党的十八大以来，课程思政已成为与思政课程同向同行、协同育人的重要教学理念，在高校思想政治工作中的地位和作用日益增强^[1]。“立德树人”作为教育最根本的任务和目标已形成广泛共识，深挖思政教育元素、将思政教育功能融入课堂教学各环节，全力推动以课程思政为目标的课堂教学改革，已成为众多高校教师努力追求的教学目标^[2,3]。结构化学是大学化学类各本科专业的主干基础课程之一，是连接基础化学与高等化学的阶梯，在化学专业课程体系中占有重要地位^[4–7]。该课程以量子力学基本原理为基础，描述原子、分子和晶体结构的基本概念、基础理论和基本方法，揭示物质微观结构与其宏观性能之间的内在联系。量子力学的诞生和发展、量子力学基本原理在化学中的应用、物质结构及其性能之间的内在联系等无不蕴含着丰富的辩证唯物主义思想，许多重大发明和发现均是唯物主义和唯心主义、辩证法和形而上学激烈斗争的结果。因此，在结构化学教学中，深挖课程思政元素，对学生进行辩证唯物主义教育，是充分发挥该课程育德功能的重要途径^[8]。

本文结合结构化学教学内容，凝练几个案例，探讨唯物辩证法基本原理^[9]在教学中的应用，旨在引导学生树立科学的世界观和方法论，引导学生以物质的客观实在性为原则，擅于运用辩证唯物主义思想探索科学问题，勇于猜想、敢于质疑，不断提高分析问题和解决问题的能力。

“对立统一”和“否定之否定”规律是辩证唯物主义的核心内容，对立统一规律强调任何事物的内部和事物之间都包含矛盾的两个方面，矛盾的双方既对立又统一；否定之否定规律则认为事物自我发展的过程是事物内部肯定和否定两方面矛盾斗争的结果，事物在“扬弃”中螺旋式向前发展。量子力学是研究微观粒子运动规律的学科，其诞生和发展是充满矛盾和斗争的过程。量子力学的诞生始于人们对光和微观粒子内禀属性的认识，其中辩证唯物主义哲学思想发挥了重要的指导作用，是推动量子力学发展的源动力。

关于光的本性，牛顿的“微粒说”和惠更斯的“波动说”，构成了光的两个基本理论^[10]。1655年，意大利数学家格里马第(Francesco Maria Grimaldi)最早基于光的衍射现象提出了光的波动说。1666年，牛顿(Isaac Newton)基于其分光实验建立了光的微粒说，认为光是由微粒组成的。由于牛顿的学术权威和盛名，光的微粒说暂时占据了主导地位，波动说暂时被否定。后来，与牛顿同时代的科学家，惠更斯(Christian Huygens)进一步发展了光的波动说，合理解释了光的反射、折射现象，此时牛顿的粒子说受到挑战和质疑，波动说又占了上风。1873年，麦克斯韦(James Clerk Maxwell)完成划时代巨著《电磁学理论》，将光和电磁现象统一，认为光是一种电磁波，进一步确立了光的波动说地位。1905年，爱因斯坦(Albert Einstein)的著名光电效应实验，使波动说又遇到了困难，爱因斯坦在普朗克(Max Planck)能量量子化的基础上，提出了“光子说”，强调光的粒子性。经历了“否定之否定”之后的爱因斯坦光子学说中的“光子”完全不同于牛顿“微粒说”中的经典粒子，光子是具有波动性的粒子。至此，人们对光的认识提高到一个新的高度，充分认识到，光具有波粒二象性，既不是纯粹的粒子也非纯粹的电磁波，波粒二象性是一个事物的两个方面，二者既对立又统一，在不同情况下光表现出不同的性质。如(1)式所示，描述光子“粒子性”的物理量(动量p)与描述其“波动性”的物理量(波长λ)通过普朗克常数(h)相联系。

(1)$ p = \frac{h}{\lambda } $

从17世纪初至20世纪初，关于光的本质的争议长达三百多年之久，光的“微粒说”和“波动说”，各从一个侧面解释光的性质，其基本论点是对立的，存在不相容的尖锐矛盾。人们对光的认识所经历的多次“否定之否定”过程，是事物内部矛盾双方反复斗争的结果，反映了事物发展的曲折性和前进性的统一，体现了辩证唯物主义思想对于认识事物本质的重要性。光是把粒子性和波动性有机结合在一起的矛盾统一体，光子学说用辩证法的思想考虑问题，强调一个事物的两个方面，既注重光的波动性又强调光的粒子性，二者既对立又统一，“粒子性”和“波动性”虽具有不同属性，但和谐共存于一个整体内部，二者统一为光的波粒二象性。

