元素化学是化学化工专业无机化学的核心内容[1]。作为人类长期以来认识、改造大自然的智慧结晶，元素化学与人类生产生活紧密关联，其教学内容广博，蕴含的思政资源丰富。全面推进课程思政建设，能帮助当代大学生树立正确的世界观、人生观、价值观，筑牢理想信念根基，激发科研兴趣，培养创新意识等。截至2023年10月，中国知网主题检索“‘课程思政建设’and‘化学’”的论文达到543篇，远高于数学类267篇、物理类167篇和生物类192篇。在化学类课程思政建设论文中，涉及无机化学34篇，其中元素化学仅4篇，氮族元素或砷元素0篇。鹿现永等[2]深挖化学史中蕴含的辩证唯物主义哲学和传统文化中蕴含的元素知识，树立学生的文化自信。陈春霞等[3]以碳族元素为例，融入科技前沿和爱国主义，培养学生的创新精神，激励学生勇担使命。王莉等[4]立足元素化学课程特点，建设“科学、人文和思政”三融合的课程思政案例库，融入线上线下混合式教学的各个环节。王峰等[5]将“四有”好老师的情怀教育，春风化雨般渗透于师范专业教学。“砷及其化合物”选自《无机化学》第9章氮族元素的部分内容[6]，砷是第四周期、第VA族元素，其教学内容丰富，与材料、环境、能源、食品、健康等主题紧密关联。笔者以砷元素为载体，试图挖掘元素化学所蕴含的世界观、方法论、学科素养和职业品格，以及本领域研究者对科学和社会发展所作贡献等作为思政教育的内容，发挥隐性渗透的作用，将专业教育与思政育人有机融合。
1 教学内容和学情分析
无机化学是化学化工类本科生的重要基础课程，为后续课程提供必备的理论基础知识，培养学生的专业兴趣。无机化学元素部分教学内容多为事实和概念等陈述性知识，点多面广，逻辑性较差，学生往往觉得枯燥，学习兴趣较低，难以形成清晰的认知体系。
无机化学授课对象为大一新生，他们进入大学后会出现一定程度的迷茫和敏感，此阶段既是学习方式的转折点，也是人格培养的关键期。在高中“砷及其化合物”并非课程标准和考试大纲要求，学生大多没有接触过，因此知识储备不足。但他们已完成元素周期表和周期律、部分主族元素的学习，有一定的元素学习策略与方法。在教师的指导下，能将已有的学习策略和方法迁移到新知识的学习，将物质性质由“个性”推向“共性”，以砷元素为线索，建立不同物质间的联系，形成相应的有结构、有逻辑、系统化的知识网络。
2 教学策略
针对教学内容和学情分析中存在的问题，首先将“立德树人”作为教育的根本任务，将爱国主义、生态文明、专业自信、社会责任等与课程内容有机结合；以“江湖毒药”情景设计激发学生的求知欲，以食品、水样和矿石中砷的检测帮助树立专业自信，以千年毒药砒霜治白血病的新应用来扩展知识面。其次，在教学课件设计上将琐碎知识点进行梳理与归纳、总结与提炼，多用图表和色彩，使之可视化，关注各物质间的相互转化，同周期、同族或同系列物质性质的横、纵向对比，挖掘元素化学知识蕴含的化学原理等，帮助学生搭建知识体系。再次，课程思政可通过素材与知识融合的课堂讲授、课堂讨论、案例分析、拓展阅读等方式展开。课后通过布置融入思政要素的作业和阅读材料，鼓励学生表达感悟和心得体会，达到价值内化。
3 教学流程
表1 砷元素教学案例设计
| 阶段 | 时间/min | 教师活动 | 学生活动 | 思政要素 |
| 导入 | 4 | 以情景教学法导入，介绍江湖十大毒药和砷在我国古代文献中的记载 | 听讲，引起兴趣 | 传统文化：中国炼丹术与化学、道教、传统冶金工业、传统医学、哲学等领域存在密切关系，有广阔的探讨空间和研究价值[7] 文化传承：从炼丹和炼金术思考背后的化学原理 |
