研究生專業(yè)課程“材料與化工現(xiàn)代研究方法”課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

吳青蕓 韓東梅 顧 林

(中山大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519082)

習(xí)近平總書記在2016年全國高校思想政治工作會(huì)議上指出：高校思想政治工作關(guān)系到高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人這個(gè)根本問題。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育教學(xué)全過程，實(shí)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]。在黨的十九大報(bào)告中，習(xí)近平總書記再次強(qiáng)調(diào)，建設(shè)教育強(qiáng)國是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程，必須把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，并且要全面貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)[2]。這就要求高校應(yīng)將立德樹人與傳授科學(xué)文化知識并重并舉。研究生是高?？蒲腥后w的主力軍，也是高校向社會(huì)輸送的重要科研后備力量。他們具有自我意識和成才意識較濃，注重自我實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立意識較強(qiáng)等特點(diǎn)[3]。因而，挖掘研究生專業(yè)課程的思政元素，探索研究生課程思政的實(shí)踐教學(xué)新模式，實(shí)現(xiàn)將思想政治元素有機(jī)融入專業(yè)課建設(shè)中，正確引導(dǎo)和塑造研究生的價(jià)值觀、人生觀、世界觀具有重要的社會(huì)意義。

“材料與化工現(xiàn)代研究方法”課程作為化學(xué)、化工、材料等領(lǐng)域研究生的專業(yè)必修課，具有專業(yè)性、理論性和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。該課程內(nèi)容涉及現(xiàn)代分析測試方法的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)和工作原理、儀器操作要點(diǎn)、樣品制備技術(shù)及應(yīng)用案例等，主要包括光譜分析技術(shù)、色譜技術(shù)、質(zhì)譜、電子顯微鏡學(xué)、能譜分析等。該課程的教學(xué)目標(biāo)在于為研究生建立材料與化工領(lǐng)域現(xiàn)代研究方法的知識體系，掌握材料結(jié)構(gòu)和組分分析的基本研究手段，培養(yǎng)分析和解決問題的能力，為開展科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。除此之外，該課程通過將思政元素與專業(yè)知識有機(jī)融合，在傳統(tǒng)的知識傳授教學(xué)過程中，落實(shí)價(jià)值引領(lǐng)和立德樹人的根本任務(wù)。作者旨在通過總結(jié)“材料與化工現(xiàn)代研究方法”研究生專業(yè)課程中的緒論、光譜學(xué)、色譜學(xué)章節(jié)的課程設(shè)計(jì)和教學(xué)過程實(shí)踐，為探索研究生課程思政教學(xué)提供案例，為開展同類型的研究生專業(yè)課程思政提供借鑒。

1 “緒論”章節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 教學(xué)目標(biāo)

該課程的緒論部分著重講透為什么要學(xué)這門課，即課程重要性，而且告知課程主要內(nèi)容和考核方式，讓學(xué)生從思想上和行動(dòng)上重視課程的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用。

1.2 教學(xué)方法

改變以“教”為中心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的思路，確立以“學(xué)”為中心，變“教學(xué)”為“導(dǎo)學(xué)”，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。緒論部分通過案例分析來引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識該課程的重要性。

