無機元素化學課程思政知識鏈構(gòu)筑與教學實踐

鹿現(xiàn)永，高寧，胡濤，鮑浩波

1北京航空航天大學化學學院，北京 102206

2北京航空航天大學馬克思主義學院，北京 100191

3大連理工大學化工學院，遼寧 大連 116024

4高等教育出版社，北京 100029

課程思政建設(shè)，教師隊伍是“主力軍”，課程建設(shè)是“主戰(zhàn)場”，課堂教學是“主渠道”?！陡叩葘W校課程思政建設(shè)指導綱要》中指出：“落實立德樹人根本任務(wù)，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體、不可割裂。全面推進課程思政建設(shè)，就是要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，這是人才培養(yǎng)的應(yīng)有之義，更是必備內(nèi)容[1]?！?/p>

無機元素化學是化學類、材料類、理科拔尖類專業(yè)大一新生重要的核心基礎(chǔ)課，課堂教授效果事關(guān)學生正確科學觀的形成、科學研究興趣的激發(fā)以及科學研究能力的培養(yǎng)。無機元素化學教學內(nèi)容作為人類數(shù)百年來認識大自然、改造大自然智慧的結(jié)晶，蘊含了豐富的思政元素。要紅昌等[2]提出將中國傳統(tǒng)文化所含的化學知識、化學智慧融入元素無機化學的課堂教學，激發(fā)學生的文化自信和民族自豪感。李艷強等[3]將愛國主義、環(huán)保意識和科學精神構(gòu)筑無機化學課程思政體系，幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，并培養(yǎng)其對專業(yè)的認可及正確的專業(yè)倫理。馬亞魯?shù)萚4]將科學家生平事跡引入無機化學教學，培養(yǎng)學生的家國情懷，磨礪學生的優(yōu)秀品質(zhì)。王峰等[5]結(jié)合元素化學課程特色和當代大學生心理性格特征，提出以學生為主體，構(gòu)建元素代言人，提升學生素養(yǎng)。胡芳東等[6]以化學元素課程思政案例踐行立德樹人使命。目前無機元素化學課程思政的建設(shè)，在挖掘無機元素化學各章節(jié)育人案例方面取得了很大的進展，但是還存在育人案例與知識點融合的深度和廣度不夠、育人案例缺乏背景多角度分析等問題。針對這些問題，筆者通過元素周期表發(fā)展史、化學元素發(fā)現(xiàn)史、中國化學史、中國化學家創(chuàng)新故事、化學元素“兩面性”、拓展課程思政的廣度和深度等方面深入挖掘課程思政內(nèi)容，將思政知識鏈條融入理論知識體系，從而實現(xiàn)價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)相統(tǒng)一。

1 以辯證唯物主義哲學理念，深挖元素周期表形成史

辯證唯物主義是揭示科學發(fā)展規(guī)律的哲學研究方法。無機元素化學作為無機化學的重要組成部分，化學元素的建立、化學性質(zhì)的規(guī)律性和元素周期表的形成與發(fā)展均包含著豐富的辯證唯物主義哲學理念。這些哲學理念的挖掘，有助于學生樹立正確的科學世界觀、提供學生解決科學問題的正確方法和激勵學生探知未來科學的信念?；瘜W元素概念的建立經(jīng)歷了古代哲學階段、經(jīng)驗分析階段、近代科學階段和現(xiàn)代科學階段四個過程，反映了人類認識事物的基本規(guī)律，體現(xiàn)了化學從哲學到科學的演變歷程[7]。

