物理化學課程思政教學設計與實施
——以“界面現象”為例

劉萬強，劉鑫微，張崇華

湖南科技大學化學化工學院，化工與材料國家級實驗教學示范中心，湖南 湘潭 411201

2020年教育部在《高等學校課程思政建設指導綱要》中提出，立德樹人成效是檢驗高校一切工作的根本標準。高校要全面推進課程思政建設，寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中。物理化學是化學學科最為重要的理論基礎課程[1]。在其發展過程中涉及科學發展史、哲學內涵、科學倫理、美學內涵，以及科學家的人文情懷和科學精神[2]。同時物理化學的原理是辯證唯物主義客觀規律的鮮活例證。此外，物理化學的基本原理在日常生活以及中華傳統優秀文化中得以體現，在生產實踐、科技創新中得到應用。這些素材為課程思政提供了大量的思政元素。同時物理化學課程是理工科眾多專業的必修基礎課程。因此，深入挖掘物理化學課程中的思政元素，發揮課程的思政功能，是落實立德樹人根本任務的重要舉措。

王旭珍等人[3]提出把化學史、優秀傳統文化等思政素材與科學知識有機融合。孫越等人[4]梳理了物理化學實驗教學中開展課程思政的思路。郭暢等人[5]提出融合課程思政特色的“1421”專業課程建設模式。這些教研教改為物理化學課程思政建設提供了重要的借鑒。但總體而言，物理化學課程仍存在不足：專注知識傳授、忽視思政教育；思政教學設計缺乏系統性；部分思政素材和元素與課程內容聯系不緊密。此外，具體的可資借鑒的課程思政教學設計實例較少。

基于思政素材創設課堂情境，能夠構建思政元素與學科核心概念的內在聯系，為學生化學學科核心素養提供真實的表現機會。本文采用知識學習與思政教育有機融合的教學設計理念，充分發揮顯性與隱性課程教育的協同效應。并以“界面現象”內容的教學為例，充分挖掘與界面現象相關的思政素材，并闡述了將知識線與思政線“雙線融合”的教學設計思路和教學實施過程，以期實現知識傳授、價值塑造和能力培養的多元統一，促使學生自由而全面的發展。

1 教學內容分析

物質的存在形態有氣、液、固三種，在相態交界的地方，就會產生界面。由于界面層中的分子所處的環境與本體中的不同，因此界面層產生了一些與本體不同的性質，由此產生了許多特殊的現象和性質，稱之為界面現象。例如：曙光、雨滴、露珠、彩虹等自然現象都與界面現象有關。同時界面現象的原理也應用于染色、吸附和界面反應等領域。這些均體現了界面現象與實際生活、科技前沿的緊密聯系。

本節課以天津大學《物理化學(下冊)》第六版[6]第十章“界面現象”為教學內容，展開界面現象第一課時教學。課程的主要內容包括：(1) 界面的定義與類型；(2) 界面現象產生的原因；(3) 從力、表面功和表面自由能等角度分析表面張力；(4) 結合熱力學討論表面張力等。

2 教學設計思想

本節課以現象-本質-規律的知識線展開教學，同時以思政育人目標為導向，創設思政線，將知識線與思政線“雙線融合”，將思政教育有機融入到各個教學環節中。

3 教學目標

結合高等學校化學類專業物理化學課程教學內容與教學要求[7]，設計知識能力目標和思政目標如下。

3.1 知識能力目標

(1) 通過自主閱讀教材，能總結界面的基本概念和類型，及其產生的微觀本質。

(2) 通過液膜收縮實驗，能推導出表面張力、表面功和表面吉布斯函數的表達式，理解表面張力的含義。

(3) 了解日常生活中的界面現象，能夠應用表面張力的相關知識解釋日常生活中的界面現象。

(4) 通過小組交流討論，加深對界面現象的理解，同時提高小組協作能力。

3.2 課程思政目標

(1) 通過古文《愛蓮說》，感受中華優秀傳統美德，堅定文化自信。

(2) 借助天宮一號中的水膜張力實驗、我國科學家江雷院士設計制備的新型界面材料，增加民族自豪感和科技報國的使命感，厚植家國情懷。

(3) 了解國內外納米超疏水自清潔材料，開拓科學視野，增強投身社會主義現代化強國建設的熱情。

(4) 從現象-本質-規律的學習邏輯中，增強思維的邏輯性、辯證性、全局性，培養分析問題、解決問題的能力和探究精神。

(5) 通過課后查找與界面相關的研究成果、日常現象并撰寫論文，提高思政自我教育[8]的主動性。

4 教學流程

界面現象的教學流程分為六個環節。在教學過程中，教師通過界面現象，引導學生深入探究界面現象的本質和規律，同時涉及對學生理想信念、人文情懷、精神追求、科學思維等方面的思政教育，表1以知識線和思政線展示了教學過程中的主要師生活動。

