科学知识与科学精神的有机融合——以大学通识课程“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”为例

王献，李琳

中南民族大学化学与材料科学学院，武汉 430074

1 引言

“大学之道，在明明德，在亲民，在止于至善”，《大学》开篇的“三纲领”深刻揭示了学术博大、品德崇高、情怀厚重、明德至善的大学内涵[1]。习近平总书记在2016年全国高校思想政治工作会议上指出：“只有培养出一流人才的高校，才能够成为世界一流大学”。高等教育在人才培养、科学研究、社会服务、文化传承以及国际交流中发挥着重要作用，不断提升人才培养质量是高等教育实现内涵发展的永恒主题[2]。习近平总书记在党的十九大报告中强调，推进科技强国建设，要“培育和践行社会主义核心价值观”“加强思想道德建设”“弘扬科学精神，普及科学知识”。在知识高速更新的时代背景下，培养大学生“科学精神”是培养“一流人才”的必然要求。建设结合专业知识传播及科学素质训练的理工类大学通识教育课程，坚持开展科学知识和科学精神的融合教育，是体现大学精神本质，培养堪当民族复兴大任时代新人的重要环节。

新时代的大学精神本质特征表现为以人为本的人文精神、独立自由的学术精神、求真务实的科学精神、勇于担当的社会关怀精神,对学生的成长成才具有教育引导、促进发展、引领激励的强大功能。各个时期高校都应充分发挥大学精神育人功能，提升大学精神文化内涵，积极推进和增强大学精神塑造，以大学精神统领课程体系建设，开发特色鲜明的课程及教学活动，开拓信息媒介新教学平台，创新大学精神育人载体。2020年在全力以赴抓好疫情防控工作的时候，高校更要坚持立德树人的根本任务，做好科学素养教育，引导学生科学解读疫情最新进展，了解科学防治和科研攻关是对抗新冠病毒疫情的武器，使科学精神得到学生自觉的崇尚和信赖[3]。下面我们以“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”为例，谈谈理工类大学通识教育课程的设计理念、实践探索和教学效果，探讨如何以诺贝尔化学奖科学知识的学习为切入点，在教学实施的过程中将科学素质教育，特别是科学精神教育的延伸融入到线上线下通识课程的教与学的活动中。诺贝尔奖是科学领域的标杆和风向标，代表着前沿性和高阶性的科学知识。同时，诺奖获得者背后的故事和科学态度是超越知识的追求获取最高科学桂冠的潜在动力，该教学结合诺奖专业知识和人物故事的讲述，采用中英文双语教学，原汁原味地传递科学信息，加入关于科学精神的思政教育，起到画龙点睛作用，较好地体现了大学通识课程的专业性、高阶性和创新性。

2 课程意义和课程定位

2.1 课程意义

“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”是大学通识教育课程，追求科学知识传授和科学精神教育的统一。无数科学家在化学发展的进程中做出了傲人的成绩，诺贝尔化学奖获得者已成为化学发展史上的一个个里程碑，每个闪光的名字背后都有一段鲜为人知的动人故事和伟大的科学精神。在我们走近大师、学习大师科学成就的同时，也见证了化学发展的整个历程。随着时代发展，科学精神不断被注入新的元素，新时代提出的科学精神，要求踏踏实实、求真务实、奉献吃苦，逆流而上、勇往直前、不畏困难，淡泊名利、戒骄戒躁[4-6]。“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”旨在寻求一种将科学知识教育与科学精神培养相结合的教学模式，培养始终保持实践探索、求真务实、突破创新的激情昂扬科学精神的新一代青年人才，在学习和科学研究中成就智慧与品德的统一。

2.2 课程定位

作为面向全校本科生的大学通识教育课程，“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”课程定位在注重从学习到智慧的凝练发展、科学知识和科学精神的统一。与对自然现象、科学规律和原理只做一般性介绍的科普教育不同，“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”通识教育重在训练科学逻辑思维和科学学习方法，从学生感兴趣的问题点切入，训练学生自主能够获取科学知识，并尝试驾驭知识去探索发现未知领域，以点带面，培养学生的知识凝练能力、智慧发展能力、未知问题研究能力的科学素养。

与侧重于特定领域的知识和技能训练的专业课不同，“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”面向科学素质能力培养高于专业基础课程。突破具体专业知识和技能的局限，注重对学生独立思考、好奇心和想象力的培育。课程内容涵盖了近百年来的化学发展史和重大创新，覆盖各类化学二级学科，如有机化学、无机化学、物理化学、分析化学、高分子化学、生物化学、计算化学等基本概念、原理和方法。这门课程从诺贝尔化学奖切入，通过对特定专业知识的讲解，引导学生去学习科学家们如何发现问题、分析问题、解决问题，了解化学领域最前沿知识，发现和领悟自然现象背后体现的自然规律和科学思想。