| 目标 | 3 | PPT展示教学目标并对目标进行解读 | 了解学习目标，把握重点 | |
| 参与式学习 | 55 | 1. 【课堂讲授】砷元素概述、砷单质结构、性质与制备，合金与III–V族化合物 | 听讲，思考，补充笔记，交流分享 | 创新精神：砷的同素异形体[8]、砷烯在材料和医学等领域的应用[9, 10] 专业认同：热点前沿“氮族二维材料锑烯、砷烯和铋烯的特性研究”，中国热度指数和指标E均排名第1 [11] 学以致用：砷化镓在薄膜太阳能电池和半导体领域的应用[12, 13] |
| 2. 【课堂讲授】氢化物，各种试砷法 | 生命与安全教育：危险品安全事故案例分析，培养法规意识、职业道德和社会责任感 专业自信：突发中毒事件处理时，现场快速检测技术的重要性[14] | |||
| 3. 氧化物及其水合物，砷酸氧化碘离子的可逆反应 4. 【课堂探讨】砷化物相互转化中蕴藏的课程思政元素 5. 【案例分析】为了61位阶级兄弟；白血病的砒霜疗法 | 价值观：幸福美好都要靠奋斗实现 传统文化：中医药学是中华民族的伟大创造，麻黄碱、青蒿素和三氧化二砷等一批药物分子和作用机制就是经典的案例[15] 哲学思辨：砷具有“致癌”和“治癌”的双面生物学效应[16] 社会责任：真实事件传递一种“温暖”的社会价值[17] 创新意识：中药复杂体系化学成分精确分析与高效制备技术、中药化学、中药合成生物学、中药化学生物学的学科交叉创新研究思路[15] | |||
| 7. 【课堂讲授】硫化物及有机砷，雄黄与雌黄 8. 【课中自学】砷的分析化学 | 哲学思辨：有毒中药的毒效关系，中药制剂的质量控制与安全性评价问题[18]，对立统一和量变到质变 生态环境：除砷和抗砷方法[19, 20] | |||
| 小测 | 20 | 9. 发布测试题，学生互评，统计答题情况，组织学生讨论：在学习砷及其化合物找化学原理 | 完成小测，核对答案，小组讨论，组间分享 | 化学原理：分析同类物质中不同元素所呈现的递变性和规律性，同一元素不同物质之间的关联性[21] |
| 总结 | 5 | 10. 总结本节内容，绘制思维导图 | 听讲，思考，归纳，总结 | 科学辨析：正确的元素观 学以致用：热爱化学、运用化学知识造福人类 |
| 课后安排 | 3 | 11. 【拓展阅读】科学前沿 12. 【课后作业】 | 课后讨论，提交心得体会 | 专业自信、社会责任、传统文化 创新意识 |
3.1 课程导入设计
导入的目的是点燃学生的求知欲，激发学生的专业兴趣。本节课程选取“江湖十大毒药排行榜”(如断肠草、鸩酒、见血封喉和鹤顶红(古代对砒霜隐晦的说法)等)这一情景素材进行课程导入，让学生感受到元素知识无处不在，且鲜活有趣。我国先民早在西周时期，就用雌黄(As2S3)作颜料画绘织物，由于颜色与古代纸张较接近，还被古人用作原始的“涂改带”，进而衍生出“信口雌黄”的成语。首先制得单质砷的是中国的炼丹家[22]。“雄黄十两，末之，锡三两，铛中合熔，出之，入皮袋中揉使碎，入坩埚中火之……寒之开，其色似金”。显然发生了下述反应：
《本草纲目》所载：砒霜可“蚀痈疽败肉”，以达到毒解肿消、腐祛新生之目的。此处的思政要素是向学生展示中国古代文明的辉煌灿烂(图 1)，发掘和总结炼丹术中化学成就，在情感上树立民族自信心。
图1
3.2 学习目标设置
教师要向学生清晰地讲解学习目标，使学生有的放矢，后续的学习过程中反复强调学习目标，利用课堂小测帮助学生检查目标的达成度，以调整学习方向。原有的教学目标仅包括知识目标和能力目标，融入课程思政之后增加了情感目标。从知识、能力和情感三方面设置的学习目标见表 2。
