计算化学实验中课程思政的案例设计

李巍 王欣 丁迅雷

[摘 要] 为了深入贯彻落实习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上的重要讲话精神，实现思想政治理论课与各类课程同向同行、协同育人，通过三个不同案例的理论知识点分别与我国化学史、我国科学家显著性的研究成果及教师本人的研究成果相结合，探讨了计算化学实验中思想政治的引入方式。专业理论知识和思想政治内容的完美结合，提高了学生对专业课的学习热情，培养了学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感，同时能够使学生更加明确目标，对未来人生进行长远规划。

[关键词] 课程思政;计算化学实验;协同育人;探索未知;规划人生

[基金项目] 2020年度华北电力大学数理学院课程思政示范课项目

[作者简介] 李 巍（1987—），女（满族），河北承德人，博士，华北电力大学数理学院讲师，主要从事理论计算化学和团簇化学研究;丁迅雷（1980—），男，安徽无为人，博士，华北电力大学数理学院教授（通信作者），主要从事理论与计算化学和团簇物理化学研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）51-0129-04    [收稿日期] 2021-04-12

一、引言

计算化学是利用量子力学理论，以物理、数学、计算机为工具来解决化学中实际问题的学科。最早的计算化学是对H2+离子[1]以及H2分子[2]的计算。计算化学逐渐发展成为一门独立的，与化学其他分支学科相互渗透，广泛应用于分子结构与性质、化学键理论、化学反应、功能材料和生物大分子等领域的新兴学科[3-6]。

对于这样新兴的特殊学科，掌握其理论知识和实验技能对本科生深入理解化学、物理、计算机等领域的基础知识是至关重要的。针对不同知识背景的本科生，采用何种教学方式是一个值得深入思考的问题。根据习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神[7]，参考中央办公厅、国务院办公厅《关于深化新时代学校思想政治理论课改革创新的若干意见》和教育部2020年下发的《高等学校课程思政建设指导纲要》[8]等重要文件指示，我们在传授“计算化学实验”基本理论、概念、技巧时，融入我国化学史、我国科学家在此领域所做出的贡献，以及教师本人的研究成果，把书本中固定式的素材与科学研究成果相结合、科学史案例与教师的研究经历并举，将课程与思想政治无缝衔接、巧妙融合，这样不仅有助于学生快速掌握计算化学相关的基本概念、理论、计算程序的操作和技巧，而且训练了学生自主学习的能力，解决了科学问题的态度和方法，更主要的是潜移默化地影响了学生，要以我国科学家为榜样，培养创新意识，提升家国情怀和社会责任感，树立正确的人生观和价值观，为实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献自己的力量。

二、案例设计

计算化学课堂中引入思想政治元素是需要技巧的，不能生搬硬套，牵强附会。在引入的过程中，并不能简单地、直接地把思想政治课的内容搬到课堂中，而是要灵活处理，根据教学内容、教学情境自然融入，避免思想政治课和专业课“两张皮”的现象。课程与思想政治，不应该是物理相加，而应该是化学反应。课程里引入的思想政治内容，不但不能让学生感到唐突，而且能使其产生情感共鸣，使学生自然而然地接受，达到“润物无声、潜移默化”的效果，这样才符合习近平总书记提出的守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应[9]。计算化学这门课面对的学生主要是物理专业的本科生，怎样把计算化学实验这门课的理论知识和学生掌握的物理知识很好的衔接，又能引入思想政治元素，是我们关注的重点。下面分别用三个案例介绍我们的课程设计。

（一）课程认知与我国化学史结合

1.学习目标：让学生能够接受计算化学这门课程，了解这并不是一门新的学科，而是在量子力学、原子分子物理等理论基础上产生的一门实践学科，为后续课程的学习奠定心理基础。

2.思政目标：以学生熟悉的物理科学家和这些科学家的贡献作为突破口，了解计算化学这门课程及这一学术领域的谱系，传承老一辈科学家的科学精神、科学技术、科学知识及科学文化，促进科技手段的代代更新和理论的代代精进。