2.3 学情分析

“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”是一门线上线下混合式课程。线上课程面对各个高校的本科生和研究生，学生人数较多、层次分明、背景不同、个体差异较大。线下课程作为一门全校公选课，其授课对象是中南民族大学各个专业的本科生。中南民族大学少数民族学生近60%，呈现出成长背景、学习能力、文化样态、发展愿景等多元的特征。对于非化学专业的学生，尤其是非理工科专业背景的学生而言，部分人可能最开始会对学习感到晦涩难懂、枯燥乏味，不能将所学知识与实际例子结合起来理解，学习积极性不太高。因此，这就迫切需要该课程的授课教师能够在讲授的过程中充分考虑到各个学生的专业背景和接受能力的不同，结合实际例子和人物故事，力求做到深入浅出地讲解化学专业领域的前沿知识，鲜明生动地展现诺贝尔化学奖得主的人物形象和精神品格，真正做到从思想领域到科学前沿知识的有机结合。

3 课程总体设计

3.1 教学目标

“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”的课程目标在于，孕育学生跨越专业知识和技能局限的远见卓识，注重从知识到智慧的凝练和提升，以“知识”为基础，以“精神”为目的，并将科学知识与科学精神有机融为一体，关注思辨和创新，达到物性的透彻、内涵的深入和智慧的升华。具体来说，课程目标分为三个部分：知识目标、技能目标和德育目标。

（1）知识目标：通过本课程的学习，使学生能够在双语层面了解诺贝尔化学奖的科学成就、前沿知识以及这些科学知识与课本学习知识之间的联系。除课堂讲解外，更多的是引导学生从互联网、图书馆和课程视频等学习资源自主获得所需的知识，并透彻理解其内涵。

（2）技能目标：学习科学家们对待科学问题的探索精神，以及解决问题的思路和方法。能够发现问题，分析问题，通过文献调研，归纳总结和分析，得出恰当的结论，提出合理的解决方案。

（3）德育目标 ：通过该课程内容的学习和思政部分的反思，对学生的学习和工作起到榜样效应，培养踏实严谨、求实创新的精神，即对未知领域的好奇、自由想象和探索，利用拥有的知识和分析问题的能力，探索新领域，发现新规律，解决新问题。

3.2 课程结构

面向线上线下各个专业的本科生和研究生，基于拟定的教学理念和课程定位，我们为“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”设计了四大模块（图1）：

图1 “走近诺贝尔化学奖（双语课程）”结构设计

（1）人物传记模块：旨在了解诺贝尔化学奖得主的教育背景、成长环境、获奖年份、获奖原因以及科学家们的故事。

（2）科学成就模块：旨在向学生介绍历届诺贝尔化学奖的获奖原因，重点剖析诺贝尔化学奖的科研水平和学术成就。例如，普里高津的耗散理论、施陶丁格尔的高分子概念、费林加的分子机器、夏普莱斯的手性催化、居里夫人的放射性元素等，通过学习诺贝尔化学奖的学术成就，从而触摸到化学学科的最前沿、最先进的知识和理念。

（3）学术价值模块：在讲述诺贝尔化学奖科学成就的同时，可以随时与学生的课本知识、日常生活或生产实际联系起来。例如，普里高津的耗散理论其实与物理化学中的热力学第二定律密切相关；施陶丁格尔的高分子理论与高分子化学中的原理一脉相承；居里夫人的放射性元素与无机化学中元素的性质紧密关联……通过诺贝尔化学奖与课本知识和生产生活的关联，从而让学生认识到原来诺贝尔化学奖离我们并不遥远，也并不陌生，从而阐述科学成就为科学和人类带来的影响及价值。

（4）精神品格模块：每一个傲人的成绩背后都有一个闪光的名字，每一个闪光的名字背后都有一个动人的故事，每一个动人的故事背后都有一个伟大的人格。这个模块与传统专业课程中以传授技能为目标的教学环节迥然不同，我们旨在开展以课程思政为鲜明特点并以学生为主体的分享活动。由学生分享科学探索在其内心激起的欢乐和喜悦等感知，以及在科学认知过程中所获得的高层次理解能力、想象能力和逻辑思维能力。学生在学习大师成就的同时能够对近百年来的化学发展史和重大创新有新的认识和体会，能够深入感受到学科共通的科学精神，以及科学家们踏实严谨的科学态度、自由开放的合作精神、看待问题解决问题的思路和方法，也为今后自身的学习和工作提供新的思路和启发。