表2 学习目标设置
| 知识目标 | 能力目标 | 情感目标 |
| 1) 记住砷及其化合物的特性及应用； 2) 学习矿石、水样和食品中砷的测定方法； 3) 了解砷及其化合物的新应用。 | 1) 通过学习砷及其化合物的特性，获取砷化物的物理与化学性质和相互转换的能力； 2) 学习砷的分析化学，了解矿石、水样和食品中砷的检测技术； 4) 以砒霜为例了解砷化物的新应用，拓宽学术视野，培养创新意识。 | 1) 树立正确的元素观； 2) 树立专业自信，激励学生科技报国的志向； 3) 弘扬传统文化，提升文化自信； 4) 培养创新意识。 |
3.3 参与式学习
教师不仅要科学规划教学内容，精准融入思政元素，还要注重教学策略的设计，而且应根据教学内容和学生学情设计相应的学习策略，从学生熟悉的N、P入手，运用化学原理来分析和理解反应方程式，引导学生充分参与到课堂中，以完成知识的构建过程。下面就课堂讲授、课堂探讨、案例分析和课后拓展等如何融入课程思政各举一例。
3.3.1 【课堂教授】示例——砷的同素异形体及应用
砷有三种常见的同素异形体(图 2)，即黄砷(γ-As，空气中不稳定)、黑砷(β-As，也称斜方砷，窄带半导体)和灰砷(g-As，金属性)。其中灰砷最稳定，具有类似蓝磷的扣状结构，灰砷的无定形结构是半导体，具有1.2–1.4 eV的带隙。几种同素异形体在一定条件下可以互相转化。除上述几种传统砷单质外，近年来通过理论及实验研究已发现几十种砷单质的同素异形体结构，包括一维砷纳米线(管)、二维砷烯、笼状及环状砷单质结构等[8]。砷烯是一种最近出现的具有层状结构(图 3)的2D材料，类似于磷烯的弯曲蜂窝结构，由于具有合适的中等禁带宽度、较高的载流子迁移率和良好的光学性质，砷烯已广泛应用于半导体器件、光催化应用、纳米材料制备、电催化、自旋电子器件和柔性二维电子学。此外，砷烯是一种用于光伏和光催化的高效双功能材料[23]。2020年，南京大学郭子建团队报道了一种新型的液体剥离法合成的砷烯纳米片，并对其进行生物医学探索，探讨了其对癌细胞的细胞毒性及其作用机制。然后通过蛋白质组学图谱分析确定目标蛋白和受砷烯影响的细胞通路[24]。基于《2019年研究前沿》中国科学基金对比中美科研实力比较，在热点前沿“氮族二维材料锑烯、砷烯和铋烯的特性研究”方面，中国的热度指数和指标E均排名第1 [11]。
图2
图3
图3
(a) 砷烯(β-As)的几何结构；(b) 2D砷烯的主视图和边视图；(c) 本征单壁扶手椅型砷烯纳米管结构的顶视图和边视图；(d) 本征砷纳米管的能带结构；(右下)非金属原子取代性掺杂后单壁扶手椅型砷烯纳米管结构的顶视图和边视图[9]
最新科研前沿成果的引入可以让学生更全面地掌握新型砷同素异形体的结构和性能，拓宽学科视野，鼓励学生在将来新材料、新技术、新医学等领域勇于探索，实现颠覆性的创新突破。
3.3.2 【课堂探讨】示例——pH对氧化还原性的影响
教师：对如下反应方程式：H3AsO4 + 2HI ⇌ H3AsO3 + I2 + H2O进行实验设计，实验中通过观察碘单质的颜色变化确定反应的进行及方向变化。请问AsO33−能在碱性介质中被I2氧化而H3AsO4又能在酸性介质中能氧化I−，二者是否矛盾？为什么？
