計算化學實驗中課程思政的案例設計

李巍 王欣 丁迅雷

[摘 要] 為了深入貫徹落實習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上的重要講話精神，實現(xiàn)思想政治理論課與各類課程同向同行、協(xié)同育人，通過三個不同案例的理論知識點分別與我國化學史、我國科學家顯著性的研究成果及教師本人的研究成果相結合，探討了計算化學實驗中思想政治的引入方式。專業(yè)理論知識和思想政治內容的完美結合，提高了學生對專業(yè)課的學習熱情，培養(yǎng)了學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感，同時能夠使學生更加明確目標，對未來人生進行長遠規(guī)劃。

[關鍵詞] 課程思政;計算化學實驗;協(xié)同育人;探索未知;規(guī)劃人生

[基金項目] 2020年度華北電力大學數(shù)理學院課程思政示范課項目

[作者簡介] 李 巍（1987—），女（滿族），河北承德人，博士，華北電力大學數(shù)理學院講師，主要從事理論計算化學和團簇化學研究;丁迅雷（1980—），男，安徽無為人，博士，華北電力大學數(shù)理學院教授（通信作者），主要從事理論與計算化學和團簇物理化學研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）51-0129-04? ? [收稿日期] 2021-04-12

一、引言

計算化學是利用量子力學理論，以物理、數(shù)學、計算機為工具來解決化學中實際問題的學科。最早的計算化學是對H2+離子[1]以及H2分子[2]的計算。計算化學逐漸發(fā)展成為一門獨立的，與化學其他分支學科相互滲透，廣泛應用于分子結構與性質、化學鍵理論、化學反應、功能材料和生物大分子等領域的新興學科[3-6]。

對于這樣新興的特殊學科，掌握其理論知識和實驗技能對本科生深入理解化學、物理、計算機等領域的基礎知識是至關重要的。針對不同知識背景的本科生，采用何種教學方式是一個值得深入思考的問題。根據(jù)習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神[7]，參考中央辦公廳、國務院辦公廳《關于深化新時代學校思想政治理論課改革創(chuàng)新的若干意見》和教育部2020年下發(fā)的《高等學校課程思政建設指導綱要》[8]等重要文件指示，我們在傳授“計算化學實驗”基本理論、概念、技巧時，融入我國化學史、我國科學家在此領域所做出的貢獻，以及教師本人的研究成果，把書本中固定式的素材與科學研究成果相結合、科學史案例與教師的研究經歷并舉，將課程與思想政治無縫銜接、巧妙融合，這樣不僅有助于學生快速掌握計算化學相關的基本概念、理論、計算程序的操作和技巧，而且訓練了學生自主學習的能力，解決了科學問題的態(tài)度和方法，更主要的是潛移默化地影響了學生，要以我國科學家為榜樣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提升家國情懷和社會責任感，樹立正確的人生觀和價值觀，為實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢貢獻自己的力量。

二、案例設計

計算化學課堂中引入思想政治元素是需要技巧的，不能生搬硬套，牽強附會。在引入的過程中，并不能簡單地、直接地把思想政治課的內容搬到課堂中，而是要靈活處理，根據(jù)教學內容、教學情境自然融入，避免思想政治課和專業(yè)課“兩張皮”的現(xiàn)象。課程與思想政治，不應該是物理相加，而應該是化學反應。課程里引入的思想政治內容，不但不能讓學生感到唐突，而且能使其產生情感共鳴，使學生自然而然地接受，達到“潤物無聲、潛移默化”的效果，這樣才符合習近平總書記提出的守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應[9]。計算化學這門課面對的學生主要是物理專業(yè)的本科生，怎樣把計算化學實驗這門課的理論知識和學生掌握的物理知識很好的銜接，又能引入思想政治元素，是我們關注的重點。下面分別用三個案例介紹我們的課程設計。

（一）課程認知與我國化學史結合

1.學習目標：讓學生能夠接受計算化學這門課程，了解這并不是一門新的學科，而是在量子力學、原子分子物理等理論基礎上產生的一門實踐學科，為后續(xù)課程的學習奠定心理基礎。

