文化自信背景下高校能源化工学科教学与科研工作的思考

宋文静 李昱达 郭 琳 赖伟坤

(1. 武汉工程大学 化工与制药学院 绿色化工过程教育部重点实验室,湖北 武汉 430205;2. 厦门大学 化学化工学院 醇醚酯化工清洁生产国家工程实验室,福建 厦门 361005)

世界处于大发展大变革大调整时期,各种思想文化频繁交流交融交锋,更加凸显了文化软实力在综合国力竞争中的战略地位。党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央高度重视文化走出去工作,提出新形势下提高国家文化软实力和中华文化影响力的一系列明确要求[1]。党的十九大报告又指出“坚定文化自信”。此背景下,我国对文化输出的重视程度也在不断增强,强调“文化自信”。中国有句古话叫“落其实思其树,饮其流怀其源”。要推动中华文化走出去,必然要坚定文化自信。优秀传统文化是文化自信之根。作为高校教师,我们不仅要培养学生具有满足国家重大战略和地方发展需求的专业技能,在当前复杂外部局势下,还应要求学生具有国家民族的自信及文化自信,将文化的基因根植在他们的社会观、价值观、人生观、世界观中,培养学生的正确价值取向。这也正是我们学科建设的根本任务——人才培养。因此,在文化强国和课堂思政改革的当下,更要营造多维度、多方面、多层次的思政教学思考。

近年来,随着国家对科研支持力度的加大,中国的科技论文数量与质量也逐年提升。能源科学在其中占据了重要地位。一方面由于能源是国家急需且高度关注的战略领域,事关国家经济社会发展的能力和水平,决定着国家能否长治久安。另一方面,能源科学也是国际重大科学前沿,Science专刊特意将“如何及何时替代石油”列为未来最具挑战性的科学难题之一。能源问题的关键支撑学科是化学和化学工程。能源化工作为热门方向,研究较多,高水平论文较多。科技传承,文化输出,建立文化自信成为一种流行趋势[2]。越来越多的高校科研工作者在发表自己研究成果时,将中国元素设计在刊物封面[3],这不但形象生动地阐述了化学变化过程或机理研究内容,而且深入挖掘了中华文化内涵,切实弘扬了中国精神。期刊封面上中国元素的大量涌现是广大科研工作者对中华文化的自信骄傲,同时也是我国文化软实力建设的一大表现。梳理化学知识逻辑和中华文化的深入自然联系,将更有助于增强研究生等广大青年学生的文化自信和对专业的认可,同时可以促进能源化工学科的整体思政建设。

1 文化自信在高校科研工作成果中的输出与体现

1.1 神话历史故事

中华传统神话故事反映出了中华民族的特性,从“女娲补天”[4]、“愚公移山”[5]、“哪吒闹海”[6]、“鲤鱼跃龙门”[7]、“草船借箭”[8]、“松龄鹤寿”[9]等故事,可以看出中华民族是一个自强不息、富有希望的民族。借助中华传统神话故事,表达出科研工作者对科学技术领域的美好向往。

厦门大学王野团队[10]以一张“鲤鱼跃龙门”的封面图重点体现了能源转化过程中使用功能耦合策略的双功能催化剂成功将合成气及CO2转化制成液体燃料和烯烃、芳烃等化学品的过程(图1)。作者将反应物合成气和CO2化身为两条鲤鱼,而两扇大红门分别代表由Co、Ru、金属碳化物等费托纳米粒子和SAPO-34/SSZ-13/ZSM-5等沸石分子筛组成的催化剂。鲤鱼(反应物)跃过红门(催化剂)时,经过门的择形作用,选择性地变身成仙鹤(液体燃料和精细化学品),翱翔而去。该设定生动形象地表明了偶联策略的重要性,以及作者对能源转化过程的美好愿景。

图1 鲤鱼跃龙门(合成气制燃料及化学品)、哪吒闹海 (电解水析氧)、鹊桥相会(电化学合成氨)封面图

清华大学研究生院杨诚等[6]用“哪吒闹海”的形象展示电解水析氧反应(OER)(图1)。电解水技术的规模化应用受限于阳极氧析出反应速率较小,尤其是在大电流密度工作环境下,OER所需要的过电位更大,因此开发高性能的OER电催化剂意义重大。封面图作者以“妖龙”代表被分解的水,“哪吒”代表NiFe纳米线阵列催化剂电极,气球则为分解产物“H2”和“O2”。该图充分体现哪吒舍生取义(用催化剂来加速夺取氢气和氧气)、为民服务的精神。