1.3 教學(xué)安排

參考化學(xué)發(fā)展史[4]，介紹研究方法發(fā)展歷程，講述研究方法學(xué)習(xí)的重要性。化學(xué)的發(fā)展史是由先進(jìn)的理論、研究方法與技術(shù)共同推動(dòng)的發(fā)展。重點(diǎn)介紹化學(xué)發(fā)展史上幾個(gè)關(guān)鍵研究技術(shù)的誕生如何推動(dòng)化學(xué)科學(xué)的進(jìn)步，引發(fā)同學(xué)們的興趣與思考。例如，希臘煉金術(shù)發(fā)展了蒸餾技術(shù)，進(jìn)而推動(dòng)了16世紀(jì)的西方醫(yī)學(xué)發(fā)展。進(jìn)入19世紀(jì)之后，隨著物理學(xué)的發(fā)展，研究技術(shù)不斷進(jìn)步，促進(jìn)了人們對物質(zhì)的認(rèn)識和化學(xué)的系統(tǒng)發(fā)展。18世紀(jì)末至19世紀(jì)為近代化學(xué)時(shí)期，這個(gè)時(shí)期是化學(xué)走向系統(tǒng)科學(xué)的時(shí)期。在此之前，化學(xué)還不成體系，也不是一門學(xué)科。而化學(xué)革命之后，開啟了定量分析，基礎(chǔ)理論逐漸形成體系。20世紀(jì)60年代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使得集成電路、電路裝置小型化，高靈敏、高可靠性的技術(shù)以及各種激光器的應(yīng)用，給化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法帶來了革命性的變化?，F(xiàn)代研究方法的發(fā)展是多學(xué)科相互滲透、交叉發(fā)展的結(jié)果。在100多年前化學(xué)發(fā)展史中，有40多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)與分析儀器或方法相關(guān)，如X射線、拉曼效應(yīng)、分配色譜、電子顯微鏡、高分辨核磁共振等(見表1)。

表1 部分與分析儀器相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)

1.4 課程思政元素

課程開展過程中，有機(jī)融入思政元素。例如，介紹18世紀(jì)產(chǎn)生的以氧為中心的燃燒理論時(shí)，引入拉瓦錫的勵(lì)志故事。拉瓦錫不僅是化學(xué)家，還是綜合稅務(wù)承包商和火藥管理局理事。為了兩方面的工作，拉瓦錫每天早上5點(diǎn)起床，6點(diǎn)至9點(diǎn)搞化學(xué)研究，上午在稅務(wù)承包事務(wù)局，下午到火藥管理局和科學(xué)學(xué)會(huì)，晚飯后的7點(diǎn)到10點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室度過。作為科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，他撰寫各種報(bào)告，如催眠術(shù)、氫氣球、漂白、陶瓷器、火藥制造、染色、玻璃制造等。作為稅務(wù)承包人，他致力于改善鹽稅的征收，為防外敵潛入在巴黎周邊設(shè)置壁壘[4]。通過拉瓦錫的故事激勵(lì)研究生們珍惜寶貴的學(xué)習(xí)時(shí)光，充分利用優(yōu)良的科研平臺，提高自身科研技能，創(chuàng)造面向國家戰(zhàn)略需求的科研成果。通過分析研究方法的發(fā)展歷程特點(diǎn)，即20世紀(jì)前半葉主要是靠個(gè)人的創(chuàng)意和小規(guī)模研究，20世紀(jì)后半葉開始就要依賴大型昂貴設(shè)備，告誡研究生，現(xiàn)代科學(xué)研究更離不開先進(jìn)的研究技術(shù)和先進(jìn)的儀器設(shè)備，研究人員更應(yīng)該扎扎實(shí)實(shí)地學(xué)好研究方法，為今后的研究打好基礎(chǔ)。

2 “光譜學(xué)”章節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)目標(biāo)

通過該章節(jié)的學(xué)習(xí)，研究生掌握光譜學(xué)的基本原理，理解光與微觀粒子的作用方式，以及由此生成的光譜類型，進(jìn)而理解光譜分析儀器的主要構(gòu)成。以紅外光譜分析法為案例，掌握光譜學(xué)的學(xué)習(xí)方法。建立紅外光譜與分子振動(dòng)形式之間的關(guān)系，使學(xué)生掌握常見分子基團(tuán)的振動(dòng)頻率和譜峰特點(diǎn)，了解分子振動(dòng)的能級能量和波數(shù)計(jì)算，掌握影響光譜振動(dòng)頻率的因素和光譜解析的方法。

2.2 教學(xué)方法

對該章節(jié)不僅采用啟發(fā)式教學(xué)方法，還引入思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生梳理光譜的形成原理(圖1)，進(jìn)而掌握本章節(jié)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖1 光譜學(xué)原理的思維導(dǎo)圖

2.3 教學(xué)安排

通過介紹我國的嫦娥計(jì)劃，引出“嫦娥三號”“嫦娥四號”探測器到達(dá)月面后對月面礦物進(jìn)行成分分析的設(shè)備是紅外成像光譜儀，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考為什么紅外光譜能研究物質(zhì)成分，引出該章節(jié)的主要內(nèi)容。

