矿物加工“分子模拟”课程思政教学改革与探究

［摘 要］ 为了贯彻落实矿物加工工程专业中“分子模拟”课程的立德树人功能，进一步提高矿物加工工程专业学生的家国情怀、社会责任感与科学素养，让思政元素与先进科学知识在矿物加工工程专业学生培养过程中发挥协同促进作用，深入挖掘了矿物加工工程专业“分子模拟”课程的思政元素，重点探讨了使用分子模拟技术辅助矿山高效绿色浮选药剂研发教学内容中的思想政治设计，以及掺杂晶体模型的构建及杂质形成能计算教学中的思想政治设计，并对矿物加工“分子模拟”课程思政具体案例进行了解析。

［关键词］ 课程思政；分子模拟；矿物加工工程；教学改革

［基金项目］ 2018年度贵州大学引进人才科研项目“硫化矿浮选伽伐尼作用机制研究”（201803）

［作者简介］ 柯宝霖（1987—），男（壮族），广西柳州人，工学博士，贵州大学矿业学院讲师，研究生导师（通信作者），主要从事清洁高效矿物加工技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）26-0092-04 ［收稿日期］ 2022-12-31

引言

第一性原理分子模拟理论、国内外超级计算平台建设及计算软件开发的高速发展，使得分子模拟计算实验成为材料、冶金、医药及矿业工程等领域科学研究的最重要的方法手段之一［1］。近年来，分子模拟方法在矿物加工绿色高效新型药剂研发的研究中取得了大量成果［2］。矿物加工工程是研究矿物分离的一门应用技术学科，其学科目的是将有用矿物与脉石矿物分离，从而实现对有用矿物（如黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、煤等）的高效回收利用。然而，各类常见矿物的晶体结构、矿物表面结构及浮选药剂在矿物表面的吸附机理等较为抽象，对于本科学生而言，仅依靠传统教学方法进行授课难以深入理解与掌握。因此，有必要教授矿物加工工程专业学生学习分子模拟技术，使矿物加工工程专业的学生可以通过分子模拟计算实验构建矿物分子模型，加深对各类常见矿物的晶体结构、矿物表面结构及浮选药剂在矿物表面的吸附机理的认识与理解，为培养矿物加工工程专业学生的创新能力打下坚实的基础。目前，矿物加工工程专业常用的分子模拟方法包括密度泛函理论、分子动力学及蒙特卡洛方法。

立德树人是高等院校矿物加工工程专业的根本任务。2016年12月，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应［3］。所谓课程思政，是指以构建全员、全程、全方位育人格局的形式使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把立德树人作为教育的根本任务的综合教育理念［4-5］。对于矿物加工工程专业而言，如何在矿物加工专业“分子模拟”课程中落实课程思政与分子模拟专业知识的有机结合，提高矿物加工工程专业学生的家国情怀、社会责任感与科学素养，既是对矿物加工工程“分子模拟”课程教学的挑战，同时也是充分落实矿物加工工程专业中“分子模拟”课程立德树人功能的良好机遇。

本文对矿物加工工程专业“分子模拟”课程的思想政治案例设计的教学改革进行了探索，设计了课程思政与分子模拟专业知识有机结合的具体案例，并且建立了学生反馈与持续优化改进机制，对本课程教改实施后存在的问题与取得的效果进行了分析，为实现分子模拟科学知识与思想政治理论同向同行、形成协同效应的目的进行探索并提供一定的实践参考。本教学案例中，分子模拟计算使用的软件是Materials Studio软件，重点涉及该软件中应用密度泛函理论的Castep与DMol3模块，以及应用分子动力学理论的Forcite模块。

一、设计课程思政与分子模拟专业知识有机结合的具体案例

设计具体案例是发挥课程思政与分子模拟专业知识协同效应的主要手段，是在矿物加工工程专业“分子模拟”课程中实现科学知识与思想政治教育有机结合的具体体现。本文针对矿物加工工程专业“分子模拟”课程的特征，进行了如下具体思想政治案例设计。

