新工科背景下物理化学课程思政探索与实践

赵学艳　肖瑞杰　曹桂荣

摘  要  结合新工科背景下人才培养的新特点和新要求，从教学内容的优化、思政元素的积累、教学方法的改进和教学案例的设计四个部分进行积极探索既符合新工科思想，又融入课程思政的物理化学教学内容和教学方式。致力于培养具有工程意识、专业意识、创新意识和人文意识的德才兼备的复合型工科人才。

关键词  新工科；课程思政；物理化学；教学实践

中图分类号：G641    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）08-0103-05

0  引言

新一轮产业革命和科技革命的兴起对创新型工程科技人才的培养提出了更高的要求，为主动适应新技术、新产业和新经济的发展，国家提出“新工科理念”。新工科教育的定位是在立德树人和德学兼修的基础上，培养具有家国情怀、国际视野、法治意识、生态意识和工程伦理意识的多元化、创新型卓越工程人才[1]。习近平总书记强调，做好高校

思想政治工作，要用好课堂教学这个主渠道，要挖掘其他课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源，实现全方位育人[2]。物理化学是化学的重要基础学科，也是化工、环境、材料、地下水科学与工程等工科专业必修的基础课。物理化学知识体系渗透着哲学思想和深刻的内涵，深度挖掘物理化学知识中蕴含的思政元素，培养学生追求真理、严谨治学、勇攀科学高峰的责任感和使命感，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，形成正确的世界观、人生观和价值观。

在体现新工科思想的同时，将课程思政融入物理化学的课堂教学，积极探索既符合新工科思想，又体现课程思政的物理化学教学内容和教学方式。在知识传授和能力培养的过程中同步进行价值塑造，实现知识传授、能力培养和价值塑造的协同发展，培养具有工程意识、专业意识、创新意识和人文意识的德才兼备的创新型复合型工科人才，落实立德树人根本任务。针对以上目标，从教学内容的优化、思政元素的积累、教学方法的改进和教学案例的设计四个方面对物理化学课程进行设计。

1  优化教学内容，培养学生的工程意识

防灾科技学院是一所以地学为特色的高校，物理化學作为一门重要的基础理论课程，主要面向地下水科学与工程专业开设。针对地下水科学与工程专业教学改革与专业发展现实，分析物理化学教学在专业发展中面临的新挑战，探讨物理化学课程内容、教学方式、课程体系及学科思维在专业教学和学生培养中的作用，并提出针对性的改进与强化措施，竭力培养学生的专业素质和工程能力。

物理化学课程以物理和数学为基础，理论抽象、公式推导复杂、适用条件严格、计算烦琐，如何在有限的课堂内完成大量知识的传授是对教师最大的考验。地下水科学与工程属于工科专业，其培养目标不同于理科专业，不能简单地照搬物理化学教材上的理论内容，有必要精简其理论性而增加其实用性，深入了解地下水科学与工程专业，致力于打造契合这一专业的独特的物理化学课程。

比如，在学习系统与环境的概念时，要讲清楚开放系统、封闭系统和孤立系统的概念。物理化学课程主要以封闭系统为主要研究对象，即系统与环境之间只有能量交换，没有物质交换。但是，将这些概念应用于天然水时，要灵活运用，天然水实际上是开放和动态的系统，并且也是一个非平衡体系的运动过程，但在一定的空间范围和时间段内，则处于相对的静止、稳态或者平衡。例如，一个水文地质单元的水质变化过程是不可逆的动态进行的，但在各个地点（如泉、井）上，在一定时期，常常具有稳定的温度、压力和物质浓度值。也就是说该地段与相邻的物质交换和能量交换十分缓慢，则可按封闭系统来处理，也可视为局部的平衡体系（镶嵌平衡），使问题简化，得出有用的结论。在处理地下水成分的运移过程时就运用了这种思想。地下水成分复杂，可溶解一定的气体、无机盐和有机物，在这些物质间，涉及相平衡、沉淀溶解平衡、络合平衡、化学吸附等，只有建立合理的平衡模拟体系才能全面的考虑元素的迁移。而平衡模拟体系的建立，就利用了“镶嵌”平衡的概念[3]，虽然这种平衡模式是一种指定条件下的假想状态，这种状态可能并不存在，但可确定实际体系的变化趋势及其控制因素，从而预知元素的迁移—转化机制与归宿，这就要求我们转变思维，将纯粹的物理化学中的热力学知识应用于复杂的自然体系，并简化处理，解决实际问题，培养学生的工程意识。

