《物理化学》课程思政的探究与实践
——以热力学第二定律为例

2022-01-25 15:02代雨航

化工设计通讯 2022年1期

代雨航

（长春建筑学院，吉林长春 130600）

1 《物理化学》课程介绍

我校《物理化学》面向给排水专业学生，对于非化学专业的学生，物理化学课程难度较大，接受起来比较困难，繁杂的公式概念，记忆困难，容易打击学生学习的积极性。《物理化学》是给水排水专业必修的基础课，是运用物理的理论来研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系中特殊规律的一门学科[1]。我校《物理化学》课程由理论课程和试验课程共同组成，其中理论课48学时，试验课12学时。在《物理化学》课程的学习过程中，将无机化学、有机化学，水分析化学、大学物理、高等数学等基础的课程中化学、物理及数学的知识应用到化学反应体系中。

《物理化学》课程改革前，总成绩主要由期末考试成绩的70%，试验10%，出勤10%，作业10%构成。其中，期末考试成绩占比过重，仅凭一张试卷不能完全表明学生一学期的学习效果。同时，学生会逐渐轻视课堂内容，期末突击复习，死记硬背，应付考试，考后遗忘速度快。《物理化学》课程考核方式改革要解决这一根本问题，重新建立考核体系，注重过程性评价，强调课堂教学内容的重要性，强化学生理论结合实际的能力，注重综合素质的培养，引导学生端正学习态度。

《物理化学》课程改革后，总成绩由期末考试成绩的50%，试验10%，出勤10%，作业30%构成。降低期末试卷成绩的占比，提高了平时作业成绩的占比，使学生更加注重学习过程，提高了课堂教学效果。其中，作业占比30%，由随堂作业10%，课后作业10%，小组合作讨论10%构成。学生分小组，全组成员团结协作制作 PPT，课堂上进行比赛。每组选一名同学进行 PPT 讲解，然后其他组同学对其进行提问，这个组的任何一个同学都可以进行回答。

在互联网技术发达的今天，充分利用互联网资源，对课堂内容进行适当的增减，实现翻转课堂，锻炼大学生自学能力以及实践能力。在现代化教学过程中，教师合理使用网络平台资源，通过互联网与学生够建立积极的互动，逐步尝试让学生参与更多的教学过程。课上采用学习通手机软件，实时发送随堂作业，规定学生限时完成，同时可以减少教师批阅时间，课堂上快速反馈易错点，有利于知识点的及时讲解消化。课后，学生在完成传统模式的学习之外，还可以利用电脑、手机等工具，进行线上资源学习扩展，完成课后作业，促进认知学习过程，增强抽象推理和学习能力。

小组合作讨论学习过程中，教师做好引导者和组织者，选择合作学习内容难易要适中，尽量选用开放式问题，使小组通过努力尝试，能够提出解决方案。有利于培养学生的自信心，激发学生的学习兴趣，培养学生的合作意识。

2 思政课程建设必要性

习近平总书记曾多次强调课程思政的重要性[2]，高校教育面向大学生，他们经历了十二年的寒窗苦读，步入大学进行四年的学习，这四年是他们步入社会前“学习”的黄金时期。然而现状是相较于高中，甚至于初中，大学生是很“轻松”的，主要原因是大部分的大学生失去了学习的动力，缺少了很好的督促和引导。

周恩来总理年少时曾立下“为中华崛起而读书”的宏伟誓言，在任何一个时代，每名大学生都应将实现个人价值同党和国家前途命运紧紧联系在一起。高校的课程思政深入贯穿教学全过程，厚植爱国主义情怀，树立文化自信，实现全方位育人。

作为一名高校教师，将专业知识和思政元素穿插融合展现在教学授课过程中，使学生在接受专业知识培养的同时接受思政教育，为社会培养具有正确的世界观、人生观、价值观的社会主义建设者和接班人。