表1 教學流程

5 教學實施

5.1 新課引入：日常生活界面現象

【教師引導，學生思考】展示圖1-圖3：肥皂泡、荷葉上的水珠為什么一般接近球形？蓮為什么能出淤泥而不染？

圖1 球形肥皂泡

圖2 荷葉上的露珠

圖3 《愛蓮說》

【設計意圖】

(1) 借助生活中常見的界面現象引入課堂并提問，激發學生求知欲，提高學習興趣。

(2) 借助文學作品《愛蓮說》中所描述的蓮花出淤泥而不染的自然現象，隱喻公正廉潔的傳統美德，弘揚中華優秀傳統文化，堅定文化自信，培養學生高尚精神追求。

5.2 概念構建：界面定義及其類型

(1) 請同學們分組討論分析燒杯中沸騰的水可能存在的界面(圖4)？什么是界面？可能存在哪些類型的界面?

圖4 盛有沸騰的水的燒杯

【學生討論、補充后得到】附著在燒杯內壁的氣泡與燒杯壁之間存在氣-固界面；氣泡與水、空氣與液面之間存在氣-液界面；水與燒杯壁之間存在液-固界面。密切接觸的兩相之間的過渡區(約有幾個分子的厚度)稱為界面，若其中一相為氣體，該界面又可稱表面。界面的類型根據物質狀態的不同，可以分為氣-液、氣-固、液-液、液-固、固-固等界面。

(2) 請同學們討論分析液體表面層分子與液體內部分子受力有何不同(圖5)？為什么荷葉上的露珠接近球形(圖2)？

圖5 氣-液界面示意圖

【學生B】液體內部的分子受到周圍分子的吸引力，這些力球形對稱，彼此抵消。而處于液體界面層的分子，由于氣相分子間距離較遠，表面層分子受到的體相分子的吸引力遠遠大于氣相分子的吸引力，導致液體表面層分子所受的力無法抵消，合力方向指向液體內部，這樣表面層分子趨向于液體內部運動，因此液體表面存在縮小的趨勢，最終形成如同一層繃緊的富于彈性的膜。這也是荷葉上的露珠接近球形的原因。

【教師】對學生回答予以評價。

【設計意圖】

(1) 以問題驅動，引導學生分析沸水中的各種界面，實際了解存在哪些界面，總結出界面的定義和類型，培養學生自主學習和獨立思考的習慣。

(2) 從界面現象探尋露珠接近球形的原因，促進學生形成現象-本質-客觀規律科學探究模式，培養學生邏輯思維和科學探究精神，滲透從宏觀到微觀的事物認識規律、透過現象看本質的哲學思想。

5.3 本質探析：從力、表面功、表面吉布斯函數多角度研究表面張力

(請學生們自主分析液膜收縮實驗(圖6)，并從金屬絲所受液膜的拉力、液膜面積擴大時所作的可逆表面功、可逆表面功與吉布斯函數的關系探究表面張力。并對學生的自學成果予以評價。)具體教學內容參考天津大學《物理化學(下冊)》第六版[6]第十章“界面現象”，可得：

圖6 蘸有肥皂膜的金屬框

【同學自主知識小結】表面張力、表面功、表面吉布斯函數三者關系(見表2)。

表2 表面張力、表面功、表面吉布斯函數三者關系

【設計意圖】

通過實驗，引導學生從力、表面功、表面吉布斯函數三個不同角度思考表面，了解三者異同，幫助學生理解表面張力的本質；滲透對立統一的辯證唯物主義規律；激發學生探索未知、追求真理的精神。