类似地，人们对于微观基本粒子内禀属性的认识，也是人们用辩证唯物主义思想认识世界、改造世界的又一例证。德布罗意(de Broglie)受光的波粒二象性启发，猜想人们对实物粒子的认识，犯了与对光的认识相反的错误，即过于强调微观实物粒子的“粒子性”、忽略了其“波动性”。由此，德布罗意在1923年提出了微观实物粒子的“波粒二象性”，波动性与粒子性通过(1)式相联系。1927年，戴维孙(Davisson)-革末(Germer)的电子衍射实验证明了德布罗意提出的“物质波”。

微观实物粒子波粒二象性的概念奠定了量子力学诞生的基础，在哲学领域也有重要影响，其所蕴含的丰富的辩证法思想有助于启迪学生树立科学的世界观和方法论。

唯物辩证法认为，事物之间和事物内部诸要素之间相互影响、相互关联、相互制约，构成普遍联系的有机整体，一切事物都处在普遍联系之中。联系具有普遍性、客观性、多样性，唯物辩证法主张用联系的观点看问题，反对形而上学的孤立观点。宏观物体与微观基本粒子是一个事物的两个方面，宏观物体以微观粒子为基础，微观基本粒子是构成宏观物体的基本元素。微观基本粒子的运动服从量子力学，充满不确定性，但由微观粒子组成的宏观物体，其运动规律满足牛顿力学，具有确定性。微观层次的不确定性和宏观层次的确定性，反映了微观粒子和宏观物体具有本质不同的运动规律，但二者统一为物质，物质之间必有一定的内在联系。

结构化学的教学内容，可以挖掘多处体现微观基本粒子与宏观物体之间内在联系的实例，略举实例如下：

(1) 微观基本粒子与宏观物体运动规律的比较。

以电子为例描述微观基本粒子的运动，电子质量为$m{\text{ = }}9.1{\text{ }} \times {\text{ }}{10^{ - 31}}{\text{ kg}}$，如其运动速度为$\upsilon {\text{ = }}{10^6}$m∙s⁻¹，假定其速度的不确定度为其速度的10%，则电子的德布罗意波长为：

$ \lambda {\text{ = }}\frac{h}{p}{\text{ }} = {\text{ }}\frac{h}{{m\upsilon }}{\text{ }} = {\text{ }}\frac{{6.626{\text{ }} \times {\text{ }}{{10}^{ - 34}}}}{{9.1{\text{ }} \times {\text{ }}{{10}^{ - 31}}{\text{ }} \times {\text{ }}{{10}^6}}}{\text{ = 7}}{\text{.28 }} \times {\text{ }}{10^{ - 10}}{\text{ m = 7}}{\text{.28 }} \times {\text{ }}{10^2}{\text{ pm}} $

根据测不准原理，电子位置(坐标)的不确定度为：

$ \begin{array}{l} \Delta x{\text{ = }}\frac{1}{2}{\text{ }} \times {\text{ }}\frac{h}{{\Delta {P_x}}}{\text{ }} = {\text{ }}\frac{1}{2}{\text{ }} \times {\text{ }}\frac{h}{{m\Delta \upsilon }}{\text{ = }}\frac{{6.626{\text{ }} \times {\text{ }}{{10}^{ - 34}}}}{{2{\text{ }} \times {\text{ }}9.1{\text{ }} \times {\text{ }}{{10}^{ - 31}}{\text{ }} \times {\text{ }}{{10}^6}{\text{ }} \times {\text{ }}10{\text{% }}}}{\text{ }} \\ \;\;\;\;\;{\text{ = 3}}{\text{.64 }} \times {\text{ }}{10^{ - 9}}{\text{ m = 3}}{\text{.64 }} \times {\text{ }}{10^3}{\text{ pm}} \\ \end{array} $