（一）矿山高效绿色浮选药剂分子设计——“不同类别分子模型的构建”教学中的思想政治设计

矿物加工工程专业“分子模拟”课程思政教学要素与关系如图1所示。

1.知识学习。掌握矿物加工浮选常见药剂的分子模型的构建方法，了解分子模型几何优化与能量计算的基本原理。

2.能力培养。能够熟练进行浮选药剂分子模型构建，能够有针对性地选择药剂官能团设计新型浮选药剂分子构型，能够比较分析不同药剂分子的结构、能量与电子性质。

3.素质培养。（1）科学素养。以常见的矿物加工浮选药剂为研究对象，针对矿山高效绿色浮选药剂分子开发设计问题，通过选择合适的官能团构建浮选药剂分子模型，使用密度泛函理论实现被设计浮选药剂分子的几何优化与分子结构能量、态密度、Homo值、Lumo值及福井函数的计算，使矿物加工工程专业学生具备运用分子模拟软件构建浮选药剂分子结构的能力，且能进一步理解浮选药剂微观分子结构与其浮选性能之间的联系。（2）人文素养。以中国浮选生产中浮选药剂的运用与研发创新为例，立足我国矿物资源国情，使学生理解矿物资源对我国社会发展与人民生活的重要性，增强学生发展我国矿物加工浮选药剂研发技术的责任感，提升本专业学生通过参与矿物加工工程实践维护中国资源储备安全的自豪感。

4.教学素材。世界上90%以上的能源、80%以上的工业原料及70%以上的农业生产资料都来自矿产资源［6］。我国对环境问题越来越重视，“既要绿水青山，也要金山银山”“绿水青山就是金山银山”的理念深入人心。因此，实现高效益、低能耗、无污染的矿物加工过程是矿物加工工程专业迫在眉睫的任务与使命，也是矿物加工工程专业持之以恒的目标与追求，而新型浮选药剂的研发是实现这一目标的最重要途径之一。

例如，20世纪50年代，哈里斯发明了硫化铜矿物的高效新型浮选药剂乙硫氨酯（Z-200，分子构型如图1（d）所示）。使用Z-200捕收剂时，硫化铜矿石中铜的回收率提高了两个百分点。1979年生产的4 500吨Z-200使得仅此一年全世界就增加了4万吨铜金属［7］。由此可见，由于矿物加工工程处理的原矿石数量巨大，新型浮选药剂研发带来的微小提升，也可以产生巨大的经济效益与环保价值。采用分子模拟实验可以有效提高浮选药剂的研发效率，降低时间与经济成本。因此，能够熟练进行浮选药剂分子模型构建，并且有针对性地选择药剂官能团设计新型浮选药剂分子构型，对矿物加工工程专业学生具有重要意义。

5.思想政治目标。我国是世界上最大的发展中国家，随着我国人口增长与社会发展，对资源的需求不断增大，对环境造成的压力逐渐增加。矿物资源是冶金、化工、航天、建材、电力、核电工业等行业的主要原料来源，确保我国矿物资源能够满足国内生产生活需求，减小矿石进口量与来源波动带来的不利影响，对国家经济建设与社会发展具有重大意义。在此过程中减少矿物加工工程对生态环境造成的压力、维护生产发展与环境保护的和谐统一，是对矿物加工工程专业的重要要求。本教学案例围绕这一主题，通过浮选常用分子模型构建的分子模拟教学，研究浮选药剂分子模拟设计，帮助学生加深对我国资源安全与自然生态环境安全的认识，增强学生对我国资源与生态环境的危机感与保护意识。该教学案例既能培养学生见贤思齐、立志报国的精神，又能增强学生的专业使命感与自豪感。

（二）磷石膏固体废物中的镉重金属杂质赋存与去除——“掺杂晶体模型的构建及杂质形成能的研究”教学中的思想政治设计

1.知识学习。掌握常见矿物晶体与常见尾矿固体废物晶体结构模型的构建方法；了解含杂质晶体的杂质形成能的计算方法与原理。

2.能力培养。能够熟练进行常见矿物与固废组分晶体模型的构建，在此基础上能够进一步构建含杂质的晶体结构模型；能够计算含杂质晶体物质的杂质形成能，分析晶体中杂质稳定性。

