《物理化學(xué)》課程思政的探究與實(shí)踐
——以熱力學(xué)第二定律為例

2022-01-25 15:02:38代雨航

化工設(shè)計(jì)通訊 2022年1期

代雨航

（長(zhǎng)春建筑學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130600）

1 《物理化學(xué)》課程介紹

我?！段锢砘瘜W(xué)》面向給排水專業(yè)學(xué)生，對(duì)于非化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，物理化學(xué)課程難度較大，接受起來(lái)比較困難，繁雜的公式概念，記憶困難，容易打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性?！段锢砘瘜W(xué)》是給水排水專業(yè)必修的基礎(chǔ)課，是運(yùn)用物理的理論來(lái)研究化學(xué)體系的性質(zhì)和行為，發(fā)現(xiàn)并建立化學(xué)體系中特殊規(guī)律的一門學(xué)科[1]。我?！段锢砘瘜W(xué)》課程由理論課程和試驗(yàn)課程共同組成，其中理論課48學(xué)時(shí)，試驗(yàn)課12學(xué)時(shí)。在《物理化學(xué)》課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，將無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)，水分析化學(xué)、大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)的課程中化學(xué)、物理及數(shù)學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到化學(xué)反應(yīng)體系中。

《物理化學(xué)》課程改革前，總成績(jī)主要由期末考試成績(jī)的70%，試驗(yàn)10%，出勤10%，作業(yè)10%構(gòu)成。其中，期末考試成績(jī)占比過(guò)重，僅憑一張?jiān)嚲聿荒芡耆砻鲗W(xué)生一學(xué)期的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，學(xué)生會(huì)逐漸輕視課堂內(nèi)容，期末突擊復(fù)習(xí)，死記硬背，應(yīng)付考試，考后遺忘速度快?！段锢砘瘜W(xué)》課程考核方式改革要解決這一根本問(wèn)題，重新建立考核體系，注重過(guò)程性評(píng)價(jià)，強(qiáng)調(diào)課堂教學(xué)內(nèi)容的重要性，強(qiáng)化學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的能力，注重綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度。

《物理化學(xué)》課程改革后，總成績(jī)由期末考試成績(jī)的50%，試驗(yàn)10%，出勤10%，作業(yè)30%構(gòu)成。降低期末試卷成績(jī)的占比，提高了平時(shí)作業(yè)成績(jī)的占比，使學(xué)生更加注重學(xué)習(xí)過(guò)程，提高了課堂教學(xué)效果。其中，作業(yè)占比30%，由隨堂作業(yè)10%，課后作業(yè)10%，小組合作討論10%構(gòu)成。學(xué)生分小組，全組成員團(tuán)結(jié)協(xié)作制作 PPT，課堂上進(jìn)行比賽。每組選一名同學(xué)進(jìn)行 PPT 講解，然后其他組同學(xué)對(duì)其進(jìn)行提問(wèn)，這個(gè)組的任何一個(gè)同學(xué)都可以進(jìn)行回答。

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰷p，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂，鍛煉大學(xué)生自學(xué)能力以及實(shí)踐能力。在現(xiàn)代化教學(xué)過(guò)程中，教師合理使用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)資源，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與學(xué)生夠建立積極的互動(dòng)，逐步嘗試讓學(xué)生參與更多的教學(xué)過(guò)程。課上采用學(xué)習(xí)通手機(jī)軟件，實(shí)時(shí)發(fā)送隨堂作業(yè)，規(guī)定學(xué)生限時(shí)完成，同時(shí)可以減少教師批閱時(shí)間，課堂上快速反饋易錯(cuò)點(diǎn)，有利于知識(shí)點(diǎn)的及時(shí)講解消化。課后，學(xué)生在完成傳統(tǒng)模式的學(xué)習(xí)之外，還可以利用電腦、手機(jī)等工具，進(jìn)行線上資源學(xué)習(xí)擴(kuò)展，完成課后作業(yè)，促進(jìn)認(rèn)知學(xué)習(xí)過(guò)程，增強(qiáng)抽象推理和學(xué)習(xí)能力。

小組合作討論學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師做好引導(dǎo)者和組織者，選擇合作學(xué)習(xí)內(nèi)容難易要適中，盡量選用開放式問(wèn)題，使小組通過(guò)努力嘗試，能夠提出解決方案。有利于培養(yǎng)學(xué)生的自信心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)。