2.思政目標：以學生熟悉的物理科學家和這些科學家的貢獻作為突破口，了解計算化學這門課程及這一學術領域的譜系，傳承老一輩科學家的科學精神、科學技術、科學知識及科學文化，促進科技手段的代代更新和理論的代代精進。

3.教學素材：家族會有家譜，同樣在學術界也存在學術譜系，學術譜系的存在對于科學精神、科學技術的傳承起著至關重要的作用。

1927年，第五屆索爾維會議在比利時首都布魯塞爾召開，會議結束后，與會代表進行了合影留念，留下了一張非常珍貴的照片，照片里的每一個人取得的科學成就都對世界產生了深遠的影響。他們包括：相對論的創(chuàng)始人愛因斯坦、量子力學之父普朗克、為經典物理學和現(xiàn)代物理學的發(fā)展起到了承上啟下作用的科學巨匠洛倫茲、發(fā)現(xiàn)鐳和釙元素的居里夫人、量子力學的奠基人薛定諤、測不準原理的提出者海森堡、哥本哈根學派的創(chuàng)始人玻爾，以及物質波的提出者德布羅意等著名科學家。物理專業(yè)的學生對這些科學家應該都是非常熟悉的，但是這些科學家之間的淵源，學生們可能不是很熟悉。這些科學家或為同門或為師生，比如索末菲是德拜、泡利、海森堡的老師，而愛因斯坦的老師閔可夫斯基和索末菲是同門師兄弟;郎之萬、布拉格、玻爾、馬克斯·玻恩、威爾遜和理查德森都出自湯普森門下，而郎之萬是布里淵和德布羅意的老師，理查德森又是康普頓的老師。

我國的計算量子化學領域也有著深厚的學術譜系。首先一定要提的是唐敖慶和他的八大弟子。這幾位學者，不僅每個人在理論化學領域有所建樹，而且其門人絕對占據(jù)當今中國理論化學界的半壁江山。唐敖慶，中國第一代理論化學家，師從Halford，就讀于哥倫比亞大學，畢業(yè)后放棄了國外優(yōu)越的條件，克服重重阻礙，于1950年初回到祖國，先任教于北京大學，后調任東北人民大學（今吉林大學），并組建化學系，親自教授了幾十屆本科生和研究生。1963—1965年，唐敖慶在吉林大學舉辦了物質結構（高級）學術討論班，為中國理論化學界培養(yǎng)了一大批棟梁之材，其中就包括唐先生的“八大弟子”，他們分別是吉林大學的孫家鐘和江元生、北京師范大學的劉若莊、山東大學的鄧從豪、廈門大學的張乾二，以及著名的理論化學家和教育家、四川大學的鄢國森、古正，云南大學的戴樹珊[ 10 ]。正是這些老一輩科學家艱苦奮斗打下的堅實基礎，以及一代代科學家的傳承和發(fā)展，才使得我國在計算化學領域處于世界先進行列，為我國在材料、化工、催化等方面的經濟建設奠定了堅實的理論基礎。

（二）團簇結構的表征與我國科學家研究成果結合

1.學習目標：學會利用計算化學的方法表征團簇結構，了解團簇結構表征在科學研究領域中的重要應用。

2.思政目標：通過了解我國科學家在團簇結構表征方面做出的杰出貢獻，提升學生的民族自尊心、自信心和自豪感，培養(yǎng)學生自覺承擔國家科技發(fā)展的責任意識，啟迪學生的未來職業(yè)規(guī)劃。