在物理化学的教学过程中，除了讨论其在基础体系的应用之外，还会结合具体的地下水环境，考虑实际体系的组成，增加学生处理实际问题的能力。比如在处理水—岩溶解平衡问题时，由于天然水中矿物浓度较高，溶液严重偏离理想溶液，水—岩溶解与平衡受盐效应和同离子效应的影响较大，会导致较显著的“离子氛”效应，进而使离子强度增大，最终影响离子活度和溶解度，此时应该用活度代替浓度来计算溶解度更准确，因此，在本课程的学习过程中，要着重厘清离子强度、离子氛、活度系数、活度和浓度的概念，以及这些概念之间的联系。在计算离子强度时，物理化学课程中的Debye-Hückel方程仅适用于离子强度小于0.005 mol/L的可饮用地下淡水，不适用于含盐量较高的微咸水体系。对于微咸水体系，还需要扩展讲授Debye-Hückel方程的修正式，用于处理盐度更高的水体系[4]。

胶体化学在地下水科学与工程领域的应用非常广泛，每升地下水中天然胶体个数为108～1 017个[5]。地下水中不易运移扩散的污染物一般以胶体为运移载体，胶体的输运对于污染物迁移具有重要的意义。同时，滞留于孔隙介质中的胶体颗粒物可以吸附重金属等污染物，起到修复地下水环境的作用。胶体的亲水或疏水性、稳定性、离子强度和pH等因素又会影响胶体的聚沉、吸附、脱附和运移等过程，讲清楚这些因素对胶体的影响，才能更好地将胶体应用于污水处理和净化。

在学习溶液的依数性时，讲授反渗透技术在重金属废水处理、海水淡化以及纯水制备中的应用。学习热力学定律时，扩展讲授能源的分类，各类能源的优缺点，可再生能源的开发与利用，引导学生增强节能意识、环保意识。

总之，在学习基础的物理化学知识时，关注其与专业知识的结合及在实际体系中的应用，切实增强学生处理实际问题的能力，培养学生的工程意识。

2  构建物理化学课程思政教学素材库

为了贯彻思政教育和专业课程同向同行、协同育人的理念，以学科发展史、科学家精神、经典理论建立、物理化学与地下水科学学科交叉知识、学科发展前沿、物理化学知识在水处理方面的应用、中国传统文化中化学知识的体现等几个方面为抓手，将思政教育贯穿课程教学全过程，如图1所示。

以上几个方面的思政素材在教学的过程中并非独立进行，比如在讲授前五个方面的知识时，可能会穿插进行该知识在实际中的应用、相应的科学家事迹以及与此相关的传统文化的体现。在思政教育的同时，时刻不忘新工科理念，注重知识的拓展应用。

2.1  将中华传统文化融入课堂教学

化学古来有之，绝非近代而出。我国的化学从金属冶炼、造纸、火药、医药、炼丹开始，在漫长的过程中积累了丰富的化学知识以及化学实验，在讲课的过程中以古书对化学实验的记载作为导引，意义非凡。比如西汉的《淮南万毕术》里记载了“曾青得铁则化为铜”（曾青[Cu2（OH）2CO3]），揭示铜盐与铁的置换反应；东汉魏伯阳在炼丹著作《周易参同契》提出：“胡粉投火中，色坏还为铅”短短的10个字，将碱式碳酸铅的分解以及还原反应总结得非常到位；晋代炼丹家葛洪曾在《抱朴子》一书中谈到：“丹砂烧之成水银，积变又还成丹砂”，高度概括了硫化汞的分解与生成反应的可逆性，这在当时是很了不起的认识；南北朝时期的医药家陶弘景曾说明了硝石的鉴定方法“以火烧之，紫青烟起，云是真硝石也”，与近代运用焰色反应来鉴别硝酸钾相似。这些讲解，既传授了知识，又让学生了解我国对化学实验及古代化学的发展作出的贡献，还能使学生感受文化熏陶，增长学科视野。

