計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)中課程思政的案例設(shè)計(jì)

李巍 王欣 丁迅雷

[摘 要] 為了深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上的重要講話精神，實(shí)現(xiàn)思想政治理論課與各類課程同向同行、協(xié)同育人，通過(guò)三個(gè)不同案例的理論知識(shí)點(diǎn)分別與我國(guó)化學(xué)史、我國(guó)科學(xué)家顯著性的研究成果及教師本人的研究成果相結(jié)合，探討了計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)中思想政治的引入方式。專業(yè)理論知識(shí)和思想政治內(nèi)容的完美結(jié)合，提高了學(xué)生對(duì)專業(yè)課的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，同時(shí)能夠使學(xué)生更加明確目標(biāo)，對(duì)未來(lái)人生進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。

[關(guān)鍵詞] 課程思政;計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn);協(xié)同育人;探索未知;規(guī)劃人生

[基金項(xiàng)目] 2020年度華北電力大學(xué)數(shù)理學(xué)院課程思政示范課項(xiàng)目

[作者簡(jiǎn)介] 李 ?。?987—），女（滿族），河北承德人，博士，華北電力大學(xué)數(shù)理學(xué)院講師，主要從事理論計(jì)算化學(xué)和團(tuán)簇化學(xué)研究;丁迅雷（1980—），男，安徽無(wú)為人，博士，華北電力大學(xué)數(shù)理學(xué)院教授（通信作者），主要從事理論與計(jì)算化學(xué)和團(tuán)簇物理化學(xué)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）51-0129-04? ? [收稿日期] 2021-04-12

一、引言

計(jì)算化學(xué)是利用量子力學(xué)理論，以物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)為工具來(lái)解決化學(xué)中實(shí)際問(wèn)題的學(xué)科。最早的計(jì)算化學(xué)是對(duì)H2+離子[1]以及H2分子[2]的計(jì)算。計(jì)算化學(xué)逐漸發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立的，與化學(xué)其他分支學(xué)科相互滲透，廣泛應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、化學(xué)鍵理論、化學(xué)反應(yīng)、功能材料和生物大分子等領(lǐng)域的新興學(xué)科[3-6]。

對(duì)于這樣新興的特殊學(xué)科，掌握其理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能對(duì)本科生深入理解化學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)是至關(guān)重要的。針對(duì)不同知識(shí)背景的本科生，采用何種教學(xué)方式是一個(gè)值得深入思考的問(wèn)題。根據(jù)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于教育的重要論述和全國(guó)教育大會(huì)精神[7]，參考中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于深化新時(shí)代學(xué)校思想政治理論課改革創(chuàng)新的若干意見(jiàn)》和教育部2020年下發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》[8]等重要文件指示，我們?cè)趥魇凇坝?jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)”基本理論、概念、技巧時(shí)，融入我國(guó)化學(xué)史、我國(guó)科學(xué)家在此領(lǐng)域所做出的貢獻(xiàn)，以及教師本人的研究成果，把書(shū)本中固定式的素材與科學(xué)研究成果相結(jié)合、科學(xué)史案例與教師的研究經(jīng)歷并舉，將課程與思想政治無(wú)縫銜接、巧妙融合，這樣不僅有助于學(xué)生快速掌握計(jì)算化學(xué)相關(guān)的基本概念、理論、計(jì)算程序的操作和技巧，而且訓(xùn)練了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，解決了科學(xué)問(wèn)題的態(tài)度和方法，更主要的是潛移默化地影響了學(xué)生，要以我國(guó)科學(xué)家為榜樣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，提升家國(guó)情懷和社會(huì)責(zé)任感，樹(shù)立正確的人生觀和價(jià)值觀，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)貢獻(xiàn)自己的力量。

二、案例設(shè)計(jì)

