物理化學(xué)課程教學(xué)中的課程思政

毛雙

[關(guān)鍵詞]課程思政;物理化學(xué)課程;課程改革

引言

習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)：要用好課堂教學(xué)這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、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(yīng)[1] 。課程思政是課程教育的重要組成部分，是課程教書育人功能的本意。課程思政就是要把思想政治工作貫穿于教育教學(xué)全過程，堅持立德樹人，推動思政課程和課程思政協(xié)同育人的創(chuàng)新發(fā)展，使其他課程與思想政治理論課同向同行。專業(yè)課教師利用其獨特優(yōu)勢，運用學(xué)科思維，提煉專業(yè)課中蘊含的德育因素及價值理念，并在潛移默化中將其轉(zhuǎn)化為學(xué)生精神層面的指引，這正是課程思政的主要體現(xiàn)。課程思政旨在知識傳授與價值引領(lǐng)并行，構(gòu)建全程育人、全方位育人格局[2]。高校大學(xué)生的思想政治認知和學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)已經(jīng)不能僅限于傳統(tǒng)的、顯性的思想政治理論課，其他課程同樣需要承擔思政教育的功能，并且能夠利用專業(yè)課程內(nèi)容豐富、學(xué)科內(nèi)涵拓展性廣和師資力量雄厚的特點，在踐行立德樹人的根本任務(wù)上提供新的育人途徑[3]。

物理化學(xué)是研究化學(xué)體系中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律的科學(xué)。它借助數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)科學(xué)的理論及其提供的實驗手段，研究化學(xué)體系中最普遍的宏觀規(guī)律和理論，肩負著服務(wù)后續(xù)專業(yè)課程和培養(yǎng)創(chuàng)新能力兩大任務(wù)[4-7]。物理化學(xué)課程教學(xué)要使學(xué)生能認識到物理化學(xué)是整個化學(xué)學(xué)科中的理論基礎(chǔ)，是物理學(xué)與化學(xué)相互滲透的一門課程;使學(xué)生能準確地理解物理化學(xué)中各種基本概念、定律、公式和理論，能應(yīng)用物理化學(xué)的研究方法來解決實際問題;使學(xué)生能掌握物理化學(xué)的基本理論方法，學(xué)會應(yīng)用圖表、公式進行邏輯推理和演繹，學(xué)會解決實際問題;使學(xué)生學(xué)習(xí)前人的科學(xué)精神、治學(xué)態(tài)度和探索方法，樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。物理化學(xué)課程包含了許多課程思政的要素，如每一條定理和公式的產(chǎn)生過程都滲透著物理化學(xué)家們的艱苦努力，比如焦耳與熱力學(xué)第一定律、克勞修斯與熱力學(xué)第二定律、卡諾與卡諾循環(huán)、法拉第與法拉第定律、科爾勞烏斯與離子獨立運動定律、阿倫尼烏斯與阿倫尼烏斯公式、郎格繆爾與氣固吸附等，授課教師可以充分利用這類物理化學(xué)家的故事和科學(xué)發(fā)展史，鼓舞學(xué)生不斷進取、求真務(wù)實。物理化學(xué)課程同樣包含了不少科學(xué)思維、世界觀和方法論，比如對“第一類永動機與第二類永動機”的討論，可以鞏固熱力學(xué)基本定理的學(xué)習(xí)，認清“燃素說”與“熱死論”，幫助學(xué)生樹立正確的世界觀。而對化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)“碰撞理論”與“過渡態(tài)理論”的比較，可以幫助學(xué)生理解研究反應(yīng)動力學(xué)的方法論。物理化學(xué)課程的講授需要推導(dǎo)一些基本的物理化學(xué)公式，這可以強化化學(xué)與數(shù)學(xué)、物理等多學(xué)科的聯(lián)系，多學(xué)科的交叉有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。物理化學(xué)課程中對滲透與反滲透、液體的毛細現(xiàn)象、表面吸附等的探討，可以加強課堂教學(xué)與生活實際的相輔相成[8-12]。本文以多組分系統(tǒng)相平衡中“水的相圖”一節(jié)的教學(xué)為例，研討在物理化學(xué)課堂教學(xué)中如何開展課程思政。

