面向食品科学专业的计算化学课程思政教学案例设计*

吴秀秀，曹 慧，袁 敏，叶 泰，于劲松，阴凤琴，郝丽玲，徐 斐

(上海理工大学健康科学与工程学院，上海食品快速检测工程技术研究中心，上海 200093)

2016年12月习近平总书记在全国高校思想政治工作会议明确指出“要用好课堂教学这个主渠道，思政理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思政理论课同向同行，形成协同效应”[1]。开展思政教育是党和国家对高校落实立德树人根本任务、培养社会主义建设者和接班人的要求。探究专业课程中的思政教育建设和育人体系，是作为一名高校教师义不容辞的责任和义务。

本文结合思政教育的精神和任务，探索面向食品科学专业的计算化学课程中思政教学案例设计的思路和方法。旨在传授计算化学相关的理论知识与应用实践、教授学生科学研究的思维方式和思想路线之外，全面提升学生的家国情怀、社会责任、科学素养以及创新意识和综合能力，努力将计算化学课程打造成承载“立德树人”使命的“金课”。

1 课程介绍

随着计算机计算性能的飞速提高以及量子力学、分子模拟等理论的不断发展，理论与计算化学方法已经成为科学研究不可或缺的重要手段。它能够提供在现代实验技术水平上很难甚至无法得到的分子/原子结构和过程变化的微观信息，在食品检测、能源材料、生命医药、资源环境等领域中得到了越来越广泛的应用和发展[2]。为了培养具有食品、化学、计算机等多学科交叉知识背景的复合型创新人才，我们面向食品科学专业的本科生开设了计算化学课程。在本课程的教学过程中，我们通过讲授计算化学相关的基本概念和理论等，使学生对计算化学的一些基本原理和方法的应用有充分的了解和掌握，并能够将计算化学作为“互联网+”时代的一个工具和技能应用到专业课程和知识的学习和探索中。同时，在教学设计和教学活动中融入思政元素，充分地发挥课程育人功能，培养具有社会主义核心价值观、德才兼备、全面发展的人才。本文重点介绍了我们挖掘的计算化学课程中的几个课程思政典型案例。

2 设计理念

2020年6月，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，全面推进高校课程思政建设。《纲要》指出，全面推进高校课程思政建设是深入贯彻习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神、落实立德树人根本任务的战略举措，高校要深化教育教学改革，充分挖掘各类课程思想政治资源，发挥好每门课程的育人作用，全面提高人才培养质量。上海理工大学深入贯彻《高等学校课程思政建设指导纲要》的精神，大力推动以课程思政为目标的课堂教学改革，优化课程设置、修订专业教材、完善教学设计、加强教学管理。专任教师积极挖掘和设计专业课程所蕴含的思想政治教育元素，并以实践融入到课堂教学各环节，实现思想政治教育的功能。本文中计算化学课程的思政典型案例设计就是在这样的背景下展开的。本文中我们通过对几个思政案例的深入挖掘、全面分析和精心设计，将思政元素“润物细无声”地融入到专业教学中，实现思想政治教育与专业知识教育的有机统一，充分发挥课程育人功能。

3 具体案例

3.1 案例一：理论化学领军人，带领实现跨越式发展——“计算化学绪论”教学的思政设计

3.1.1 教学目标

(1)知识与技能

为促进学生对量子化学和分子模拟领域的认识，提高学生的学习热情，调动学生自主学习的积极性，全面加强对计算化学的基础知识学习，了解计算化学发展的新方向和新动向，进而提出以下要求：

①掌握量子化学的基本概念和基本原理，了解量子化学背后的应用领域和典型应用案例。

②掌握分子力学的基本概念和基本原理，了解分子模拟在化学、食品、能源、材料等学科和领域的作用。

③了解计算化学未来的发展方向和更多潜在的应用领域。

(2)过程与方法

进一步加强学生对计算化学的理解，教授学生学会从计算化学的角度发现问题，分析问题并应用计算化学解决实际问题：

①培养学生自主学习计算化学相关知识的能力，学会灵活应用计算化学解决实际问题。

②培养学生学习学无止境的精神，使学生有意识地养成时时学习、终身学习的好习惯。

(3)情感态度与价值观

为拓宽学生的知识面，开阔互联网+时代学生的学术眼界，进一步探索如何将计算化学中的价值引领落实到实处，提出以下要求：

①提高学生学习积极性，培养学生正确的价值观与科学思维意识。

②引导学生思考科学研究的意义，树立求真务实和不断进取的科研创新精神。

3.1.2 教学素材

北京师范大学方维海教授是计算化学前沿理论方向的知名学者，被誉为中国理论化学领军人，对理论化学的发展做出了巨大贡献。他曾多次承担国家自然科学基金委重点项目，被科技部聘为“973计划”项目首席科学家。

方维海教授自2005年起担任北京师范大学化学学院院长。他以人为本、顾全大局，在化学学院的学科建设、人才建设、教学科研等方面作出了重要贡献，引进了多名国家杰出青年科学基金获得者和教育部“长江学者”，积极推动化学学院的学术科研工作。

在方维海教授的带领下，北京师范大学化学学院致力于生命体系识别和调控过程中重要化学问题的基础研究，系统地发展了理论和计算方法，解决了激发态和光反应动力学一系列具有挑战性的问题[3]。此外，方维海教授团队还运用理论方法计算溶液、界面及蛋白微环境中的分子结构与化学反应，并基于Born-Oppenheimer近似的“绝热化学”理论及其存在的问题进行深入探究，从而发展了“非绝热化学”基础理论和相关计算模拟过程。由此北京师范大学化学学院在计算理论化学方向实现了跨越式发展，在国内高校的地位和声誉得到大幅度提升。

