元素化学“课程思政”教学设计与实践——以碳族元素为例

陈春霞，彭进松，周志强，郭丽

东北林业大学化学化工与资源利用学院，哈尔滨 150040

课程是课程思政建设的“主渠道”。元素化学是无机化学的重要组成部分，也是无机化学的主脉。元素化学的教学内容是人类数百年来认识和改造大自然的智慧结晶，元素知识与人类生产生活紧密关联，蕴含着丰富的思想政治教育元素。元素化学教学体系多以元素周期表中的族为章节进行安排，其中碳族元素属元素化学中的教学重点之一，内容丰富，思政元素多，以碳族元素为例介绍元素化学“课程思政”教学设计与实践具有代表性。碳族属于p区元素，位于元素周期表中的第四主族(IVA)，包括碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)等元素。该族元素经历了一个完整的从典型的非金属元素到典型的金属元素过渡，其中碳、硅属于非金属，锗属于准金属，锡、铅属于金属。碳族元素具有丰富的物化性质，其教学内容广博，与材料、环境、能源、食品、健康等主题和科学前沿紧密关联。以碳族元素为载体，提炼蕴藏在化学知识中的思政教育因子，将专业教学与思政育人有机融合，将显性教育与隐性教育有机融合，形成协同效应，从而更好地实现知识目标、应用目标、素质目标和能力目标等综合目标的达成。

1 融入科技前沿，培养科学创新精神

21世纪，被称为“碳时代”！关于碳单质，除了自然界中原本存在的，科学家们还合成了许多结构不同、性质各异的碳的同素异形体。富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔等的出现，都曾在科研圈掀起过研究热潮，尤其石墨烯堪称能改变世界格局的“世纪新材料之王”。如图1所示，讲解碳元素的单质时，介绍这些新材料的发现过程，并按照杂化方式分类介绍其结构和性能。例如，自然界中天然存在的最坚硬的物质——金刚石为sp3杂化，三维石墨、二维石墨烯、一维碳纳米管和零维富勒烯等为sp2杂化，介绍杂化方式、结构、性能之间的关系，引申出“结构决定性能，内部原因决定外部表现”，暗喻提升自身内在修养是成功的前提和保障。介绍各材料的发现历程中引申出探索精神的重要性。零维富勒烯于1985年在模拟星际尘埃的实验中被“意外”收获[1]，富勒烯的发现者于1996年获诺贝尔化学奖。1991年，研究人员将石墨加热到1200 °C以上，碳环重新排列形成一种两端封闭的管状结构——一维碳纳米管[2]。2008年，碳纳米管的发现者获得被学术界誉为“纳米科技界的诺贝尔奖”的Kavli科学奖。2004年，英国两位物理学家用微机械剥离法成功从石墨中分离出一种由碳原子以sp²杂化形成的六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料——石墨烯[3]。6年之后的2010年，两位科学家被授予诺贝尔物理学奖。石墨烯的发现推翻了所谓“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的原有认知，震撼了整个物理界[4]。石墨烯是目前世上最硬(比钻石还坚硬)、最薄(仅有一个原子层厚)、电阻率最小、几乎完全透明的材料，且具有极好的热稳定性、导热性和化学稳定性[5]。石墨烯优异的物理性质，使与其有关的新闻或者研究成果都受到了人们极大的关注。介绍中国学者在石墨烯研究中的卓越贡献，提高学生的民族自信心。如，2018年22岁的中国“天才少年”曹原因发现石墨烯超导角度轰动国际学界[6,7]，开辟了凝聚态物理研究的新领域，成为Nature杂志创刊以来以第一作者身份发表论文的最年轻的中国学者，位居“2018年度世界十大科学人物”榜首，被称为“石墨烯驾驭者”[8]，并获2021年凝聚态物理领域青年物理学家最高奖(William L.McMillan Award)。sp和sp2混合杂化产生的碳材料家族的新成员——石墨炔，这一原本不存在于自然界中的同素异形体于2010年被中国科学院院士、中科院化学研究所研究员李玉良团队发现[9,10]。2018年，科学家又发现了基于sp2和sp3混合杂化的全新的稳定碳结构碳同素异形体——Protomene[11]。关于碳材料，还可以联系到学生们喜欢的科幻电影如《流浪地球2》，其中有一项吸引了无数影迷目光的“黑科技”——太空电梯，而“太空电梯”的梦想也是基于碳纳米技术的发展[12]。

图1 课堂植入的科技前沿案例

最新科研前沿成果的引入不仅可以让学生对新型碳同素异形体的结构、性能有更全面的掌握，同时拓宽了学生的学科国际视野，培养了学生的科学创新精神，鼓励学生将来在新材料、新技术领域勇于探索，取得更多更大开拓性的突破。

