研究生专业课程“材料与化工现代研究方法”课程思政教学设计与实践

吴青芸 韩东梅 顾 林

(中山大学 化学工程与技术学院，广东 珠海 519082)

习近平总书记在2016年全国高校思想政治工作会议上指出：高校思想政治工作关系到高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题。要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面[1]。在党的十九大报告中，习近平总书记再次强调，建设教育强国是中华民族伟大复兴的基础工程，必须把教育事业放在优先位置，并且要全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务[2]。这就要求高校应将立德树人与传授科学文化知识并重并举。研究生是高校科研群体的主力军，也是高校向社会输送的重要科研后备力量。他们具有自我意识和成才意识较浓，注重自我实现，独立意识较强等特点[3]。因而，挖掘研究生专业课程的思政元素，探索研究生课程思政的实践教学新模式，实现将思想政治元素有机融入专业课建设中，正确引导和塑造研究生的价值观、人生观、世界观具有重要的社会意义。

“材料与化工现代研究方法”课程作为化学、化工、材料等领域研究生的专业必修课，具有专业性、理论性和实践性强等特点。该课程内容涉及现代分析测试方法的基本原理、仪器结构和工作原理、仪器操作要点、样品制备技术及应用案例等，主要包括光谱分析技术、色谱技术、质谱、电子显微镜学、能谱分析等。该课程的教学目标在于为研究生建立材料与化工领域现代研究方法的知识体系，掌握材料结构和组分分析的基本研究手段，培养分析和解决问题的能力，为开展科学研究奠定基础。除此之外，该课程通过将思政元素与专业知识有机融合，在传统的知识传授教学过程中，落实价值引领和立德树人的根本任务。作者旨在通过总结“材料与化工现代研究方法”研究生专业课程中的绪论、光谱学、色谱学章节的课程设计和教学过程实践，为探索研究生课程思政教学提供案例，为开展同类型的研究生专业课程思政提供借鉴。

1 “绪论”章节教学设计

1.1 教学目标

该课程的绪论部分着重讲透为什么要学这门课，即课程重要性，而且告知课程主要内容和考核方式，让学生从思想上和行动上重视课程的理论学习和实践应用。

1.2 教学方法

改变以“教”为中心进行教学设计的思路，确立以“学”为中心，变“教学”为“导学”，引导学生自主学习、合作学习、探究学习，培养学生的创新精神。绪论部分通过案例分析来引导学生认识该课程的重要性。

1.3 教学安排

参考化学发展史[4]，介绍研究方法发展历程，讲述研究方法学习的重要性。化学的发展史是由先进的理论、研究方法与技术共同推动的发展。重点介绍化学发展史上几个关键研究技术的诞生如何推动化学科学的进步，引发同学们的兴趣与思考。例如，希腊炼金术发展了蒸馏技术，进而推动了16世纪的西方医学发展。进入19世纪之后，随着物理学的发展，研究技术不断进步，促进了人们对物质的认识和化学的系统发展。18世纪末至19世纪为近代化学时期，这个时期是化学走向系统科学的时期。在此之前，化学还不成体系，也不是一门学科。而化学革命之后，开启了定量分析，基础理论逐渐形成体系。20世纪60年代半导体技术的发展，使得集成电路、电路装置小型化，高灵敏、高可靠性的技术以及各种激光器的应用，给化学实验方法带来了革命性的变化。现代研究方法的发展是多学科相互渗透、交叉发展的结果。在100多年前化学发展史中，有40多个诺贝尔奖与分析仪器或方法相关，如X射线、拉曼效应、分配色谱、电子显微镜、高分辨核磁共振等(见表1)。

