué)的重要組成部分，也是無機化學(xué)的主脈。元素化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容是人類數(shù)百年來認識和改造大自然的智慧結(jié)晶，元素知識與人類生產(chǎn)生活緊密關(guān)聯(lián)，蘊含著豐富的思想政治教育元素。元素化學(xué)教學(xué)體系多以元素周期表中的族為章節(jié)進行安排，其中碳族元素屬元素化學(xué)中的教學(xué)重點之一，內(nèi)容豐富，思政元素多，以碳族元素為例介紹元素化學(xué)“課程思政”教學(xué)設(shè)計與實踐具有代表性。碳族屬于p區(qū)元素，位于元素周期表中的第四主族(IVA)，包括碳(C)、硅(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)等元素。該族元素經(jīng)歷了一個完整的從典型的非金屬元素到典型的金屬元素過渡，其中碳、硅屬于非金屬，鍺屬于準金屬，錫、鉛屬于金屬。碳族元素具有豐富的物化性質(zhì)，其教學(xué)內(nèi)容廣博，與材料、環(huán)境、能源、食品、健康等主題和科學(xué)前沿緊密關(guān)聯(lián)。以碳族元素為載體，提煉蘊藏在化學(xué)知識中的思政教育因子，將專業(yè)教學(xué)與思政育人有機融合，將顯性教育與隱性教育有機融合，形成協(xié)同效應(yīng)，從而更好地實現(xiàn)知識目標(biāo)、應(yīng)用目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)和能力目標(biāo)等綜合目標(biāo)的達成。

1 融入科技前沿，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新精神

21世紀，被稱為“碳時代”！關(guān)于碳單質(zhì)，除了自然界中原本存在的，科學(xué)家們還合成了許多結(jié)構(gòu)不同、性質(zhì)各異的碳的同素異形體。富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔等的出現(xiàn)，都曾在科研圈掀起過研究熱潮，尤其石墨烯堪稱能改變世界格局的“世紀新材料之王”。如圖1所示，講解碳元素的單質(zhì)時，介紹這些新材料的發(fā)現(xiàn)過程，并按照雜化方式分類介紹其結(jié)構(gòu)和性能。例如，自然界中天然存在的最堅硬的物質(zhì)——金剛石為sp3雜化，三維石墨、二維石墨烯、一維碳納米管和零維富勒烯等為sp2雜化，介紹雜化方式、結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系，引申出“結(jié)構(gòu)決定性能，內(nèi)部原因決定外部表現(xiàn)”，暗喻提升自身內(nèi)在修養(yǎng)是成功的前提和保障。介紹各材料的發(fā)現(xiàn)歷程中引申出探索精神的重要性。零維富勒烯于1985年在模擬星際塵埃的實驗中被“意外”收獲[1]，富勒烯的發(fā)現(xiàn)者于1996年獲諾貝爾化學(xué)獎。1991年，研究人員將石墨加熱到1200 °C以上，碳環(huán)重新排列形成一種兩端封閉的管狀結(jié)構(gòu)——一維碳納米管[2]。2008年，碳納米管的發(fā)現(xiàn)者獲得被學(xué)術(shù)界譽為“納米科技界的諾貝爾獎”的Kavli科學(xué)獎。2004年，英國兩位物理學(xué)家用微機械剝離法成功從石墨中分離出一種由碳原子以sp2雜化形成的六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料——石墨烯[3]。6年之后的2010年，兩位科學(xué)家被授予諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯的發(fā)現(xiàn)推翻了所謂“熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”的原有認知，震撼了整個物理界[4]。石墨烯是目前世上最硬(比鉆石還堅硬)、最薄(僅有一個原子層厚)、電阻率最小、幾乎完全透明的材料，且具有極好的熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性[5]。石墨烯優(yōu)異的物理性質(zhì)，使與其有關(guān)的新聞或者研究成果都受到了人們極大的關(guān)注。介紹中國學(xué)者在石墨烯研究中的卓越貢獻，提高學(xué)生的民族自信心。如，2018年22歲的中國“天才少年”曹原因發(fā)現(xiàn)石墨烯超導(dǎo)角度轟動國際學(xué)界[6,7]，開辟了凝聚態(tài)物理研究的新領(lǐng)域，成為Nature雜志創(chuàng)刊以來以第一作者身份發(fā)表論文的最年輕的中國學(xué)者，位居“2018年度世界十大科學(xué)人物”榜首，被稱為“石墨烯駕馭者”[8]，并獲2021年凝聚態(tài)物理領(lǐng)域青年物理學(xué)家最高獎(William L.McMillan Award)。sp和sp2混合雜化產(chǎn)生的碳材料家族的新成員——石墨炔，這一原本不存在于自然界中的同素異形體于2010年被中國科學(xué)院院士、中科院化學(xué)研究所研究員李玉良團隊發(fā)現(xiàn)[9,10]。2018年，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了基于sp2和sp3混合雜化的全新的穩(wěn)定碳結(jié)構(gòu)碳同素異形體——Protomene[11]。關(guān)于碳材料，還可以聯(lián)系到學(xué)生們喜歡的科幻電影如《流浪地球2》，其中有一項吸引了無數(shù)影迷目光的“黑科技”——太空電梯，而“太空電梯”的夢想也是基于碳納米技術(shù)的發(fā)展[12]。

