物理化學(xué)課程思政案例

摘 要：以習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出的“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)為載體，切入“碳達(dá)峰碳中和”與電化學(xué)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)思政元素與專業(yè)知識(shí)的自然融合。結(jié)合電催化還原CO2的科研前沿，引導(dǎo)學(xué)生分析電化學(xué)還原CO2的原理、特征、反應(yīng)效率及面臨的挑戰(zhàn)；從課程內(nèi)容的拓展及與思政元素的融合等方面闡述融合教育的實(shí)施方案。以團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)的方式及通過(guò)課后閱讀文獻(xiàn)、寫報(bào)告、課堂展示的形式對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道體系的產(chǎn)物選擇性、催化劑穩(wěn)定性、法拉第效率等進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)其挑戰(zhàn)性問(wèn)題進(jìn)行思考，完善學(xué)生的知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)教材內(nèi)容的拓展和深化，達(dá)到課程內(nèi)容與前沿研究、工業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和時(shí)代使命感，從而實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)。

關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰碳中和；課程思政；物理化學(xué)；電催化還原CO2；融合教育；反應(yīng)效率評(píng)價(jià)；實(shí)施方案

中圖分類號(hào)：G641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2024）26-0048-05

Abstract： Taking the goal of "carbon peak and carbon neutralization" proposed by President Xi Jinping at the 75th United Nations General Assemblyas a carrier， we capture the connection between "carbon peak and carbon neutralization" and electrochemistry to realize the integration of course content and ideological and political elements. Combined with the latest scientific research on electrocatalytic reduction of CO2， students are guided to analyze the principle， characteristics， reaction efficiency and challenges of electrochemical reduction of CO2. The integrated education is elaborated from the expansion of course content and the integration with ideological and political elements. Students will learn to evaluate the product selectivity， catalyst stability， and Faraday efficiency of the reported systems after reading literatures， writing reports， and presentation in the form of teamwork. Thereafter the course content will be expanded， and the knowledge structure of students will be improved. Ultimately， the combination of course content with scientific research and industrial application will be achieved.

Keywords： carbon peak and carbon neutrality; curriculum ideology and politics; physical chemistry; electrocatalytic reduction of CO2; integrated education; reaction efficiency evaluation; implementation plan

高校立身之本在于立德樹(shù)人。要堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程[1]。作為研究電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換過(guò)程中相關(guān)規(guī)律的一門學(xué)科，電化學(xué)是物理化學(xué)課程的重要組成部分[2]。近幾十年來(lái)，電化學(xué)在環(huán)境保護(hù)、新能源、新材料、信息技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展和深入，僅依賴傳統(tǒng)教材內(nèi)容的照本宣科很難讓學(xué)生跟上電化學(xué)蓬勃發(fā)展的需求。與此同時(shí)，電化學(xué)蘊(yùn)含豐富的思政元素，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)思政元素的挖掘力度，以及加強(qiáng)思政元素、前沿研究與教學(xué)內(nèi)容的融合程度，可以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，從而實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)的培養(yǎng)總目標(biāo)[3-6]。浙江理工大學(xué)物理化學(xué)的授課對(duì)象遍及浙江理工大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院、化學(xué)與化工學(xué)院、生命科學(xué)與醫(yī)藥學(xué)院，以及浙江理工大學(xué)啟新學(xué)院共四個(gè)二級(jí)學(xué)院和一個(gè)獨(dú)立學(xué)院的六大專業(yè)。在學(xué)習(xí)物理化學(xué)課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了分析化學(xué)和儀器分析，這兩門課程都包含電化學(xué)的部分基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，因此，與這些基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的章節(jié)，教師不需要重復(fù)講解。教師在回顧這部分知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，可以將電化學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用、最新科研進(jìn)展、新思想傳授給學(xué)生，拓展學(xué)生的知識(shí)體系，也不會(huì)擠占其他章節(jié)的教學(xué)時(shí)間。本文以習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出的“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)為載體，切入“碳達(dá)峰碳中和”與電化學(xué)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，結(jié)合電催化還原CO2的科研前沿，引導(dǎo)學(xué)生分析電化學(xué)還原CO2的原理、特征、反應(yīng)效率及面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展和深化。學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作方式閱讀教師指定的文獻(xiàn)和自己查閱的文獻(xiàn)，撰寫報(bào)告和課堂展示，達(dá)到課程內(nèi)容與前沿研究、工業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和時(shí)代使命感。