計(jì)算化學(xué)課堂中引入思想政治元素是需要技巧的，不能生搬硬套，牽強(qiáng)附會(huì)。在引入的過(guò)程中，并不能簡(jiǎn)單地、直接地把思想政治課的內(nèi)容搬到課堂中，而是要靈活處理，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)情境自然融入，避免思想政治課和專業(yè)課“兩張皮”的現(xiàn)象。課程與思想政治，不應(yīng)該是物理相加，而應(yīng)該是化學(xué)反應(yīng)。課程里引入的思想政治內(nèi)容，不但不能讓學(xué)生感到唐突，而且能使其產(chǎn)生情感共鳴，使學(xué)生自然而然地接受，達(dá)到“潤(rùn)物無(wú)聲、潛移默化”的效果，這樣才符合習(xí)近平總書(shū)記提出的守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)[9]。計(jì)算化學(xué)這門(mén)課面對(duì)的學(xué)生主要是物理專業(yè)的本科生，怎樣把計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)這門(mén)課的理論知識(shí)和學(xué)生掌握的物理知識(shí)很好的銜接，又能引入思想政治元素，是我們關(guān)注的重點(diǎn)。下面分別用三個(gè)案例介紹我們的課程設(shè)計(jì)。

（一）課程認(rèn)知與我國(guó)化學(xué)史結(jié)合

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)：讓學(xué)生能夠接受計(jì)算化學(xué)這門(mén)課程，了解這并不是一門(mén)新的學(xué)科，而是在量子力學(xué)、原子分子物理等理論基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一門(mén)實(shí)踐學(xué)科，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定心理基礎(chǔ)。

2.思政目標(biāo)：以學(xué)生熟悉的物理科學(xué)家和這些科學(xué)家的貢獻(xiàn)作為突破口，了解計(jì)算化學(xué)這門(mén)課程及這一學(xué)術(shù)領(lǐng)域的譜系，傳承老一輩科學(xué)家的科學(xué)精神、科學(xué)技術(shù)、科學(xué)知識(shí)及科學(xué)文化，促進(jìn)科技手段的代代更新和理論的代代精進(jìn)。

3.教學(xué)素材：家族會(huì)有家譜，同樣在學(xué)術(shù)界也存在學(xué)術(shù)譜系，學(xué)術(shù)譜系的存在對(duì)于科學(xué)精神、科學(xué)技術(shù)的傳承起著至關(guān)重要的作用。

1927年，第五屆索爾維會(huì)議在比利時(shí)首都布魯塞爾召開(kāi)，會(huì)議結(jié)束后，與會(huì)代表進(jìn)行了合影留念，留下了一張非常珍貴的照片，照片里的每一個(gè)人取得的科學(xué)成就都對(duì)世界產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。他們包括：相對(duì)論的創(chuàng)始人愛(ài)因斯坦、量子力學(xué)之父普朗克、為經(jīng)典物理學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展起到了承上啟下作用的科學(xué)巨匠洛倫茲、發(fā)現(xiàn)鐳和釙元素的居里夫人、量子力學(xué)的奠基人薛定諤、測(cè)不準(zhǔn)原理的提出者海森堡、哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人玻爾，以及物質(zhì)波的提出者德布羅意等著名科學(xué)家。物理專業(yè)的學(xué)生對(duì)這些科學(xué)家應(yīng)該都是非常熟悉的，但是這些科學(xué)家之間的淵源，學(xué)生們可能不是很熟悉。這些科學(xué)家或?yàn)橥T(mén)或?yàn)閹熒?，比如索末菲是德拜、泡利、海森堡的老師，而?ài)因斯坦的老師閔可夫斯基和索末菲是同門(mén)師兄弟;郎之萬(wàn)、布拉格、玻爾、馬克斯·玻恩、威爾遜和理查德森都出自湯普森門(mén)下，而郎之萬(wàn)是布里淵和德布羅意的老師，理查德森又是康普頓的老師。