3.教學素材：（1）最小水滴由幾個水分子構成呢？自然界的水不是以單一水分子（H2O）的形式存在的，而是由水分子團簇構成的，水分子團簇是由若干水分子通過氫鍵作用聚合在一起形成的，那么一個最小的水滴是由幾個水分子構成的團簇呢？中國科學院大連化學物理研究所的江凌研究員和楊學明院士團隊采用大連相干光源中性團簇紅外光譜實驗裝置，發(fā)現(xiàn)了5個水分子團簇（H2O）5的紅外譜圖，具有三維立體水團簇結構的特征峰。隨后清華大學的李雋團隊采用高精度的量子化學理論計算方法，計算了水團簇的各種穩(wěn)定結構，并與實驗得到的紅外光譜進行了對照，理論與實驗相結合證實了水分子五聚體團簇已經開始呈現(xiàn)體相水的結構特征和光譜特征[ 11 ]。（2）冰的一個晶胞由幾個水分子構成，是什么形狀的？上述課題組采用相同的方式經過研究得出：水分子八聚體團簇的各種穩(wěn)定結構和紅外光譜，理論結果與實驗結果相結合，說明最小冰立方是由8個水分子組成。研究還表明了水分子八聚體存在5個穩(wěn)定的立方體結構，這些立方體結構中的水分子均以三配位的方式結合在立方體的頂角上[ 12 ]。這些新的研究成果改寫了人們對最小水滴及冰的晶胞的傳統(tǒng)認知。我國科學家在科學前沿領域不斷進取，解決了一個個科學難題，突破了一項項關鍵技術，解決了多項瓶頸問題，科技創(chuàng)新水平和能力不斷提高，正在逐步走向世界科學研究的前列。

（三）反應勢能面的計算與教師本人科研成果結合

1.學習目標：學會利用計算化學的方法進行過渡態(tài)的搜索和勢能面的計算，得到化學反應熱力學、動力學信息及微觀機理。

2.思政目標：以教師本人的研究工作作為素材，帶領學生領悟知識的產生和更新的真諦。轉變學生思維，使其會學習，為將來的科研工作打牢基礎。

3.教學素材：隨著社會的發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，大氣中小分子的含量變化影響著大氣圈與生物圈原有的平衡，威脅人類的生存環(huán)境，而這些小分子通過化學轉化有可能成為人類需要的資源。因此，無論從環(huán)境保護還是資源利用方面，小分子的活化轉化都具有重大的意義。然而含量豐富的小分子，像CH4、CO2、N2等的活化轉化常常需要高溫、高壓、強酸、強堿等苛刻條件，在這樣的情況下，如何在溫和條件（尤其是常溫常壓）下實現(xiàn)小分子的吸附和轉化是一個極具挑戰(zhàn)性的科學問題。大量的研究表明，采用催化體系來克服反應動力學的能壘是小分子活化的有效途徑，因此尋找有效的催化體系變得十分重要。我們采用激光濺射—離子阱反應質譜和理論計算相結合的方法對比研究了同一周期的幾種過渡金屬離子（Os+，Ir+，Pt+和Au+）催化甲烷和乙炔的偶聯(lián)反應。研究表明，Os+在常溫下可以介導甲烷和乙炔在偶聯(lián)過程中進行C/C交換，從而影響主反應的反應速率，并提出了關于有機小分子偶聯(lián)反應中C/C交換的反應機理：當偶聯(lián)過程中的中間體存在兩個對稱的碳原子，即兩個碳原子處于相同的化學環(huán)境，且交換反應同時在動力學上有優(yōu)勢時，這兩個碳原子就會發(fā)生交換，而這種C/C交換在化學反應中是不容忽視的[ 13 ]。這個工作被作為內封面發(fā)表在權威期刊上，受到了國內外同行的廣泛關注。以此激勵學生勤動腦、肯鉆研，抓住重要科學問題深入探索，培養(yǎng)學生的科學精神。

三、結語

為了響應國家號召，把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，針對計算化學實驗這門交叉學科課程，我們將課程認知與我國化學史、團簇結構的表征，以及我國科學家的顯著性研究成果、反應勢能面的計算與教師本人科研成果相互融合，使得課程教學更加生動，課堂氛圍更加活躍，思想政治觀念隨之深入人心。課程思政與專業(yè)課有機統(tǒng)一，不僅可以幫助學生快速、牢固地掌握專業(yè)知識，養(yǎng)成良好的學習習慣，堅定專業(yè)理想信念，還培養(yǎng)了學生的科學熱情，提高了科研創(chuàng)新意識，有助于學生樹立遠大理想，為解決國內現(xiàn)存的“卡脖子”問題做出貢獻。

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[8]教育部關于印發(fā)《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知[EB/OL].（2020-05-28）[2021-04-02].http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/06/content_5517606.htm.

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