物理化學課程思政教學的人文性

彭繼明 蔡業政 黃有國 胡思江

摘? 要：全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措。物理化學是化學化工等理工科專業的基礎必修課程。該文結合物理化學課程教學在人文性面臨的難點，秉持將知識傳授與思政元素有機融合的理念，以膨脹功教學為例，深度挖掘提煉該知識內容與經典唐詩的契合點，闡述潤物無聲式的思政教學設計思路，以期為物理化學教師提供以“人文性”的課程思政教學設計實例。

關鍵詞：物理化學；課程思政；人文性；膨脹功；教學設計

中圖分類號：G641? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）32-0173-05

Abstract： Comprehensive framework for promoting ideological and political education is a strategic initiative to achieve the fundamental task of moral education. Physical Chemistry is an introductory required course for students majoring in science and engineering， such as chemistry and chemical engineering. Integrating science knowledge learning with ideological and political education is challenging in physical chemistry teaching. To organically fusing with these elements， this paper demonstrates a design concept of course ideology and politics in the form of moistening everything silently. Taking the teaching of "expansion work" as an example， this paper provides an excellent model in humanistic education of curriculum ideology and politics in Physical Chemistry.

Keywords： Physical Chemistry; curriculum ideology and politics; humanistic education; expansion work； instructional design

基金項目：國家自然科學基金項目“杯醌成鍵涂層富鋰錳基正極材料的制備及其構效關系的研究”（22169004）；廣西研究生教育創新計劃項目“一流學科建設驅動化學類研究生‘五位一體’培養模式的探索”（JGY2022031）、“OBE理念下化工專業研究生‘五個一’人才培養模式的探索與實踐”（JGY2021022）

第一作者簡介：彭繼明（1984-），女，漢族，湖北紅安人，博士，講師。研究方向為材料電化學。

*通信作者：胡思江（1984-），男，漢族，湖北麻城人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為新能源材料與器件及其相關基礎科學問題。

2020年教育部《高等學校課程思政建設指導綱要》（以下簡稱《綱要》）中指出，把思想政治教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養質量?！毒V要》明確了課程思政建設目標要求和內容重點，提出加強中華優秀傳統文化教育。大力弘揚以愛國主義為核心的民族精神和以改革創新為核心的時代精神，教育引導學生傳承中華文脈，富有中國心、飽含中國情、充滿中國味。因此，結合物理化學課程教學目標，深入挖掘中華優秀傳統文化元素是實現課程思政建設目標的重要立足點。

張樹永[1]系統論述了物理化學課程思政建設的目標與實現途徑，強調必須防止出現強力灌輸、生拉硬拽、牽強附會等問題。王旭珍等[2]提出通過科學發展史、中國物理化學家、優秀傳統文化、學科交叉與創新和身邊的科學家等方面開展課程思政教學。孫艷輝等[3]從學科發展史、科學家簡介、經典理論和方法、學科交叉、科學發展前沿及物理化學在生產生活中的應用6個方面梳理物理化學課程蘊含的思政教育要點。郭暢等[4]提出構建“1421模式”提升課程育人實效。左晶等[5]探討了物理化學課程思政教學內容組成構建、課堂思政教學過程的把控要素。這些探討與實踐為物理化學課程思政建設提供借鑒。但物理化學教師在實踐過程中仍存在思政元素和課程知識聯系不緊密的問題。尤其在中華優秀傳統文化教育方面，可借鑒的課程思政教學設計實例較少。

物理化學學科萌芽于18世紀中葉，如今已成為化學、材料學、物理學等學科的前沿研究熱點和相鄰學科的交叉點?？v觀物理化學的發展史，不難發現很多理論知識是由歐洲科學家提出，中國元素占比很少。如何結合課程知識融入中國元素，弘揚中華優秀傳統文化，是課程思政教學中的難點。為此，本文秉持將知識傳授與思政元素有機融合的理念，闡述了潤物無聲式的思政教學設計思路。并以膨脹功知識點的教學，展示了膨脹功與經典唐詩有機融合實現中華優秀傳統文化教育的實例。

一? 教學內容分析

熱力學第一定律（dU=δQ+δW）的一個重要應用就是計算系統和環境之間的熱交換。熱力學能是系統的狀態函數，比較容易從系統的其他性質計算出來。確定了功和熱力學能的變化量，對封閉系統任何過程，就可以計算相對不好直接測量的熱。功包括機械功和非機械功。在經典熱力學中，一般只考慮機械功。對于氣態封閉系統，機械功就是體積變化所引起的功，即膨脹功（部分教材用體積功表示）。功與變化的具體途徑有關。因此，在功的計算中必須聯系具體的過程。

本節課以南京大學《物理化學第六版（上冊）》[6]第二章“準靜態過程與可逆過程”為教學內容，進行膨脹功的教學。課程的主要內容包括：膨脹功的定義；膨脹功與過程；結合熱力學第一定律討論膨脹功的應用等。