显然，电子运动呈现显著波动性特征，即波粒二象性是微观基本粒子的内禀属性，测不准关系是其内禀属性的体现。

当描述微观基本粒子的物理量演变到一定程度，过渡到宏观物体时，则运动规律会有本质的改变。以子弹的运动为例，设子弹质量为0.01 kg，运动速度为1000 m∙s⁻¹，同样假定子弹运动速度的不确定度为其速度的10%，则有：

$ \lambda {\text{ = }}\frac{h}{p}{\text{ = }}\frac{h}{{m\upsilon }}{\text{ = }}\frac{{6.626 \times {{10}^{ - 34}}}}{{0.01 \times 1000}}{\text{ = }}6.626{\text{ }} \times {\text{ }}{10^{ - 35}}{\text{ m = }}6.626{\text{ }} \times {\text{ }}{10^{ - 23}}{\text{ pm}} $

$ \begin{array}{l} \Delta x{\text{ = }}\frac{1}{2}{\text{ }} \times {\text{ }}\frac{h}{{\Delta {P_x}}}{\text{ = }}\frac{1}{2}{\text{ }} \times {\text{ }}\frac{h}{{m\Delta \upsilon }}{\text{ = }}\frac{1}{2}{\text{ }} \times {\text{ }}\frac{{6.626{\text{ }} \times {\text{ }}{{10}^{ - 34}}}}{{0.01{\text{ }} \times {\text{ }}1000{\text{ }} \times {\text{ }}10{\text{% }}}}{\text{ }} \\ \;\;\;\;\;{\text{ = }}3.313{\text{ }} \times {\text{ }}{10^{ - 34}}{\text{m = }}3.313{\text{ }} \times {\text{ }}{10^{ - 22}}{\text{pm}} \\ \end{array} $

这表明子弹的波动性和其位置的不确定度与子弹本身的大小相比可忽略不计，不受波粒二象性和测不准原理的限制，即波粒二象性导致的测不准关系对于宏观物体没有实际意义。这表明宏观物体和微观粒子并不是截然孤立的事物，而是微观粒子的不确定性对于宏观物体而言，完全可以忽略不计。

(2) 箱中粒子的能级差。

势箱中的粒子是结构化学教材中描述微观基本粒子运动第一个实例^[4–7]，通过薛定谔方程的求解，得到一维势箱中粒子的能级表达式为：

(2)$ {E_n} = \frac{{{n^2}{h^2}}}{{8m{a^2}}}\;\;\;\;n = 1,{\text{ }}2,{\text{ }} \cdots {\text{ }} $

其中，m为粒子质量，a为箱子长度，n为量子数。由量子数的取值自然得到粒子的能级是分立的，呈量子化分布。

由(2)式，可计算相邻两个能级之间的能级差：

(3)$ \Delta {E_n} = {E_{n + 1}} - {E_n}{\text{ = }}\frac{{{{(n + 1)}^2}{h^2}}}{{8m{a^2}}} - \frac{{{n^2}{h^2}}}{{8m{a^2}}}{\text{ }} = \frac{{(2n + 1){h^2}}}{{8m{a^2}}} $

由(3)式可以看出，箱中粒子的能级差随粒子质量和箱子长度的增大而减小，当粒子质量和箱子长度“量变”到一定程度，演化到宏观物体，则能级差将变得非常小，粒子能级将呈现连续变化，微观粒子的量子化特征消失，量子力学还原到经典力学。因此，从微观基本粒子到宏观物体，其运动规律的本质变化，体现了微观基本粒子与宏观物体之间存在有机联系，二者统一为物质，必须用辩证唯物主义联系的观点、发展变化的观点理解其运动规律的演变。

二分法以矛盾为对象，运用一分为二的观点进行辩证思维；系统法是以系统观为依据，着重从整体性、关联性、最优性等方面进行的思维方法。二分法与系统法相结合是马克思主义辩证思维的重要方法。价键理论(valence bond theory)和分子轨道理论(molecular orbital theory)是理解物质结构与性能的两种基本理论方法^[10,11]。价键理论的核心思想是原子间相互接近、成单价电子的轨道通过最大重叠使电子配对形成共价键，体系能量降低，形成稳定分子。分子轨道理论着重于分子的整体性，提出分子轨道的概念，把分子中的每个电子看做在所有核与所有电子所形成的势场中运动。