3.教学素材：家族会有家谱，同样在学术界也存在学术谱系，学术谱系的存在对于科学精神、科学技术的传承起着至关重要的作用。

1927年，第五届索尔维会议在比利时首都布鲁塞尔召开，会议结束后，与会代表进行了合影留念，留下了一张非常珍贵的照片，照片里的每一个人取得的科学成就都对世界产生了深远的影响。他们包括：相对论的创始人爱因斯坦、量子力学之父普朗克、为经典物理学和现代物理学的发展起到了承上启下作用的科学巨匠洛伦兹、发现镭和钋元素的居里夫人、量子力学的奠基人薛定谔、测不准原理的提出者海森堡、哥本哈根学派的创始人玻尔，以及物质波的提出者德布罗意等著名科学家。物理专业的学生对这些科学家应该都是非常熟悉的，但是这些科学家之间的渊源，学生们可能不是很熟悉。这些科学家或为同门或为师生，比如索末菲是德拜、泡利、海森堡的老师，而爱因斯坦的老师闵可夫斯基和索末菲是同门师兄弟;郎之万、布拉格、玻尔、马克斯·玻恩、威尔逊和理查德森都出自汤普森门下，而郎之万是布里渊和德布罗意的老师，理查德森又是康普顿的老师。

我国的计算量子化学领域也有着深厚的学术谱系。首先一定要提的是唐敖庆和他的八大弟子。这几位学者，不仅每个人在理论化学领域有所建树，而且其门人绝对占据当今中国理论化学界的半壁江山。唐敖庆，中国第一代理论化学家，师从Halford，就读于哥伦比亚大学，毕业后放弃了国外优越的条件，克服重重阻碍，于1950年初回到祖国，先任教于北京大学，后调任东北人民大学（今吉林大学），并组建化学系，亲自教授了几十届本科生和研究生。1963—1965年，唐敖慶在吉林大学举办了物质结构（高级）学术讨论班，为中国理论化学界培养了一大批栋梁之材，其中就包括唐先生的“八大弟子”，他们分别是吉林大学的孙家钟和江元生、北京师范大学的刘若庄、山东大学的邓从豪、厦门大学的张乾二，以及著名的理论化学家和教育家、四川大学的鄢国森、古正，云南大学的戴树珊[ 10 ]。正是这些老一辈科学家艰苦奋斗打下的坚实基础，以及一代代科学家的传承和发展，才使得我国在计算化学领域处于世界先进行列，为我国在材料、化工、催化等方面的经济建设奠定了坚实的理论基础。

（二）團簇结构的表征与我国科学家研究成果结合

1.学习目标：学会利用计算化学的方法表征团簇结构，了解团簇结构表征在科学研究领域中的重要应用。

2.思政目标：通过了解我国科学家在团簇结构表征方面做出的杰出贡献，提升学生的民族自尊心、自信心和自豪感，培养学生自觉承担国家科技发展的责任意识，启迪学生的未来职业规划。

3.教学素材：（1）最小水滴由几个水分子构成呢？自然界的水不是以单一水分子（H2O）的形式存在的，而是由水分子团簇构成的，水分子团簇是由若干水分子通过氢键作用聚合在一起形成的，那么一个最小的水滴是由几个水分子构成的团簇呢？中国科学院大连化学物理研究所的江凌研究员和杨学明院士团队采用大连相干光源中性团簇红外光谱实验装置，发现了5个水分子团簇（H2O）5的红外谱图，具有三维立体水团簇结构的特征峰。随后清华大学的李隽团队采用高精度的量子化学理论计算方法，计算了水团簇的各种稳定结构，并与实验得到的红外光谱进行了对照，理论与实验相结合证实了水分子五聚体团簇已经开始呈现体相水的结构特征和光谱特征[ 11 ]。（2）冰的一个晶胞由几个水分子构成，是什么形状的？上述课题组采用相同的方式经过研究得出：水分子八聚体团簇的各种稳定结构和红外光谱，理论结果与实验结果相结合，说明最小冰立方是由8个水分子组成。研究还表明了水分子八聚体存在5个稳定的立方体结构，这些立方体结构中的水分子均以三配位的方式结合在立方体的顶角上[ 12 ]。这些新的研究成果改写了人们对最小水滴及冰的晶胞的传统认知。我国科学家在科学前沿领域不断进取，解决了一个个科学难题，突破了一项项关键技术，解决了多项瓶颈问题，科技创新水平和能力不断提高，正在逐步走向世界科学研究的前列。