2 融入唯物辩证法与科学认识论，培养学生的辩证思维与科学思维能力

元素化学知识中蕴含着深刻的哲学原理。将唯物辩证法与科学认识论融入到元素化学课堂教学中，培养学生的辩证思维能力、科学思维能力，为其将来在科学工作中更加全面、深刻、科学地认识问题奠定基础。如图2所示，以碳族元素涉及的两个典型例子为载体将唯物辩证法与科学认识论融入课堂教学中。金刚石和石墨同为碳的同素异形体，但性质截然不同。金刚石中的碳为sp3杂化，每个碳原子与其周围4个碳原子以共价键连接形成三维网络结构，所有的价电子都参与了C―C共价键的形成，所以金刚石硬度大、熔点高、不导电。石墨晶体中，碳原子为sp2杂化，每个碳原子以共价键与同一平面中周围的3个碳原子连接形成二维结构，即层状结构，每个碳原子具有一个未参与杂化的含1个电子的p轨道，这些p轨道肩并肩形成离域大π键，因此石墨硬度低、润滑性好、导电。在教学过程中渗透“结构决定性质，性质决定用途”“事务内部结构与外部功能是一对矛盾，它们是对立的，又是统一的，两者具有对立统一的关系，内部结构是内部原因，外部功能是外部表现，外部表现是由内部原因决定的”哲学思想，引导学生辩证地、科学地看待问题，培养其辩证思维与科学思维。石墨和金刚石结构不同，性质各异，各有各的用途。教导学生，人亦如此，各有各的特点，各有各的优点，扬长避短，人人可有作为，正如汉∙司马迁《史记∙高祖本纪》中刘邦曰：“夫运筹帷幄之中，决胜千里之外，吾不如子房；镇国家，抚百姓，给饷馈，不绝粮道，吾不如萧何；连百万之众，战必胜，攻必取，吾不如韩信。”在讲解碳单质石墨和金刚石时，引入石墨转变为金刚石的案例，石墨在一定条件下可以转变成金刚石，实现“稻草变黄金”，实现古人梦寐以求的“点石成金”的梦想，引导学生领悟其中蕴含的哲学道理。在讲述中尤其突出我国科学家在这一领域的贡献[13,14]。

图2 课堂植入的唯物辩证法案例

除了碳的同素异形体间存在相变外，锡的三个同素异形体之间也存在相变。人们所见到的通常是白锡，正方晶系，在13.2–161 °C之间稳定。161 °C以上，白锡转变为斜方晶系的脆锡。温度低于13.2 °C时，白锡开始转变为无定形的灰锡，但转变速度较慢，温度低至-30 °C时，转变速度达到最大值。灰锡先是以分散的小斑点出现在白锡表面，随后斑点逐渐布满整个表面，随之整块锡碎成粉末，这就是所谓的“锡疫”现象。只要碰上灰锡，哪怕是碰上一点点，白锡也会全部转变成灰锡，其中灰锡既是生成物又是催化剂。在讲解锡的相变时引入两个重大历史事件(图2)。一个事件是，1812年法俄战争中拿破仑的惨败竟是锡质纽扣发生“锡疫”所致。另一个事件是，1912年一支探险队去南极考察，其所用的汽油桶是用锡焊接的，在南极的冰天雪地之中，焊锡变成粉末状的灰锡，汽油漏光了，致使燃料短缺，探险队全军覆灭。讲解这些相变过程时引入唯物辩证法的质量互变规律。事物的变化往往是由微小的量变开始并慢慢积累，当这种积累达到一定程度时就会导致事物由一个性质变化到另一个性质(即质变)。通过质量互变规律揭示事物发展的状态，培养学生的辩证科学思维。在讲述中，以学生感兴趣的事件为切入点，引导学生进入课程知识领域，同时使其掌握事件背后的道理。

3 融入爱国主义，培养学生爱国情怀

化学家侯德榜先生及其发明的联合制碱法是构筑课程思政的重要素材(图3)。20世纪初，我国食品制作中使用的纯碱碳酸钠(Na2CO3)完全依赖进口。第一次世界大战爆发后，欧亚交通受阻，我国人民无碱使用，解决纯碱制造受制于人的问题迫在眉睫。侯德榜协助民族实业家范旭东先生创办中国首家制碱企业，发明了联合制碱法，揭开了“索维尔”制碱技术的秘密，砸开了技术封锁的铁链，使制碱技术成为全人类的财富[15]。侯德榜先生用制碱技术开启了中华民族化工工业大厦的构筑。介绍老一辈科学家、实业家的先进事迹，让学生了解、学习他们在艰苦岁月中力学笃行、无私奉献、报效祖国的崇高精神和爱国情操，使学生厚植爱国主义情怀。