表1 部分与分析仪器相关的诺贝尔奖

1.4 课程思政元素

课程开展过程中，有机融入思政元素。例如，介绍18世纪产生的以氧为中心的燃烧理论时，引入拉瓦锡的励志故事。拉瓦锡不仅是化学家，还是综合税务承包商和火药管理局理事。为了两方面的工作，拉瓦锡每天早上5点起床，6点至9点搞化学研究，上午在税务承包事务局，下午到火药管理局和科学学会，晚饭后的7点到10点在实验室度过。作为科学学会会员，他撰写各种报告，如催眠术、氢气球、漂白、陶瓷器、火药制造、染色、玻璃制造等。作为税务承包人，他致力于改善盐税的征收，为防外敌潜入在巴黎周边设置壁垒[4]。通过拉瓦锡的故事激励研究生们珍惜宝贵的学习时光，充分利用优良的科研平台，提高自身科研技能，创造面向国家战略需求的科研成果。通过分析研究方法的发展历程特点，即20世纪前半叶主要是靠个人的创意和小规模研究，20世纪后半叶开始就要依赖大型昂贵设备，告诫研究生，现代科学研究更离不开先进的研究技术和先进的仪器设备，研究人员更应该扎扎实实地学好研究方法，为今后的研究打好基础。

2 “光谱学”章节教学设计

2.1 教学目标

通过该章节的学习，研究生掌握光谱学的基本原理，理解光与微观粒子的作用方式，以及由此生成的光谱类型，进而理解光谱分析仪器的主要构成。以红外光谱分析法为案例，掌握光谱学的学习方法。建立红外光谱与分子振动形式之间的关系，使学生掌握常见分子基团的振动频率和谱峰特点，了解分子振动的能级能量和波数计算，掌握影响光谱振动频率的因素和光谱解析的方法。

2.2 教学方法

对该章节不仅采用启发式教学方法，还引入思维导图，帮助学生梳理光谱的形成原理(图1)，进而掌握本章节学习的重点和难点。

图1 光谱学原理的思维导图

2.3 教学安排

通过介绍我国的嫦娥计划，引出“嫦娥三号”“嫦娥四号”探测器到达月面后对月面矿物进行成分分析的设备是红外成像光谱仪，进而引导学生思考为什么红外光谱能研究物质成分，引出该章节的主要内容。

首先，介绍光谱法的发展历史[5]。1666年，英国物理学家牛顿做了一个很有名的实验。他利用棱镜将太阳光分解为从红到紫的彩色光带，并再利用一个倒置的棱镜将彩色光带合成白光，证实了白光是由不同颜色的光组合而成。然而，光学在此后100多年间的发展非常缓慢。直到1859年，德国科学家本生、基尔霍夫二人才制成了世界上第一台光谱仪，创建了光谱分析法，发现了元素铯和铷，发展了实用光谱学。量子力学、计算机技术、激光技术的发展，极大地推动了光谱理论和光谱分析技术的快速发展。尤其是激光的出现，对光谱技术产生了革命性的影响，极大地提高了光谱的分辨率。

然后，详细讲解光谱法的基本原理。从光、光谱、微观粒子的结构以及光与微观粒子的相互作用等基本概念出发，建立上述概念之间的相互关联，引出光谱的产生原因、形成原理、特点等。

最后，详细介绍红外光谱法。从红外光的特点和微观粒子的分子振动、转动之间的能量匹配出发，引出红外光谱的产生原理。分类介绍分子振动与转动的形式，及其对应的红外活性或拉曼活性。详细剖析特征基团的振动形式与光谱位置的对应关系，以及红外光谱的影响因素。介绍红外光谱仪的主要构造及工作原理和应用案例。

2.4 课程思政元素

该章节分别在课程导入、核心内容介绍、课后作业等环节设计了课程思政元素，用以激发研究生的爱国情怀、增强“四个自信”、掌握专业知识的有效学习方法等。

在课程导入环节，以我国的嫦娥计划为案例，重点强调嫦娥三号和嫦娥四号所使用的红外成像光谱仪均为我国自主研发的仪器，如图2所示。

图2 光谱学在嫦娥计划中的运用(课程PPT)

在红外光谱法的应用部分，该课程设计了“运用红外光谱分析检测奶粉中的三聚氰胺”“运用红外光谱分析中药成分”等内容。一方面，解析实际案例的红外谱图有助于学生们掌握红外谱图分析方法。另一方面，在讲解上述案例的过程中，传递食品、药品安全对人民生命健康的重要性，同时强调道德教育、社会公德教育、价值观教育。