化學周期律與化學鍵是化學的兩個重要思想。其中元素周期表作為化學周期律的體現(xiàn)，是無機化學元素化學的精髓，其形成與發(fā)展(表1)是化學家創(chuàng)造性研究工作的積累和科學規(guī)律的總結(jié)。早期元素分類，主要以物質(zhì)種類的經(jīng)驗總結(jié)，比如拉瓦錫將化學元素簡單分為氣體、金屬、非金屬和地球化合物?；瘜W家對元素原子量、物質(zhì)的化學價態(tài)、物理性質(zhì)規(guī)律研究的深入，使元素周期表的化學元素排列更具有科學性[9]。1862年俄國化學家門捷列夫在編寫《化學原理》教材過程中，突破元素化學周期系雜亂無章的堆積，將單質(zhì)和化合物的性質(zhì)周期性地隨著它們原子量的變化進行了科學的總結(jié)，形成了當代化學元素周期表的雛形。門捷列夫?qū)瘜W性質(zhì)與原子量之間關(guān)系的認識，不僅從感性躍進到理論，發(fā)現(xiàn)了元素之間存在的客觀規(guī)律，而且運用這些規(guī)律修正了一些元素的原子量[10]。特別是門捷列夫?qū)⒃刂芷诒砼懦隹瘴?，預(yù)測了尚未發(fā)現(xiàn)的新元素性質(zhì)。元素周期表的發(fā)現(xiàn)，是歸納-演繹這一科學思維方法的重要體現(xiàn)。

表1 元素周期表發(fā)展史[8]

2 深挖無機化學元素發(fā)現(xiàn)史，激發(fā)學生科學原始創(chuàng)新動力

原始創(chuàng)新是國家科技競爭的制高點?；瘜W作為基礎(chǔ)科學，其理論成果和科學研究的態(tài)度和方法是人類科學精神的重要組成部分?？茖W精神的孕育是產(chǎn)生科學原創(chuàng)能力的動力之一，有助于培養(yǎng)學生的意志、信念、氣質(zhì)、品質(zhì)、責任感和使命感。化學元素的發(fā)現(xiàn)史是科學家不屈不撓的創(chuàng)新探索過程?；瘜W家經(jīng)過不懈努力，化學元素被逐漸發(fā)現(xiàn)，其獨特的化學性質(zhì)被逐步研究，使元素周期表不斷被補充[11]。在無機化學元素史上，氟單質(zhì)的制備是研究持續(xù)時間最長、參與科學家最多、工作難度最大和危險系數(shù)最高的化學合成工程，如表2所示。自安培認識到氟是一種新元素，到莫瓦桑利用低溫電解法制備成單質(zhì)氟，歷時76年之久。多位科學家，因氟化物或氟氣輕則中毒，重則喪命，在化學元素的發(fā)展史上留下極其悲壯的一筆[12]。化學家莫瓦桑閱讀大量文獻，在總結(jié)前人經(jīng)驗和教訓基礎(chǔ)上，進行了大量的合成試驗，在低溫下電解合成得到氟單質(zhì)?？偨Y(jié)化學家莫桑瓦成功的經(jīng)驗有以下幾點：1) 科學家為未知元素所癡迷的興趣驅(qū)動；2) 全面吸取了前人的經(jīng)驗和教訓，站在前人的肩膀上進行創(chuàng)新設(shè)計；3) 勇于獻身、大無畏的科學探索精神。永不放棄、不屈不撓的科學探索精神，可以很好地激勵學生原始創(chuàng)新的恒心和毅力。

表2 氟元素的分離史

稀土元素被稱為新材料“寶庫”“工業(yè)維生素”，其發(fā)現(xiàn)同樣也經(jīng)歷了漫長的時期。稀土元素為第三副族57-71號的15個元素和21、39號元素，共17種元素，如圖1所示。稀土元素，原子半徑接近，化學性質(zhì)相似，在自然界中常?；祀s在一起，難以分離提取。科學家從鈰土到發(fā)現(xiàn)钷經(jīng)歷了144年，從釔土到分離出钷，科學家探索了153年[13]。稀土元素的發(fā)現(xiàn)分為重稀土(鈰組)和輕稀土(釔組)兩個路線。由于稀土元素化學相似性造成分離的困難，在1859年科學家本生和基爾霍夫發(fā)明光譜分析技術(shù)之前，科學家僅僅發(fā)現(xiàn)了5種稀土元素，甚至混淆鉺和鋱兩種稀土金屬多年。1878-1880年的三年內(nèi)，科學家發(fā)現(xiàn)了6個新的稀土元素(鐿、鈧、釤、鈥、銩和釓)，這比平均9.6年發(fā)現(xiàn)1個稀土元素的效率提高了20多倍。這種高效率稀土元素的發(fā)現(xiàn)，一方面得益于光譜分析技術(shù)的發(fā)展，使科學家找到了新稀土元素的光譜指紋；另一方面也體現(xiàn)了科學家勇于探索的科學精神。其中，奧地利科學家韋爾斯基巴克(1858-1929)以堅強執(zhí)著的精神，從吉基姆中發(fā)現(xiàn)稀土最難分離的雙胞胎元素鐠和釹，并將稀土光學特性和本生燈結(jié)合，發(fā)明了風靡全球應(yīng)用于人類日常照明的“稀土燈”。科學家的故事，啟發(fā)學生在科學創(chuàng)新爆炸的信息時代，要放棄急躁的功利心理，堅持自己的科研方向，方可得到重大的原始創(chuàng)新成果。韋爾斯基巴克還發(fā)明了稀土打火石和發(fā)現(xiàn)了另外一種稀土元素——镥。兩個重大發(fā)明、三種稀土元素的發(fā)現(xiàn)者，對稀土研究的執(zhí)著，足以彪炳人類稀土史冊。

