面向食品科學(xué)專業(yè)的計算化學(xué)課程思政教學(xué)案例設(shè)計*

吳秀秀，曹 慧，袁 敏，葉 泰，于勁松，陰鳳琴，郝麗玲，徐 斐

(上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海食品快速檢測工程技術(shù)研究中心，上海 200093)

2016年12月習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議明確指出“要用好課堂教學(xué)這個主渠道，思政理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思政理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)”[1]。開展思政教育是黨和國家對高校落實立德樹人根本任務(wù)、培養(yǎng)社會主義建設(shè)者和接班人的要求。探究專業(yè)課程中的思政教育建設(shè)和育人體系，是作為一名高校教師義不容辭的責(zé)任和義務(wù)。

本文結(jié)合思政教育的精神和任務(wù)，探索面向食品科學(xué)專業(yè)的計算化學(xué)課程中思政教學(xué)案例設(shè)計的思路和方法。旨在傳授計算化學(xué)相關(guān)的理論知識與應(yīng)用實踐、教授學(xué)生科學(xué)研究的思維方式和思想路線之外，全面提升學(xué)生的家國情懷、社會責(zé)任、科學(xué)素養(yǎng)以及創(chuàng)新意識和綜合能力，努力將計算化學(xué)課程打造成承載“立德樹人”使命的“金課”。

1 課程介紹

隨著計算機計算性能的飛速提高以及量子力學(xué)、分子模擬等理論的不斷發(fā)展，理論與計算化學(xué)方法已經(jīng)成為科學(xué)研究不可或缺的重要手段。它能夠提供在現(xiàn)代實驗技術(shù)水平上很難甚至無法得到的分子/原子結(jié)構(gòu)和過程變化的微觀信息，在食品檢測、能源材料、生命醫(yī)藥、資源環(huán)境等領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[2]。為了培養(yǎng)具有食品、化學(xué)、計算機等多學(xué)科交叉知識背景的復(fù)合型創(chuàng)新人才，我們面向食品科學(xué)專業(yè)的本科生開設(shè)了計算化學(xué)課程。在本課程的教學(xué)過程中，我們通過講授計算化學(xué)相關(guān)的基本概念和理論等，使學(xué)生對計算化學(xué)的一些基本原理和方法的應(yīng)用有充分的了解和掌握，并能夠?qū)⒂嬎慊瘜W(xué)作為“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的一個工具和技能應(yīng)用到專業(yè)課程和知識的學(xué)習(xí)和探索中。同時，在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)活動中融入思政元素，充分地發(fā)揮課程育人功能，培養(yǎng)具有社會主義核心價值觀、德才兼?zhèn)?、全面發(fā)展的人才。本文重點介紹了我們挖掘的計算化學(xué)課程中的幾個課程思政典型案例。

2 設(shè)計理念

2020年6月，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，全面推進高校課程思政建設(shè)?！毒V要》指出，全面推進高校課程思政建設(shè)是深入貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述和全國教育大會精神、落實立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措，高校要深化教育教學(xué)改革，充分挖掘各類課程思想政治資源，發(fā)揮好每門課程的育人作用，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。上海理工大學(xué)深入貫徹《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的精神，大力推動以課程思政為目標(biāo)的課堂教學(xué)改革，優(yōu)化課程設(shè)置、修訂專業(yè)教材、完善教學(xué)設(shè)計、加強教學(xué)管理。專任教師積極挖掘和設(shè)計專業(yè)課程所蘊含的思想政治教育元素，并以實踐融入到課堂教學(xué)各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)思想政治教育的功能。本文中計算化學(xué)課程的思政典型案例設(shè)計就是在這樣的背景下展開的。本文中我們通過對幾個思政案例的深入挖掘、全面分析和精心設(shè)計，將思政元素“潤物細無聲”地融入到專業(yè)教學(xué)中，實現(xiàn)思想政治教育與專業(yè)知識教育的有機統(tǒng)一，充分發(fā)揮課程育人功能。

3 具體案例

3.1 案例一：理論化學(xué)領(lǐng)軍人，帶領(lǐng)實現(xiàn)跨越式發(fā)展——“計算化學(xué)緒論”教學(xué)的思政設(shè)計

3.1.1 教學(xué)目標(biāo)

(1)知識與技能

為促進學(xué)生對量子化學(xué)和分子模擬領(lǐng)域的認識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，全面加強對計算化學(xué)的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，了解計算化學(xué)發(fā)展的新方向和新動向，進而提出以下要求：

①掌握量子化學(xué)的基本概念和基本原理，了解量子化學(xué)背后的應(yīng)用領(lǐng)域和典型應(yīng)用案例。

②掌握分子力學(xué)的基本概念和基本原理，了解分子模擬在化學(xué)、食品、能源、材料等學(xué)科和領(lǐng)域的作用。

③了解計算化學(xué)未來的發(fā)展方向和更多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。

(2)過程與方法

進一步加強學(xué)生對計算化學(xué)的理解，教授學(xué)生學(xué)會從計算化學(xué)的角度發(fā)現(xiàn)問題，分析問題并應(yīng)用計算化學(xué)解決實際問題：

