物理化學課程教學中的課程思政

毛雙

[關鍵詞]課程思政;物理化學課程;課程改革

引言

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調：要用好課堂教學這個主渠道，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，滿足學生成長發展需求和期待，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，形成協同效應[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全過程，堅持立德樹人，推動思政課程和課程思政協同育人的創新發展，使其他課程與思想政治理論課同向同行。專業課教師利用其獨特優勢，運用學科思維，提煉專業課中蘊含的德育因素及價值理念，并在潛移默化中將其轉化為學生精神層面的指引，這正是課程思政的主要體現。課程思政旨在知識傳授與價值引領并行，構建全程育人、全方位育人格局[2]。高校大學生的思想政治認知和學習環節已經不能僅限于傳統的、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，并且能夠利用專業課程內容豐富、學科內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上提供新的育人途徑[3]。

物理化學是研究化學體系中物質的結構及其變化規律的科學。它借助數學、物理等基礎科學的理論及其提供的實驗手段，研究化學體系中最普遍的宏觀規律和理論，肩負著服務后續專業課程和培養創新能力兩大任務[4-7]。物理化學課程教學要使學生能認識到物理化學是整個化學學科中的理論基礎，是物理學與化學相互滲透的一門課程;使學生能準確地理解物理化學中各種基本概念、定律、公式和理論，能應用物理化學的研究方法來解決實際問題;使學生能掌握物理化學的基本理論方法，學會應用圖表、公式進行邏輯推理和演繹，學會解決實際問題;使學生學習前人的科學精神、治學態度和探索方法，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生過程都滲透著物理化學家們的艱苦努力，比如焦耳與熱力學第一定律、克勞修斯與熱力學第二定律、卡諾與卡諾循環、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家的故事和科學發展史，鼓舞學生不斷進取、求真務實。物理化學課程同樣包含了不少科學思維、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，可以鞏固熱力學基本定理的學習，認清“燃素說”與“熱死論”，幫助學生樹立正確的世界觀。而對化學反應動力學“碰撞理論”與“過渡態理論”的比較，可以幫助學生理解研究反應動力學的方法論。物理化學課程的講授需要推導一些基本的物理化學公式，這可以強化化學與數學、物理等多學科的聯系，多學科的交叉有助于培養學生的科學素養。物理化學課程中對滲透與反滲透、液體的毛細現象、表面吸附等的探討，可以加強課堂教學與生活實際的相輔相成[8-12]。本文以多組分系統相平衡中“水的相圖”一節的教學為例，研討在物理化學課堂教學中如何開展課程思政。

一、課程分析

“水的相圖”是多組分系統相平衡的第二部分。相平衡章節包含了相律、單組分系統的相圖以及二組分系統的氣-液相圖、液-液相圖和固-液相圖等教學內容。在本節之前，學生已經學習了吉布斯相律和單組分系統兩相平衡的克-克方程，這是相圖學習的理論基礎。接下來將進行二組分系統相圖的學習，需要學生具備相圖中點、線、面的基礎知識與識別相圖的基本能力。因此“水的相圖”教學有承上啟下的作用。結合高等學校化學類專業物理化學相關教學內容與教學要求的建議[13]，通過本堂課的學習，學生應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并掌握和繪制簡單的單組分相圖，理解多相系統平衡的一般條件。

二、教學流程

課堂教學以“導入—講授—小組討論—實例分析—文獻學習—小結與應用”的思路展開，充分使用圖片、視頻、文獻等教學資源。以下為具體教學流程。

（一）導入：相律與克-克方程的復習

1.相律：f=C-Φ+2

單組分體系C=1，最小的相數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。

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關系。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）為指數關系，而液固平衡時p=f（T）為線性關系。

導入部分為學習如何畫“水的相圖”，“水的相圖”中應該有幾條線，哪些是曲線哪些是直線，每條線的區別與聯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.引導學生分析三個面（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，三個面對應水的三種狀態。

（2）三個面分別對應水的固態（冰）、氣態（水蒸氣）和液態（水）。

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

2.三條線（OA、OB、OC）的學習

（1）強調三條線分別對應三個兩相平衡，其中OA對應固液平衡，OB對應氣固平衡，OC對應氣液平衡。

（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，僅需要溫度或者壓力。

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

（三）小組討論

學生以學習小組為單位進行課堂討論。指導學生以克-克方程為基礎討論三條線的異同，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？

