仪器分析实验“课程思政”教学探索与实践

胡万群，张万群，邵伟，杨凯平，李维维，孙晴，朱平平

化学国家级实验教学示范中心（中国科学技术大学），合肥 230026

习近平总书记在党的十八大上将立德树人作为教育的根本任务，在全国高校思想政治工作会议上再次强调高校思想政治工作关系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]。大学生是未来国家创新体系的主力军，身处信息化、自媒体技术之中的当代大学生的学习和生活均发生了较大的变化，其思想观念趋于多元化。新时代背景下如何引导年轻的一代形成正确的人生观、价值观；既能培养具备丰富的学科专业知识，又具有较高的思想政治素养的当代大学生，成为当下高等教育的一项重要任务。如何将“课程思政”与专业课二者有机融合，既能“教书”又能“育人”成为目前高等教育研究的新课题，也是目前高校普遍研究的一种教学方法[2-4]。

仪器分析实验是基于现代化大型分析仪器的一门课程，它的实践性和社会应用性很强，广泛地为许多领域内的科研和生产提供大量的构成、结构以至微区内元素的空间分布状态等方面的信息，与诸多学科相互渗透，是培养化学、化工、制药、生物、环保、材料等专业人才的重要基础课，已成为高等学校中许多专业的重要课程之一。多年的实践教学，我校的仪器分析实验课程已形成了“基础实验-设计实验-虚拟仿真实验”三层次教学体系。新时代背景下，赋予课程与思政相融合的举措具有更深远的意义。因此，我们结合课程特点，依据分析仪器方法的特色及适用领域进行教学设计，挖掘课程思政元素，进行课程与思政融合的教学探索与实践。

1 教学目标与思政设计

我校的仪器分析实验课程从20世纪90年代开始独立授课，已形成相对较为完整的实验教学体系，授课对象为化学与材料科学学院大三学生和部分选修的少年班学生。仪器分析实验课程的教学目标主要是使学生掌握仪器的基本构造、操作规范及应用，培养学生利用分析仪器方法解决分析问题和正确处理实验结果、数据的能力。围绕课程教学目标，加强“课程思政”元素在教学中的应用，实现教与学的教育教学新局面，课程思政融入教学中的设计示意图如图1所示。在课程教学中通过仪器的原理构造、选择贴近社会热点事件的实验实践项目和学生成绩的过程性评价等方面，将课程教学目标与思政元素互融，贯穿仪器分析实验课程教学全过程，课程思政融入教学中的实验项目节选如表1所示。

图1 仪器分析实验课程与思政融合的设计示意图

表1 仪器分析实验课程与思政融合的实验项目节选

2 教学实施

2.1 以分析仪器的结构组成特点和仪器的发展历程为切入点，鼓励学生不畏困难、大胆创新和勇于担当的精神

每种仪器分析方法均对应着不同的分析仪器，分析仪器构造的不同，相应的工作原理和应用领域各有不同。无论是仪器分析的理论课程还是实验课程，有关“分析仪器的工作原理与构造”的章节内容必不可少，而现代化的分析仪器技术集成度高，不大可能随意地“解剖”它们。在仪器分析课程的教学中，涉及“分析仪器的工作原理与构造”内容的知识介绍多采用PPT动画示意图进行描述，对仪器结构的了解多停留在理性认识上，无法较好地实现实验教学的实践效果。为此，课程组利用使用年久而无维修价值的报废仪器进行教具开发，实现仪器构造的清晰可见，有助于学生更好地掌握仪器的构造原理。图2所示是利用报废的傅里叶变换红外光谱仪制作的可视化教具与完整的仪器外观图。在教学中，以教具展示傅里叶变换红外光谱的构造组成，同时穿插仪器核心部件从棱镜、光栅至现在的迈克逊干涉仪的发展历程及国产仪器的现状。学生身临其境：现在的仪器光路更加准直，数据转换更快，对仪器的结构、发展历史了然于心；更深一层的收获：感悟到不断升级优化的仪器构造背后更多地凝结着科研工作者的智慧与汗水，鼓励青年学子不畏困难、大胆创新和勇于担当的精神。

图2 傅里叶变换红外光谱仪外观图（左）和报废的旧仪器制作的教具（右）

2.2 “2015年屠呦呦诺贝尔生理学或医学奖”——设计“中药青蒿素的红外光谱结构鉴定”实验项目，激发学生的学习兴趣、爱国主义情怀和民族自豪感

20世纪60年代，疟原虫对奎宁类药物已经产生了抗药性，严重影响到治疗效果。中国科学家屠呦呦受中国典籍《肘后备急方》启发，创造性地研制出抗疟新药——青蒿素和双氢青蒿素，获得对疟原虫100%的抑制率，为中医药走向世界指明一条方向，被誉为“拯救2亿人口”的发现。屠呦呦因此获2015年诺贝尔生理学或医学奖，成为第一个获得诺贝尔奖的中国人[5]。以此设计青蒿素的红外光谱结构鉴定实验教学项目，青蒿素的红外光谱如图3所示，该实验涵盖的知识点有：3461.90 cm-1归属为羟基伸缩振动吸收，2955.74 cm-1、2910.58 cm-1、2852.95 cm-1为―CH3、―CH2官能团的C―H伸缩振动吸收峰；1738.61 cm-1为羰基官能团的C＝O伸缩振动吸收峰；1459.83 cm-1、1375.73 cm-1分别为―CH3、―CH2官能团的C―H弯曲振动吸收峰；1188.06 cm-1、1113.30 cm-1、1026.09 cm-1为C―O伸缩振动吸收峰；883.58 cm-1为青蒿素O―O伸缩振动吸收峰，是青蒿素抗疟原虫的活性成分[6]。通过该项目的学习，学生掌握红外光谱解析的一般知识，了解我们的先人和前辈在化学史上的重要贡献；再结合今年遭遇的新冠疫情，我国的中医药和医务工作者为战胜病魔作出了不可磨灭的贡献，生活在祖国母亲的怀抱倍感幸福；激发学生的学习兴趣、爱国主义情怀和民族自豪感。