2 思政課程建設(shè)必要性

習(xí)近平總書記曾多次強(qiáng)調(diào)課程思政的重要性[2]，高校教育面向大學(xué)生，他們經(jīng)歷了十二年的寒窗苦讀，步入大學(xué)進(jìn)行四年的學(xué)習(xí)，這四年是他們步入社會(huì)前“學(xué)習(xí)”的黃金時(shí)期。然而現(xiàn)狀是相較于高中，甚至于初中，大學(xué)生是很“輕松”的，主要原因是大部分的大學(xué)生失去了學(xué)習(xí)的動(dòng)力，缺少了很好的督促和引導(dǎo)。

周恩來(lái)總理年少時(shí)曾立下“為中華崛起而讀書”的宏偉誓言，在任何一個(gè)時(shí)代，每名大學(xué)生都應(yīng)將實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值同黨和國(guó)家前途命運(yùn)緊緊聯(lián)系在一起。高校的課程思政深入貫穿教學(xué)全過(guò)程，厚植愛國(guó)主義情懷，樹立文化自信，實(shí)現(xiàn)全方位育人。

作為一名高校教師，將專業(yè)知識(shí)和思政元素穿插融合展現(xiàn)在教學(xué)授課過(guò)程中，使學(xué)生在接受專業(yè)知識(shí)培養(yǎng)的同時(shí)接受思政教育，為社會(huì)培養(yǎng)具有正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人。

《物理化學(xué)》課程內(nèi)容覆蓋面非常廣泛，可以充分利用線上資源，選擇合適的慕課資源、動(dòng)畫科普豐富線上教學(xué)資源，使學(xué)生可以不受時(shí)間和空間的限制，隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。堅(jiān)持以學(xué)生為中心，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中引入生活實(shí)際問(wèn)題，充分發(fā)揮案例式教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)際生活問(wèn)題為例總結(jié)歸納物理化學(xué)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)物理化學(xué)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的重新建構(gòu)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生建立科研思維，使學(xué)生了解其所學(xué)知識(shí)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)以致用。如在表面現(xiàn)象這一章節(jié)中，介紹表面活性劑的作用的同時(shí)介紹了很多自然現(xiàn)象背后的原理。明白了蚊子和水黽是憑借了水的表面張力從而可以站在水面上，那么利用所學(xué)知識(shí)，可以在水中加入少量肥皂水以降低水的表面張力，讓這類昆蟲無(wú)法在水面上立足。將課堂書本上的文字公式，活靈活現(xiàn)地應(yīng)用在生活中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，使課堂氛圍活躍起來(lái)。

我校《物理化學(xué)》課程主要面向于給排水專業(yè)大三的學(xué)生，此階段的學(xué)生正處于確定人生方向的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)于未來(lái)開始有規(guī)劃有想法。所以，在面向大三學(xué)生進(jìn)行授課時(shí)不僅要講透知識(shí)點(diǎn)，更要挖掘課程背后的思政元素，堅(jiān)持教書與育人相統(tǒng)一。

3 《物理化學(xué)》課程思政的探究

我校選用的《物理化學(xué)》教材為《物理化學(xué)核心教程》（第三版），此教材主要為非化學(xué)專業(yè)學(xué)生編寫，書中盡量簡(jiǎn)化公式的推導(dǎo)和數(shù)學(xué)計(jì)算，突出基本原理，為專業(yè)提供指導(dǎo)作用。書中列舉實(shí)例緊密聯(lián)系科學(xué)發(fā)展，展現(xiàn)了物理化學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，在書中每一章節(jié)的最后，都附上了相關(guān)科學(xué)家的生平事例，每位科學(xué)家的科研故事都引人深思，使枯燥的知識(shí)活了過(guò)來(lái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，吉布斯相律f=C-P+2背后的故事，這樣一個(gè)簡(jiǎn)短的公式，是吉布斯推導(dǎo)了七百多個(gè)公式，寫了四百多頁(yè)紙，得出的結(jié)論。相律在相平衡的研究中具有十分重要的作用，我們正是站在偉人的肩膀上追求真知。