圖1 課堂植入的科技前沿案例

最新科研前沿成果的引入不僅可以讓學(xué)生對新型碳同素異形體的結(jié)構(gòu)、性能有更全面的掌握，同時拓寬了學(xué)生的學(xué)科國際視野，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神，鼓勵學(xué)生將來在新材料、新技術(shù)領(lǐng)域勇于探索，取得更多更大開拓性的突破。

2 融入唯物辯證法與科學(xué)認識論，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維與科學(xué)思維能力

元素化學(xué)知識中蘊含著深刻的哲學(xué)原理。將唯物辯證法與科學(xué)認識論融入到元素化學(xué)課堂教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力、科學(xué)思維能力，為其將來在科學(xué)工作中更加全面、深刻、科學(xué)地認識問題奠定基礎(chǔ)。如圖2所示，以碳族元素涉及的兩個典型例子為載體將唯物辯證法與科學(xué)認識論融入課堂教學(xué)中。金剛石和石墨同為碳的同素異形體，但性質(zhì)截然不同。金剛石中的碳為sp3雜化，每個碳原子與其周圍4個碳原子以共價鍵連接形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有的價電子都參與了C―C共價鍵的形成，所以金剛石硬度大、熔點高、不導(dǎo)電。石墨晶體中，碳原子為sp2雜化，每個碳原子以共價鍵與同一平面中周圍的3個碳原子連接形成二維結(jié)構(gòu)，即層狀結(jié)構(gòu)，每個碳原子具有一個未參與雜化的含1個電子的p軌道，這些p軌道肩并肩形成離域大π鍵，因此石墨硬度低、潤滑性好、導(dǎo)電。在教學(xué)過程中滲透“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”“事務(wù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部功能是一對矛盾，它們是對立的，又是統(tǒng)一的，兩者具有對立統(tǒng)一的關(guān)系，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是內(nèi)部原因，外部功能是外部表現(xiàn)，外部表現(xiàn)是由內(nèi)部原因決定的”哲學(xué)思想，引導(dǎo)學(xué)生辯證地、科學(xué)地看待問題，培養(yǎng)其辯證思維與科學(xué)思維。石墨和金剛石結(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)各異，各有各的用途。教導(dǎo)學(xué)生，人亦如此，各有各的特點，各有各的優(yōu)點，揚長避短，人人可有作為，正如漢?司馬遷《史記?高祖本紀》中劉邦曰：“夫運籌帷幄之中，決勝千里之外，吾不如子房；鎮(zhèn)國家，撫百姓，給餉饋，不絕糧道，吾不如蕭何；連百萬之眾，戰(zhàn)必勝，攻必取，吾不如韓信?！痹谥v解碳單質(zhì)石墨和金剛石時，引入石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸陌咐?，石墨在一定條件下可以轉(zhuǎn)變成金剛石，實現(xiàn)“稻草變黃金”，實現(xiàn)古人夢寐以求的“點石成金”的夢想，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟其中蘊含的哲學(xué)道理。在講述中尤其突出我國科學(xué)家在這一領(lǐng)域的貢獻[13,14]。