我国传统文化博大精深，在古诗词中也蕴藏着丰富的化学变化和化学现象，比如南宋诗人杨万里的《昭君怨·咏荷上雨》，“午梦扁舟花底，香满西湖烟水。急雨打篷声，梦初惊。却是池荷跳雨，散了真珠还聚。聚作水银窝，泻清波”；周敦颐的《爱莲说》“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖”；徐陵《侍宴诗》“嫩竹犹含粉，初荷未聚尘”等优美的诗句均说明了荷花、荷葉的疏水性，聚焦到物理化学知识就是固体表面的润湿性、亲水性和疏水性。通过古诗词作为引导资料，使学生感受诗歌优美的韵律和中华传统文化魅力的同时，自然地引入学科知识点，激发学习兴趣，增强文化自信。我国传统文化在物理化学知识点的体现，见表1。

2.2  弘扬科学家的爱国主义情怀

物理化学注重理论，在学科思维方面独具魅力，被誉为“化学中的哲学”。在化学发展的历史长河中，我国对古代化学的发展做出了举世瞩目的成就，但是在近代化学的建立和发展中，由于各种原因，我们处于落后的状态。新中国成立后，一代代科学家奋力追赶，在化学基础和应用研究的诸多方面取得了一系列的成果，如表2所示。通过挖掘科学家对物理化学学科发展的重大贡献，引导学生感知他们求真求实的科学精神和追求理想的科学品质，激发学生的爱国热忱，奋发图强，为祖国的繁荣富强而学习的拼搏精神。

2.3  化学给人以知识，化学史给人以智慧

我国著名化学家傅鹰先生曾说过：“化学可以给人以知识，化学史可以给人以智慧。”化学史蕴含着众多物理化学家的实验经验以及众多理论从诞生到成熟的发展过程，引入化学史，能够提升学生对课程的了解。如工业革命中，人们千方百计提高蒸汽机的效率，才激励了热功转化的方向和限度的研究，由此总结出了热力学第一定律和热力学第二定律。如表3所示，在每个章节中适当加入相关研究课题的发展史，如热力学三定律、化学动力学和胶体化学学科发展史，使学生了解化学家的科学思维方法，严谨的治学态度，从而深化学生对物理化学知识的理解，培养学生思考问题和解决问题的能力。

2.4  将新理论、新应用及时融入课堂

在学生掌握了基础知识后，适当增加这一领域的新理论、新发现，这样有利于学生及时了解目前的科研水平，鼓励青年学生迎难而上，勇敢跨越学科边界，探索新的路径解决科学问题。比如，在学习水的相图一节时，扩展讲授冰在不同温度下冰晶结构的最新研究以及冷冻干燥技术在食品和药品储存方面的应用[6]，扩展讲授水在高温高压下的超临界状态，以及超临界流体在萃取、聚合反应、涂料和催化过程中的应用。在学习电池时，简单介绍山东大学徐立强教授设计的多面体电催化剂，使新型锂硫电池在高硫面载量及贫电解液的工作条件下仍能取得优异的性能[7]。在学习界面特性的时候，介绍江雷院士课题组仿生荷叶表面微—纳米双重结构、设计制备各种亲/疏水超常规新型纳米界面材料的创新性工作[8]。这些创新性工作可以引发学生对自然科学的探究精神，让学生及时了解我国目前的科研水平，增强自信心。

3  借助雨课堂，提高课堂效率

随着物理化学学时不断被压缩，仅在有限的课时内进行思政教育是很难实现的，需要积极探索新途径和新方法，将师生讨论、学生调研、小论文和雨课堂等多种形式结合起来，全方位多角度进行思政培育。充分利用雨课堂的课前预习环节，提前发布相关的资料，使学习更加便捷、高效，比如各章节理论的发展简史、学科前沿的文献、知识在实际中应用的短视频或者科学家事迹的短视频等，总之通过声、形、画等多方面的强烈冲击引起学生的情感共鸣。课堂教学的过程中，就这些资料与学生进行讨论，深化认识。