同樣是在相平衡這一章節(jié)中，在介紹水的三相點(diǎn)時(shí)，必須要提到一位偉大的科學(xué)家，黃子卿先生，正是因?yàn)樗唤z不茍的科研態(tài)度，測(cè)定了水的三相點(diǎn)的精確值（0.00980±0.00005）℃，這也成了國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)的參照數(shù)據(jù)之一，為世界計(jì)量科技的發(fā)展進(jìn)步做出了杰出貢獻(xiàn)。黃先生從事高校教學(xué)工作55a，一生勤奮好學(xué)，講授多門物理化學(xué)課程，編寫了新中國(guó)成立以來(lái)的第一本《物理化學(xué)》教材，被譽(yù)為我國(guó)物理化學(xué)的一代宗師[3]。

物理化學(xué)中很多公式或定律都是以科學(xué)家的名字命名的，如道爾頓分壓定律、范德華方程、反應(yīng)焓變與溫度的關(guān)系——基爾霍夫定律、克勞修斯不等式等，在講授這些公式與定律之間穿插一些科學(xué)家的故事可以讓學(xué)生感受科學(xué)家的科學(xué)精神。

4 熱力學(xué)第二定律章節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

物理化學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)抽象，不易理解，公式多，容易造成學(xué)生記憶困難，產(chǎn)生厭倦心理。在課程中適當(dāng)穿插思政內(nèi)容，增添課程人文色彩，使公式定義以歷史人物故事的形式逐一展開，可以喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，面對(duì)困難不氣餒，產(chǎn)生積極的影響[4]。

【回顧】我們剛剛學(xué)過(guò)了熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。知道了熱力學(xué)能、熱和功之間的關(guān)系：△U=Q+W。

【引入】通過(guò)熱力學(xué)第一定律，我們知道系統(tǒng)與環(huán)境之間可以發(fā)生功和熱的交換，能量從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，但是能量的總值是保持不變的。既然能量的總量是不變的，為什么還說(shuō)有能源危機(jī)呢?假想一下，地球上海水占總面積的71%，如果這些海水的溫度降低0.1℃，放出的熱量就相當(dāng)于360萬(wàn)個(gè)三峽水電站1a的發(fā)電量，讓大家討論一下這個(gè)方案可行嗎？

通過(guò)學(xué)生的討論，引出熱力學(xué)第二定律的基本定義。克勞修斯對(duì)熱力學(xué)第二定律的描述：“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化”。指的就是熱傳導(dǎo)的不可逆性。熱傳導(dǎo)的方向性，兩個(gè)溫度不同的物體接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，要實(shí)現(xiàn)相反過(guò)程，必須借助外界的幫助，因而會(huì)產(chǎn)生其他影響，引起其他變化。

熱力學(xué)第二定律有多種表述方法，還有一種經(jīng)典說(shuō)法是由開爾文提出的：“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其他變化”。指的是功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬牟豢赡嫘浴?/p>

后來(lái)，奧斯特瓦爾德將開爾文說(shuō)法表述為：“第二類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的”。在熱力學(xué)第一定律問(wèn)世后，人們認(rèn)識(shí)到能量是不能被憑空制造出來(lái)的，所謂第二類永動(dòng)機(jī)，是一種能夠從單一熱源吸熱，并將所吸收的熱全部變?yōu)楣Χ鵁o(wú)其他影響的機(jī)器，他并不違反熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律），但是違背了熱力學(xué)第二定律。

在前面的課程中我們已經(jīng)知道了第一類永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)造不成的，在人類發(fā)展的漫長(zhǎng)路程上，總有人嘗試做各種各樣的永動(dòng)機(jī)，但結(jié)果都是失敗的。因?yàn)閺囊婚_始，永動(dòng)機(jī)的原理就違背了熱力學(xué)定律，凡是違反了科學(xué)規(guī)律的試驗(yàn)都是不可能做到的。所以，同學(xué)們?cè)谧鲈囼?yàn)之前，要首先確定其背后的原理邏輯，是否符合科學(xué)規(guī)律。做試驗(yàn)如此，做人更應(yīng)如此，在我們?nèi)松母鱾€(gè)時(shí)期，都有明確的目標(biāo)為之努力，更重要的是目標(biāo)方向的確立。要在正確的人生觀、世界觀、價(jià)值觀的引導(dǎo)下，選擇正確的發(fā)展方向。只有在正確的道路上，努力和堅(jiān)持才是有意義的[5]。