合成氨过程对于我们今天经济发展的重要性毋庸置疑。目前,工业上氨是以Haber-Bosch工艺,通过N2和H2在高温高压和催化剂存在下直接合成,此方法造成了大量的能源消耗和二氧化碳排放。电化学固氮反应由于反应条件温和、环境友好且过程可持续而具有重要意义,但它需要一种高效的催化剂来克服N2活化的困难。宁夏大学化学化工学院罗民等[11]形象地用鹊桥相会描述了这一过程(图1)。桥代表作者制备的空心微管结构的双功能电催化剂MOF-derived C@NiO@Ni,在浩瀚银河(0.1 mol·L-1KOH电解液)中,牛郎代表H+,织女代表N2,在电催化过程中不断产生NH4+中间体(蝴蝶),其中桥(催化剂)对于高效电催化固氮的NH3产率具有重要作用。

1.2 文化符号

除了基于我国的历史神话故事,高校工作者的科研展示工作还主动传承了民族特色的文化符号和文化中博大精深的哲学思想。

厦门大学王野等[12]在描述生物燃料制备化学品这一过程中,以二氧化钛材料为太极,二氧化钛表面氧空位缺陷为阳极,富氧空位为阴极,生物质基香草醛和糠醛等醛基与富氧空位处强相互作用,进而C—C耦联,加氢生成芳香族和呋喃族醇(图2)。太极圆居中,整个催化材料循环体系贯通且具有一种柔中带刚的力量感。几片飘散的绿叶象征着绿色生物质能源,巧妙融合、有机统一,暗示生物质光催化过程生生不息、周而复始的特质,表达了绿色可持续的社会主义价值观。

图2 太极图、龙马精神、龙戏珠、川剧变脸等文化符号 在高校能源化工过程科研工作中的体现

极具中国特色的水墨画近年来也愈发频繁地被高校工作者用来展示科研工作。北京理工大学唐爱伟等[13]以龙腾马跃的水墨画形象生动地阐述了其关于半导体异质结构在电子器件和能量转换方面的应用(图2)。龙表示Cu2+,其向油/水界面的迁移速度更快,马In3+由于带电荷数较大,移动缓慢,此处柠檬酸的加入犹如黑马的双翼助其展翅高飞,迅速提高In3+的迁移率,象征着柠檬酸的加入是形成异质结构的关键。龙马在画面上不停地穿梭,犹如化学变化过程中阳离子交换反应引导Cu31S16-CuInS2HNS的各向异性生长。此画意蕴生动,气势雄浑,同时也表达了科研人员的龙马精神。重庆大学张育新等以水墨画为背景,传统龙珠代表MnO2,龙珠外墨层包裹,墨龙缠绕,构筑新颖的NiMn Oxide@MnO2,与电闪雷鸣一起,象征着具有高赝电容性能的纳米阵列材料[14]。这一表达既体现了传统“龙戏珠”的主题,又暗示着文章中材料与氧化石墨烯组成的非对称器件的高循环稳定性。而整个龙珠的光电散发,则与文中电气连接相对应。

重庆大学更是将我国川剧人物变脸以及唐代诗人李白描写的我国十大风景名胜之一的长江三峡景观生动地体现在异质结构材料电解水制氢过程中(图2)[15]。川剧变脸是我国表演艺术中重要的组成部分,是历代川剧艺人共同创造并传承下来的艺术瑰宝。寻求一种清洁和可再生的能源系统对于解决能源困境,以及缓解日益恶化的环境污染问题至关重要。作者以变脸隐喻异质结构材料,以其多变、创新的形式比喻异质结构设计合成的多样性。同时,作者用一幅水墨三峡风光为背景,变脸的艺人屹立于长江之中,并细致地在重山顶峰加上电,暗指异质结催化剂催化电解水制氢这一过程。江上左右两边用两种明暗不同的色彩表示江水,泛起两只小舟,不由让人想起李白“千里江陵一日还”“轻舟已过万重山”的豪放旷阔的诗句,有种“行看流水坐看云”的流畅轻快,再融入江山的壮丽多姿,不禁让人感慨中华文化的博大精深。山石上用中华艺术繁体字镌刻着“研究学术 造就人才 佑启乡邦 振导社会”这一重庆大学的办学定位理念,为广大青年学生做榜样,树立起重大超前而坚实的精神支柱。这种以变和融为原则进行的创新,将感性体悟融入自然科学的理性感知的文化传播,可能更能引导受众开悟启慧,感受中国科研工作者对中国传统文化的深厚理解。

