儀器分析實驗“課程思政”教學(xué)探索與實踐

胡萬群，張萬群，邵偉，楊凱平，李維維，孫晴，朱平平

化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)），合肥 230026

習(xí)近平總書記在黨的十八大上將立德樹人作為教育的根本任務(wù)，在全國高校思想政治工作會議上再次強(qiáng)調(diào)高校思想政治工作關(guān)系高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人這個根本問題。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育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[1]。大學(xué)生是未來國家創(chuàng)新體系的主力軍，身處信息化、自媒體技術(shù)之中的當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活均發(fā)生了較大的變化，其思想觀念趨于多元化。新時代背景下如何引導(dǎo)年輕的一代形成正確的人生觀、價值觀；既能培養(yǎng)具備豐富的學(xué)科專業(yè)知識，又具有較高的思想政治素養(yǎng)的當(dāng)代大學(xué)生，成為當(dāng)下高等教育的一項重要任務(wù)。如何將“課程思政”與專業(yè)課二者有機(jī)融合，既能“教書”又能“育人”成為目前高等教育研究的新課題，也是目前高校普遍研究的一種教學(xué)方法[2-4]。

儀器分析實驗是基于現(xiàn)代化大型分析儀器的一門課程，它的實踐性和社會應(yīng)用性很強(qiáng)，廣泛地為許多領(lǐng)域內(nèi)的科研和生產(chǎn)提供大量的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)以至微區(qū)內(nèi)元素的空間分布狀態(tài)等方面的信息，與諸多學(xué)科相互滲透，是培養(yǎng)化學(xué)、化工、制藥、生物、環(huán)保、材料等專業(yè)人才的重要基礎(chǔ)課，已成為高等學(xué)校中許多專業(yè)的重要課程之一。多年的實踐教學(xué)，我校的儀器分析實驗課程已形成了“基礎(chǔ)實驗-設(shè)計實驗-虛擬仿真實驗”三層次教學(xué)體系。新時代背景下，賦予課程與思政相融合的舉措具有更深遠(yuǎn)的意義。因此，我們結(jié)合課程特點，依據(jù)分析儀器方法的特色及適用領(lǐng)域進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，挖掘課程思政元素，進(jìn)行課程與思政融合的教學(xué)探索與實踐。

1 教學(xué)目標(biāo)與思政設(shè)計

我校的儀器分析實驗課程從20世紀(jì)90年代開始獨立授課，已形成相對較為完整的實驗教學(xué)體系，授課對象為化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院大三學(xué)生和部分選修的少年班學(xué)生。儀器分析實驗課程的教學(xué)目標(biāo)主要是使學(xué)生掌握儀器的基本構(gòu)造、操作規(guī)范及應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生利用分析儀器方法解決分析問題和正確處理實驗結(jié)果、數(shù)據(jù)的能力。圍繞課程教學(xué)目標(biāo)，加強(qiáng)“課程思政”元素在教學(xué)中的應(yīng)用，實現(xiàn)教與學(xué)的教育教學(xué)新局面，課程思政融入教學(xué)中的設(shè)計示意圖如圖1所示。在課程教學(xué)中通過儀器的原理構(gòu)造、選擇貼近社會熱點事件的實驗實踐項目和學(xué)生成績的過程性評價等方面，將課程教學(xué)目標(biāo)與思政元素互融，貫穿儀器分析實驗課程教學(xué)全過程，課程思政融入教學(xué)中的實驗項目節(jié)選如表1所示。

圖1 儀器分析實驗課程與思政融合的設(shè)計示意圖

表1 儀器分析實驗課程與思政融合的實驗項目節(jié)選

2 教學(xué)實施

2.1 以分析儀器的結(jié)構(gòu)組成特點和儀器的發(fā)展歷程為切入點，鼓勵學(xué)生不畏困難、大膽創(chuàng)新和勇于擔(dān)當(dāng)?shù)木?/h3>

每種儀器分析方法均對應(yīng)著不同的分析儀器，分析儀器構(gòu)造的不同，相應(yīng)的工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域各有不同。無論是儀器分析的理論課程還是實驗課程，有關(guān)“分析儀器的工作原理與構(gòu)造”的章節(jié)內(nèi)容必不可少，而現(xiàn)代化的分析儀器技術(shù)集成度高，不大可能隨意地“解剖”它們。在儀器分析課程的教學(xué)中，涉及“分析儀器的工作原理與構(gòu)造”內(nèi)容的知識介紹多采用PPT動畫示意圖進(jìn)行描述，對儀器結(jié)構(gòu)的了解多停留在理性認(rèn)識上，無法較好地實現(xiàn)實驗教學(xué)的實踐效果。為此，課程組利用使用年久而無維修價值的報廢儀器進(jìn)行教具開發(fā)，實現(xiàn)儀器構(gòu)造的清晰可見，有助于學(xué)生更好地掌握儀器的構(gòu)造原理。圖2所示是利用報廢的傅里葉變換紅外光譜儀制作的可視化教具與完整的儀器外觀圖。在教學(xué)中，以教具展示傅里葉變換紅外光譜的構(gòu)造組成，同時穿插儀器核心部件從棱鏡、光柵至現(xiàn)在的邁克遜干涉儀的發(fā)展歷程及國產(chǎn)儀器的現(xiàn)狀。學(xué)生身臨其境：現(xiàn)在的儀器光路更加準(zhǔn)直，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換更快，對儀器的結(jié)構(gòu)、發(fā)展歷史了然于心；更深一層的收獲：感悟到不斷升級優(yōu)化的儀器構(gòu)造背后更多地凝結(jié)著科研工作者的智慧與汗水，鼓勵青年學(xué)子不畏困難、大膽創(chuàng)新和勇于擔(dān)當(dāng)?shù)木瘛?/p>