价键理论和分子轨道理论是现代化学键理论的基石，是理解分子结构的基本工具。价键理论立足于成键原子间成单电子的相互配对，模型直观、易于理解，结合杂化轨道理论可以圆满解释分子的几何构型，但由于其只考虑了原子价层轨道对成键的影响，并且认为成键电子对仅在成键原子间运动，忽略了电子运动的离域特征，因此存在明显的局限性，如不能解释一些分子的磁性以及单电子键和三电子键等化学键的存在。分子轨道理论基于原子轨道的线性组合构造分子轨道，强调电子的离域性，弥补了价键理论的一些不足，可以成功解释价键理论不能解释的一些问题(如O₂的顺磁性)，但由于过分强调了电子的离域特征，致使对相邻原子间成键的概念不够直观，对于解释分子的构型不如价键理论清晰。因此，在具体应用时，应注意使用辩证唯物主义二分法和系统法的思维方式考虑问题，正确理解价键理论与分子轨道理论方法的精髓和局限性，弄清它们的本质区别和相互联系。

下面以H₂为例，分析价键理论和分子轨道理论的具体应用，强调二分法与系统法相结合的辩证思维方式。

用a、b分别表示H₂分子的两个核，${\varphi _{\text{a}}}$和${\varphi _{\text{b}}}$分别表示中心在a核和b核的原子轨道，最简单的情况${\varphi _{\text{a}}}$和${\varphi _{\text{b}}}$均为H原子的1s轨道。

根据价键理论，H₂分子基态波函数(海特勒-伦敦波函数)为：

(4)$ {\psi _{{\text{VB}}}}{\text{ = }}{\varphi _{\text{a}}}(1){\varphi _{\text{b}}}(2) + {\varphi _{\text{a}}}(2){\varphi _{\text{b}}}(1) $

而在分子轨道理论框架下，则将H₂分子基态波函数表示为：

(5)$ {\psi _{{\text{MO}}}} = [{\varphi _{\text{a}}}(1) + {\varphi _{\text{b}}}(1)][{\varphi _{\text{a}}}(2) + {\varphi _{\text{b}}}(2)] $

将(5)式展开，进一步表达为：

(6)$ {\psi _{{\text{MO}}}} = {\varphi _{\text{a}}}(1){\varphi _{\text{a}}}(2) + {\varphi _{\text{b}}}(1){\varphi _{\text{b}}}(2){\text{ + }}{\varphi _{\text{a}}}(1){\varphi _{\text{b}}}(2) + {\varphi _{\text{b}}}(1){\varphi _{\text{a}}}(2) $

(6)式中前两项描述两个电子在同一中心(a核或b核)运动，相当于描述$ {\text{H}}_{\text{a}}^ - {\text{H}}_{\text{b}}^ + $或$ {\text{H}}_{\text{a}}^ + {\text{H}}_{\text{b}}^ - $的状态，称其为离子项；后两项描述两个电子既在a核运动、又在b核运动，相当于每个电子等同地出现在两个核附近，称为共价项。由(6)式看出，离子项和共价项的贡献各占50%，即分子轨道理论认为H₂解离为2个氢原子的几率等同于解离为质子和氢负离子的几率，而实际上前者的机率远远超过后者，表明分子轨道理论过估了离子项的贡献。

另一方面，基态H₂分子价键波函数，(4)式，对应(6)式中的后两项，即价键理论仅考虑了共价项的贡献，完全忽略了离子项的贡献。因此，H₂的价键波函数(海特勒-伦敦波函数)走向了与分子轨道法相反的另一个极端。两种理论方法对H₂的简单处理均蕴含合理的科学思想，但也各有局限性，因此，应坚持用辩证唯物主义二分法客观评判两种理论方法，并用系统法关联两种方法，探讨进一步改进上述简单处理的措施。

(4)式和(6)式对H₂分子的处理均过于简单，对前者的改进需要增加离子项的贡献，而对后者的改进需要减小离子项的贡献。这样，系统考虑价键理论和分子轨道理论对H₂简单处理的不足之处，可将(4)式和(6)式统一改进为：

(7)$ \psi = \delta [{\varphi _{\text{a}}}(1){\varphi _{\text{a}}}(2) + {\varphi _{\text{b}}}(1){\varphi _{\text{b}}}(2)] + {\varphi _{\text{a}}}(1){\varphi _{\text{b}}}(2) + {\varphi _{\text{b}}}(1){\varphi _{\text{a}}}(2) $