掌握有效的学习方法亦是课程思政的重要内容之一。为了让研究生们能更好地巩固课堂教学内容的知识点，该章节设计了两个课后作业：(1)根据基团振动对应的红外光谱特征吸收峰的特点，绘制成一张红外光谱图(包含峰强、峰形、峰位置)，如图3。(2)根据红外光谱分析技术的学习方法，利用思维导图自学紫外—可见光谱法。

图3 典型特征基团的振动形式及其常见的红外光谱吸收峰范围

3 “色谱学”章节教学设计

3.1 教学目标

该章节重点讲解色谱学的基础理论，结合色谱法原理分解色谱仪的主要组成部分，重点介绍气相色谱和高效液相色谱分析方法中具有实操性的内容，比如操作条件的选择原则、定性和定量方法、仪器操作与维护等。

3.2 教学方法

为了促进研究生们对课程内容的理解，提高学习兴趣，教师在该章节通过案例分析、分享色谱仪使用过程中的常见错误、分解学院的色谱仪构造等方式，引导学生自主思考和学习课程内容。

3.3 教学内容及课程思政元素

教师在课程导入和应用案例解析部分融入课程思政元素，如表2所示。

表2 课程思政教学素材[5]

以茨维特植物色素分离实验作为案例讲解课程导入部分。色谱法是俄国植物学家茨维特在1903年根据实验发现而创立的。他在研究中观察到，石油醚极易溶解离析态的叶绿素和相关色素，但不能从植物叶子中直接提取这些色素。而乙醇甚至是加有少量乙醇的其他溶剂则很容易直接从植物叶中提取出色素。他认为这很可能是由于植物组织对色素分子的吸附力所造成的。为了进一步验证这种想法，茨维特用滤纸进行了模拟实验，先用乙醇提取出植物叶中的色素，再溶解于石油醚中，然后浸入滤纸。他观察到，沾有色素的滤纸与绿色植物叶完全一样，即叶绿素被滤纸吸附，而胡萝卜素仍溶解于石油醚，但在石油醚中加入少量乙醇，被滤纸吸附的叶绿素将被洗脱。由于滤纸的纤维素与色素之间不存在化学亲和力，因此他认为这是由于吸附力引起的。于是，他进一步推测某些粉末状物质也可能有类似性质，并意识到对这一问题的研究“有可能建立一种以吸附为基础的分离物质的新方法”。1906年，茨维特在《德国植物学报》发表了两篇论文，《叶绿素的物理化学研究》和《吸附分析与色谱法》，详细描述了他创立的新方法以及在叶绿素化学上的应用。基于此，茨维特设计了一套装置，在一根竖立的玻璃管内填充碳酸钙颗粒，然后从顶端加入植物色素的提取液，提取液中的色素吸附在碳酸钙上，再加入石油醚不断冲洗。一段时间后，在碳酸钙柱中形成几个清晰可见的色带，就像一束光线通过棱镜时被分成不同色带的光谱现象一样。因此，茨维特把这种现象称为色谱，相应的方法称为色谱法。茨维特用希腊文“chroma”(色)和“tographos”(谱)二字合并为“chromatography”(色谱)一词。事实证明，茨维特创立的色谱分析方法是非常重要且有价值的。从茨维特发现实验现象和创立色谱法的过程可以看出，在科学研究过程中细致观察现象，对特殊实验现象深入思考，设计实验验证，并且敏锐地洞察到新发现的价值是非常重要的。

4 结语

研究生专业课程应兼具专业知识传授和立德树人的双重作用。作者通过介绍研究生专业课程“材料与化工现代研究方法”中的绪论、光谱学、色谱学章节的教学目标、教学安排等环节的教学设计，充分挖掘课程思政元素，融入课程体系中，以期为建设高质量的研究生课程思政示范课提供借鉴。