5.4 本質探析：從熱力學角度深入分析表面張力

(1) 請同學們由單相多組分系統的四個熱力學基本公式推導表面熱力學基本公式(具體教學內容參考天津大學《物理化學(下冊)》第六版[6]第十章“界面現象”)。

(2) 請同學們討論并進一步分析：為什么自然界中氣泡、露珠一般都成球形或接近球形？

(3) 請同學們查閱資料，解釋蓮為什么能出淤泥而不染呢？

【學生C】科學家發現蓮葉的表面有一層細小的絨毛和微小的疏水性顆粒，由可知，如果水在蓮葉上鋪展，就會形成較大的總表面積，導致水的表面吉布斯函數增大。因此，水趨向于在蓮葉表面形成大的接近球形的水珠以減小總的表面積，同時水珠在滾動時會帶走淤泥和灰塵，這就是蓮葉出淤泥而不染的原因。

【設計意圖】

通過思考液滴成球形、蓮出于污泥而不染的原因，進一步理解表面吉布斯函數表達式，培養學生應用知識的能力，調動學生學習積極性。

5.5 前沿拓展：借助思政素材開展科技前沿拓展

(1) 【教師展示、提問、評價】展示我國宇航員在空間實驗室天宮一號內所做的表面張力水膜實驗(圖7)，為什么在太空中向液膜中注水可以形成球形液滴？

圖7 天宮一號中水膜張力實驗

【學習小組C】液滴由于受到表面張力，有收縮成球形的趨勢。在地面上，水滴受到重力的影響，一般成橢球形，而在太空中微重力環境下，液滴幾乎成完美的球形。

(2) 【教師拓展】江雷院士課題組仿生荷葉原理(圖8)，制備了一種神奇的能穩定漂浮在水面上的銅片，即使在湍急的水流中，也能漂浮，甚至征服“瀑布”。這種銅片就是下表面為超親水性涂層，上表面超疏水的涂層。這樣下表面就可以牢牢的吸附在水面上。

圖8 江雷院士及Janus界面材料

(3) 【教師展示、提問、評價】如圖9所示，我們發現手機屏幕上不小心灑到水時，水在屏幕上一般形成小液滴？為什么？

圖9 屏幕納米涂層技術

【學生D】這是由于屏幕上有一層疏水性納米薄膜，大幅度降低了屏幕的表面吉布斯函數。同時水保持液滴形態也降低水的表面吉布斯函數，因而水在屏幕表面形成液滴，達到防水、防塵的作用。

【教師評價、拓展】回答準確，這也是仿生荷葉的自清潔原理。目前，這一技術已經應用于屏幕納米涂層、超疏水自清潔衣服面料(圖10)等領域。

圖10 納米超疏水自清潔材料

【設計意圖】

(1) 展示我國在航天領域的成就以及我國科學家在表面材料領域的研究成果，增強民族自豪感，堅定道路自信，激發學生科技報國的理想信念。

(2) 展示中外科學家在納米涂層技術、納米自清潔材料等方面的成果，展示學科原理在科技發展中的應用和價值，培養創新意識和科學精神，拓展學生的國際視野，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。

5.6 總結及任務：知識小結與作業布置

(1) 請同學們對本節課所學知識進行小結。

【學生E】在本節課中，我們學習了界面的定義與類型、表面張力、表面吉布斯函數、多組分系統熱力學公式以及表面張力的影響因素。同時，也明白了日常生活中一些現象的原理，也體會到了中華文化的博大精深，以及中國智慧對科技發展和人類進步的促進作用。作為當代大學生，我們應該樹立正確的價值觀和人生觀，為實現中華民族偉大復興貢獻自己的力量。

(2) 作業布置。

日常生活中還有哪些現象與界面現象有關？哪些科技創新應用到了界面原理？請同學們分析原因，撰寫一篇相關論文。

【設計意圖】

(1) 在總結知識的同時進行思政引導，強化理論知識學習以及課程思政教育效果。

(2) 學生課后進一步拓展界面現象的知識學習，感受科技原理在日常生活和科技創新中的應用，開展自我思政教育。

6 教學效果及反思

以“界面現象”為例的物理化學課程思政教學設計，將串聯中華傳統文化、生活實例、科技前沿等思政素材的思政線與現象-本質-規律為邏輯的知識線“雙線融合”，發揮物理化學課程的育人功能。該教學設計經過3個學年的教學實踐和打磨提煉，獲得了湖南科技大學課程思政教學比賽一等獎、湖南省高校課程思政教學比賽三等獎。另外，物理化學課程思政還應豐富思政元素融合方式、完善思政教育考核評價體系等，以建立系統的物理化學課程思政體系。