圖2 傅里葉變換紅外光譜儀外觀圖（左）和報廢的舊儀器制作的教具（右）

2.2 “2015年屠呦呦諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎”——設(shè)計“中藥青蒿素的紅外光譜結(jié)構(gòu)鑒定”實驗項目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、愛國主義情懷和民族自豪感

20世紀(jì)60年代，瘧原蟲對奎寧類藥物已經(jīng)產(chǎn)生了抗藥性，嚴(yán)重影響到治療效果。中國科學(xué)家屠呦呦受中國典籍《肘后備急方》啟發(fā)，創(chuàng)造性地研制出抗瘧新藥——青蒿素和雙氫青蒿素，獲得對瘧原蟲100%的抑制率，為中醫(yī)藥走向世界指明一條方向，被譽為“拯救2億人口”的發(fā)現(xiàn)。屠呦呦因此獲2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，成為第一個獲得諾貝爾獎的中國人[5]。以此設(shè)計青蒿素的紅外光譜結(jié)構(gòu)鑒定實驗教學(xué)項目，青蒿素的紅外光譜如圖3所示，該實驗涵蓋的知識點有：3461.90 cm-1歸屬為羥基伸縮振動吸收，2955.74 cm-1、2910.58 cm-1、2852.95 cm-1為―CH3、―CH2官能團(tuán)的C―H伸縮振動吸收峰；1738.61 cm-1為羰基官能團(tuán)的C＝O伸縮振動吸收峰；1459.83 cm-1、1375.73 cm-1分別為―CH3、―CH2官能團(tuán)的C―H彎曲振動吸收峰；1188.06 cm-1、1113.30 cm-1、1026.09 cm-1為C―O伸縮振動吸收峰；883.58 cm-1為青蒿素O―O伸縮振動吸收峰，是青蒿素抗瘧原蟲的活性成分[6]。通過該項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握紅外光譜解析的一般知識，了解我們的先人和前輩在化學(xué)史上的重要貢獻(xiàn)；再結(jié)合今年遭遇的新冠疫情，我國的中醫(yī)藥和醫(yī)務(wù)工作者為戰(zhàn)勝病魔作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，生活在祖國母親的懷抱倍感幸福；激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、愛國主義情懷和民族自豪感。

圖3 青蒿素紅外光譜圖

2.3 以社會生活事件演化教學(xué)項目，進(jìn)行誠實守信教育，培養(yǎng)學(xué)生高尚道德人格

子曰：“人而無信，不知其可也。大車無輗，小車無軏，其何以行之哉？”咸鴨蛋是日常生活中食用品之一，多數(shù)人對流著黃油的紅心鴨蛋心生好感，但卻有不良商家利用人們的這一心理，為使鴨蛋的賣相好，在飼料里添加了紅色工業(yè)染料蘇丹紅。蘇丹紅屬于化工染色劑，主要應(yīng)用于油彩等產(chǎn)品的染色，有致癌性，對人體的肝腎器官具有明顯的毒性作用。毒理學(xué)研究表明，蘇丹紅在人體內(nèi)的代謝產(chǎn)物為苯胺和1-氨基-2-萘酚，具有致突變性和致癌性[7]。蘇丹紅有I、II、III、IV四種分子結(jié)構(gòu)，如圖4所示。已有文獻(xiàn)報道的蘇丹紅的儀器分析檢測方法有：紅外光譜法、拉曼光譜法、紫外-可見光譜法、液相色譜法、液質(zhì)聯(lián)用法[8-12]。在儀器分析實驗教學(xué)中設(shè)置蘇丹紅的成分分析教學(xué)項目，多種儀器分析方法融會貫通；將誠信教育融入教學(xué)中，強(qiáng)化學(xué)生誠實守信的品德素養(yǎng)，德才兼?zhèn)?，施展才華，弘揚昂揚向上的人生觀、世界觀。