（三）反应势能面的计算与教师本人科研成果结合

1.学习目标：学会利用计算化学的方法进行过渡态的搜索和势能面的计算，得到化学反应热力学、动力学信息及微观机理。

2.思政目标：以教师本人的研究工作作为素材，带领学生领悟知识的产生和更新的真谛。转变学生思维，使其会学习，为将来的科研工作打牢基础。

3.教学素材：随着社会的发展，环境问题日益突出，大气中小分子的含量变化影响着大气圈与生物圈原有的平衡，威胁人类的生存环境，而这些小分子通过化学转化有可能成为人类需要的资源。因此，无论从环境保护还是资源利用方面，小分子的活化转化都具有重大的意义。然而含量丰富的小分子，像CH4、CO2、N2等的活化转化常常需要高温、高压、强酸、强碱等苛刻条件，在这样的情况下，如何在温和条件（尤其是常温常压）下实现小分子的吸附和转化是一个极具挑战性的科学问题。大量的研究表明，采用催化体系来克服反应动力学的能垒是小分子活化的有效途径，因此寻找有效的催化体系变得十分重要。我们采用激光溅射—离子阱反应质谱和理论计算相结合的方法对比研究了同一周期的几种过渡金属离子（Os+，Ir+，Pt+和Au+）催化甲烷和乙炔的偶联反应。研究表明，Os+在常温下可以介导甲烷和乙炔在偶联过程中进行C/C交换，从而影响主反应的反应速率，并提出了关于有机小分子偶联反应中C/C交换的反应机理：当偶联过程中的中间体存在两个对称的碳原子，即两个碳原子处于相同的化学环境，且交换反应同时在动力学上有优势时，这两个碳原子就会发生交换，而这种C/C交换在化学反应中是不容忽视的[ 13 ]。这个工作被作为内封面发表在权威期刊上，受到了国内外同行的广泛关注。以此激励学生勤动脑、肯钻研，抓住重要科学问题深入探索，培养学生的科学精神。

三、结语

为了响应国家号召，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，针对计算化学实验这门交叉学科课程，我们将课程认知与我国化学史、团簇结构的表征，以及我国科学家的显著性研究成果、反应势能面的计算与教师本人科研成果相互融合，使得课程教学更加生动，课堂氛围更加活跃，思想政治观念随之深入人心。课程思政与专业课有机统一，不仅可以帮助学生快速、牢固地掌握专业知识，养成良好的学习习惯，坚定专业理想信念，还培养了学生的科学热情，提高了科研创新意识，有助于学生树立远大理想，为解决国内现存的“卡脖子”问题做出贡献。

参考文献

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[3]徐光宪，黎乐民，王德民.量子化学——基本原理和从头计算法（上册）[M].北京：科学出版社，2009：13-18.

[4]徐光宪，黎乐民，王德民.量子化学——基本原理和从头计算法（中册）[M].北京：科学出版社，2009：339-400.

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[7]新华社评论员：立德树人，为民族复兴提供人才支撑——学习贯彻习近平总书记在全国高校思想政治工作会议重要讲话[EB/OL].（2016-12-08）[2021-04-02].http：//www.xinhuanet.com/politics/2016-12/08/c_1120083340.htm.

[8]教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知[EB/OL].（2020-05-28）[2021-04-02].http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/06/content_5517606.htm.

[9]习近平.习近平谈治国理政（第二卷）[M].北京：外文出版社，2017：378.

[10]林梦海.高山仰止——唐敖庆和他的弟子们[M].厦门：厦门大学出版社，2015.

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[13]LI W， WU X-N， LIU Z-Z， et. al. C/C Exchange in Activation/Coupling Reaction of Acetylene and Methane Mediated by Os+： A Comparison with Ir+， Pt+， and Au+ [J].J. Phys. Chem. Lett. 2020（11）： 8346-8351.

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