我國(guó)的計(jì)算量子化學(xué)領(lǐng)域也有著深厚的學(xué)術(shù)譜系。首先一定要提的是唐敖慶和他的八大弟子。這幾位學(xué)者，不僅每個(gè)人在理論化學(xué)領(lǐng)域有所建樹(shù)，而且其門(mén)人絕對(duì)占據(jù)當(dāng)今中國(guó)理論化學(xué)界的半壁江山。唐敖慶，中國(guó)第一代理論化學(xué)家，師從Halford，就讀于哥倫比亞大學(xué)，畢業(yè)后放棄了國(guó)外優(yōu)越的條件，克服重重阻礙，于1950年初回到祖國(guó)，先任教于北京大學(xué)，后調(diào)任東北人民大學(xué)（今吉林大學(xué)），并組建化學(xué)系，親自教授了幾十屆本科生和研究生。1963—1965年，唐敖慶在吉林大學(xué)舉辦了物質(zhì)結(jié)構(gòu)（高級(jí)）學(xué)術(shù)討論班，為中國(guó)理論化學(xué)界培養(yǎng)了一大批棟梁之材，其中就包括唐先生的“八大弟子”，他們分別是吉林大學(xué)的孫家鐘和江元生、北京師范大學(xué)的劉若莊、山東大學(xué)的鄧從豪、廈門(mén)大學(xué)的張乾二，以及著名的理論化學(xué)家和教育家、四川大學(xué)的鄢國(guó)森、古正，云南大學(xué)的戴樹(shù)珊[ 10 ]。正是這些老一輩科學(xué)家艱苦奮斗打下的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，以及一代代科學(xué)家的傳承和發(fā)展，才使得我國(guó)在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域處于世界先進(jìn)行列，為我國(guó)在材料、化工、催化等方面的經(jīng)濟(jì)建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（二）團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的表征與我國(guó)科學(xué)家研究成果結(jié)合

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)會(huì)利用計(jì)算化學(xué)的方法表征團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，了解團(tuán)簇結(jié)構(gòu)表征在科學(xué)研究領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。

2.思政目標(biāo)：通過(guò)了解我國(guó)科學(xué)家在團(tuán)簇結(jié)構(gòu)表征方面做出的杰出貢獻(xiàn)，提升學(xué)生的民族自尊心、自信心和自豪感，培養(yǎng)學(xué)生自覺(jué)承擔(dān)國(guó)家科技發(fā)展的責(zé)任意識(shí)，啟迪學(xué)生的未來(lái)職業(yè)規(guī)劃。

3.教學(xué)素材：（1）最小水滴由幾個(gè)水分子構(gòu)成呢？自然界的水不是以單一水分子（H2O）的形式存在的，而是由水分子團(tuán)簇構(gòu)成的，水分子團(tuán)簇是由若干水分子通過(guò)氫鍵作用聚合在一起形成的，那么一個(gè)最小的水滴是由幾個(gè)水分子構(gòu)成的團(tuán)簇呢？中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的江凌研究員和楊學(xué)明院士團(tuán)隊(duì)采用大連相干光源中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)了5個(gè)水分子團(tuán)簇（H2O）5的紅外譜圖，具有三維立體水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的特征峰。隨后清華大學(xué)的李雋團(tuán)隊(duì)采用高精度的量子化學(xué)理論計(jì)算方法，計(jì)算了水團(tuán)簇的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并與實(shí)驗(yàn)得到的紅外光譜進(jìn)行了對(duì)照，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合證實(shí)了水分子五聚體團(tuán)簇已經(jīng)開(kāi)始呈現(xiàn)體相水的結(jié)構(gòu)特征和光譜特征[ 11 ]。（2）冰的一個(gè)晶胞由幾個(gè)水分子構(gòu)成，是什么形狀的？上述課題組采用相同的方式經(jīng)過(guò)研究得出：水分子八聚體團(tuán)簇的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外光譜，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，說(shuō)明最小冰立方是由8個(gè)水分子組成。研究還表明了水分子八聚體存在5個(gè)穩(wěn)定的立方體結(jié)構(gòu)，這些立方體結(jié)構(gòu)中的水分子均以三配位的方式結(jié)合在立方體的頂角上[ 12 ]。這些新的研究成果改寫(xiě)了人們對(duì)最小水滴及冰的晶胞的傳統(tǒng)認(rèn)知。我國(guó)科學(xué)家在科學(xué)前沿領(lǐng)域不斷進(jìn)取，解決了一個(gè)個(gè)科學(xué)難題，突破了一項(xiàng)項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，解決了多項(xiàng)瓶頸問(wèn)題，科技創(chuàng)新水平和能力不斷提高，正在逐步走向世界科學(xué)研究的前列。