《物理化学》课程内容覆盖面非常广泛，可以充分利用线上资源，选择合适的慕课资源、动画科普丰富线上教学资源，使学生可以不受时间和空间的限制，随时随地学习。坚持以学生为中心，促进学生全面发展。同时，在教学过程中引入生活实际问题，充分发挥案例式教学方法的优势，以实际生活问题为例总结归纳物理化学知识点，对物理化学的知识网络的重新建构，进而引导学生建立科研思维，使学生了解其所学知识在生产实践中的应用，促进学以致用。如在表面现象这一章节中，介绍表面活性剂的作用的同时介绍了很多自然现象背后的原理。明白了蚊子和水黾是凭借了水的表面张力从而可以站在水面上，那么利用所学知识，可以在水中加入少量肥皂水以降低水的表面张力，让这类昆虫无法在水面上立足。将课堂书本上的文字公式，活灵活现地应用在生活中的点点滴滴，使课堂氛围活跃起来。

我校《物理化学》课程主要面向于给排水专业大三的学生，此阶段的学生正处于确定人生方向的一个关键时期，对于未来开始有规划有想法。所以，在面向大三学生进行授课时不仅要讲透知识点，更要挖掘课程背后的思政元素，坚持教书与育人相统一。

3 《物理化学》课程思政的探究

我校选用的《物理化学》教材为《物理化学核心教程》（第三版），此教材主要为非化学专业学生编写，书中尽量简化公式的推导和数学计算，突出基本原理，为专业提供指导作用。书中列举实例紧密联系科学发展，展现了物理化学在各个领域的应用。此外，在书中每一章节的最后，都附上了相关科学家的生平事例，每位科学家的科研故事都引人深思，使枯燥的知识活了过来，激发学生的学习兴趣。例如，吉布斯相律f=C-P+2背后的故事，这样一个简短的公式，是吉布斯推导了七百多个公式，写了四百多页纸，得出的结论。相律在相平衡的研究中具有十分重要的作用，我们正是站在伟人的肩膀上追求真知。

同样是在相平衡这一章节中，在介绍水的三相点时，必须要提到一位伟大的科学家，黄子卿先生，正是因为他一丝不苟的科研态度，测定了水的三相点的精确值（0.00980±0.00005）℃，这也成了国际实用温标的参照数据之一，为世界计量科技的发展进步做出了杰出贡献。黄先生从事高校教学工作55a，一生勤奋好学，讲授多门物理化学课程，编写了新中国成立以来的第一本《物理化学》教材，被誉为我国物理化学的一代宗师[3]。

物理化学中很多公式或定律都是以科学家的名字命名的，如道尔顿分压定律、范德华方程、反应焓变与温度的关系——基尔霍夫定律、克劳修斯不等式等，在讲授这些公式与定律之间穿插一些科学家的故事可以让学生感受科学家的科学精神。

4 热力学第二定律章节教学设计

物理化学课程知识点抽象，不易理解，公式多，容易造成学生记忆困难，产生厌倦心理。在课程中适当穿插思政内容，增添课程人文色彩，使公式定义以历史人物故事的形式逐一展开，可以唤起学生的学习兴趣。同时，可以引导学生进行思考，面对困难不气馁，产生积极的影响[4]。

【回顾】我们刚刚学过了热力学第一定律，即能量守恒定律。知道了热力学能、热和功之间的关系：△U=Q+W。

【引入】通过热力学第一定律，我们知道系统与环境之间可以发生功和热的交换，能量从一种形式转变为另一种形式，但是能量的总值是保持不变的。既然能量的总量是不变的，为什么还说有能源危机呢?假想一下，地球上海水占总面积的71%，如果这些海水的温度降低0.1℃，放出的热量就相当于360万个三峡水电站1a的发电量，让大家讨论一下这个方案可行吗？

通过学生的讨论，引出热力学第二定律的基本定义。克劳修斯对热力学第二定律的描述：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化”。指的就是热传导的不可逆性。热传导的方向性，两个温度不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而会产生其他影响，引起其他变化。