一 挖掘電化學(xué)蘊(yùn)含的思政元素——“碳達(dá)峰碳中和”

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上明確提出，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。隨著人口增長(zhǎng)和工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，化石燃料的消耗急劇增加，CO2過(guò)度排放，從而導(dǎo)致全球變暖，加劇氣候不穩(wěn)定性，干旱、臺(tái)風(fēng)、高溫?zé)崂恕⒑焙蜕硥m暴等極端天氣頻繁發(fā)生，對(duì)人類生活和生產(chǎn)的破環(huán)強(qiáng)度日益增大。我國(guó)主動(dòng)提出“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)，是促進(jìn)我國(guó)能源及相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期健康可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。CO2減排主要有三種技術(shù)可供選擇：①開(kāi)發(fā)清潔能源、可再生能源和新能源取代化石能源；②通過(guò)減少能耗削減CO2排放；③CO2捕獲儲(chǔ)存和CO2轉(zhuǎn)化利用。CO2的轉(zhuǎn)化利用可以從根本上減緩CO2排放和減少化石燃料用量，該課題的研究意義重大，是科學(xué)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)[7]。

由于CO2分子中特殊的三中心四電子的離域？仔鍵作用，導(dǎo)致碳氧鍵的鍵長(zhǎng)短（1.16 ？魡），鍵能高（799 kJ·mol-1），因此，CO2分子非常穩(wěn)定，通常只有借助催化劑，且在高溫高壓等復(fù)雜條件下才能將其轉(zhuǎn)化為其他碳類化合物。例如傳統(tǒng)熱催化轉(zhuǎn)化通常需要200～500 ℃高溫和幾兆帕高壓。光催化可在常溫常壓下將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品，但光催化的轉(zhuǎn)化率與量子產(chǎn)率太低，很難達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的水平。近十幾年的研究表明，電化學(xué)還原法可以在溫和反應(yīng)條件下將CO2轉(zhuǎn)化成合成氣、甲酸、烴類及醇類等工業(yè)所需的燃料和高附加值化學(xué)品，對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)具有重要意義，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)[8-12]。反應(yīng)所需的電能可從太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源獲取，因此電化學(xué)還原CO2是綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展技術(shù)，圖1為電催化還原CO2的簡(jiǎn)單流程圖。我們將從以下幾方面開(kāi)展思政元素與教學(xué)內(nèi)容的融合教育。

（一） 電化學(xué)還原CO2的原理

電化學(xué)還原CO2反應(yīng)就是利用電能在電解池的陰極上還原CO2，而H2O在陽(yáng)極上被氧化成O2的過(guò)程。電解槽一般由工作電極、對(duì)電極及參比電極的三電極體系構(gòu)成；陰、陽(yáng)電極室通過(guò)質(zhì)子交換膜分離，避免CO2的還原產(chǎn)物被氧化，如圖2所示。電解質(zhì)通常是一些廉價(jià)的無(wú)機(jī)鹽水溶液，如NaHCO3、Na2SO4等。上述知識(shí)點(diǎn)都是電化學(xué)的核心教學(xué)內(nèi)容。

（二） 電催化還原CO2反應(yīng)的特征

1）反應(yīng)在常溫常壓、水溶液中進(jìn)行，整個(gè)還原過(guò)程幾乎無(wú)廢水產(chǎn)生，符合環(huán)保要求。

2）還原過(guò)程所需的電能可從綠色可再生能源中獲取。

3）可根據(jù)產(chǎn)物的還原電勢(shì)調(diào)控還原產(chǎn)物。

由表1可知，在電化學(xué)還原過(guò)程中，CO2得到2e-、4e-、6e-、8e-或12e-，分別生成合成氣、甲酸、烴類及醇類等多種燃料和化學(xué)品[9]。結(jié)合能斯特方程，引導(dǎo)學(xué)生基于產(chǎn)物的還原電勢(shì)，分析通過(guò)選擇合適催化劑調(diào)控還原產(chǎn)物的可能性。