1.3 山水建筑

随着绿水青山、生态治理的绿色发展理念深入人心,高校工作者也致力于污水处理项目的开发。针对水资源铀污染问题,东华理工大学郭亚丹教授等选用艳阳天下桂林的青山绿水图为背景,展示了“孤舟蓑笠翁”的形象,把石墨烯与氧化铁复合的催化剂比作轻舟,在阳光的作用下,通过渔翁手中的线传输电子,促进了辐射性的U (VI)的还原,将含铀废水中溶解的U6+为转化为不可溶的U4+,以沉淀形式析出,从根本上降低铀在水和自然环境中的迁移(图3)[16]。工作醒目突出,又融为一体,呼吁大家关注水污染与水治理。绿水青山,就是金山银山。在科研工作者和公众的共同努力下,青山常在绿水长流,桂林山水仍可甲天下。

图3 桂林山水甲天下和故宫大红门在环境保护和 我国开放的大国气象精神的体现

除了宣传我国的秀丽山水,我国独特的建筑风格,如长城[17]、四合院[18],也被科研工作者搬上科研的大屏幕。大连理工大学孙立成教授等以我国北京故宫大红门为背景,左右两侧大门分别标识着分子催化剂和半导体,横幅是水裂解,预示着将分子催化剂和半导体有机复合,才能有效地开启水分解的大门,颇有一番“水分解大门常打开,开放怀抱等你”的意境,展现了大国情怀[19](图3)。光电催化水分解产氢是目前极具前景的将太阳能转化成化学能的手段。文中综述了近年来多种分子催化剂和半导体复合物电极的研究进展,包括阴极和阳极的催化剂电极的复合策略以及催化性能,同时也提出了该领域的研究挑战以及展望。

随着科研工作者的不断努力创新,更多具有中国特色的文化象征,如用剪纸工艺技术设计的含龙图腾、鲤鱼等[20],熊猫、凤凰、青花瓷,甚至东汉张衡的地动仪[21]都被拿来做封面,言简意赅地让冰冷的自然科学有了丰富多彩的一面,潜移默化中用中国特色表达出各种化学反应中存在的不可言状的美。