討論結束后進行以下小結：

（1）當單組分體系達到氣液平衡與氣固平衡時p=f（T）為指數關系，因此OB、OC線為曲線;而達到液固平衡時p=（f T）為線性關系，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。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線對應于氣固平衡，其斜率與升華熱有關;OC線對應于氣液平衡，其斜率與汽化熱有關;升華熱=汽化熱+熔化熱，因此OB線的斜率大于OC線。

（3）OA線對應固液平衡，冰的體積大于液態水的體積，即固態轉化為液態時，水的ΔV<0，因此其斜率為負。這也是水與其他物質不同的地方。

（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。請學生結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，冰融化后產生的水對滑冰運動起什么作用。

小結：這是理論學習與生活實際的結合。滑冰鞋的底部較窄，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別又有聯系。

（1）聯系：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）區別：OD線為虛線，表示這是一個不穩定的兩相平衡。OD線位于單相區（固相），即OD線上的水處于“不穩定”的狀態，“不穩定”從OB線與OD線上等溫下兩點的化學勢比較展開，μ（l）>μ（s）。通過攪拌，可以使不穩定的液態水向固態冰轉化。

（3）提出“過冷”現象。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象叫液體的過冷現象，這是一種熱力學上的不穩定狀態。

（六）文獻閱讀

指導學生閱讀課前預習時提出的文獻：《第一個精測水三相點的物理化學家黃子卿》[14]、《我國著名的物理化學家黃子卿教授》[15]、《黃子卿教授》[16]。展開O點的教學，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，僅與物質的本性有關。

（2）區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）小結與應用

小結水的相圖的基本特點。點、線、面是構成相圖的基本要素，相律是分析相圖的理論基礎。以“硫的相圖”為例，應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]，供學生課后進一步學習了解水的相圖知識的最新研究進展。

三、課程思政

結合本課程的教學目標，按照教學流程，以課程內容為切入點，融入思政教育內容，可以加強對學生的辯證唯物主義、愛國主義的教育，全面提升學生的思想道德水平，培養學生的科學素養、創新創業精神與實踐能力。

（一）培養學生的科學素養

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，也是應用數學的方法來解決化學的問題，強調多學科的融合，與化學類專業人才培養目標[19-20]中的畢業要求“能夠綜合運用交叉學科的知識和技能，分析和解決本專業或跨學科的復雜問題”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、三組分相圖的學習打好基礎。對面、線、點的分析要牢牢抓住克-克方程這一理論基礎，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，理論與實踐相結合正是科學的研究方法。授課中播放的視頻要能進一步說明理論學習對生活實際的指導作用。

（二）培養學生正確的世界觀與方法論

對OD線的分析可以體現辯證唯物主義中“相對”與“絕對”的對立統一，而這一統一關系在化學學科中經常出現。在本課程中，強調過冷水的相對穩定性，既為表面化學的理論學習如凝固點降低法測相對分子量的實驗奠定基礎，也指出了物質存在與物質運動的相對性，這一觀念在化學平衡的學習中也會得到鞏固，對標畢業要求中的培養“邏輯思維能力、批判精神和反思意識”。

（三）培養學生的家國情懷與獻身精神

文獻閱讀部分讓學生不僅掌握了O點的性質，也能夠了解化學家黃子卿先生的生平與科學精神。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來修正雜質的影響，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、學成歸來投入祖國建設的事跡。這有利于引導學生感知科學家們求真務實的科學精神、追求理想的科學品質和報效祖國的拳拳赤子之心，對標畢業要求“能夠傳播中華優秀文化和中國智慧”。

（四）培養學生的創新意識與實踐能力

小結與應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型，補充了水的相圖中AOB區的知識。課堂教學與科學研究相結合有助于落實人才培養目標中的“具有創新意識和實踐能力”。

四、結語

物理化學課程教學中蘊含了大量的課程思政元素。課程思政圍繞人才培養方案，以課堂教學為主渠道、專業知識為載體，通過精心的教學設計、合理的教學方法和信息化的教學手段引領學生的思想導向，提高育人效果，這樣不僅能夠豐富學科專業教學的內容，而且能夠增加學科專業內容的深度。