课后复习阶段，通过雨课堂将梳理总结的重点难点发布给学生，并匹配适量的客观题和主观题，通过答题情况，实时掌握学生的学习效果，形成良性互动。

4  教学案例

以“表面活性剂及其作用”这一知识点为例，精心设计教学案例，将教学内容与科学精神、家国情怀、工程意识、知识的运用以及创新精神有机融合，与学生产生情感共鸣，达到预期的教育效果。基于上述教学目标，设计教学过程，主要包括预习准备，课中学习讨论和课后延伸三个部分，三部分中预设了问题引入，成果交流、构建新知、总结延伸等几个环节，将课程层层推进，如图2所示。

课前准备环节，充分利用雨课堂，以图文资料、诗词、视频等多种形式引导学生思考，激发学生探究的兴趣。针对预习中提出的问题，让学生在课堂上分组讨论，以小组为单位谈谈对表面张力以及表面活性剂的认识。在学生有一定认识的基础上，学习新知识。拓展表面活性剂以及表面活性剂水溶液聚集体在不同领域内的应用，结合专业特点，重点挖掘表面活性剂在土壤和地下水污染修复过程的应用，尤其用于处理石油污染场地，结合最新的研究成果，讲解表面活性剂在水溶液中形成的胶束、微乳液、凝胶、囊泡等聚集体对污染场地的修复机理[9]，使学生具有工程意识，体现新工科的思想。在基础知识的传授过程中结合傅鹰先生多次婉拒国外优厚条件，一心报效祖国，为国家培养了首批优秀的胶体化学人才，解决了多项国家建设需要的应用课题，引导学生淡泊名利，志存高远，把个人理想和追求融入实现中华民族伟大复兴中国梦的奋斗中。

5  结束语

新工科背景下，对物理化学课程的教学提出了更高的要求，针对地下水科学与工程专业教学改革与专业发展现实，在教授基础物理化学知识的同时，结合具体的地下水环境，考虑实际体系的组成，凸显物理化学知识在地下水工程中的应用，增加学生处理实际问题的能力，培养工程意识。同时注重教学内容与思政元素之间的内在关联，恰当提取出其蕴含的科学精神、家国情怀、责任担当，通过共情的方式来弘扬案例中的思政精神，提升育人成效，致力于培养德才兼备的创新型卓越工程科技人才。

6  参考文献

[1] 新工科建设指南（“北京指南”）[EB/OL].（2017-06-09）[2023-09-08].https：//www.sohu.com/a/148435914_

267106.

[2] 习近平：思政课是落实立德树人根本任务的关键课程[EB/OL].（2020-08-31）[2023-09-08].http：//www.

xinhuanet.com/politics/leaders/2020-08/31/c_

1126434567.htm.

[3] 李宽良.水文地球化学热力学[M].北京：原子能出版社，1993.

[4] 任加国.水文地球化学基础[M].北京：地质出版社，

2014.

[5] Kim J I. Actinide Colloid Generation in Ground-water [J].Radiochimica Acta，1991.

[6] Salzmann C. G. Advances in the experimental exploration of waters phase diagram [J].The Journal of Chemical Physics，2019.

[7] Wang B.， Wang L.， Ding D.，etc. Zinc-assisted Cobalt-ditelluride polyhedra inducing lattice strain to endow efficient adsorption-catalysis for high-energy Lithium-sulfur batteries [J].Advanced Materials，2022.

[8] Su B， Tian Y， Jiang L. Bioinspired Interfaces with Superwettability： From Materials to Chemistry [J].Journal of the American Chemi-cal Society，2016.

[9] Liu J W， Wei K H， Xu S W，etc. Surfactant-enhanced remediation of oil-contaminated soil and groundwater： A review [J].Science of the Total En-vironment，2021.

*項目来源：防灾科技学院教育研究与教学改革项目“新工科背景下物理化学课程思政探索与实践”（项目编号：JY2021B24）。

作者简介：赵学艳，通信作者，博士，副教授；肖瑞杰、曹桂荣，讲师。