圖1 稀土元素發(fā)現(xiàn)史

3 以傳統(tǒng)文化蘊涵的無機化學元素知識，激發(fā)學生中華文化自信

中華文化包含著中華民族最根本的精神基因。深入挖掘傳統(tǒng)文化蘊涵無機化學元素的知識，讓學生在學習化學知識的同時去體會中華文化的魅力和強大的生命力。古人的智慧、經(jīng)驗與現(xiàn)代無機元素化學經(jīng)典理論的統(tǒng)一，勢必會堅定學生的中華文化自信。

中國古代的一些科學著作，是古代先人通過觀察、生活體驗和生產(chǎn)勞作的經(jīng)驗總結(jié)和智慧結(jié)晶，蘊涵著豐富的化學思想。古代的陶瓷、冶金、煉丹術(shù)、火藥、鹽、硝、礬等構(gòu)成了中國古代化學的主要內(nèi)容。無機元素的物質(zhì)性質(zhì)、化學反應(yīng)、化學原理等在《抱樸子內(nèi)篇》《夢溪筆談》《天工開物》等中國科學技術(shù)史原著中的內(nèi)容體現(xiàn)，不但讓學生了解古人利用化學變化創(chuàng)造新物質(zhì)和改善物質(zhì)生活的故事，而且有助于培養(yǎng)學生的中華文化自信。英國著名的科學史專家李約瑟稱《夢溪筆談》為“中國科學史上的坐標”[14]，科學家這種正面評價更有利于中國科學史融入無機化學元素課堂，不但突出中國古人萌芽化學理念的先進性，而且激發(fā)學生作為中國人的民族自豪感。

進入17世紀后，西方進入資本主義社會，西方科學家成為構(gòu)建了近代化學科學體系的主體。此時作為泱泱大國的中國，由興盛轉(zhuǎn)為衰落，中國人缺失了“化學成為一門科學”的角色。究其原因，自給自足的封建小農(nóng)經(jīng)濟使國人與外界交流減少，對新生事物接受能力差，過于注重經(jīng)驗實用而缺少探究理論的動力[15]。這些思考從另外一個方面激發(fā)學生在化學學習和科學研究中，不但要樂于探究，而且要究其本源，將經(jīng)驗和現(xiàn)象上升到基本理論。中國科學史的興盛與衰落，引導我們教師和學生一起進行積極反思。我們既不能陶醉于古代化學的輝煌，又不能沉淪于近代化學的落伍。我們要滿懷熱情地弘揚優(yōu)秀中國古代化學思想充滿中華文化的自信，又要引導學生正確認識我們近現(xiàn)代化學與西方先進國家的差距，激發(fā)攀登世界化學科學高峰的動力。

4 以中國化學家為榜樣，教育學生樹立正確的民族觀和國家觀

文化自信是民族復興的力量之源，愛國則是個人的立德之源和立功之本。學生要愛國，要有正確的民族觀和國家觀，要有濃厚的愛國情懷，這樣才能成為具有責任擔當?shù)闹腥A民族偉大復興的建設(shè)者[16]。