首先，介紹光譜法的發(fā)展歷史[5]。1666年，英國物理學(xué)家牛頓做了一個(gè)很有名的實(shí)驗(yàn)。他利用棱鏡將太陽光分解為從紅到紫的彩色光帶，并再利用一個(gè)倒置的棱鏡將彩色光帶合成白光，證實(shí)了白光是由不同顏色的光組合而成。然而，光學(xué)在此后100多年間的發(fā)展非常緩慢。直到1859年，德國科學(xué)家本生、基爾霍夫二人才制成了世界上第一臺光譜儀，創(chuàng)建了光譜分析法，發(fā)現(xiàn)了元素銫和銣，發(fā)展了實(shí)用光譜學(xué)。量子力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)的發(fā)展，極大地推動(dòng)了光譜理論和光譜分析技術(shù)的快速發(fā)展。尤其是激光的出現(xiàn)，對光譜技術(shù)產(chǎn)生了革命性的影響，極大地提高了光譜的分辨率。

然后，詳細(xì)講解光譜法的基本原理。從光、光譜、微觀粒子的結(jié)構(gòu)以及光與微觀粒子的相互作用等基本概念出發(fā)，建立上述概念之間的相互關(guān)聯(lián)，引出光譜的產(chǎn)生原因、形成原理、特點(diǎn)等。

最后，詳細(xì)介紹紅外光譜法。從紅外光的特點(diǎn)和微觀粒子的分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)之間的能量匹配出發(fā)，引出紅外光譜的產(chǎn)生原理。分類介紹分子振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，及其對應(yīng)的紅外活性或拉曼活性。詳細(xì)剖析特征基團(tuán)的振動(dòng)形式與光譜位置的對應(yīng)關(guān)系，以及紅外光譜的影響因素。介紹紅外光譜儀的主要構(gòu)造及工作原理和應(yīng)用案例。

2.4 課程思政元素

該章節(jié)分別在課程導(dǎo)入、核心內(nèi)容介紹、課后作業(yè)等環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了課程思政元素，用以激發(fā)研究生的愛國情懷、增強(qiáng)“四個(gè)自信”、掌握專業(yè)知識的有效學(xué)習(xí)方法等。

在課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)，以我國的嫦娥計(jì)劃為案例，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)嫦娥三號和嫦娥四號所使用的紅外成像光譜儀均為我國自主研發(fā)的儀器，如圖2所示。

圖2 光譜學(xué)在嫦娥計(jì)劃中的運(yùn)用(課程PPT)

在紅外光譜法的應(yīng)用部分，該課程設(shè)計(jì)了“運(yùn)用紅外光譜分析檢測奶粉中的三聚氰胺”“運(yùn)用紅外光譜分析中藥成分”等內(nèi)容。一方面，解析實(shí)際案例的紅外譜圖有助于學(xué)生們掌握紅外譜圖分析方法。另一方面，在講解上述案例的過程中，傳遞食品、藥品安全對人民生命健康的重要性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)道德教育、社會(huì)公德教育、價(jià)值觀教育。

掌握有效的學(xué)習(xí)方法亦是課程思政的重要內(nèi)容之一。為了讓研究生們能更好地鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容的知識點(diǎn)，該章節(jié)設(shè)計(jì)了兩個(gè)課后作業(yè)：(1)根據(jù)基團(tuán)振動(dòng)對應(yīng)的紅外光譜特征吸收峰的特點(diǎn)，繪制成一張紅外光譜圖(包含峰強(qiáng)、峰形、峰位置)，如圖3。(2)根據(jù)紅外光譜分析技術(shù)的學(xué)習(xí)方法，利用思維導(dǎo)圖自學(xué)紫外—可見光譜法。

圖3 典型特征基團(tuán)的振動(dòng)形式及其常見的紅外光譜吸收峰范圍

3 “色譜學(xué)”章節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)目標(biāo)