学生1：不矛盾，从电极电势(Eaϴ(H3AsO4/H3AsO3) = 0.56 V、Ebϴ(AsO43−/As(OH)4−) = −0.67 V、Eaϴ(I2/I−) = 0.54 V)和能斯特方程来看，H3AsO4氧化I−需要H+，因此酸性越强，氧化性越强，而I2作氧化剂不需要H+，故碘氧化性随酸度变化不大，就这个原因。
学生2：同样地，碱性越强，AsO33−还原性也越强。
教师：物质氧化性、还原性的强弱不仅与物质的结构有关，还与物质浓度(含介质浓度)和反应温度等有关。能再举例说明吗？
学生1：KMnO4在酸性环境中氧化性增强。
学生2：浓硫酸在加热条件下氧化性增强。
教师：非常好。酸度改变物质氧化性和还原性的强弱，就会影响化学反应的方向，这是普遍性规律。譬如，
教师：我们从以上物质相互转化中有什么感悟？
学生1：改变pH影响化学平衡移动的方向。
教师：通过我们的努力或改变自身条件，是否可以影响人生的发展速度和方向？
学生：交流后，分享。我们应该努力提升自己的能力和素质，通过积极主动的态度去追求自己的目标和理想，而不是被动地等待机会的到来。只有主动创造条件和积累能量，只有准备充分，才能在关键时刻迎接挑战和机遇。
教师：近段时间，“内卷”“佛系”“躺平”等新兴表达在网络上、在青年群体中不断涌现，反映了青年群体的社会心态和价值取向。青年的思想观念趋于多元，在合法框架内都予以理解。我们需要在内卷、佛系与躺平间找到一种平衡态，在这种状态下，青年拥有可持续性奋斗的精神动力，最大限度实现物质生活的富裕和精神生活的丰盈。用正确价值理念涵养青年品德，选树正面典型，不断提高青年的思想觉悟，使其在为国家和人民利益的不断奋斗中激活自身动能。
3.3.3 【案例分析】示例——砷具有“致癌”和“治癌”的双面生物学效应
B. 砒霜作为一味中药在中西方临床治疗上的应用由来已久。现代研究表明，As2O3致死量仅为60–200 mg。峻烈的毒性、狭窄的治疗窗限制了其临床使用的频率和范围。当代医学专家张亭栋等受中医药启发首创亚砷酸注射液，使急性早幼粒白血病患者生存率得到极大提高，引起医药界对As2O3的广泛关注与深入研究。Science以“古老中药又绽放出新光彩”为题赞扬中医学[27]。三氧化二砷注射液陆续获得美国、中国和欧盟等多个国家和组织的上市许可，成为治疗急性早幼粒白血病的一线用药。2018年哈佛大学研究发现，三氧化二砷和全反式维甲酸联合疗法除了能够治疗白血病之外，还可能在多种癌症如乳腺癌、肝癌的治疗中发挥作用[28]。
本小节鼓励学生以热点讨论、分组辩论等形式加强课堂参与度，讨论砷元素的利与弊，提升正确的元素观。分析结果：其一，中医药文化博大精深，增强学生民族自豪感和文化自信。其二，依托砷具有“致癌”和“治癌”的双面生物学效应，培养学生辩证思维能力。又如，NO有毒，在空气中极易与氧气反应生NO2，造成空气污染，但少量的NO在人体内具有扩张血管、增强记忆的功能。斐里德∙穆拉德因发现NO能促使心血管扩张而获得1998年的诺贝尔生理学或医学奖。其三，有关砷“致癌”和“治癌”的双重作用，涉及多种分子机制，如氧化应激、DNA甲基化异常、非编码RNA水平异常等[29]，目前尚未完全阐明，让学生懂得科学探究永无止境，激发学生探究未知领域的兴趣动机。
3.3.4 【课中自学】示例——学以致用，树立专业自信
AsH3在300 ℃分解为单质砷，沉积在玻璃器皿内壁，呈现金属光泽的“砷镜”，若用NaClO溶液洗涤而溶解，则证明是砷(检出限0.007 mg)，这就是法医常用的马氏试砷法。利用砷化氢的强还原性，与硝酸银反应
此法称为古氏试砷法(检出限0.005 mg)。还可用钼砷酸铵黄色沉淀来鉴定砷。
图4
