結(jié)構(gòu)化學(xué)思政教學(xué)的認(rèn)知理解與教學(xué)啟示

潘梅，李超捷，劉媛媛

1中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣州 510275

2珠海市第四中學(xué)，廣東 珠海 519015

近年來，中山大學(xué)深入貫徹習(xí)近平總書記在全國(guó)高校思政工作會(huì)議中提出的“要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人”的方針政策，大力推動(dòng)以“課程思政”為目標(biāo)的課堂教學(xué)改革。注重將專業(yè)課教學(xué)和思政教學(xué)結(jié)合在一起，在教學(xué)過程中有效地融入愛國(guó)主義教育，激發(fā)學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)欲望，提高課堂教學(xué)效果；培養(yǎng)學(xué)生良好的道德修養(yǎng)和高尚的人格情操，促進(jìn)學(xué)生的健康成長(zhǎng)和全面發(fā)展[1]。

結(jié)構(gòu)化學(xué)是中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院各本科專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，其核心知識(shí)的價(jià)值在于豐富學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，掌握總結(jié)性概念，形成統(tǒng)攝性認(rèn)識(shí)；理解并掌握基本概念的發(fā)展，學(xué)會(huì)模型建構(gòu)的過程；熟練掌握用于分析結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的工具，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力；清晰全面地認(rèn)識(shí)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的價(jià)值，并能夠與生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等自然學(xué)科相聯(lián)系。但結(jié)構(gòu)化學(xué)的課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)抽象，離實(shí)際生活較遠(yuǎn)，并且授課方式大多以充斥著文字、公式的PPT課件為主要的教學(xué)手段。因此課程的思政元素與專業(yè)知識(shí)很難做到有機(jī)的結(jié)合，易流于形式[2-4]。

為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的協(xié)同育人功能，本文試圖將思政元素與結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究方法和研究角度結(jié)合，并總結(jié)了相應(yīng)的教學(xué)啟示。我們?cè)诶弥袊?guó)化學(xué)家在結(jié)構(gòu)化學(xué)中做出的杰出貢獻(xiàn)、目前科研前沿的熱點(diǎn)以及生活中物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的應(yīng)用作為思政素材的同時(shí)，也積極探索不同的教學(xué)手段，例如情境式教學(xué)、分組討論等。使學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，能夠培養(yǎng)“實(shí)驗(yàn)-數(shù)據(jù)-推理”的核心思維，并能從物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能相互關(guān)系的基本規(guī)律出發(fā)，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。在教學(xué)過程中，可以將各種情境作為素材，使學(xué)生了解所學(xué)知識(shí)與科研實(shí)踐和社會(huì)發(fā)展的聯(lián)系，在多維模式中拓寬知識(shí)面、活躍創(chuàng)新思維，激發(fā)自主學(xué)習(xí)與探究真理的熱情[5-7]。本文旨在通過結(jié)構(gòu)化學(xué)與課程思政的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情操、做人準(zhǔn)則、社會(huì)責(zé)任感和集體榮譽(yù)感，努力成長(zhǎng)為“德才兼?zhèn)?、領(lǐng)袖氣質(zhì)、家國(guó)情懷”的高層次人才。本文著重從以下三個(gè)方面介紹我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)化學(xué)課程中的思政教學(xué)啟示。

1 選取最新結(jié)構(gòu)化學(xué)科研成果作為思政核心統(tǒng)整教學(xué)

通過結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要能夠意識(shí)到，要想認(rèn)識(shí)物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)需要借助一定的實(shí)驗(yàn)手段來測(cè)定，這些數(shù)據(jù)和信息可以為建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型或相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供解釋和支撐。原子光譜、分子光譜、單晶X射線衍射等是測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的常用方法和手段。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究可以為設(shè)計(jì)與合成功能性的新物質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。通過對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)能讓學(xué)生在今后的科研中更加理解材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為優(yōu)化物質(zhì)結(jié)構(gòu)、改善材料性能提供幫助。