圖2 課堂植入的唯物辯證法案例

除了碳的同素異形體間存在相變外，錫的三個同素異形體之間也存在相變。人們所見到的通常是白錫，正方晶系，在13.2–161 °C之間穩(wěn)定。161 °C以上，白錫轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄档拇噱a。溫度低于13.2 °C時，白錫開始轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形的灰錫，但轉(zhuǎn)變速度較慢，溫度低至-30 °C時，轉(zhuǎn)變速度達到最大值?；义a先是以分散的小斑點出現(xiàn)在白錫表面，隨后斑點逐漸布滿整個表面，隨之整塊錫碎成粉末，這就是所謂的“錫疫”現(xiàn)象。只要碰上灰錫，哪怕是碰上一點點，白錫也會全部轉(zhuǎn)變成灰錫，其中灰錫既是生成物又是催化劑。在講解錫的相變時引入兩個重大歷史事件(圖2)。一個事件是，1812年法俄戰(zhàn)爭中拿破侖的慘敗竟是錫質(zhì)紐扣發(fā)生“錫疫”所致。另一個事件是，1912年一支探險隊去南極考察，其所用的汽油桶是用錫焊接的，在南極的冰天雪地之中，焊錫變成粉末狀的灰錫，汽油漏光了，致使燃料短缺，探險隊全軍覆滅。講解這些相變過程時引入唯物辯證法的質(zhì)量互變規(guī)律。事物的變化往往是由微小的量變開始并慢慢積累，當(dāng)這種積累達到一定程度時就會導(dǎo)致事物由一個性質(zhì)變化到另一個性質(zhì)(即質(zhì)變)。通過質(zhì)量互變規(guī)律揭示事物發(fā)展的狀態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的辯證科學(xué)思維。在講述中，以學(xué)生感興趣的事件為切入點，引導(dǎo)學(xué)生進入課程知識領(lǐng)域，同時使其掌握事件背后的道理。

3 融入愛國主義，培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷

化學(xué)家侯德榜先生及其發(fā)明的聯(lián)合制堿法是構(gòu)筑課程思政的重要素材(圖3)。20世紀初，我國食品制作中使用的純堿碳酸鈉(Na2CO3)完全依賴進口。第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，歐亞交通受阻，我國人民無堿使用，解決純堿制造受制于人的問題迫在眉睫。侯德榜協(xié)助民族實業(yè)家范旭東先生創(chuàng)辦中國首家制堿企業(yè)，發(fā)明了聯(lián)合制堿法，揭開了“索維爾”制堿技術(shù)的秘密，砸開了技術(shù)封鎖的鐵鏈，使制堿技術(shù)成為全人類的財富[15]。侯德榜先生用制堿技術(shù)開啟了中華民族化工工業(yè)大廈的構(gòu)筑。介紹老一輩科學(xué)家、實業(yè)家的先進事跡，讓學(xué)生了解、學(xué)習(xí)他們在艱苦歲月中力學(xué)篤行、無私奉獻、報效祖國的崇高精神和愛國情操，使學(xué)生厚植愛國主義情懷。

圖3 課堂植入的愛國主義教育

硅的豐度在所有元素中位居第二，硅產(chǎn)業(yè)促進了技術(shù)進步、經(jīng)濟發(fā)展和人類文明。在硅單質(zhì)及其化合物的應(yīng)用中蘊含著豐富的思政元素。硅是典型的具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素，硅作為半導(dǎo)體電子元件以及光導(dǎo)纖維的原料，被稱為信息時代的基石。在講解單質(zhì)硅時重點強調(diào)半導(dǎo)體硅片是芯片制造的核心材料(圖3)。單質(zhì)硅主要有單晶、多晶以及非晶形態(tài)，后兩者缺陷多，不能用于芯片制造，唯有高純的單晶硅可作為芯片的基元材料。講解關(guān)于硅的知識特別是高純單晶硅的制備時，引入眾所周知的“中興通訊危機事件”、“芯片禁令”、中國芯片產(chǎn)業(yè)鏈被“卡脖子”等案例。既能使學(xué)生了解前沿技術(shù)，又能教育學(xué)生發(fā)憤圖強、不斷創(chuàng)新、堅定理想信念、勇?lián)鷷r代使命，將來為國家破解“卡脖子”技術(shù)難題貢獻力量，培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷。

二氧化硅光纖已成為通信系統(tǒng)的基石，在講解二氧化硅時強調(diào)其作為光導(dǎo)纖維原料的重要性(圖3)，引入兩位重要科學(xué)家的案例?！肮饫w之父”高錕因在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”做出的突破性成就而獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎。高錕于1966年提出利用高純度的玻璃(二氧化硅)光纖來傳送訊息時，人們認為這簡直是天方夜譚。如果當(dāng)年他因此而放棄研究的話，便沒有今天的互聯(lián)網(wǎng)了。教育學(xué)生學(xué)習(xí)高琨先生永不放棄的科學(xué)精神及其作為華裔對祖國的一片赤誠之心。趙梓森是我國光纖通信技術(shù)的主要奠基人和公認的開拓者，他“拉出”我國第一根實用型石英(二氧化硅)光纖，建成了我國第一條光纜通信工程和連通全國的光纖通信線路，為我國光纖通信接近或達到國際先進水平做出了杰出貢獻，被譽為“中國光纖之父”。從20世紀70年代，趙梓森便懷著振興民族通信事業(yè)的夢想，為我國光通信事業(yè)的飛速發(fā)展作出了巨大貢獻[16]。