2 如何加强文化自信融入能源化工学科教学工作

在教学过程中,将传统文化与教学实践相结合,创造性地探索挖掘更多优秀传统文化的表现形式。在实际教学中灵活选择教学素材,使教学内容更加丰富。如讲到吸放热反应时,涉及硝酸铵与2020年黎巴嫩贝鲁特港口大爆炸的实例。我们可以将硝酸铵形象地比喻成孙悟空,是一种身份多变的化学物质。教会学生使用思辨的视角科学认识和看待硝酸铵,它可“上天”作为航天助力器氧化剂,推动航天事业更加辉煌,也能“入地”,作为氮肥在农业生产中发挥重要作用。它造福于人类生活质量和航天事业的发展,是天使。同时,它也是第二次世界大战时炸药制造的必备材料,留下了惨痛的记忆,是魔鬼。在讲锂金属电池这一章节时,锂电池的有机碳酸盐电解质受高温易燃烧。这时以凤凰浴火重生比喻新型智能液体电解质,其在热暴露下可自我重塑,迅速转化为固态,表现出出色的安全性,死灰中复活,愈发美艳[22]。在讲授钾离子混合型电容器时,为了形象地展示钾离子在电极材料间的迁移,将用于钾离子存储的双杂原子掺杂的三维多孔碳纳米片比喻为舟,鱼的游动代表钾离子的迁移,最终放电点亮船尾的灯笼。用中国古代的传统垂钓文化“闲来垂钓碧溪上,忽复乘舟梦日边”的动静变化向同学们传达钾离子电容器中的科学之美[23]。介绍石化行业常用的催化材料分子筛结构时,可形象地将各种具有8元环、10元环、12元环和20元环的纳米多级孔分子筛,比喻成《西游记》中常见的盘丝洞,体现互连孔结构[24]。能源化工学科的课程内容中蕴含着丰富的化学史事,通过融入能源化工史实的学习,可以让学生了解能源化工知识发展的过程,促进学生科学探究精神和科学态度的养成。教师从自己的教学活动出发,满足学生的学习需要,针对性实施教学,既巩固学生的基础知识,又提高知识文化层次。比如课本中介绍煤化工、石油化工、生物质能源及电池的时候,用发展、探究精神讲述能源科学史实,同时分辨主要矛盾和次要矛盾,学会用对立统一的视角看待能源发展过程,并引入中国在相应方面科学前沿中的研究案例,介绍相应的中国科学家团队及成果,如:关于煤化工的发展,大连化物所的刘中民等以煤为原料制合成气,经甲醇制得低碳烃的成果;潘秀莲、包信和等及厦门大学王野等在合成气制低碳烯烃、高碳醇等方面的成果。千千万万个化学工作者脚踏实地地从事着相关工作,为中国科研发展贡献力量,从而增强学生的参与感和代入感,激励学生热爱能源化工,坚定民族自信心。

在制作教学课件的过程中,为了提升课件的吸引力,将中华传统文化应用到枯燥的化学教学中,利用其独特的设计风格会极大提高学生的课堂注意力。如,氧化物、金属、合金材料等可以以中国传统文化中的围棋为例,以白棋黑棋的排布代表原子的排布,不同的棋子组合代表不同的原子组合,形象地说明具有原子分散性的负载贵金属,因其具有最大的原子效率和独特的反应活性而在催化方面具有重要的应用价值[25]。通过引入中国特色的文化符号,使多媒体化学教学要达到最优化的教学效果。这对于学生的发散性思维有很好的促进作用,也能更有效地帮助学生填充知识框架。

3 文化自信背景下,青年教师在能源化工学科的思考

青年教师,应注重自身文化素质提高,加强自身对传统文化及现代社会主义核心价值观的系统学习,透彻领会核心文化价值观的精髓。文化自信需要人们清醒认识自己的文化从哪里来、现处何处、又将走向何方,在此基础上自觉承担文化责任。坚定信心讲好中国故事,树立当代中国青年良好形象。在自己擅长的科学领域找到切入点,将所授专业课程的知识点及所从事的科学研究方向有机融合,坚定文化自信和持续输出,提高文化软实力,方可实现建设具有强大感召力和影响力的中华文化软实力的最终目标。

广大高校工作者要与时俱进,采用多种教学方式,深入推进智慧教学,既要运用好课堂直观手段传播文化知识,同时也要将个人科学研究内容以文字、图片、视频等形式呈现给大众,达到以身作则的传播效果。习近平总书记在高度称赞中华优秀传统文化时,强调创造性转化和创新性发展。毫无疑问,高校科学工作者在科研工作中,熟练地在化学变化过程中渗透中国独特的文化内涵,以论文封面的形式、用科学艺术的语言讲好中国故事。这不仅能呈现出中华传统的光辉和中华人民的良好品格力量,而且有利于扩大中国文化输出,进而引起世界各国人民的共鸣,扩大中国的文化影响力。

4 结语

全球化背景下,文化软实力建设已被列入我国国家发展的战略目标。中华优秀传统文化是中国文化软实力最深厚的资源。大学作为文化传播建设的阵地,加快文化和科技的深入融合发展,要培养学生用科学技术展示输出中国文化的能力,提升我国的文化软实力。中国传统文化底蕴博大精深,化学之变凸显中国文化元素富有弹性的内涵阐释,教师要让人文精神融汇在科学精神中,让科技力量融汇在自然力中,实现中国传统文化艺术的科技转化与价值,培养出一大批致力于能源化学研究、开发、应用,具有民族文化自信的高素质人才,以服务于国家能源战略发展,满足社会需求。