3.3 教学内容

“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”在历年诺贝尔化学奖获奖者中选取经典与前沿的获奖人物，从人物传记、科学成就、学术价值、精神品格四个方面介绍了诺贝尔化学奖获奖者的故事及其科学成果，内容涵盖了近百年来的化学发展史和重大创新。同时，在带领学生走近诺贝尔化学奖的过程中巧妙融合了倡导科学精神的思政教育，体现了从思想领域到科学前沿知识的融合、多学科思维的融合、学科理论与应用产业的融合、跨专业科研成就的融合、英语与中文的融合。课程选取的教学内容既包括经典的诺贝尔化学奖专业知识，又包括最新的高科技获奖内容，具有高阶性、前沿性、专业性。所有诺贝尔化学奖专业知识全部用英文讲述，配合中英文双语字幕，让学生触摸到完整、真实的诺奖得主及科学信息，同时与国际接轨，便于广泛传播和交流。

下面以“第一章 伯纳德·费林加——分子机器的设计与合成”为例，分析如何将科学知识传递和科学精神教育的教学理念融入教学内容。课程开始通过引入 1966年的美国电影“梦幻之旅”的情节，将几个医生缩小并注入受伤的科学家体内，为他进行血管手术并挽救他的生命，从而启发学生思考“你能想象最小机器的部件可能是分子吗”？50年后的今天，人们虽然没有将科幻小说变为现实，但电影的预测思想被许多科学研究所证实。2016年美国科学家伯纳德·费林加因设计和合成了分子机器获得诺贝尔化学奖。学生通过学习费林加的学术成就，剖析分子机器的结构和原理，从而理解掌握分子机器的基本特性和基本应用。费林加及其合作者通过使分子转子叶片不断朝同一方向旋转来构造分子马达：分子马达由两个“刀片”组成，其中一个刀片在紫外线照射下会旋转180度；这种旋转将在连接两个叶片的连接处设置“张力”，使另一个叶片旋转；每个叶片都有一个甲基连接在一起，所以只能朝一个方向旋转。他们能够用分子马达旋转一个28微米长的比马达大10000倍的玻璃圆筒。2011年，他们发明了一种“纳米汽车”，由一个“底盘”和四个用于轮子的分子马达组成，可以在表面上行驶。费林加课题组制造了旋转速度越来越快的分子马达，在 2013年达到顶峰，开发了一种频率为12兆赫的旋转马达。分子马达的发展为构建软机器人、智能材料和分子机器提供了一个良好的起点。他们在分子水平上设计、使用和控制类似马达功能的能力为许多动态分子系统奠定了基础。图2显示了第一代光驱动旋转分子马达和四级旋转循环，旋转运动由光能驱动，显示方向性控制，是一个重复的旋转过程。从“功能合成”开始，他们的重点是通过结合反应性和适应性来编程分子，并能够控制运动。目前，分子马达已经广泛应用在分子信息系统、响应材料、智能表面和涂层、自愈材料、输送系统、精确治疗、自适应催化剂、粗纱传感器、软机器人、纳米能量转换器等领域。未来，分子机器在新材料、传感器、储能系统和精准医疗领域将有更精彩的发现。

图2 第一代光驱动旋转分子马达和四级旋转循环示意图

另外，教学内容的重要环节还包括对于科学精神的引导和总结。费林加教授指出：“探索源于对身边的事物保持好奇心。他谈到自己从小就对身边的环境充满好奇，在不断追问为什么中启发思考，科研探索的根本是学会观察、思考和提问”。当有人问到为什么需要分子马达的时候，他以飞机的发明和使用做比喻，1903年莱特兄弟发明第一架飞机时也不曾预料到100年后的今天飞机被广泛用于交通工具，由此提出“保持好奇心、坚持不懈、刻苦钻研、求实创新”的科学精神。因此，通过从“问题切入→科学知识→学术价值→功能导向”层层推进的教学内容安排，帮助学生认识前沿科学知识、走近大师的科学理念、提高科学涵养、铸造自我的科学价值观和科学精神。

4 教学实践探索

4.1 教学方式

基于前沿广阔的诺贝尔化学奖知识背景和培养学生科学精神的宗旨，本课程的教学方式采用线上线下相结合、基于专题的启发式教学方法和翻转式教学模式。

（1）采用启发式教学：激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学获得所需知识。

（2）采用多媒体课件与视频资料相结合：提高课堂授课的效果，增大授课的信息量，同时辅助以网络课堂教学以巩固课堂授课效果，真正做到线上线下相结合。

（3）采用课堂思考、学生讨论和完成作业相结合，提高学生深入思考、归纳总结的思维能力。

（4）采用翻转式教学：在每一个专题安排两个学生展示的10分钟翻转式教学，以点为基础的延伸和演绎，内容分为研究型（针对已知问题的解释性研究）和探索型（针对未知领域的自由想象）两种，引导学生通过文献查阅、归纳类比和逻辑推理，以及自由想象、理解领悟等得出恰当的结论。