图3 青蒿素红外光谱图

2.3 以社会生活事件演化教学项目，进行诚实守信教育，培养学生高尚道德人格

子曰：“人而无信，不知其可也。大车无輗，小车无軏，其何以行之哉？”咸鸭蛋是日常生活中食用品之一，多数人对流着黄油的红心鸭蛋心生好感，但却有不良商家利用人们的这一心理，为使鸭蛋的卖相好，在饲料里添加了红色工业染料苏丹红。苏丹红属于化工染色剂，主要应用于油彩等产品的染色，有致癌性，对人体的肝肾器官具有明显的毒性作用。毒理学研究表明，苏丹红在人体内的代谢产物为苯胺和1-氨基-2-萘酚，具有致突变性和致癌性[7]。苏丹红有I、II、III、IV四种分子结构，如图4所示。已有文献报道的苏丹红的仪器分析检测方法有：红外光谱法、拉曼光谱法、紫外-可见光谱法、液相色谱法、液质联用法[8-12]。在仪器分析实验教学中设置苏丹红的成分分析教学项目，多种仪器分析方法融会贯通；将诚信教育融入教学中，强化学生诚实守信的品德素养，德才兼备，施展才华，弘扬昂扬向上的人生观、世界观。

图4 苏丹红（I,II,III,IV）分子结构图

2.4 倡导绿色化学课堂，根植环保意识，培养学生守护家园的社会责任感

经济发展带来的生态环境恶化和严重破坏愈来愈引起人们的关注。在仪器分析实验教学中如何使环保、绿色的理念体现在课堂，根植于学生的头脑中是值得思考的问题之一。现代化的仪器分析方法相对传统的化学分析，试剂的用量已大幅减少。在我们的基础实验中，对已有实验项目进行了绿色化改进，如紫外光谱教学原有实验项目“苯酚的紫外光谱定量测定”，改为“色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的紫外光谱分析”。在后续的设计实验教学阶段，在和学生讨论设计实验方案时，充分考虑实验方案中药品毒性和投加剂量及废液的集中回收，图5是实验室配备的废液桶，每周有学院专人回收处理。而对一些高危和有毒有害的综合实验，中心相继开发和在建了虚拟仿真实验课程，其中课程组张万群老师负责开发的原位变温X射线虚拟仿真实验截屏如图6所示。守护美丽家园，从我做起，以上教学项目的实施较为有效地增强了学生的环境保护意识和社会责任感。

图5 实验室配备的废液桶

图6 原位变温X射线虚拟仿真实验截图

2.5 以设计性实验为载体，激发敢于尝试的创新精神和勇于批判的质疑精神

学生通过查阅文献、小组讨论，自主设计拟定实验方案，教师批阅并给出相应指导。实验时，教师根据实验方案提供实验器材和试剂，由学生自主实验，得到最后的实验结果。实验结束后，在教师引导下，集体讨论，总结成功的经验或失败的教训。如设计实验项目“红茶和绿茶中咖啡因含量测定”的样品前处理阶段，有的同学想到：“基于水和乙醇都是极性溶剂的共性，何不尝试下它们的提取效果有什么不同呢？”。学生们除了采用文献检索的95%乙醇为溶剂提取法，还尝试了不同比例的乙醇水溶液提取法。教学中学生用不同重结晶方法提取茶叶中的咖啡因产物如图7所示，可以看出其产率、晶形和颜色均有不同。通过这样的实验项目教学，鼓励学生大胆创新、敢于质疑、不怕失败的精神，以亲身经历回馈好奇心和敢于质疑的精神正是推动科学进步的可贵品质。

图7 学生实验的咖啡因产物

2.6 实施过程考核机制，培养学生实事求是的科学作风

课程考试或考核的目的主要是检验教与学的效果，促进教学内容的完善、教学方法的改进，促进素质教育和人才培养。注重对学生和教师两者在“教”与“学”全过程中的状态及学习成果进行反思总结，形成课程教学效果评价的全过程考核机制。重视课程“教”与“学”的过程，增进师生互动反馈，培养学生严谨、务实、求是的学习态度。过程评价考核表如表2所示。

表2 过程评价考核表

3 结语

“有才无德，其行不远矣。”高校是培养人才的摇篮，肩负着教书育人的光荣使命。深刻领悟习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上发表的重要讲话，结合课程特点，找准定位，不断努力挖掘课程思政元素，培养有理想、有道德、有文化、有担当的具有家国情怀的当代大学生，具有深远的意义。正如学生的课后讨论：“仪器分析实验课程的学习，不仅教会了我书本的知识，而且让我学会了运用所学课程知识去分辨社会生活中的‘红心鸭蛋’的‘真与假’”；“以前，我只是觉得学好仪器分析实验课程是开启科研之路的一把利器，没想到通过该课程的学习还可以领悟更多的人生道理”。

课程与思政融合的实验教学强化了对学生的家国情怀、科学精神、责任担当的精神孵育，培养了学生对仪器分析实验课程的探究性学习思维和实事求是的科学素养。教学实践表明，在新时代背景下，课程与思政融合的教学方法可以实现知识传授水到渠成、思政育人细无声的教学效果，对高校践行“教书育人”的使命有一定的积极意义。