在講解硅酸鹽時以世界最長的跨海大橋——港珠澳大橋作為導(dǎo)入(圖3)。港珠澳大橋全長55公里，傲然跨越伶仃洋，被外媒評為“世界新七大奇跡”之一，共計使用水泥198萬噸[17]。港珠澳大橋堪稱施工難度最大的跨海橋梁項目，高溫、高濕、多鹽的海洋環(huán)境對混凝土的抗海水滲透性、耐腐蝕性等方面有著極高的要求。強調(diào)我國自主研發(fā)的高性能硅酸鹽水泥成就這個超級工程，培養(yǎng)學(xué)生的道路自信、理論自信、制度自信、文化自信。

4 融入新時代中國“雙碳”故事，培養(yǎng)學(xué)生生態(tài)文明思想

在講解二氧化碳時，引入我國的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)(圖4)。國家主席習(xí)近平于2020年9月22日在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上向全世界鄭重宣布——“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”[18]。實現(xiàn)碳達峰、碳中和，是新時代我國的重大戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和人類命運共同體的構(gòu)建。隨著“碳達峰”“碳中和”寫入政府工作報告[19–21]，2021年被稱為中國的“碳中和”元年。各地區(qū)各部門深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，貫徹習(xí)近平總書記重要講話和指示批示精神，認真貫徹黨中央、國務(wù)院決策部署，扎實推進各項任務(wù)，“雙碳”工作實現(xiàn)了良好開局。這些行動充分彰顯中國言必信、行必果的大國擔(dān)當(dāng)。

圖4 課堂植入的中國“雙碳”故事

“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)是我國向國際社會做出的莊嚴承諾，彰顯了中國積極應(yīng)對氣候變化、走綠色低碳發(fā)展道路、推動全人類共同發(fā)展的堅定決心。實現(xiàn)這個目標(biāo)，中國需要付出極其艱巨的努力。讓學(xué)生認識到，“雙碳”戰(zhàn)略與我們每一個人都有關(guān)，尤其青少年是未來碳中和世界的主人，也是落實“雙碳”目標(biāo)的生力軍。用習(xí)近平總書記在考察清華大學(xué)時的講話[22]“當(dāng)代中國青年是與新時代同向同行、共同前進的一代，生逢盛世，肩負重任”來加強對學(xué)生的“雙碳”教育。降低碳排放，引導(dǎo)綠色技術(shù)創(chuàng)新，有效利用二氧化碳，使之通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可利用的資源，引入科學(xué)文獻，教導(dǎo)學(xué)生作為化學(xué)工作者要為“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)貢獻力量[23,24]。通過講解，提高學(xué)生綠色發(fā)展意識、培養(yǎng)生態(tài)文明思想。

5 融入化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)史，培養(yǎng)學(xué)生探索精神

鍺是碳族元素中的準金屬元素，是地殼中最分散的元素之一。鍺發(fā)現(xiàn)得較晚，并且其發(fā)現(xiàn)過程歷經(jīng)艱難曲折(圖5)。1871年，門捷列夫在元素周期表中留下了有待于填補的空白，預(yù)言了三種未知元素，其中有一種稱之為“類硅”。1885年，德國夫頓堡礦業(yè)學(xué)院礦物學(xué)教授威斯巴赫(A.Weisbach)發(fā)現(xiàn)一種新礦石，邀請同校的文克勒(Winkler)做定量分析。經(jīng)過分析后，文克勒得出了礦石中含有一種新元素的結(jié)論。經(jīng)過大量的分析工作，最終發(fā)現(xiàn)新元素恰巧是偉大化學(xué)家門捷列夫預(yù)言的“類硅”元素。實驗數(shù)據(jù)與門捷列夫的預(yù)言驚人的一致，引起了科學(xué)界的轟動。此時，他沒有忘記養(yǎng)育他的祖國，給新元素取名為“GERMANIUM”，以此歌頌他的祖國德意志[25]。

圖5 課堂植入的化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)史

直到21世紀40年代末，鍺元素才開始真正大放異彩?？梢哉f鍺是元素中的隱士，從隱士到明星的機遇來自半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。鍺是主要的半導(dǎo)體材料之一，在光纖通信、紅外光學(xué)、半導(dǎo)體、航空航天、太陽能電池、化學(xué)催化劑和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛而重要的應(yīng)用，是一種重要的戰(zhàn)略資源。