（5）采用中英文相结合的模式，做到双语教学，让学生掌握专业知识的同时学习化学专业英语的用法，为培养国际化的科学技术专业人才奠定基础。

4.2 教学过程

在线上线下混合式教学过程中，包括学生线上自主学习、线下师生互动、疑难问题解答、科学思想讨论等各种教学环节（图3）。在线上教学平台，建设了丰富的学习资源，包括20章节的视频，总时长 228分钟，在线平台的课程资料包括课程介绍、教学大纲、视频文件（含中英文字幕）、课件PPT、中英文讲稿、习题及测验等。

图3 教学实践环节

“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”涵盖的知识面广，线上教学视频和资料库以及线下课堂授课与讨论等为学生提供了从典型人物、具体知识到诺奖获得者学术价值和思想境界不同阶段的思考、延伸和拓展。例如，在介绍“伯纳德·费林加——分子机器的设计与合成”一节中，课程深入浅出地介绍了伯纳德·费林加的获奖原因、研究经历与学术成果。并且，通过这个事例寄语学生：“做科研不要带有过多的功利心，要享受自己当前研究领域的魅力，或许它未来的发展前景会远远超出你的预期”。每节课都是双语、专业与思政的结合，实现思想领域与前沿知识的有机融合。设计制作的20集在线教学视频浓缩了各个专题的亮点、专业知识点和难点解读，涵盖了高分子材料、催化反应、新的元素发现、高分辨成像等不同领域，每集十分钟左右，引导学生了解关键科技信息并自主构建知识框架，观察科学现象和发现科学规律。同时，线上课程内容还包括全部章节的中英文讲稿、PPT课件、习题、热点讨论等，有助于学生课前预习、课后复习，训练综合思考能力及逻辑思维。采用现代化的科技手段和教学平台，利用形象活泼的多媒体动画、内容丰富的短视频、清晰直观的图片等，帮助学生理解抽象的概念，掌握前沿知识，通过驱使好奇心与愉悦感，使线上线下学习成为生动有趣的享受旅程。

4.3 多维度的教学考核

与“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”的教学宗旨和教学目标相呼应，我们采取注重学习过程的多维度测评方式来检验教学效果，即采取了针对不同层次教学目标的定向考评机制。课程考核方式：考勤、课堂交流讨论、平时作业、线上课堂参与度、期中考试和期末考试等。课程成绩评定分为：考勤（5%）、平时线上线下作业（10%）、课堂讨论（10%）、线上课堂参与度（10%）、期中考试（25%）、期末考试（40%）。具体课程考核与评分标准分值分配见表1。

表1 课程考核与评分标准分值分配表

5 教学实践实施效果

“对我来说，真正有印象的是那些化学家的哲学精神，他们对已知的已知提出疑问，对已知的未知发起挑战，最后处于未知的未知……”，来自中南民族大学计算机学院、法学院、化学与材料学院、美术学院等的学生们选修完“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”，对这门通识课程的教学效果及学习体会进行了反馈。“这门课虽然课时不多，但真地很能感受到两位老师的用心，不仅有线下的教学，线上的视频课程也制作精良，老师们说话很有感染力，听她们讲课很有正能量的感觉，除了学习科学知识外，还能获得一些哲学思想”，课后一位学生如此说道。

在防控新冠肺炎期间，“走进诺贝尔化学奖（双语课程）”在中共中央宣传部“学习强国”平台上线，在特殊时期为受众学习者带来了一门融化学前沿知识与科学精神教育为一体的线上课程。该课程目前已在“中国大学慕课网”“超星学习通”“学银在线”“智慧树”课程平台，以及在“学堂在线”国际课程平台上线。

6 总结和展望

理工类大学通识教育课程“走近诺贝尔化学奖（双语课程）”以历年诺贝尔化学奖为突破点并延伸、演绎，深度发现获奖者的科学价值、精神品质和科学变化规律，从古到今，由点到面，引导学生站在更高的学术高度，以更加开阔的视野、更加敏锐的洞察力和更加灵活的思维能力，超越特定专业知识和技能的局限，收获终身受益的学习方法和高尚品德。在全面提高人才培养质量的时代背景下，希望通过大学理工类通识教育课程，树立科学知识与科学精神有机融合的教学理念，着力教育引导青年学生深入领会学科共通的核心素养，科学家踏实严谨的科学态度、自由开放的合作精神等，积极训练看待问题、解决问题的创新思路方法，有助于培养造就具有远大视野、独立思考、坚韧不拔、求实创新品质的新一代科技创新人才。