在無機元素化學的授課中，培養(yǎng)學生的家國情懷，促進個人發(fā)展與祖國強盛的統(tǒng)一性理念尤為重要。將中國化學家故事融入課堂，他們的成長背景、成才歷程、為國奉獻、為國育才、高尚品德和人格魅力等，均是培養(yǎng)學生愛國精神和民族意識的優(yōu)秀素材。如在無機元素化學堿金屬章節(jié)中，碳酸鈉的合成是堿金屬鹽類重要的知識點?；瘜W家侯德榜先生及其發(fā)明的聯(lián)合制堿法引入是構(gòu)筑堿金屬課程思政知識鏈的重要素材。從童年私塾到美國哥倫比亞大學博士，侯德榜的求學歷程就是一部立志成才的奮斗史。侯德榜協(xié)助民族實業(yè)家范旭東創(chuàng)辦中國首家制堿企業(yè)，發(fā)明聯(lián)合制堿法為民族化工嘔心瀝血。侯德榜出版巨著《制堿》揭穿“索維爾”制堿技術(shù)秘密，砸開技術(shù)封鎖的鐵鏈，使制堿技術(shù)成為全人類的財富[17]。侯德榜先生從個人小我融入民族大我的“家國情懷”，用制堿托起中華民族化工工業(yè)的大廈。

元素化學稀土元素部分，在介紹稀土電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)造成的稀土分離困難時，我們舉例中國稀土之父徐光憲院士，他在科學研究前期以服務(wù)國家為目標，以應(yīng)用為導向進行核燃料萃取、稀土元素分離與提純的工藝研究，實現(xiàn)基礎(chǔ)科學與工業(yè)技術(shù)的巧妙結(jié)合；后期，他又結(jié)合研究興趣，對國際前沿科學問題進行研究，利用量子化學計算實現(xiàn)稀土萃取理論研究的突破。徐光憲院士一心為國，為國家戰(zhàn)略需求，多次改變自己的研究方向，發(fā)展了串級萃取分離科學技術(shù)，打破國外技術(shù)壁壘，成功實現(xiàn)“工業(yè)味精”稀土金屬的高效分離，使我國的稀土分離技術(shù)達到了世界先進水平[18]。在稀土應(yīng)用方面，我們舉例我校徐惠彬院士、宮聲凱院士團隊利用鈰酸鑭作為熱障涂層材料，打造中國航空發(fā)動機葉片“金鐘罩”，大大提高了發(fā)動機的推力和效率，這對激發(fā)學生學好化學基本理論，培養(yǎng)投身我國航天事業(yè)的愛國精神具有很好的促進作用。

侯德榜聯(lián)合制堿法和徐光憲先生的串級萃取分離技術(shù)理論，均是我國被國外技術(shù)封鎖、引進國外技術(shù)被漫天要價“逼”出來的創(chuàng)新。結(jié)合目前中國航天技術(shù)在世界的一枝獨秀、中國高端芯片和中國航空發(fā)動機困境，兩種截然不同情況對比激發(fā)學生要學好基礎(chǔ)科學，讓核心技術(shù)掌握在自己手中?？傊?，在元素化學教學中融入中國化學家的家國情懷可觸動學生報國信念；基礎(chǔ)科學與核心技術(shù)的緊密聯(lián)系又觸發(fā)了學生學習無機元素化學的動力。

5 結(jié)合無機元素化學中的“兩面性”，做好職業(yè)底線思維教育

職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)素養(yǎng)一樣是全面育人的重要組成部分。對于學生職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)，要做好堅持職業(yè)底線的教育。職業(yè)的底線思維就是職業(yè)的最低目標，是量變到質(zhì)變的唯物主義辯證法的重要體現(xiàn)，突破底線會產(chǎn)生不可預(yù)料、無法承受，甚至顛覆性后果[19]。在氮元素章節(jié)講授中，我們通過德國化學家弗里茨·哈伯的事跡講授合成氨工藝。哈伯使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面，加速了世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展和溫飽問題的解決，獲得1918年諾貝爾化學獎。但在一戰(zhàn)中，哈伯擔任德軍化學武器廠的廠長，負責生產(chǎn)氯氣、芥子氣等化學武器，用于非正義的戰(zhàn)爭，又使其臭名昭著[20]?；瘜W家創(chuàng)造新物質(zhì)，為人類社會貢獻了大量有用的物質(zhì)和材料，推動社會的進步；而為了某種目的創(chuàng)造新材料，也會給人類社會帶來災(zāi)難。無機元素化學中的正反面案例恰恰是職業(yè)底線思維教育的良好素材，也是觸動學生心理的緊繃弦。