①培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)計算化學(xué)相關(guān)知識的能力，學(xué)會靈活應(yīng)用計算化學(xué)解決實際問題。

②培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)無止境的精神，使學(xué)生有意識地養(yǎng)成時時學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。

(3)情感態(tài)度與價值觀

為拓寬學(xué)生的知識面，開闊互聯(lián)網(wǎng)+時代學(xué)生的學(xué)術(shù)眼界，進一步探索如何將計算化學(xué)中的價值引領(lǐng)落實到實處，提出以下要求：

①提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀與科學(xué)思維意識。

②引導(dǎo)學(xué)生思考科學(xué)研究的意義，樹立求真務(wù)實和不斷進取的科研創(chuàng)新精神。

3.1.2 教學(xué)素材

北京師范大學(xué)方維海教授是計算化學(xué)前沿理論方向的知名學(xué)者，被譽為中國理論化學(xué)領(lǐng)軍人，對理論化學(xué)的發(fā)展做出了巨大貢獻。他曾多次承擔(dān)國家自然科學(xué)基金委重點項目，被科技部聘為“973計劃”項目首席科學(xué)家。

方維海教授自2005年起擔(dān)任北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院院長。他以人為本、顧全大局，在化學(xué)學(xué)院的學(xué)科建設(shè)、人才建設(shè)、教學(xué)科研等方面作出了重要貢獻，引進了多名國家杰出青年科學(xué)基金獲得者和教育部“長江學(xué)者”，積極推動化學(xué)學(xué)院的學(xué)術(shù)科研工作。

在方維海教授的帶領(lǐng)下，北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院致力于生命體系識別和調(diào)控過程中重要化學(xué)問題的基礎(chǔ)研究，系統(tǒng)地發(fā)展了理論和計算方法，解決了激發(fā)態(tài)和光反應(yīng)動力學(xué)一系列具有挑戰(zhàn)性的問題[3]。此外，方維海教授團隊還運用理論方法計算溶液、界面及蛋白微環(huán)境中的分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)，并基于Born-Oppenheimer近似的“絕熱化學(xué)”理論及其存在的問題進行深入探究，從而發(fā)展了“非絕熱化學(xué)”基礎(chǔ)理論和相關(guān)計算模擬過程。由此北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院在計算理論化學(xué)方向?qū)崿F(xiàn)了跨越式發(fā)展，在國內(nèi)高校的地位和聲譽得到大幅度提升。

在計算化學(xué)課程的緒論一章，我們可以以方維海教授的事例為例，講述計算化學(xué)理論方法發(fā)展的重要性，以及強調(diào)計算化學(xué)在化學(xué)、食品、能源、材料等學(xué)科和領(lǐng)域的重要作用。旨在引起學(xué)生對這門課的興趣，為學(xué)生打開計算化學(xué)的大門，有助于后續(xù)引導(dǎo)學(xué)生深入探究量子化學(xué)、分子力學(xué)等理論知識，培養(yǎng)學(xué)生探索求知的科學(xué)態(tài)度。

3.2 案例二：立鴻鵠之志，尋求計算領(lǐng)域不斷突破——“理論計算化學(xué)方法”教學(xué)的思政設(shè)計

3.2.1 教學(xué)目標(biāo)

(1)知識與技能

引導(dǎo)學(xué)生理解不同理論方法的內(nèi)涵，從電子、原子、分子層面思考相關(guān)科學(xué)問題：

①掌握化學(xué)鍵理論，掌握分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究方法，掌握計算和分析分子間作用力，化學(xué)反應(yīng)機理和分子光譜能譜的方法。

②了解利用量子力學(xué)和分子力學(xué)手段設(shè)計食品檢測材料的基本原理，了解基組、力場、能態(tài)等基礎(chǔ)理論知識背景。

(2)過程與方法

①了解量子力學(xué)和分子力學(xué)在材料篩選制備中的方法應(yīng)用。

②面對不同材料的設(shè)計和制備，善于選擇合適的理論方法進行計算研究。

(3)情感態(tài)度與價值觀

①培養(yǎng)學(xué)生從不同角度看問題的能力，培養(yǎng)靈活變通思維能力。

②從院士的案例中體悟勤勉科學(xué)精神，加強學(xué)生天道酬勤的意識。

3.2.2 教學(xué)素材

中國共產(chǎn)黨優(yōu)秀黨員、我國著名物理化學(xué)家、中國計算化學(xué)的奠基人、中國科學(xué)院院士、北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉若莊教授是我國早期量子化學(xué)開拓者之一。歷經(jīng)幾十年，劉若莊院士不僅對量子化學(xué)理論本身做出了重要貢獻，同時也致力于量子化學(xué)與有機化學(xué)等化學(xué)各分支學(xué)科的相互結(jié)合，推動各學(xué)科的快速發(fā)展。