化學(xué)元素的發(fā)現(xiàn)史是科學(xué)家不屈不撓的創(chuàng)新探索過程。每一種元素的發(fā)現(xiàn)無不傾注了許許多多科學(xué)家畢生的心血。正是他們的辛勤探索和無私奉獻，使人們逐步認識了奧妙無窮的自然界，使人類由自然界的奴隸變成了主人。通過對鍺元素的發(fā)現(xiàn)認識，培養(yǎng)學(xué)生永不放棄、不屈不撓的科學(xué)探索精神。

6 融入科學(xué)倫理道德，幫助學(xué)生樹立正確的職業(yè)觀

碳族元素中的鉛是人類最早使用的金屬之一，在很多領(lǐng)域具有不可替代的重要應(yīng)用。鉛及其化合物對人體有較大的毒性，并可在人體內(nèi)積累。鉛元素極易侵入人體神經(jīng)中樞，影響人體神經(jīng)、心血管、骨骼、生殖等系統(tǒng)。國內(nèi)外報道的鉛中毒事件屢見不鮮。

愛因斯坦說過，“科學(xué)家和工程師擔(dān)負著特別沉重的道義責(zé)任?！苯虒W(xué)中對比引入兩位“鉛領(lǐng)域”的科學(xué)家事跡事件，教育學(xué)生樹立正確的科學(xué)倫理觀和職業(yè)道德觀(圖6)。小托馬斯?米奇利(Midgley Thomas，Jr)發(fā)明了四乙基鉛作為汽車抗爆劑，給人類帶來了巨大的物質(zhì)利益，但鉛隨著汽車尾氣排放到大氣中成為20世紀人類面臨的最大的生存危機之一。實際上，在測試研發(fā)過程中，米奇利已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鉛的巨大危害，他的工作人員在生產(chǎn)四乙基鉛時有過中毒死亡的先例?？捎捎谒囊一U蘊藏的利益太大，米奇利最終還是將這項發(fā)明推向了市場。為了消除大家的疑慮，他無論是對客戶介紹還是在產(chǎn)品說明書上，全部統(tǒng)一口徑，只說“乙基”不說“鉛”，甚至動用一切手段打壓人們對其危害的質(zhì)疑。小托馬斯?米奇利的兩大杰作——四乙基鉛和氟利昂都曾風(fēng)光一時，創(chuàng)造了難以計數(shù)的物質(zhì)財富。但這兩項發(fā)明的應(yīng)用對人類健康和環(huán)境有著巨大的破壞作用。其本人也因此被稱為“地球歷史上對大氣影響最大的個體生物”“歷史上殺戮最多的個體”和“幾乎毀滅地球的男人”[26]。測定地球年齡的反鉛斗士克萊爾?帕特森(Clair C.Patterson)通過長時間堅持不懈的抗?fàn)?，終于迫使汽車工業(yè)巨頭停止使用含鉛抗爆劑，在某種意義上拯救了整個人類，被稱為20世紀影響最大的地質(zhì)學(xué)家。科學(xué)本身是無從選擇利益和良知的，但是科學(xué)家可以。

圖6 課堂植入的專業(yè)倫理道德教育

科學(xué)技術(shù)推動著人類文明進步，甚至成為了第一生產(chǎn)力，但在某些特定的條件下，科學(xué)技術(shù)也可能帶來負面的影響。教導(dǎo)學(xué)生樹立正確的科學(xué)倫理觀和職業(yè)道德觀，應(yīng)用好科學(xué)技術(shù)這把“雙刃劍”，在進行科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新的過程中辯證地看待問題，在積極發(fā)展科學(xué)技術(shù)的同時考慮其可能會產(chǎn)生的負面影響，使科學(xué)技術(shù)更好地服務(wù)于人類。

7 結(jié)語

課程承載思政，思政寓于課程。深入挖掘課程蘊含的思政教育元素，充分發(fā)揮課程承載的思政教育功能，構(gòu)建全員、全程、全課程育人的大思政教育體系，寓思政教育于知識傳授中，立德樹人潤物無聲，實現(xiàn)“知識傳授”和“價值引領(lǐng)”同步提升。積極探索課程思政建設(shè)路徑具有重要意義。本文以碳族元素為例的課程思政建設(shè)教學(xué)設(shè)計與實踐具有一定的借鑒意義。