图3 课堂植入的爱国主义教育

硅的丰度在所有元素中位居第二，硅产业促进了技术进步、经济发展和人类文明。在硅单质及其化合物的应用中蕴含着丰富的思政元素。硅是典型的具有半导体性质的元素，硅作为半导体电子元件以及光导纤维的原料，被称为信息时代的基石。在讲解单质硅时重点强调半导体硅片是芯片制造的核心材料(图3)。单质硅主要有单晶、多晶以及非晶形态，后两者缺陷多，不能用于芯片制造，唯有高纯的单晶硅可作为芯片的基元材料。讲解关于硅的知识特别是高纯单晶硅的制备时，引入众所周知的“中兴通讯危机事件”、“芯片禁令”、中国芯片产业链被“卡脖子”等案例。既能使学生了解前沿技术，又能教育学生发愤图强、不断创新、坚定理想信念、勇担时代使命，将来为国家破解“卡脖子”技术难题贡献力量，培养学生爱国情怀。

二氧化硅光纤已成为通信系统的基石，在讲解二氧化硅时强调其作为光导纤维原料的重要性(图3)，引入两位重要科学家的案例。“光纤之父”高锟因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出的突破性成就而获得2009年诺贝尔物理学奖。高锟于1966年提出利用高纯度的玻璃(二氧化硅)光纤来传送讯息时，人们认为这简直是天方夜谭。如果当年他因此而放弃研究的话，便没有今天的互联网了。教育学生学习高琨先生永不放弃的科学精神及其作为华裔对祖国的一片赤诚之心。赵梓森是我国光纤通信技术的主要奠基人和公认的开拓者，他“拉出”我国第一根实用型石英(二氧化硅)光纤，建成了我国第一条光缆通信工程和连通全国的光纤通信线路，为我国光纤通信接近或达到国际先进水平做出了杰出贡献，被誉为“中国光纤之父”。从20世纪70年代，赵梓森便怀着振兴民族通信事业的梦想，为我国光通信事业的飞速发展作出了巨大贡献[16]。

在讲解硅酸盐时以世界最长的跨海大桥——港珠澳大桥作为导入(图3)。港珠澳大桥全长55公里，傲然跨越伶仃洋，被外媒评为“世界新七大奇迹”之一，共计使用水泥198万吨[17]。港珠澳大桥堪称施工难度最大的跨海桥梁项目，高温、高湿、多盐的海洋环境对混凝土的抗海水渗透性、耐腐蚀性等方面有着极高的要求。强调我国自主研发的高性能硅酸盐水泥成就这个超级工程，培养学生的道路自信、理论自信、制度自信、文化自信。

4 融入新时代中国“双碳”故事，培养学生生态文明思想

在讲解二氧化碳时，引入我国的“双碳”战略目标(图4)。国家主席习近平于2020年9月22日在第七十五届联合国大会一般性辩论上向全世界郑重宣布——“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[18]。实现碳达峰、碳中和，是新时代我国的重大战略决策，事关中华民族永续发展和人类命运共同体的构建。随着“碳达峰”“碳中和”写入政府工作报告[19–21]，2021年被称为中国的“碳中和”元年。各地区各部门深入贯彻习近平生态文明思想，贯彻习近平总书记重要讲话和指示批示精神，认真贯彻党中央、国务院决策部署，扎实推进各项任务，“双碳”工作实现了良好开局。这些行动充分彰显中国言必信、行必果的大国担当。

图4 课堂植入的中国“双碳”故事

“双碳”战略目标是我国向国际社会做出的庄严承诺，彰显了中国积极应对气候变化、走绿色低碳发展道路、推动全人类共同发展的坚定决心。实现这个目标，中国需要付出极其艰巨的努力。让学生认识到，“双碳”战略与我们每一个人都有关，尤其青少年是未来碳中和世界的主人，也是落实“双碳”目标的生力军。用习近平总书记在考察清华大学时的讲话[22]“当代中国青年是与新时代同向同行、共同前进的一代，生逢盛世，肩负重任”来加强对学生的“双碳”教育。降低碳排放，引导绿色技术创新，有效利用二氧化碳，使之通过化学反应转化为可利用的资源，引入科学文献，教导学生作为化学工作者要为“双碳”目标的实现贡献力量[23,24]。通过讲解，提高学生绿色发展意识、培养生态文明思想。