式中$ \delta $表示离子项相对于共价项所占的权重，从上述讨论可知，$ 0 < \delta < 1 $。显然，(7)式是系统考虑价键理论和分子轨道理论的科学思想，对H₂的改进处理，充分体现了矛盾分析法(二分法)的辩证思维方式。

现象与本质是唯物辩证法的一对基本范畴，现象指事物的表面特征和外部联系，本质指事物的根本性质和内部联系。现象与本质存在对立统一关系，现象是本质的表现，本质是现象的根据。辩证唯物主义强调，对任何事物的认识都不能停留在事物的表面现象上，要通过科学分析揭示事物的本质；任何现象都从一定方面反映事物的本质，不能脱离现象臆想事物的本质；通过对现象的不断深入研究才能加深对事物本质的认识，做到透过现象看本质。

晶体结构是结构化学课程的重要教学内容^[4,7]，其中晶体结构的点阵型式是教学的重点之一。晶体结构千差万别，但描述晶体结构的点阵型式(空间格子)只有14种。外形多样、组成各异是晶体结构的外在表现型式，是事物的“现象”；点阵型式是晶体结构中结构基元周期性分布规律的科学抽象，是实物的“本质”。如何透过“现象”看“本质”，正确理解晶体结构“现象”与“本质”的内在联系通常是学生学习的难点。

下面以氯化钠与金刚石为例，揭示如何透过晶体结构的“现象”掌握其“本质”。

图1给出了氯化钠(图1a)与金刚石(图1b)的晶胞，即晶体的基本重复单元。氯化钠晶体是离子晶体，一个晶胞包含4个Na⁺离子和4个Cl⁻离子，Na⁺离子占据立方体的体心和棱心，Cl⁻离子分布于立方体的顶点和面心。金刚石晶体是原子晶体，一个晶胞包含8个C原子，其中4个位于的立方体的顶点和面心，另外4个位于立方体内部，位于立方体的4条体对角线上。

氯化钠晶体与金刚石晶体的化学组成、原子或离子的排布规律显著不同，即表现为不同的“现象”；但如果考查两个晶体内部结构基元的几何图像，即用点阵的概念描述晶体结构，就会发现两个晶体具有相同的点阵型式，即两个晶体的“本质”是相同的，这里的“本质”指晶体的点阵型式，两个晶体均属立方晶系，其点阵型式均为立方面心格子。

理解晶体结构的点阵型式，关键是正确识别晶体结构的结构基元，将结构基元抽象成点阵点，观察点阵点的周期性排布规律，即可得到对应的点阵型式。晶体与点阵是具体和抽象的关系，晶体是具体的，其中的结构基元是具有一定几何结构的化学基团；点阵是抽象的，是将晶体结构中结构基元抽象为数学上几何点的结果。氯化钠晶体的结构基元为一个钠离子和一个氯离子组成的阴阳离子对，表示为NaCl；金刚石晶体中有两类环境不同的碳原子，其结构基元表示为C₂。氯化钠晶体与金刚石晶体虽有不同的空间结构和化学组成，但将各自的结构基元抽象为点阵点后，形成相同的点阵型式，即立方面心格子。看似完全不同的晶体，却可用相同的点阵型式描述其晶体结构的周期性。

从氯化钠和金刚石具体晶体结构的比较到其抽象点阵型式的分析，充分体现了辩证唯物主义透过现象看本质这一哲学思想的重要性，由此启发我们要擅于透过事物的表面现象，揭示隐藏于事物内部的本质和规律。

结合结构化学课程的教学内容，凝练了几例体现辩证唯物主义哲学思想的课程思政教学案例；案例内容涉及微观基粒子的波粒二象性、测不准关系、化学键理论、晶体结构等基础知识和基本理论，相关讨论应用了“对立统一”“否定之否定”“事物之间的普遍联系”等唯物辩证法的基本观点，以及二分法、系统法、透过现象看本质等辩证思维方式；教学案例的实施不仅有助于结构化学的课程思政建设，实现思政育德的目的，而且有助于培养学生的辩证思维方式，提高其分析问题和解决问题的能力。