為了讓學(xué)生真正體驗(yàn)到所學(xué)到的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)能應(yīng)用到實(shí)際科研生產(chǎn)生活中，以及我國(guó)科研工作者在結(jié)構(gòu)化學(xué)領(lǐng)域做出的杰出成果，我們選取了一些科技發(fā)展的前沿內(nèi)容，并要求學(xué)生在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)后，舉例說明結(jié)構(gòu)研究對(duì)發(fā)現(xiàn)、制備新物質(zhì)以及解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上的作用。在結(jié)構(gòu)化學(xué)的考核上，除了傳統(tǒng)的期末筆試，我們還布置了通過閱讀指定文獻(xiàn)作主題討論，以及撰寫近年來中國(guó)科研人員在結(jié)構(gòu)化學(xué)前沿領(lǐng)域中取得的相關(guān)成果的課程論文等。最終結(jié)構(gòu)化學(xué)考核采用過程化考核，其中文獻(xiàn)主題討論與平時(shí)作業(yè)占20%，期中筆試成績(jī)占20%，課程論文占10%，期末筆試成績(jī)占50%。中山大學(xué)的結(jié)構(gòu)化學(xué)課程通過這樣的過程化、多元化的考核方式，讓課堂氛圍變得更為活躍，以及更多的學(xué)生能夠參與到教學(xué)活動(dòng)中來。

比如在進(jìn)行超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)時(shí)，我們以課題組的特色研究成果之一，有機(jī)金屬超分子籠為例，介紹有機(jī)金屬超分子籠的合成過程(圖1a)，讓學(xué)生更深刻地理解什么是超分子自組裝。通過讓學(xué)生閱讀指定的相關(guān)文獻(xiàn)，回答用何種實(shí)驗(yàn)手段來對(duì)超分子籠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征(表1)[8]。并要求學(xué)生通過閱讀文獻(xiàn)找出分子籠與各類客體的相互作用的相關(guān)內(nèi)容(圖1b)，以此加深學(xué)生對(duì)課本中超分子識(shí)別、自組裝和次級(jí)鍵等概念的理解。課后再讓學(xué)生自主查閱有機(jī)金屬超分子籠在手性分離、光催化產(chǎn)氫、限域催化、熒光傳感等領(lǐng)域的文獻(xiàn)，并結(jié)合我國(guó)國(guó)情，撰寫課程論文。我們希望通過讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)的最新科研進(jìn)展，進(jìn)一步深化對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，并對(duì)科研產(chǎn)生濃厚興趣，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)有優(yōu)秀科研潛質(zhì)的學(xué)生從事相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)教研相長(zhǎng)。

表1 有機(jī)金屬超分子籠結(jié)構(gòu)分析手段列表

圖1 a) 有機(jī)金屬超分子籠MOC-51的自組裝過程示意圖；b) 有機(jī)金屬超分子籠MOC-16與客體芘的相互作用示意圖

在現(xiàn)代科技的發(fā)展中，結(jié)構(gòu)化學(xué)是不可或缺的，科研工作者可以根據(jù)所需物質(zhì)的性質(zhì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步促進(jìn)科研探索的步伐。通過讓學(xué)生深入認(rèn)識(shí)近年來中國(guó)科研人員在結(jié)構(gòu)化學(xué)前沿領(lǐng)域中取得的相關(guān)成果，可以有效地?cái)U(kuò)大學(xué)生的思想境界，并增進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，深化對(duì)化學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)和對(duì)科學(xué)研究的循序漸進(jìn)與去偽存真過程的認(rèn)識(shí)，以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)以及家國(guó)情懷。

2 將情境式教學(xué)作為重要思政教學(xué)方法引入教學(xué)

結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)難點(diǎn)在于知識(shí)點(diǎn)抽象，容易讓學(xué)生感到與實(shí)際生活距離較遠(yuǎn)。而學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)與思維的形成需要通過在真實(shí)情境中運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)并能完成特定的任務(wù)來進(jìn)行衡量，所以豐富的情境素材與任務(wù)有必要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的思政教學(xué)設(shè)計(jì)中。情境素材的種類如圖2所示。

圖2 情境式教學(xué)的類別

以日常生活情境為例，其可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生能主動(dòng)去學(xué)習(xí)，并進(jìn)一步激發(fā)科研興趣。比如貝殼中，有兩種晶體結(jié)構(gòu)不同的碳酸鈣，霰石和方解石，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致起到的作用也不一樣；生活中常用的表面活性劑的去污原理；潛在能源天然氣水合物的結(jié)構(gòu)；能級(jí)躍遷理論在銫原子鐘制作上的應(yīng)用；氫鍵在生命中的作用；液晶顯示器中的液晶的結(jié)構(gòu)與用途；壁虎能在墻壁上行走自如的原因等等。