（三） 電催化還原CO2的反應(yīng)效率評(píng)價(jià)

通過(guò)查閱我國(guó)科學(xué)家近年來(lái)在電催化還原CO2制備甲酸鹽、乙烯、乙醇和合成氣等領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性工作[13-14]，按以下指標(biāo)評(píng)價(jià)反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)教材內(nèi)容的拓展和深化，達(dá)到課程內(nèi)容與前沿研究、實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的培養(yǎng)目標(biāo)。

1）產(chǎn)物選擇性。

2）法拉第效率。

3）起始電位和電流密度。

4）催化劑穩(wěn)定性。

（四） 電催化還原CO2技術(shù)存在的問(wèn)題

1）由于反應(yīng)在水中進(jìn)行，CO2氣體在水中的低溶解度限制了還原反應(yīng)的速率，法拉第效率偏低。

2）存在與還原CO2競(jìng)爭(zhēng)的析氫副反應(yīng)。

3）反應(yīng)需要較高的超電勢(shì)，因此能量利用率不高。

4）產(chǎn)物大多為多種氣體與液體的混合物，產(chǎn)物分離的成本較高。

5）反應(yīng)的關(guān)鍵中間體及生成機(jī)理仍需要不斷探索，技術(shù)上面臨很大挑戰(zhàn)。

6）最大挑戰(zhàn)是電催化劑的低活性和較差的穩(wěn)定性。

所以，電催化還原CO2技術(shù)面臨很大挑戰(zhàn)，離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離，鼓勵(lì)學(xué)生好好學(xué)習(xí)，共同努力。也為本課程后續(xù)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容提前留置了思考，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的主動(dòng)性和積極性。

二 融合教育的實(shí)施方案

如圖3所示，我們通過(guò)課程導(dǎo)言引入中國(guó)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)，基于知識(shí)體系的構(gòu)建和拓展，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容與思政元素的自然融合。由于在物理化學(xué)課程之前已經(jīng)開(kāi)設(shè)了分析化學(xué)和儀器分析，學(xué)生在這兩門課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)了原電池和電解池裝置、Faraday定律、電極，以及利用能斯特方程計(jì)算電極電勢(shì)和電池電動(dòng)勢(shì)。因此，與上述基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的章節(jié)，教師不需要重復(fù)講解，可以將與之相關(guān)的前沿科研成就和新思想傳達(dá)給學(xué)生，拓展學(xué)生的知識(shí)體系，這樣便不會(huì)擠占其他章節(jié)的教學(xué)時(shí)間。當(dāng)然總學(xué)時(shí)數(shù)有限，電催化還原CO2反應(yīng)的拓展知識(shí)點(diǎn)無(wú)法一一在課堂上詳細(xì)講解，因此，教師應(yīng)提前將國(guó)內(nèi)外部分科學(xué)家在電催化還原CO2制備甲酸鹽、乙烯、乙醇和合成氣等最新突破性工作的文獻(xiàn)上傳至學(xué)習(xí)群。為了節(jié)約時(shí)間和提高學(xué)習(xí)效率，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)的方式，通過(guò)閱讀文獻(xiàn)、寫報(bào)告、課堂展示的形式對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道體系的產(chǎn)物選擇性、催化劑穩(wěn)定性、法拉第效率等進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)文獻(xiàn)中的挑戰(zhàn)性問(wèn)題進(jìn)行思考，實(shí)現(xiàn)對(duì)教材內(nèi)容的拓展和深化，達(dá)到理論知識(shí)與科學(xué)前沿、實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的培養(yǎng)目標(biāo)，具體實(shí)施方案如圖4所示。