（三）反應(yīng)勢(shì)能面的計(jì)算與教師本人科研成果結(jié)合

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)會(huì)利用計(jì)算化學(xué)的方法進(jìn)行過(guò)渡態(tài)的搜索和勢(shì)能面的計(jì)算，得到化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)信息及微觀機(jī)理。

2.思政目標(biāo)：以教師本人的研究工作作為素材，帶領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)悟知識(shí)的產(chǎn)生和更新的真諦。轉(zhuǎn)變學(xué)生思維，使其會(huì)學(xué)習(xí)，為將來(lái)的科研工作打牢基礎(chǔ)。

3.教學(xué)素材：隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益突出，大氣中小分子的含量變化影響著大氣圈與生物圈原有的平衡，威脅人類的生存環(huán)境，而這些小分子通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化有可能成為人類需要的資源。因此，無(wú)論從環(huán)境保護(hù)還是資源利用方面，小分子的活化轉(zhuǎn)化都具有重大的意義。然而含量豐富的小分子，像CH4、CO2、N2等的活化轉(zhuǎn)化常常需要高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等苛刻條件，在這樣的情況下，如何在溫和條件（尤其是常溫常壓）下實(shí)現(xiàn)小分子的吸附和轉(zhuǎn)化是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題。大量的研究表明，采用催化體系來(lái)克服反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的能壘是小分子活化的有效途徑，因此尋找有效的催化體系變得十分重要。我們采用激光濺射—離子阱反應(yīng)質(zhì)譜和理論計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)比研究了同一周期的幾種過(guò)渡金屬離子（Os+，Ir+，Pt+和Au+）催化甲烷和乙炔的偶聯(lián)反應(yīng)。研究表明，Os+在常溫下可以介導(dǎo)甲烷和乙炔在偶聯(lián)過(guò)程中進(jìn)行C/C交換，從而影響主反應(yīng)的反應(yīng)速率，并提出了關(guān)于有機(jī)小分子偶聯(lián)反應(yīng)中C/C交換的反應(yīng)機(jī)理：當(dāng)偶聯(lián)過(guò)程中的中間體存在兩個(gè)對(duì)稱的碳原子，即兩個(gè)碳原子處于相同的化學(xué)環(huán)境，且交換反應(yīng)同時(shí)在動(dòng)力學(xué)上有優(yōu)勢(shì)時(shí)，這兩個(gè)碳原子就會(huì)發(fā)生交換，而這種C/C交換在化學(xué)反應(yīng)中是不容忽視的[ 13 ]。這個(gè)工作被作為內(nèi)封面發(fā)表在權(quán)威期刊上，受到了國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。以此激勵(lì)學(xué)生勤動(dòng)腦、肯鉆研，抓住重要科學(xué)問(wèn)題深入探索，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。

三、結(jié)語(yǔ)

為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，把立德樹(shù)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，針對(duì)計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)這門(mén)交叉學(xué)科課程，我們將課程認(rèn)知與我國(guó)化學(xué)史、團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的表征，以及我國(guó)科學(xué)家的顯著性研究成果、反應(yīng)勢(shì)能面的計(jì)算與教師本人科研成果相互融合，使得課程教學(xué)更加生動(dòng)，課堂氛圍更加活躍，思想政治觀念隨之深入人心。課程思政與專業(yè)課有機(jī)統(tǒng)一，不僅可以幫助學(xué)生快速、牢固地掌握專業(yè)知識(shí)，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，堅(jiān)定專業(yè)理想信念，還培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)熱情，提高了科研創(chuàng)新意識(shí)，有助于學(xué)生樹(shù)立遠(yuǎn)大理想，為解決國(guó)內(nèi)現(xiàn)存的“卡脖子”問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。

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