在计算化学课程的绪论一章，我们可以以方维海教授的事例为例，讲述计算化学理论方法发展的重要性，以及强调计算化学在化学、食品、能源、材料等学科和领域的重要作用。旨在引起学生对这门课的兴趣，为学生打开计算化学的大门，有助于后续引导学生深入探究量子化学、分子力学等理论知识，培养学生探索求知的科学态度。

3.2 案例二：立鸿鹄之志，寻求计算领域不断突破——“理论计算化学方法”教学的思政设计

3.2.1 教学目标

(1)知识与技能

引导学生理解不同理论方法的内涵，从电子、原子、分子层面思考相关科学问题：

①掌握化学键理论，掌握分子结构与性质的研究方法，掌握计算和分析分子间作用力，化学反应机理和分子光谱能谱的方法。

②了解利用量子力学和分子力学手段设计食品检测材料的基本原理，了解基组、力场、能态等基础理论知识背景。

(2)过程与方法

①了解量子力学和分子力学在材料筛选制备中的方法应用。

②面对不同材料的设计和制备，善于选择合适的理论方法进行计算研究。

(3)情感态度与价值观

①培养学生从不同角度看问题的能力，培养灵活变通思维能力。

②从院士的案例中体悟勤勉科学精神，加强学生天道酬勤的意识。

3.2.2 教学素材

中国共产党优秀党员、我国著名物理化学家、中国计算化学的奠基人、中国科学院院士、北京师范大学化学学院刘若庄教授是我国早期量子化学开拓者之一。历经几十年，刘若庄院士不仅对量子化学理论本身做出了重要贡献，同时也致力于量子化学与有机化学等化学各分支学科的相互结合，推动各学科的快速发展。

刘若庄院士谈起自身的成就，夸得更多的不是自己，而是在他逐步成长道路上的各位学者。他曾坦言：“在量子化学研究上对我影响最深的是唐敖庆院士”。这位唐敖庆院士在新中国成立之初冲破重重阻力，毅然回国，应邀在北大开设量子化学以及统计学等理论课程。当时刘若庄院士就师从唐敖庆先生并在研究生毕业后为他做助教，自此开始他的理论化学旅程。刘若庄院士于1978年创建了北京师范大学量子化学研究室，并逐渐将其发展成为我国运用量子化学手段研究化学体系的重要基地之一，也是中国理论化学对外联系的重要窗口。刘若庄院士的主要贡献是创造性地将量子化学理论和计算方法应用于研究实际的化学问题，并取得了一系列优秀成果。与此同时，刘若庄院士在培养化学专业人才方面也作出了卓越的贡献。

刘若庄院士作为导师时，他教导学生要找到和坚持自己独立的研究方向，给予了学生们充分的选择自由度。正是这种宽松、自由的学术氛围，激发和提高了学生们的科研热情，他们在生物大分子结构性质计算化学研究、反应势能面、赝势梯度法等多种方法的发展上取得了一系列的进步[4]。这启发我们，要启发和活跃学生的科研思维。在使用计算化学设计食品检测材料时，要启发和解放学生的思想，引导学生根据实际体系学会和提高合理选择不同计算方法的能力。

3.3 案例三：计算指导材料合成，开启发展新篇章——“理论计算开发绿色食品检测材料”教学的思政设计

3.3.1 教学目标

(1)知识与技能

①掌握利用绿色发展理念设计开发食品质量与安全检测材料的方法。

②理解绿色材料发展的实际意义。

(2)过程与方法

①熟练掌握量子化学和分子动力学软件的建模手段和计算方法。

②熟练掌握利用计算和模拟手段设计绿色材料的开发过程及步骤。

(3)情感态度与价值观

①培养学生绿色化学理念，能注重将材料的开发与环境的保护相结合，贯彻“绿水青山就是金山银山”的理念。

②引导学生自主灵活学习，主动承担科研任务，提升科研能力，培养责任意识。

3.3.2 教学素材

党的十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五项发展理念，并指出绿色是永续发展的必要条件和人民对美好生活追求的重要体现。在科研过程中，绿色环保也是体现发展可持续性的一项重要指标。

“绿色化学”作为化学领域的新兴学科，它的实施意义在于提高原子经济性，符合资源节约型发展模式[5-6]。譬如量子计算和分子模拟指导食品检测纳米材料的合成，极大减少了材料合成和制备过程中有机溶剂等化学试剂的耗费，从而大大降低了人为的化学试剂使用带来的环境污染。例如，通过量子计算和分子模拟开发出的高选择性分子印迹聚合物吸附剂，作为可立即应用的食品最终样品的实际分析，节省了开发最佳吸附材料所需时间、仪器和大量的资金投入，减少了对环境的有害影响。这无疑也是绿色分析化学的一个例子[7]。

计算模拟辅助开发绿色材料的重大意义在于通过计算的手段减少实验过程中不必要的浪费，同时提高开发过程的精准度，设计合成出经济有效的食品基质识别和吸附材料，这对于资源的节约和环境的建设起到良好的促进作用。

4 结 语

以上是我们在计算互相课程教学过程中实施的几个课程思政典型案例，在实际教学中仍有更多的思政元素和案例值得广泛思考和深入挖掘。“课程思政”是高校思想政治教育方式的创新。课程思政作为一种新的课程观对教师提出了新的要求，需要不断更新教育理念、掌握现代教学方法、提升育德能力，做到在发挥专业课程本身特色的前提下，将知识传授与价值引领有机融合。