二? 教學設計理念

本節課以定義—過程—應用的知識線開展教學，以設問—思考—回應的思政線為導向，將思政教育有機融入到教學環節中。

三? 教學目標

依據《高等學?；瘜W類專業物理化學相關教學內容與教學要求建議（2020版）》[7]，分為知識與能力目標、過程與方法目標和課程思政目標。

（一）? 知識與能力目標

1）理解功的本質。

2）掌握膨脹功的求算。

3）理解可逆過程的特點。

（二）? 過程與方法目標

1）通過膨脹功的推算，學習科學探究的方法，培養邏輯思維能力。

2）通過比較不同狀態下膨脹功求算公式的區別，建立知識相關聯的學習方法，掌握本專業研究的思路和方法。

3）通過小組討論和交流，提升語言表達能力，發展團隊合作意識。

（三）? 課程思政目標

1）通過學習膨脹功的求算及其與過程的關系，學習馬克思主義唯物辯證的對立與統一思想，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。

2）通過學習膨脹功在經典唐詩中的解釋、西氣東輸等工業生產中的應用，增加課程的人文性，引導學生靈活運用所學知識解決工程問題，培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感。

四? 教學環節

膨脹功的教學包括5個環節。教師過程設問導入新課，引導學生通過溫度差異的現象探究其背后的熱力學本質，舉例并講解膨脹功在不同過程下的計算方法，最后通過課堂練習，對所學知識點進行綜合應用和鞏固。整個教學過程中，采用講授法、討論法、練習法，通過生活實例引導學生思考，通過完成各種學習情境，使學生掌握本次課程的重點和難點。表1展示了以知識線和思政線并軌的教學環節。

五? 教學過程

（一）? 導入新課：唐代白居易《大林寺桃花》

教師引導，學生思考：展示圖1，重溫唐代白居易《大林寺桃花》詩句，為什么潯陽城的桃花已是落英繽紛，廬山大林寺的桃花卻是桃之夭夭？溫差是如何產生的？

設計意圖：以古詩為導入口，多學科交融學習，弘揚中華優秀傳統文化，堅定文化自信。在提升學生人文素養的同時結合提問將學生引入本次課程所學知識。

（二）? 構建概念：功的定義與一般表達式

1）請同學們復習回顧功和熱傳輸能量的區別。

學生討論總結：熱是大量質點以無序運動方式而傳遞的能量；功是大量質點以有序運動方式而傳遞的能量（圖2）[8]。

2）請同學們結合機械功的概念，分析氣體膨脹的做功過程。功分為膨脹功和非膨脹功。具體教學內容參考南京大學《物理化學第六版（上冊）》[6]第二章“準靜態過程與可逆過程”，可得

廣義的功：δW=-|F|dz。 （1）

若用pex表示外壓，則|F|=pexA。

因此，δW=-pexAdz。

因為dV=Adz，

所以δW=-pexdV。

設計意圖：通過知識回顧讓學生掌握功的本質（功不是狀態函數，與變化的途徑有關）。從機械功的概念出發，讓學生理解功的概念和定義式。

（三）? 剖析本質：不同過程功的計算

1）請同學們思考有哪些過程？自由膨脹、等外壓膨脹、多次等外壓膨脹和可逆膨脹四個過程各自條件有何不同。嘗試推導這些條件下功的計算式。

2）教師講解：可逆過程與絕熱過程。

系統從狀態1變到狀態2之后，如果能使系統和環境都恢復到原來的狀態而未留下任何永久性的變化，則該過程稱為熱力學可逆過程。

絕熱過程：ΔU=W。

設計意圖：通過對過程的思考，理解功與過程的關系。

3）自由膨脹。因為pex=0，δW1=-pexAdz=0。

4）一次等外壓膨脹（圖3），則

5）多次等外壓膨脹（圖4）?？朔鈮簽閜′ex，體積從V1膨脹到V′；克服外壓為p′ex，體積從V′膨脹到V2，則

W3=-p′ex（V′-V1）-pex（V2-V′）。（4）

外壓差距越小，膨脹次數越多，做的功也越多。

6）可逆膨脹（圖5）。外壓始終比內壓小一個無窮小的值，每一步都接近于平衡態。所做的功為

如果是理想氣體，則

7）學生小組討論：請同學們比較這些過程做的功的多少，可以得出什么結論？

學習小組B：可逆膨脹過程陰影部分面積最大，做的功最多。

教師評價、拓展：回答正確?？赡媾蛎?，系統對環境做最大功。

設計意圖：通過從四個相互關聯、又有區別的過程膨脹功的計算，培養學生邏輯思維能力，培植對立統一的辯證唯物主義思想。

互動練習：有一高壓鋼筒，打開活塞后氣體噴出筒外，當筒內壓力與筒外壓力相等時關閉活塞，此時筒內溫度將（? ? ）。

（A）升高? （B）降低? （C）不變

學生小組討論：請同學們完成練習。

教師評價、拓展：應用熱力學第一定律（ΔU=Q+W），壓縮空氣沖出鋼筒時，筒內的氣體對沖出的氣體做功。由于沖出的速度很快，筒內氣體來不及從環境吸熱，相當于是個絕熱過程，所以筒內氣體的溫度會下降。