雖然說(shuō)永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)造不成的，但是人們總是想盡可能地提高熱機(jī)的工作效率。如何將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ膯?wèn)題在實(shí)際生活中有著十分重要的意義，比如，19世紀(jì)初，蒸汽機(jī)將燃料產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝瑥亩苿?dòng)活塞做功，但最初的蒸汽機(jī)對(duì)熱的利用率很低，人們開始關(guān)注如何將效率提高，但當(dāng)時(shí)熱力學(xué)第二定律還沒(méi)有問(wèn)世，人們不知道熱機(jī)效率有一定的限度。直到1824年卡諾另辟蹊徑運(yùn)用了理想模型的研究方法，構(gòu)思了理想化的熱機(jī)——卡諾熱機(jī)，從理論上找到了提高熱機(jī)效率的根本途徑，也證明了熱與功的轉(zhuǎn)換有一個(gè)極限，即熱機(jī)不可能將所吸收的熱全部轉(zhuǎn)換為功。實(shí)際上熱機(jī)必須有熱源和冷源，熱機(jī)工作時(shí)，總要向冷源器散熱，不可避免地要由工作介質(zhì)帶走一部分熱量Qc。把熱機(jī)做的功W和它從熱源吸收的熱量Qh的比值，叫作熱機(jī)的效率。

因此，實(shí)際生活中熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%。

【課程思政】汽車上的汽油機(jī)效率只有20%～30%，汽油作為不可再生資源，在交通發(fā)達(dá)的現(xiàn)代消耗量非常大，同時(shí)也帶來(lái)了很大的環(huán)境污染。接著進(jìn)行思政教育，平時(shí)出行盡量選擇乘坐公共交通，降低能耗污染。介紹我國(guó)科研工作者在清潔能源方面的進(jìn)行主要研究，以及對(duì)于資源的高效利用，減少不可再生資源的過(guò)度使用，保護(hù)地球的生態(tài)環(huán)境，貫徹習(xí)近平總書記的“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保意識(shí)，可持續(xù)發(fā)展理念，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

【思考】在清潔能源還未能完全取代化石能源之前，如何提高熱機(jī)效率對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)仍然具有十分重要的指導(dǎo)作用。如火力發(fā)電廠的能量利用，鍋爐→汽輪機(jī)→發(fā)電機(jī)→冷卻塔，當(dāng)鍋爐加熱到200℃、400℃、550℃時(shí)，當(dāng)冷卻塔溫度相同，計(jì)算其熱機(jī)效率?？偨Y(jié)得出提高Qh能夠提高熱機(jī)效率。當(dāng)鍋爐溫度較低時(shí)將造成高煤耗、高污染，產(chǎn)生S、N氧化物、粉塵、PM2.5以及廢熱污染等，對(duì)環(huán)境造成不同程度的污染?？ㄖZ構(gòu)思的理想化熱機(jī)模型對(duì)提高熱機(jī)效率問(wèn)題做出了杰出貢獻(xiàn)。同時(shí)，卡諾也為熱力學(xué)第二定律的提出奠定了一定的基礎(chǔ)。

通過(guò)熱機(jī)效率這一小知識(shí)點(diǎn)將思政內(nèi)容和課堂知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行融合，后續(xù)時(shí)間介紹卡諾循環(huán)、卡諾定理。

通過(guò)本課堂設(shè)計(jì)，既能有效地傳授關(guān)于熱力學(xué)第二定律的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在人生的道路上明確目標(biāo)，選擇正確的方向而努力。此外還對(duì)學(xué)生進(jìn)行了一場(chǎng)關(guān)于環(huán)保理念的思政教育，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)于環(huán)保事業(yè)的了解，將課本內(nèi)容和思政內(nèi)容融會(huì)貫通，將理論和實(shí)際相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)環(huán)保知識(shí)的認(rèn)知水平。

5 結(jié)語(yǔ)

“課程思政”指的不是單獨(dú)的授課加上單獨(dú)的道德說(shuō)教，而是在理論課程之上輔以合適的思政元素，讓二者很好地融合，可以起到調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，調(diào)節(jié)課堂氣氛的作用，甚至觸動(dòng)學(xué)生內(nèi)心深處，達(dá)到意想不到的教學(xué)效果。