一、課程分析

“水的相圖”是多組分系統(tǒng)相平衡的第二部分。相平衡章節(jié)包含了相律、單組分系統(tǒng)的相圖以及二組分系統(tǒng)的氣-液相圖、液-液相圖和固-液相圖等教學(xué)內(nèi)容。在本節(jié)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了吉布斯相律和單組分系統(tǒng)兩相平衡的克-克方程，這是相圖學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)。接下來將進行二組分系統(tǒng)相圖的學(xué)習(xí)，需要學(xué)生具備相圖中點、線、面的基礎(chǔ)知識與識別相圖的基本能力。因此“水的相圖”教學(xué)有承上啟下的作用。結(jié)合高等學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)物理化學(xué)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)要求的建議[13]，通過本堂課的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握水的相圖的基本知識，能夠運用相律來說明體系的狀態(tài)并掌握和繪制簡單的單組分相圖，理解多相系統(tǒng)平衡的一般條件。

二、教學(xué)流程

課堂教學(xué)以“導(dǎo)入—講授—小組討論—實例分析—文獻學(xué)習(xí)—小結(jié)與應(yīng)用”的思路展開，充分使用圖片、視頻、文獻等教學(xué)資源。以下為具體教學(xué)流程。

（一）導(dǎo)入：相律與克-克方程的復(fù)習(xí)

1.相律：f=C-Φ+2

單組分體系C=1，最小的相數(shù)Φmin=1，因此最大的自由度fmax=2，即采用（T，p）以溫度作為橫坐標，壓力作為縱坐標的二維圖可完整地描述單組分體系的狀態(tài)。

2.克-克方程：dp/dT=ΔH/T?ΔV，ΔH 為相變熱，T 為相變溫度，ΔV 為相變時的體積變化。方程明確指出，單組分體系達到兩相平衡時p=f（T），即溫度與壓力具有函數(shù)關(guān)系。氣液平衡與氣固平衡中ΔV 為可近似看作氣體的體積，液固平衡中ΔV 為可近似看作定值，因此氣液平衡與氣固平衡時p=f（T）為指數(shù)關(guān)系，而液固平衡時p=f（T）為線性關(guān)系。

導(dǎo)入部分為學(xué)習(xí)如何畫“水的相圖”，“水的相圖”中應(yīng)該有幾條線，哪些是曲線哪些是直線，每條線的區(qū)別與聯(lián)系是什么等問題起到鋪墊的作用。

（二）講授：水的相圖的面、線、點（見圖1）

1.引導(dǎo)學(xué)生分析三個面（AOB、BOC、COA）的特點

（1）AOB面-低溫高壓、BOC面-高溫低壓、COA面-中溫高中壓，三個面對應(yīng)水的三種狀態(tài)。

（2）三個面分別對應(yīng)水的固態(tài)（冰）、氣態(tài)（水蒸氣）和液態(tài)（水）。

（3）三個面均為單相區(qū)，f=C-Φ+2，C=1，Φ=1，即f=2，處于單相時要確定水的狀態(tài)，需要同時確定溫度和壓力。

2.三條線（OA、OB、OC）的學(xué)習(xí)

（1）強調(diào)三條線分別對應(yīng)三個兩相平衡，其中OA對應(yīng)固液平衡，OB對應(yīng)氣固平衡，OC對應(yīng)氣液平衡。

（2）三條線均為兩相平衡線，f=C-Φ+2，C=1，Φ=2，即f=1，處于兩相平衡時要確定水的狀態(tài)，僅需要溫度或者壓力。

（3）f=1，這與克-克方程相聯(lián)系，達到兩相平衡時p=（f T），即溫度與壓力具有函數(shù)關(guān)系。

（三）小組討論

學(xué)生以學(xué)習(xí)小組為單位進行課堂討論。指導(dǎo)學(xué)生以克-克方程為基礎(chǔ)討論三條線的異同，具體討論以下幾個問題：

（1）為什么OB、OC線為曲線而OA線為直線？

（2）為什么OB線的斜率大于OC線？

（3）為什么OA線的斜率為負？

討論結(jié)束后進行以下小結(jié)：

（1）當單組分體系達到氣液平衡與氣固平衡時p=f（T）為指數(shù)關(guān)系，因此OB、OC線為曲線;而達到液固平衡時p=（f T）為線性關(guān)系，因此OA線為直線。