3.素质培养。（1）科学素养。以常见矿物晶体与固废组分晶体为研究对象，通过构建含杂质的晶体结构模型，使用密度泛函理论实现含杂质晶体的几何优化与态密度及杂质形成能的计算，使学生熟悉常见矿物与固废组分的晶体结构，掌握运用杂质形成能的计算研究杂质在晶体中赋存稳定性的方法。（2）人文素养。以我国磷石膏固体废物中镉重金属杂质阻碍磷石膏资源化利用为例，立足我国矿物资源与固废治理的国情现状，提升本专业学生通过参与矿物加工工程实践促进我国资源可持续发展的责任感和自豪感。

4.思想政治目标。磷灰石矿物是制造磷肥和磷素及其化合物的最主要矿物原料，磷肥对农作物的生长至关重要，对我国的粮食安全具有重要意义。然而，利用磷灰石矿物湿法生产磷酸会产生磷石膏固体废物，而磷石膏中常含有高水平的镉，据报道，如果将磷石膏用作土壤肥料，磷石膏中的镉可能会污染水和土壤，引发食品安全问题。因此，需要矿物加工工程专业研究人员深入研究镉在磷石膏中的掺入与析出机理，从而促进磷石膏的资源化利用或无害化处理。本教学案例围绕这一主题，通过对理想石膏晶体模型与含杂质石膏晶体模型构建的分子模拟教学，研究镉等重金属杂质在石膏晶体中的赋存机理，帮助矿物加工工程专业学生加深对我国固废资源化利用与生态环境安全的认识，增强学生对我国生态环境的保护意识。该教学案例既能提高学生运用所学专业知识报效祖国的参与感，也能增强学生的专业使命感。

二、注重学生反馈，建立持续优化改进机制

关注反馈设计问卷反映的学生学习情况，可以有效提高课程思想政治教学改革的质量［8］。为了提高矿物加工专业“分子模拟”课程思想政治教学改革的质量，促进课程持续优化改进，本课程设计了调查问卷，在课程考试结束可查询成绩后对学生进行了不记名形式的问卷调查，确保能够收集到学生对“分子模拟”课程思政教学改革较为真实的效果反馈。设计的问卷问题如下：（1）矿业在国内生产总值中占比较小，矿物加工工程的发展对我国资源安全与生态环境安全起到什么作用？选项：A.能起到重要有利作用。B.有一些有利作用。C.没有作用。D.具有不利作用，污染环境。（2）浮选药剂的使用对我国资源安全与生态环境安全起到什么作用？选项：A.能起到重要有利作用。B.有一些有利作用。C.没有作用。D.具有不利作用，污染环境。（3）课程中教学案例与科学知识讲述之间是否有违和感？选项：A.有明显违和感，很尴尬。B.有一些违和感。C.没有违和感。D.感觉相辅相成，密不可分。（4）在本课程学习中，你还希望了解哪些我国关于矿产资源方面的知识？选项：A.矿产资源储备情况。B.矿产资源先进技术发明者。C.矿产资源生产现状。D.矿产资源先进理论创建者。

通过问题（1）与问题（2）可以反映学生是否通过本次课程改革增强了身为矿物加工工程专业学生对我国矿产资源与生态环境安全负有的责任感与使命感。问题（3）可以反映学生对矿物加工专业“分子模拟”课程中课程思政元素与分子模拟专业知识有机融合的满意程度。问题（4）可以了解学生的需求与爱好，从学生角度出发持续改进矿物加工专业“分子模拟”课程中的课程思政元素。综上，根据问卷反馈信息可以建立本课程的持续优化改进机制。

结语

立德树人是高等院校矿物加工工程专业的根本任务，学生在课堂上应获得科学素养、家国情怀与社会责任感等各方面能力的综合提升。了解分子模拟的基本原理，具备做分子模拟实验探索与研发绿色矿物加工技术的能力，对矿物加工工程专业学生具有重要意义。在矿物加工专业“分子模拟”课程中将课程思政元素与分子模拟专业知识有机结合，建立不断优化、切实可行的持续改进机制，促进矿物加工工程“分子模拟”课程与家国情怀、社会责任感等方面的思想政治理论知识同向同行，形成协同效应。

参考文献

［1］张恒，刘刚，马莹，等.拔尖计划特色课分子模拟实验中的思政案例设计［J］.大学化学，2019，34（11）：82-87.