我們首先在2020級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)試行課程內(nèi)容與思政元素融合教育的教學(xué)方案，為了提高效率和培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，將總?cè)藬?shù)為72人的學(xué)生分成4個(gè)小組。選取4個(gè)主題：①CO2過(guò)度排放的后果，電催化還原CO2的原理和反應(yīng)特征；②電催化還原CO2產(chǎn)物的還原電位與產(chǎn)物選擇性；③電催化還原CO2生成工業(yè)所需的不同化學(xué)品的反應(yīng)機(jī)理；④電催化還原CO2的常用催化劑的穩(wěn)定性比較。通過(guò)抽簽確定每個(gè)小組的報(bào)告主題，學(xué)生通過(guò)閱讀教師指定的文獻(xiàn)和自己查閱的文獻(xiàn)，撰寫報(bào)告，每個(gè)小組指派一位組員以PPT形式在課堂進(jìn)行5分鐘的簡(jiǎn)單展示（圖5）。

三 課程內(nèi)容與思政元素融合教育的效果評(píng)價(jià)

我們?cè)谡n程結(jié)束后發(fā)放了思政元素融入電化學(xué)課程教學(xué)的效果評(píng)價(jià)問(wèn)卷72份，共回收72份有效問(wèn)卷，回收率100%。98.6%的同學(xué)認(rèn)為電化學(xué)課程恰當(dāng)融入了思政元素；有88.9%的同學(xué)接受課程思政教育方式及內(nèi)容；所有同學(xué)認(rèn)為有助于理解“碳達(dá)峰碳中和”的國(guó)家戰(zhàn)略意義。90.0%的同學(xué)認(rèn)為討論課有助于了解電化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和最新科研成果，理解專業(yè)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用的距離。88.0%的同學(xué)認(rèn)為利用學(xué)校圖書館的中英文數(shù)據(jù)庫(kù)查閱文獻(xiàn)、分析問(wèn)題，撰寫文獻(xiàn)調(diào)研報(bào)告有利于后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)和畢業(yè)論文。除了電催化還原CO2方法，通過(guò)文獻(xiàn)查閱，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)還有更多技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”，例如金屬-CO2電池技術(shù)、微生物電化學(xué)方法、CO2加氫制汽油技術(shù)、CO2人工合成淀粉技術(shù)，以及CO2捕集與封存技術(shù)。大多數(shù)同學(xué)表示課程內(nèi)容與思政元素的融合教育激發(fā)了科技報(bào)國(guó)的使命感（75.0%），培養(yǎng)了科學(xué)思維方法（82.3%），樹(shù)立了學(xué)好專業(yè)知識(shí)解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的瓶頸問(wèn)題和“卡脖子”問(wèn)題的信心（80.9%），具體見(jiàn)表2。

四 結(jié)束語(yǔ)

以習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出的“碳達(dá)峰碳中和”為載體，結(jié)合國(guó)內(nèi)外科學(xué)家在電催化還原CO2領(lǐng)域的前沿科研成就，找準(zhǔn)“碳達(dá)峰碳中和”與電化學(xué)知識(shí)的映射點(diǎn)，通過(guò)課程內(nèi)容與思政元素的自然融合將前沿科學(xué)的最新進(jìn)展和新思想傳達(dá)給學(xué)生，拓展學(xué)生的知識(shí)體系，讓學(xué)生意識(shí)到物理化學(xué)知識(shí)對(duì)科技進(jìn)步和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要性，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生敏銳的科學(xué)思維方法和勇攀科學(xué)高峰的科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的使命擔(dān)當(dāng)。

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基金項(xiàng)目：浙江省第一批省級(jí)課程思政教學(xué)研究項(xiàng)目“思政元素融入《物理化學(xué)》課程教學(xué)的研究”（浙教函〔2021〕47號(hào)）；浙江理工大學(xué)一流課程建設(shè)項(xiàng)目“物理化學(xué)”（浙理工教〔2021〕47號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：黃建花（1966-），女，漢族，浙江金華人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楣獯呋?/p>