圖4 蘇丹紅（I,II,III,IV）分子結(jié)構(gòu)圖

2.4 倡導(dǎo)綠色化學(xué)課堂，根植環(huán)保意識，培養(yǎng)學(xué)生守護(hù)家園的社會責(zé)任感

經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的生態(tài)環(huán)境惡化和嚴(yán)重破壞愈來愈引起人們的關(guān)注。在儀器分析實驗教學(xué)中如何使環(huán)保、綠色的理念體現(xiàn)在課堂，根植于學(xué)生的頭腦中是值得思考的問題之一。現(xiàn)代化的儀器分析方法相對傳統(tǒng)的化學(xué)分析，試劑的用量已大幅減少。在我們的基礎(chǔ)實驗中，對已有實驗項目進(jìn)行了綠色化改進(jìn)，如紫外光譜教學(xué)原有實驗項目“苯酚的紫外光譜定量測定”，改為“色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的紫外光譜分析”。在后續(xù)的設(shè)計實驗教學(xué)階段，在和學(xué)生討論設(shè)計實驗方案時，充分考慮實驗方案中藥品毒性和投加劑量及廢液的集中回收，圖5是實驗室配備的廢液桶，每周有學(xué)院專人回收處理。而對一些高危和有毒有害的綜合實驗，中心相繼開發(fā)和在建了虛擬仿真實驗課程，其中課程組張萬群老師負(fù)責(zé)開發(fā)的原位變溫X射線虛擬仿真實驗截屏如圖6所示。守護(hù)美麗家園，從我做起，以上教學(xué)項目的實施較為有效地增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識和社會責(zé)任感。

圖5 實驗室配備的廢液桶

圖6 原位變溫X射線虛擬仿真實驗截圖

2.5 以設(shè)計性實驗為載體，激發(fā)敢于嘗試的創(chuàng)新精神和勇于批判的質(zhì)疑精神

學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)、小組討論，自主設(shè)計擬定實驗方案，教師批閱并給出相應(yīng)指導(dǎo)。實驗時，教師根據(jù)實驗方案提供實驗器材和試劑，由學(xué)生自主實驗，得到最后的實驗結(jié)果。實驗結(jié)束后，在教師引導(dǎo)下，集體討論，總結(jié)成功的經(jīng)驗或失敗的教訓(xùn)。如設(shè)計實驗項目“紅茶和綠茶中咖啡因含量測定”的樣品前處理階段，有的同學(xué)想到：“基于水和乙醇都是極性溶劑的共性，何不嘗試下它們的提取效果有什么不同呢？”。學(xué)生們除了采用文獻(xiàn)檢索的95%乙醇為溶劑提取法，還嘗試了不同比例的乙醇水溶液提取法。教學(xué)中學(xué)生用不同重結(jié)晶方法提取茶葉中的咖啡因產(chǎn)物如圖7所示，可以看出其產(chǎn)率、晶形和顏色均有不同。通過這樣的實驗項目教學(xué)，鼓勵學(xué)生大膽創(chuàng)新、敢于質(zhì)疑、不怕失敗的精神，以親身經(jīng)歷回饋好奇心和敢于質(zhì)疑的精神正是推動科學(xué)進(jìn)步的可貴品質(zhì)。

圖7 學(xué)生實驗的咖啡因產(chǎn)物

2.6 實施過程考核機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)作風(fēng)

課程考試或考核的目的主要是檢驗教與學(xué)的效果，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的完善、教學(xué)方法的改進(jìn)，促進(jìn)素質(zhì)教育和人才培養(yǎng)。注重對學(xué)生和教師兩者在“教”與“學(xué)”全過程中的狀態(tài)及學(xué)習(xí)成果進(jìn)行反思總結(jié)，形成課程教學(xué)效果評價的全過程考核機(jī)制。重視課程“教”與“學(xué)”的過程，增進(jìn)師生互動反饋，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實、求是的學(xué)習(xí)態(tài)度。過程評價考核表如表2所示。

表2 過程評價考核表

3 結(jié)語

“有才無德，其行不遠(yuǎn)矣?！备咝Ｊ桥囵B(yǎng)人才的搖籃，肩負(fù)著教書育人的光榮使命。深刻領(lǐng)悟習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上發(fā)表的重要講話，結(jié)合課程特點，找準(zhǔn)定位，不斷努力挖掘課程思政元素，培養(yǎng)有理想、有道德、有文化、有擔(dān)當(dāng)?shù)木哂屑覈閼训漠?dāng)代大學(xué)生，具有深遠(yuǎn)的意義。正如學(xué)生的課后討論：“儀器分析實驗課程的學(xué)習(xí)，不僅教會了我書本的知識，而且讓我學(xué)會了運用所學(xué)課程知識去分辨社會生活中的‘紅心鴨蛋’的‘真與假’”；“以前，我只是覺得學(xué)好儀器分析實驗課程是開啟科研之路的一把利器，沒想到通過該課程的學(xué)習(xí)還可以領(lǐng)悟更多的人生道理”。

課程與思政融合的實驗教學(xué)強(qiáng)化了對學(xué)生的家國情懷、科學(xué)精神、責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)木穹跤?，培養(yǎng)了學(xué)生對儀器分析實驗課程的探究性學(xué)習(xí)思維和實事求是的科學(xué)素養(yǎng)。教學(xué)實踐表明，在新時代背景下，課程與思政融合的教學(xué)方法可以實現(xiàn)知識傳授水到渠成、思政育人細(xì)無聲的教學(xué)效果，對高校踐行“教書育人”的使命有一定的積極意義。