5 融入化学元素发现史，培养学生探索精神

锗是碳族元素中的准金属元素，是地壳中最分散的元素之一。锗发现得较晚，并且其发现过程历经艰难曲折(图5)。1871年，门捷列夫在元素周期表中留下了有待于填补的空白，预言了三种未知元素，其中有一种称之为“类硅”。1885年，德国夫顿堡矿业学院矿物学教授威斯巴赫(A.Weisbach)发现一种新矿石，邀请同校的文克勒(Winkler)做定量分析。经过分析后，文克勒得出了矿石中含有一种新元素的结论。经过大量的分析工作，最终发现新元素恰巧是伟大化学家门捷列夫预言的“类硅”元素。实验数据与门捷列夫的预言惊人的一致，引起了科学界的轰动。此时，他没有忘记养育他的祖国，给新元素取名为“GERMANIUM”，以此歌颂他的祖国德意志[25]。

图5 课堂植入的化学元素发现史

直到21世纪40年代末，锗元素才开始真正大放异彩。可以说锗是元素中的隐士，从隐士到明星的机遇来自半导体技术的发展。锗是主要的半导体材料之一，在光纤通信、红外光学、半导体、航空航天、太阳能电池、化学催化剂和生物医学等领域都有广泛而重要的应用，是一种重要的战略资源。

化学元素的发现史是科学家不屈不挠的创新探索过程。每一种元素的发现无不倾注了许许多多科学家毕生的心血。正是他们的辛勤探索和无私奉献，使人们逐步认识了奥妙无穷的自然界，使人类由自然界的奴隶变成了主人。通过对锗元素的发现认识，培养学生永不放弃、不屈不挠的科学探索精神。

6 融入科学伦理道德，帮助学生树立正确的职业观

碳族元素中的铅是人类最早使用的金属之一，在很多领域具有不可替代的重要应用。铅及其化合物对人体有较大的毒性，并可在人体内积累。铅元素极易侵入人体神经中枢，影响人体神经、心血管、骨骼、生殖等系统。国内外报道的铅中毒事件屡见不鲜。

爱因斯坦说过，“科学家和工程师担负着特别沉重的道义责任。”教学中对比引入两位“铅领域”的科学家事迹事件，教育学生树立正确的科学伦理观和职业道德观(图6)。小托马斯∙米奇利(Midgley Thomas，Jr)发明了四乙基铅作为汽车抗爆剂，给人类带来了巨大的物质利益，但铅随着汽车尾气排放到大气中成为20世纪人类面临的最大的生存危机之一。实际上，在测试研发过程中，米奇利已经发现铅的巨大危害，他的工作人员在生产四乙基铅时有过中毒死亡的先例。可由于四乙基铅蕴藏的利益太大，米奇利最终还是将这项发明推向了市场。为了消除大家的疑虑，他无论是对客户介绍还是在产品说明书上，全部统一口径，只说“乙基”不说“铅”，甚至动用一切手段打压人们对其危害的质疑。小托马斯∙米奇利的两大杰作——四乙基铅和氟利昂都曾风光一时，创造了难以计数的物质财富。但这两项发明的应用对人类健康和环境有着巨大的破坏作用。其本人也因此被称为“地球历史上对大气影响最大的个体生物”“历史上杀戮最多的个体”和“几乎毁灭地球的男人”[26]。测定地球年龄的反铅斗士克莱尔∙帕特森(Clair C.Patterson)通过长时间坚持不懈的抗争，终于迫使汽车工业巨头停止使用含铅抗爆剂，在某种意义上拯救了整个人类，被称为20世纪影响最大的地质学家。科学本身是无从选择利益和良知的，但是科学家可以。

图6 课堂植入的专业伦理道德教育

科学技术推动着人类文明进步，甚至成为了第一生产力，但在某些特定的条件下，科学技术也可能带来负面的影响。教导学生树立正确的科学伦理观和职业道德观，应用好科学技术这把“双刃剑”，在进行科学研究和技术创新的过程中辩证地看待问题，在积极发展科学技术的同时考虑其可能会产生的负面影响，使科学技术更好地服务于人类。

7 结语

课程承载思政，思政寓于课程。深入挖掘课程蕴含的思政教育元素，充分发挥课程承载的思政教育功能，构建全员、全程、全课程育人的大思政教育体系，寓思政教育于知识传授中，立德树人润物无声，实现“知识传授”和“价值引领”同步提升。积极探索课程思政建设路径具有重要意义。本文以碳族元素为例的课程思政建设教学设计与实践具有一定的借鉴意义。