再以化學(xué)史料情境為例，在“量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)”這章內(nèi)容的教學(xué)過程中，不建議教師一味地向?qū)W生介紹知識(shí)，而可以考慮讓學(xué)生以小組為單位來介紹人類對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)特征認(rèn)識(shí)的化學(xué)史，尤其是讓學(xué)生能夠深刻理解微觀粒子的波動(dòng)性思想是如何產(chǎn)生以及被加以證實(shí)的。通過借助科學(xué)史料情境從多個(gè)角度向?qū)W生展示人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過程，這樣才能有效地促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解(圖3)。

圖3 原子結(jié)構(gòu)的化學(xué)史料情境

原子光譜的教學(xué)是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的重難點(diǎn)之一，從學(xué)生已有的學(xué)情出發(fā)，不僅可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)的門檻，也可以增強(qiáng)知識(shí)之間的聯(lián)系。下面用“活動(dòng)-素養(yǎng)線”來進(jìn)行教學(xué)流程的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步將化學(xué)知識(shí)與核心素養(yǎng)融合(圖4)。比如學(xué)生在中學(xué)階段都學(xué)過焰色試驗(yàn)，知道不同的金屬離子在酒精燈上能看到不同顏色的火焰，以及焰色試驗(yàn)可用于檢驗(yàn)許多的金屬離子。中學(xué)所學(xué)的“焰色”實(shí)際上就類似于金屬原子的發(fā)射光譜，進(jìn)而介紹氫原子的線狀光譜與經(jīng)典的玻爾模型，再通過鈉原子的線狀光譜對(duì)玻爾模型所產(chǎn)生的挑戰(zhàn)，激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)原子光譜的興趣和學(xué)習(xí)欲望。生活中煙花和霓虹燈的顏色豐富多彩，正是因?yàn)椴煌脑卦咏Y(jié)構(gòu)不同，所以各自具有獨(dú)特的原子光譜。中山大學(xué)在同期還開設(shè)了儀器分析課程，光譜項(xiàng)的教學(xué)內(nèi)容與原子吸收光譜、發(fā)射光譜以及拉曼光譜關(guān)系密切。不同元素的原子具有不同的光譜項(xiàng)、光譜支項(xiàng)和微觀能態(tài)，即能級(jí)結(jié)構(gòu)不同。所以可以根據(jù)原子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)所發(fā)射出的特征譜線位置以及強(qiáng)度對(duì)元素進(jìn)行定性和定量的分析。學(xué)生由此切實(shí)認(rèn)識(shí)到原子光譜是原子結(jié)構(gòu)的一種表現(xiàn)。課后作業(yè)是讓學(xué)生以小組為單位，通過收集相關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)合課堂所學(xué)內(nèi)容解釋為什么激光晶體中要摻雜稀土離子作為激活離子，讓學(xué)生將結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論知識(shí)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系。

圖4 “原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的活動(dòng)-素養(yǎng)線

3 我國(guó)化學(xué)家在結(jié)構(gòu)化學(xué)上取得的成就作為思政素材引入教學(xué)

創(chuàng)新是技術(shù)發(fā)展的核心，而科研是一條漫長(zhǎng)而艱辛的路，讓有這方面志向的學(xué)生在本科期間樹立學(xué)術(shù)研究的信念是關(guān)鍵所在。基礎(chǔ)科學(xué)的研究直接決定了一個(gè)國(guó)家的硬實(shí)力，近年來我國(guó)非常需要優(yōu)秀的科學(xué)家投身于基礎(chǔ)學(xué)科的研究。新中國(guó)成立之后，大批老一輩的科學(xué)家為新中國(guó)的建設(shè)添磚加瓦，他們散發(fā)著愛國(guó)情懷的耀眼光輝，對(duì)本科生堅(jiān)定愛國(guó)信念有重要作用。在每個(gè)板塊的教學(xué)內(nèi)容中，都可以向?qū)W生介紹我國(guó)科研工作者在結(jié)構(gòu)化學(xué)領(lǐng)域取得的成就(表2)，教育學(xué)生立足基礎(chǔ)研究、增進(jìn)學(xué)生對(duì)技術(shù)、方法、創(chuàng)新的理解，激發(fā)愛國(guó)理念和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)高尚的職業(yè)道德和人格素養(yǎng)，建立報(bào)效祖國(guó)、努力奮斗的人生態(tài)度。