（2）兩相平衡時，曲線的斜率與相變熱、升華熱時的體積變化有關(guān)。氣固平衡和氣液平衡時，ΔV 可近似看作氣體的體積，因此OB線與OC線的斜率差別在于相變熱的差別。OB線對應(yīng)于氣固平衡，其斜率與升華熱有關(guān);OC線對應(yīng)于氣液平衡，其斜率與汽化熱有關(guān);升華熱=汽化熱+熔化熱，因此OB線的斜率大于OC線。

（3）OA線對應(yīng)固液平衡，冰的體積大于液態(tài)水的體積，即固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)時，水的ΔV<0，因此其斜率為負。這也是水與其他物質(zhì)不同的地方。

（四）實例分析：播放花樣滑冰的短視頻

短視頻約1分半鐘，展示花樣滑冰運動員在冰上運動的情景。請學(xué)生結(jié)合上述小組討論中的問題（3），分析運動員滑冰鞋的作用，并思考為什么滑冰時會在冰面上留下劃痕，冰融化后產(chǎn)生的水對滑冰運動起什么作用。

小結(jié)：這是理論學(xué)習(xí)與生活實際的結(jié)合?；牡撞枯^窄，增大了運動員對冰面的壓強，從而降低了水的凝固點，造成固態(tài)冰融化為水，于是在冰面上形成了一道道劃痕。融化所形成的水，對滑冰運動又起到了潤滑的作用。

（五）講授OD線

OD線是相圖中一條特殊的兩相平衡線，與其他三條線既有區(qū)別又有聯(lián)系。

（1）聯(lián)系：OD線為OC線的反向延長線，說明OD線仍表示兩相平衡，水的氣液平衡。

（2）區(qū)別：OD線為虛線，表示這是一個不穩(wěn)定的兩相平衡。OD線位于單相區(qū)（固相），即OD線上的水處于“不穩(wěn)定”的狀態(tài)，“不穩(wěn)定”從OB線與OD線上等溫下兩點的化學(xué)勢比較展開，μ（l）>μ（s）。通過攪拌，可以使不穩(wěn)定的液態(tài)水向固態(tài)冰轉(zhuǎn)化。

（3）提出“過冷”現(xiàn)象。一定壓力下，液體的溫度已低于該壓力下液體的凝固點，而液體仍不凝固的現(xiàn)象叫液體的過冷現(xiàn)象，這是一種熱力學(xué)上的不穩(wěn)定狀態(tài)。

（六）文獻閱讀

指導(dǎo)學(xué)生閱讀課前預(yù)習(xí)時提出的文獻：《第一個精測水三相點的物理化學(xué)家黃子卿》[14]、《我國著名的物理化學(xué)家黃子卿教授》[15]、《黃子卿教授》[16]。展開O點的教學(xué)，相圖中O點是一個特殊點，處于氣、液、固的三相交界處，為三相點。

（1）由相律f=C-Φ+2→C=1，Φ=3，f=0，即O點與溫度壓力無關(guān)，僅與物質(zhì)的本性有關(guān)。

（2）區(qū)別三相點與水的冰點，掌握冰點較低的原因：稀溶液凝固點降低與壓力增大的影響。

（3）分析臨界點C的特點。

（七）小結(jié)與應(yīng)用

小結(jié)水的相圖的基本特點。點、線、面是構(gòu)成相圖的基本要素，相律是分析相圖的理論基礎(chǔ)。以“硫的相圖”為例，應(yīng)用相律分析單組分相圖。

（1）由相律f=C-Φ+2，分析“硫的相圖”中的點、線、面。

（2）對比水的相圖中的固液兩相平衡線與硫的相圖中的固液兩相平衡線以及正交硫-單斜硫的固固兩相平衡。

（3）分析臨界點C的特點。C點為氣液兩相平衡的臨界點，當溫度高于C 點溫度時，液相消失，僅有氣相存在。

（八）文獻拓展

推薦文獻Phase Diagram of Nanoscale Water on SolidSurfaces with Various Wettabilities[17]，A new phase diagramof water under negative pressure： the rise of the lowest-densi?ty clathrates-III[18]，供學(xué)生課后進一步學(xué)習(xí)了解水的相圖知識的最新研究進展。