該章節(jié)重點(diǎn)講解色譜學(xué)的基礎(chǔ)理論，結(jié)合色譜法原理分解色譜儀的主要組成部分，重點(diǎn)介紹氣相色譜和高效液相色譜分析方法中具有實(shí)操性的內(nèi)容，比如操作條件的選擇原則、定性和定量方法、儀器操作與維護(hù)等。

3.2 教學(xué)方法

為了促進(jìn)研究生們對課程內(nèi)容的理解，提高學(xué)習(xí)興趣，教師在該章節(jié)通過案例分析、分享色譜儀使用過程中的常見錯(cuò)誤、分解學(xué)院的色譜儀構(gòu)造等方式，引導(dǎo)學(xué)生自主思考和學(xué)習(xí)課程內(nèi)容。

3.3 教學(xué)內(nèi)容及課程思政元素

教師在課程導(dǎo)入和應(yīng)用案例解析部分融入課程思政元素，如表2所示。

表2 課程思政教學(xué)素材[5]

以茨維特植物色素分離實(shí)驗(yàn)作為案例講解課程導(dǎo)入部分。色譜法是俄國植物學(xué)家茨維特在1903年根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)而創(chuàng)立的。他在研究中觀察到，石油醚極易溶解離析態(tài)的葉綠素和相關(guān)色素，但不能從植物葉子中直接提取這些色素。而乙醇甚至是加有少量乙醇的其他溶劑則很容易直接從植物葉中提取出色素。他認(rèn)為這很可能是由于植物組織對色素分子的吸附力所造成的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種想法，茨維特用濾紙進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，先用乙醇提取出植物葉中的色素，再溶解于石油醚中，然后浸入濾紙。他觀察到，沾有色素的濾紙與綠色植物葉完全一樣，即葉綠素被濾紙吸附，而胡蘿卜素仍溶解于石油醚，但在石油醚中加入少量乙醇，被濾紙吸附的葉綠素將被洗脫。由于濾紙的纖維素與色素之間不存在化學(xué)親和力，因此他認(rèn)為這是由于吸附力引起的。于是，他進(jìn)一步推測某些粉末狀物質(zhì)也可能有類似性質(zhì)，并意識到對這一問題的研究“有可能建立一種以吸附為基礎(chǔ)的分離物質(zhì)的新方法”。1906年，茨維特在《德國植物學(xué)報(bào)》發(fā)表了兩篇論文，《葉綠素的物理化學(xué)研究》和《吸附分析與色譜法》，詳細(xì)描述了他創(chuàng)立的新方法以及在葉綠素化學(xué)上的應(yīng)用。基于此，茨維特設(shè)計(jì)了一套裝置，在一根豎立的玻璃管內(nèi)填充碳酸鈣顆粒，然后從頂端加入植物色素的提取液，提取液中的色素吸附在碳酸鈣上，再加入石油醚不斷沖洗。一段時(shí)間后，在碳酸鈣柱中形成幾個(gè)清晰可見的色帶，就像一束光線通過棱鏡時(shí)被分成不同色帶的光譜現(xiàn)象一樣。因此，茨維特把這種現(xiàn)象稱為色譜，相應(yīng)的方法稱為色譜法。茨維特用希臘文“chroma”(色)和“tographos”(譜)二字合并為“chromatography”(色譜)一詞。事實(shí)證明，茨維特創(chuàng)立的色譜分析方法是非常重要且有價(jià)值的。從茨維特發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和創(chuàng)立色譜法的過程可以看出，在科學(xué)研究過程中細(xì)致觀察現(xiàn)象，對特殊實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象深入思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且敏銳地洞察到新發(fā)現(xiàn)的價(jià)值是非常重要的。

4 結(jié)語

研究生專業(yè)課程應(yīng)兼具專業(yè)知識傳授和立德樹人的雙重作用。作者通過介紹研究生專業(yè)課程“材料與化工現(xiàn)代研究方法”中的緒論、光譜學(xué)、色譜學(xué)章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)安排等環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，充分挖掘課程思政元素，融入課程體系中，以期為建設(shè)高質(zhì)量的研究生課程思政示范課提供借鑒。