在無機元素化學授課過程中，我們要講好無機元素化學在人類社會發(fā)展與進步中舉足輕重的作用，激發(fā)學生學習興趣和利用化學創(chuàng)造美好生活的動力；更要講突破化學職業(yè)底線的危害。面對社會大眾對于化學的反面認知，任課教師在課堂上旗幟鮮明地引導學生正確認識和理解化學的成果，傳播無機元素化學的正能量，引導學生正面思考，培養(yǎng)學生正確的價值觀；態(tài)度堅決地教育學生要樹立法治觀念、堅守職業(yè)底線，不能為一時之利，違反法律，利用化學作為工具污染環(huán)境、制造毒品、使用化學武器等給人類帶來災(zāi)難。

6 突破課程思政空間和時間維度限制，創(chuàng)新育人載體和育人場地

課程思政作為“三全育人”的重要抓手，構(gòu)筑全方位和全時空的三維育人體系尤為重要?？茖W精神、愛國情懷、中國傳統(tǒng)文化等課程思政因素與無機元素專業(yè)知識的精準對接點、課堂教學中無機元素專業(yè)理論知識與思政元素有機融合線、無機元素化學隱性價值融會貫通面，三者有機結(jié)合打造全面育人的無機元素化學課程思政體系。隨著教學改革的不斷推進，無機元素化學的課時被不斷壓縮。任課教師在有限的線下課堂內(nèi)，很難在專業(yè)知識學習和價值培育實踐的全局角度達到深入融合?，F(xiàn)代化信息化教學手段，為課堂教學和課程建設(shè)提供了可視化、動態(tài)化的教學利器。因此我們要充分發(fā)揮信息化教學技術(shù)手段，利用線下和線上兩個教學育人陣地，突破授課時間和空間的限制，充分展現(xiàn)無機化學元素相關(guān)的精彩圖片、生動視頻、中外化學家的人物傳記、化學元素的最新科學進展等思政素材。例如，在講述鈦元素性質(zhì)時，舉例我校中國科學院院士江雷教授基于自然界荷葉仿生理念，采用二氧化鈦納米材料構(gòu)筑超浸潤界面，并將其應(yīng)用到國家大劇院外墻自清潔玻璃的原始創(chuàng)新故事。這些精選素材，不僅可以激發(fā)課堂活力，而且可以培養(yǎng)學生學習元素化學的興趣和原始創(chuàng)新動力，更為重要的是把育人元素高度融合了無機化學元素化學教學內(nèi)容。

針對新型冠狀病毒肺炎疫情對高校正常開學和課堂教學造成的影響，2020年春季，我校利用線上MOOC、騰訊課堂、微信課程群/公眾號、雨課堂、課程QQ群等現(xiàn)代化信息教學手段，展開了平穩(wěn)、有序的線上教學。充分的課前準備、充滿師生互動的在線課堂和課下真切的課堂反饋，都是高質(zhì)量完成無機元素化學在線授課的重要因素。全心投入的教學態(tài)度、科教融合的教學風格、角色植入師生溝通的交流方法，均是讓學生最為真切的感受，也容易受到教師所呈現(xiàn)出來師德師風的感染和影響。現(xiàn)代化信息化教學手段彌補了線下課時缺陷，實現(xiàn)了育人載體和場地的創(chuàng)新，形成了無機元素化學課程思政教學閉環(huán)化流程，從而促進“三全育人”目標的實現(xiàn)。

7 結(jié)語

本文從無機元素化學課程特點出發(fā)，提出將思政知識鏈條融入理論知識體系的課程建設(shè)理念。借助“線上”和“線下”兩個渠道實施無機元素化學課程思政教學，突破空間和時間限制，形成課程思政閉環(huán)式教學流程，拓展教育效果最大化。課程思政是落實立德樹人根本任務(wù)的教育理念創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新。我們要提高自身的育人能力，重視課程建設(shè)，精心設(shè)計課堂、興趣牽引激發(fā)學生探索未知、追求真理，勇攀科學高峰的責任感和使命感，實現(xiàn)價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)全面育人目標。