設計意圖：通過互動練習，培養學生運用所學知識分析問題、解決問題的能力。

（四）? 回應設問與應用拓展

學生小組討論：“人間四月芳菲盡，山寺桃花始盛開”的物理化學秘密。

教師評價、拓展：在白天的時候，艷陽高照，地表快速升溫。與此同時，地表空氣團受熱發生膨脹導致密度降低，向上運動（圖6）。由于空氣的導熱性能較差，氣團上升過程較快，該過程可近似為絕熱過程。海拔越高，壓強越低，氣團不斷膨脹對環境做功。根據熱力學第一定律，熱力學能減小，溫度降低。廬山海拔為1 100 m左右，“人間”（潯陽城，今九江市區）海拔在20 m左右。一般而言，海拔相差1 000 m，溫度相差7 ℃左右[9]。因此，廬山上的桃花要比潯陽城的桃花晚開一個月左右。

設計意圖：通過對唐詩中溫差產生原因的分析，培養學生運用所學知識分析問題、解決問題的能力；將枯燥的理論計算與有趣的唐詩聯系起來，增加課堂的趣味性和人文性，增強中華優秀傳統文化教育。

學生小組討論：請同學們思考并分析，如果是環境對系統做功，不同過程的膨脹功又怎樣計算呢？西氣東輸長距離輸運壓縮氣體應該怎樣使用壓縮泵更節能？

教師評價、拓展：功與變化的途徑有關。不同壓縮過程膨脹功的計算與膨脹過程相同（圖7）?？赡鎵嚎s，環境對系統做最小功。因此，多個泵壓縮更節能。

設計意圖：通過比較膨脹和壓縮過程的做功情況，學習馬克思主義唯物辯證的對立與統一思想；通過西氣東輸中壓縮過程如何節能的分析，強化學生工程倫理教育，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

（五）? 總結及任務

1）請同學們對本節課的內容進行小結。學生C：在本節課中，我們學習了膨脹功的定義、計算及其應用、可逆過程。同時也明白了生產生活中一些現象的原理，體會到中華優秀傳統文化的魅力。作為新時代大學生，我們應樹立馬克思主義的世界觀、人生觀、價值觀，為實現中華民族偉大復興匯聚源源不斷的青春力量。

2）布置作業。還有哪些經典古詩詞中的現象可以用膨脹功解釋？生產生活應用還有哪些膨脹功應用的相關實例？哪些最新科技創新應用了膨脹功的原理？請同學們分析背后的原因，撰寫一篇論文。

設計意圖：通過梳理本節課所學的膨脹功的重難點，構建知識網絡圖。同時進行思政引導，強化理論知識和思政教育效果。

通過學生拓展膨脹功的知識，感受物理化學原理在中華優秀傳統文化、日常生活和科技創新中的應用，內化思政教育。

六? 結束語

以膨脹功為例的物理化學課程思政教學設計，將中華優秀傳統文化、工程生產實例等思政元素的思政線與現象—本質—規律的知識線有機融合，充分發揮物理化學課程的育人功能，讓枯燥的理論學習轉化為生動有趣的知識盛宴。在教學過程中以學生發展為中心，做到問題驅動、理實一體、學練結合。

參考文獻：

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[3] 孫艷輝，南俊民，馬國正，等.物理化學課程思政教學設計與實踐[J].大學化學，2021，36（3）：213-218.

[4] 郭暢，方暉，白國梁，等.構建“1421模式”提升課程育人實效——以物理化學課程群建設為例[J].大學化學，2022，37（10）：131-138.

[5] 左晶，劉向榮，梁耀東.歷史思維下物理化學課程思政的思考[J].高教學刊，2022，8（21）：180-184.

[6] 傅獻彩，候文華.物理化學上冊[M].6版.北京：高等教育出版社，2022.

[7] 張樹永，李金林，范樓珍，等.高等學?；瘜W類專業物理化學相關教學內容與教學要求建議（2020版）[J].大學化學，2021，36（1）：1-10.

[8] ATKINS P， PAULA J D， KEELER J. Atkins' Physical Chemistry[M].U.S.A： Oxford University Press， 2018：36.

[9] 馮學民，蔡德利.土壤溫度與氣溫及緯度和海拔關系的研究[J].土壤學報，2004，41（3）：489-491.