热力学第二定律有多种表述方法，还有一种经典说法是由开尔文提出的：“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他变化”。指的是功转变为热的不可逆性。

后来，奥斯特瓦尔德将开尔文说法表述为：“第二类永动机是不可能造成的”。在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，所谓第二类永动机，是一种能够从单一热源吸热，并将所吸收的热全部变为功而无其他影响的机器，他并不违反热力学第一定律（能量守恒定律），但是违背了热力学第二定律。

在前面的课程中我们已经知道了第一类永动机是永远造不成的，在人类发展的漫长路程上，总有人尝试做各种各样的永动机，但结果都是失败的。因为从一开始，永动机的原理就违背了热力学定律，凡是违反了科学规律的试验都是不可能做到的。所以，同学们在做试验之前，要首先确定其背后的原理逻辑，是否符合科学规律。做试验如此，做人更应如此，在我们人生的各个时期，都有明确的目标为之努力，更重要的是目标方向的确立。要在正确的人生观、世界观、价值观的引导下，选择正确的发展方向。只有在正确的道路上，努力和坚持才是有意义的[5]。

虽然说永动机是永远造不成的，但是人们总是想尽可能地提高热机的工作效率。如何将热转变为功的问题在实际生活中有着十分重要的意义，比如，19世纪初，蒸汽机将燃料产生的热转变为蒸汽，从而推动活塞做功，但最初的蒸汽机对热的利用率很低，人们开始关注如何将效率提高，但当时热力学第二定律还没有问世，人们不知道热机效率有一定的限度。直到1824年卡诺另辟蹊径运用了理想模型的研究方法，构思了理想化的热机——卡诺热机，从理论上找到了提高热机效率的根本途径，也证明了热与功的转换有一个极限，即热机不可能将所吸收的热全部转换为功。实际上热机必须有热源和冷源，热机工作时，总要向冷源器散热，不可避免地要由工作介质带走一部分热量Qc。把热机做的功W和它从热源吸收的热量Qh的比值，叫作热机的效率。

因此，实际生活中热机的效率不可能达到100%。

【课程思政】汽车上的汽油机效率只有20%～30%，汽油作为不可再生资源，在交通发达的现代消耗量非常大，同时也带来了很大的环境污染。接着进行思政教育，平时出行尽量选择乘坐公共交通，降低能耗污染。介绍我国科研工作者在清洁能源方面的进行主要研究，以及对于资源的高效利用，减少不可再生资源的过度使用，保护地球的生态环境，贯彻习近平总书记的“绿水青山就是金山银山”的环保意识，可持续发展理念，增强学生的社会责任感。

【思考】在清洁能源还未能完全取代化石能源之前，如何提高热机效率对实际的生产仍然具有十分重要的指导作用。如火力发电厂的能量利用，锅炉→汽轮机→发电机→冷却塔，当锅炉加热到200℃、400℃、550℃时，当冷却塔温度相同，计算其热机效率。总结得出提高Qh能够提高热机效率。当锅炉温度较低时将造成高煤耗、高污染，产生S、N氧化物、粉尘、PM2.5以及废热污染等，对环境造成不同程度的污染。卡诺构思的理想化热机模型对提高热机效率问题做出了杰出贡献。同时，卡诺也为热力学第二定律的提出奠定了一定的基础。

通过热机效率这一小知识点将思政内容和课堂知识点进行融合，后续时间介绍卡诺循环、卡诺定理。

通过本课堂设计，既能有效地传授关于热力学第二定律的专业知识，同时引导学生在人生的道路上明确目标，选择正确的方向而努力。此外还对学生进行了一场关于环保理念的思政教育，促进了学生对于环保事业的了解，将课本内容和思政内容融会贯通，将理论和实际相结合，加深学生对环保知识的认知水平。

5 结语

“课程思政”指的不是单独的授课加上单独的道德说教，而是在理论课程之上辅以合适的思政元素，让二者很好地融合，可以起到调动学生学习积极性，调节课堂气氛的作用，甚至触动学生内心深处，达到意想不到的教学效果。