表2 我國(guó)科學(xué)家在結(jié)構(gòu)化學(xué)中取得的成就[9-11]

我國(guó)著名化學(xué)家徐光憲院士，在朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)、中美關(guān)系緊張之際，毅然放棄即將到手的工作回國(guó)，為中國(guó)的化學(xué)教育事業(yè)和提高我國(guó)的科研水平做出了巨大貢獻(xiàn)。徐光憲先生在國(guó)際上首次合成了四核稀土雙氧配合物，并對(duì)各種稀土化合物進(jìn)行了量子化學(xué)的計(jì)算，最終得出金屬有機(jī)化合物中的化學(xué)鍵往往是帶有離子鍵性質(zhì)的共價(jià)鍵的結(jié)論。共價(jià)鍵中原子的4f軌道對(duì)鍵的貢獻(xiàn)很小，所以稀土的簇合物和金屬有機(jī)化合物同樣也適用于18電子規(guī)律。

晶體學(xué)家陳創(chuàng)天的生平事跡詮釋了科研工作者應(yīng)有的特質(zhì)，并弘揚(yáng)了核心價(jià)值觀以及科學(xué)家精神。從小他就確立了“要通過我們自己的努力，為國(guó)家在科學(xué)事業(yè)上打個(gè)翻身仗，要進(jìn)入到國(guó)際最先進(jìn)的方面去”的目標(biāo)。以民族復(fù)興和國(guó)家強(qiáng)盛為己任，醉心研究無機(jī)功能晶體材料，立足原始創(chuàng)新，提出了晶體非線性光學(xué)效應(yīng)的陰離子基團(tuán)理論，兼顧國(guó)家需求和世界科學(xué)前沿，取得了多項(xiàng)世界級(jí)創(chuàng)新性成果。

2007年，我國(guó)首顆探月衛(wèi)星嫦娥一號(hào)在進(jìn)入天空后，形狀記憶合金制成的天線在陽光的照射下重新伸展開，發(fā)揮天線的作用。嫦娥一號(hào)是我國(guó)第一顆月球探測(cè)衛(wèi)星，從接到任務(wù)到嫦娥一號(hào)成功發(fā)射，3年時(shí)間內(nèi)，“嫦娥之父”葉培建的研究隊(duì)伍不畏艱苦，攻克了一個(gè)又一個(gè)的技術(shù)難題，拿下了一大批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。

2013年，中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心研究員裘曉輝博士和副研究員程志海領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次直接觀察到了氫鍵，為80多年來有關(guān)氫鍵的爭(zhēng)論提高了直觀證據(jù)。這一成果讓人類在認(rèn)識(shí)微觀世界上前進(jìn)一大步。國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》雜志上也對(duì)該成果給予了很高的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)該發(fā)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的意義和價(jià)值。

中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院的陳小明院士，作為一位土生土長(zhǎng)的廣東科學(xué)家，是當(dāng)今國(guó)際化學(xué)熱門研究領(lǐng)域——功能配位化學(xué)與晶體工程研究領(lǐng)域的創(chuàng)新者和開拓者。他的團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次合成并公布了一種金屬——咪唑微孔材料ZIF-8，已經(jīng)成為國(guó)際上研究最多的金屬-有機(jī)框架材料之一，有望廣泛應(yīng)用于石油化工和精細(xì)化工中的分離、催化過程，為國(guó)家、廣東的科學(xué)研究和社會(huì)發(fā)展做出更多貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

在課程思政教學(xué)中，教師需要從實(shí)際出發(fā)，明白專業(yè)課程不是思政課，思政元素如果全盤地灌輸給學(xué)生必定會(huì)引起學(xué)生的反感。本文從三個(gè)方面介紹了結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過程中融入思政元素的方法，將思想政治素材和結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合在一起，在教學(xué)過程中滲透德育教育，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生健全人格。在具體的實(shí)施過程中，以課堂教學(xué)為載體，以學(xué)生為中心，結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，有效地融入愛國(guó)主義教育、科學(xué)發(fā)展史，以及結(jié)構(gòu)物化學(xué)前沿內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)欲望，提高課堂教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生良好的道德修養(yǎng)和高尚的人格情操，促進(jìn)學(xué)生的健康成長(zhǎng)和全面發(fā)展。