三、課程思政

結(jié)合本課程的教學(xué)目標，按照教學(xué)流程，以課程內(nèi)容為切入點，融入思政教育內(nèi)容，可以加強對學(xué)生的辯證唯物主義、愛國主義的教育，全面提升學(xué)生的思想道德水平，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神與實踐能力。

（一）培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

課程的講授以幾何圖形的面、線、點為順序，這不僅是認識相圖的順序，也是應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法來解決化學(xué)的問題，強調(diào)多學(xué)科的融合，與化學(xué)類專業(yè)人才培養(yǎng)目標[19-20]中的畢業(yè)要求“能夠綜合運用交叉學(xué)科的知識和技能，分析和解決本專業(yè)或跨學(xué)科的復(fù)雜問題”相一致。通過單組分體系的點、線、面討論，可以為接下來二組分、三組分相圖的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。對面、線、點的分析要牢牢抓住克-克方程這一理論基礎(chǔ)，因為克-克方程從理論上解釋單組分相圖，單組分相圖又能夠驗證克-克方程，理論與實踐相結(jié)合正是科學(xué)的研究方法。授課中播放的視頻要能進一步說明理論學(xué)習(xí)對生活實際的指導(dǎo)作用。

（二）培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀與方法論

對OD線的分析可以體現(xiàn)辯證唯物主義中“相對”與“絕對”的對立統(tǒng)一，而這一統(tǒng)一關(guān)系在化學(xué)學(xué)科中經(jīng)常出現(xiàn)。在本課程中，強調(diào)過冷水的相對穩(wěn)定性，既為表面化學(xué)的理論學(xué)習(xí)如凝固點降低法測相對分子量的實驗奠定基礎(chǔ)，也指出了物質(zhì)存在與物質(zhì)運動的相對性，這一觀念在化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)中也會得到鞏固，對標畢業(yè)要求中的培養(yǎng)“邏輯思維能力、批判精神和反思意識”。

（三）培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷與獻身精神

文獻閱讀部分讓學(xué)生不僅掌握了O點的性質(zhì)，也能夠了解化學(xué)家黃子卿先生的生平與科學(xué)精神。上述三篇文獻講述了黃子卿先生對水樣進行精心的純化，精選三相點瓶的材料，用真空蒸餾的方法，通過測定水樣的電導(dǎo)來修正雜質(zhì)的影響，進而測定水的三相點的研究工作;介紹了黃子卿先生少年時代在外求學(xué)、學(xué)成歸來投入祖國建設(shè)的事跡。這有利于引導(dǎo)學(xué)生感知科學(xué)家們求真務(wù)實的科學(xué)精神、追求理想的科學(xué)品質(zhì)和報效祖國的拳拳赤子之心，對標畢業(yè)要求“能夠傳播中華優(yōu)秀文化和中國智慧”。

（四）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與實踐能力

小結(jié)與應(yīng)用部分和文獻拓展部分，以“水的相圖”為例，展開對其他單組分相圖的分析，并與最新科研成果相結(jié)合拓展已有的水的相圖部分。上述兩篇“水的相圖”的研究成果，討論了在不同條件下冰晶體的構(gòu)型，補充了水的相圖中AOB區(qū)的知識。課堂教學(xué)與科學(xué)研究相結(jié)合有助于落實人才培養(yǎng)目標中的“具有創(chuàng)新意識和實踐能力”。

四、結(jié)語

物理化學(xué)課程教學(xué)中蘊含了大量的課程思政元素。課程思政圍繞人才培養(yǎng)方案，以課堂教學(xué)為主渠道、專業(yè)知識為載體，通過精心的教學(xué)設(shè)計、合理的教學(xué)方法和信息化的教學(xué)手段引領(lǐng)學(xué)生的思想導(dǎo)向，提高育人效果，這樣不僅能夠豐富學(xué)科專業(yè)教學(xué)的內(nèi)容，而且能夠增加學(xué)科專業(yè)內(nèi)容的深度。