劉若莊院士談起自身的成就，夸得更多的不是自己，而是在他逐步成長道路上的各位學(xué)者。他曾坦言：“在量子化學(xué)研究上對我影響最深的是唐敖慶院士”。這位唐敖慶院士在新中國成立之初沖破重重阻力，毅然回國，應(yīng)邀在北大開設(shè)量子化學(xué)以及統(tǒng)計學(xué)等理論課程。當(dāng)時劉若莊院士就師從唐敖慶先生并在研究生畢業(yè)后為他做助教，自此開始他的理論化學(xué)旅程。劉若莊院士于1978年創(chuàng)建了北京師范大學(xué)量子化學(xué)研究室，并逐漸將其發(fā)展成為我國運用量子化學(xué)手段研究化學(xué)體系的重要基地之一，也是中國理論化學(xué)對外聯(lián)系的重要窗口。劉若莊院士的主要貢獻是創(chuàng)造性地將量子化學(xué)理論和計算方法應(yīng)用于研究實際的化學(xué)問題，并取得了一系列優(yōu)秀成果。與此同時，劉若莊院士在培養(yǎng)化學(xué)專業(yè)人才方面也作出了卓越的貢獻。

劉若莊院士作為導(dǎo)師時，他教導(dǎo)學(xué)生要找到和堅持自己獨立的研究方向，給予了學(xué)生們充分的選擇自由度。正是這種寬松、自由的學(xué)術(shù)氛圍，激發(fā)和提高了學(xué)生們的科研熱情，他們在生物大分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)計算化學(xué)研究、反應(yīng)勢能面、贗勢梯度法等多種方法的發(fā)展上取得了一系列的進步[4]。這啟發(fā)我們，要啟發(fā)和活躍學(xué)生的科研思維。在使用計算化學(xué)設(shè)計食品檢測材料時，要啟發(fā)和解放學(xué)生的思想，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際體系學(xué)會和提高合理選擇不同計算方法的能力。

3.3 案例三：計算指導(dǎo)材料合成，開啟發(fā)展新篇章——“理論計算開發(fā)綠色食品檢測材料”教學(xué)的思政設(shè)計

3.3.1 教學(xué)目標(biāo)

(1)知識與技能

①掌握利用綠色發(fā)展理念設(shè)計開發(fā)食品質(zhì)量與安全檢測材料的方法。

②理解綠色材料發(fā)展的實際意義。

(2)過程與方法

①熟練掌握量子化學(xué)和分子動力學(xué)軟件的建模手段和計算方法。

②熟練掌握利用計算和模擬手段設(shè)計綠色材料的開發(fā)過程及步驟。

(3)情感態(tài)度與價值觀

①培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念，能注重將材料的開發(fā)與環(huán)境的保護相結(jié)合，貫徹“綠水青山就是金山銀山”的理念。

②引導(dǎo)學(xué)生自主靈活學(xué)習(xí)，主動承擔(dān)科研任務(wù)，提升科研能力，培養(yǎng)責(zé)任意識。

3.3.2 教學(xué)素材

黨的十八屆五中全會提出“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五項發(fā)展理念，并指出綠色是永續(xù)發(fā)展的必要條件和人民對美好生活追求的重要體現(xiàn)。在科研過程中，綠色環(huán)保也是體現(xiàn)發(fā)展可持續(xù)性的一項重要指標(biāo)。

“綠色化學(xué)”作為化學(xué)領(lǐng)域的新興學(xué)科，它的實施意義在于提高原子經(jīng)濟性，符合資源節(jié)約型發(fā)展模式[5-6]。譬如量子計算和分子模擬指導(dǎo)食品檢測納米材料的合成，極大減少了材料合成和制備過程中有機溶劑等化學(xué)試劑的耗費，從而大大降低了人為的化學(xué)試劑使用帶來的環(huán)境污染。例如，通過量子計算和分子模擬開發(fā)出的高選擇性分子印跡聚合物吸附劑，作為可立即應(yīng)用的食品最終樣品的實際分析，節(jié)省了開發(fā)最佳吸附材料所需時間、儀器和大量的資金投入，減少了對環(huán)境的有害影響。這無疑也是綠色分析化學(xué)的一個例子[7]。

計算模擬輔助開發(fā)綠色材料的重大意義在于通過計算的手段減少實驗過程中不必要的浪費，同時提高開發(fā)過程的精準(zhǔn)度，設(shè)計合成出經(jīng)濟有效的食品基質(zhì)識別和吸附材料，這對于資源的節(jié)約和環(huán)境的建設(shè)起到良好的促進作用。

4 結(jié) 語

以上是我們在計算互相課程教學(xué)過程中實施的幾個課程思政典型案例，在實際教學(xué)中仍有更多的思政元素和案例值得廣泛思考和深入挖掘。“課程思政”是高校思想政治教育方式的創(chuàng)新。課程思政作為一種新的課程觀對教師提出了新的要求，需要不斷更新教育理念、掌握現(xiàn)代教學(xué)方法、提升育德能力，做到在發(fā)揮專業(yè)課程本身特色的前提下，將知識傳授與價值引領(lǐng)有機融合。