采用引导式教学，设立情境，让学生意识到砷分析化学的重要性，安排学生通过对学习资料的自学，了解砷测定的方法，在教学过程中教师对几种常用方法进行解释和分析，学生思考并运用知识解答相关问题。丰富学生的知识内涵，增强化学人的专业自信，激发创新热忱。
3.3.5 【课后安排】示例——在习题中融入生态文明思想和社会责任担当意识
如表 3，本着隐性渗透和“三全育人”原则，可将思政元素融入开放性习题或考题、课后自学与拓展材料中，引导学生关注传统文化，关心社会生态等问题。
表3 融入思政因子的习题与传统习题的对比
| 传统习题 | 融入思政因子的习题 |
| 1) 硫化砷与锡反应方程式 | 1) 最早制得砷单质的是中国的炼丹家。孙思邈《太清丹经要诀》“雄黄十两，末之，锡三两，铛中合熔，出之，入皮袋中揉使碎，入坩埚中火之……寒之开，其色似金”。写出其中的化学方程式 |
| 2) 试述AsH3的制法和砷的检验方法 | 2) 为避免发生1955年日本森永砒霜奶粉类似事件，试至少列举两种食品中砷的检验方法，并谈谈你对职业道德的理解和看法 |
| 3) 水体除砷方法有哪些？ | 3) 孟加拉国水的砷污染很严重，你作为一名化学人，如何利用自身的专业知识去帮助他们 |
3.4 课堂小测
小测的目的是评估学习结果，检查目标达成度。因此小测的内容和方式要针对学习目标来选择和设计。首先，本节根据知识和能力目标设计了6道题，要求学生在规定时间内独立作答，2位学生之间互评。测试结果(表 4)表明，答题准确率均在80%以上，说明对本节知识掌握情况良好。其次，小组讨论“本节课程中用到了哪些之前学到的化学原理知识”，例如，硫化砷溶解度的变化规律用到酸碱平衡知识，砷的解毒机理用到配位解离平衡的知识，古氏试砷法用到氧化还原反应的知识。通过小组讨论与分享，学生懂得了记住元素性质最有效的办法是找到其与理论部分的联系。知识迁移的同时也提升了解决问题的综合能力。
表4 学生课堂小测答题情况
| 序号 | 题目 | 准确率% |
| 1 | 砷的毒性和下列哪些因素有关？(多选) | 84.2 |
| 2 | AsH3自燃的主要产物是(单选) | 100 |
| 3 | 去年某省境内一起私运砒霜翻车事故，剧毒物散落在山坡和溪流中，紧急关头政府采取应急措施，控制污染扩散，请用元素知识判断下列哪一条措施不合理(单选) | 85.6 |
| 4 | 亚砷酸能在碱性溶液中被碘单质氧化，砷酸又能在酸性溶液氧化碘离子，这是否矛盾？为什么？(简答题) | 93.8 |
| 5 | 由砷酸钠制备As2S3，需要怎样的介质环境？(单选) | 82.8 |
| 6 | 试述砷分族硫化物的酸碱性的变化规律(简答题) | 95.4 |
3.5 总结
教师可采用多种方式引导学生厘清重要知识点及其之间的逻辑关系，完成知识点的整合，共同绘制思维导图，如图 5所示。
图5
4 教学评价
图6
5 结语
高校立身之本在于立德树人，课程是课程思政建设的“主渠道”。作为教育工作者，在课堂教学中不仅要传递知识技能，还要传播社会主义核心价值观。通过对教学内容、教学过程的各环节进行细致的编排和设计，可以完善课程思政在高校思政建设中的关键作用。
参考文献
DOI:10.1002/anie.201913675 [本文引用: 1]
DOI:10.1038/s41467-018-05402-2 [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.gene.2019.143941 [本文引用: 1]
