彭繼明 蔡業(yè)政 黃有國 胡思江

摘? 要：全面推進課程思政建設(shè)是落實立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措。物理化學(xué)是化學(xué)化工等理工科專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程。該文結(jié)合物理化學(xué)課程教學(xué)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(xué)為例，深度挖掘提煉該知識內(nèi)容與經(jīng)典唐詩的契合點，闡述潤物無聲式的思政教學(xué)設(shè)計思路，以期為物理化學(xué)教師提供以“人文性”的課程思政教學(xué)設(shè)計實例。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；課程思政；人文性；膨脹功；教學(xué)設(shè)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(xué)基金項目“杯醌成鍵涂層富鋰錳基正極材料的制備及其構(gòu)效關(guān)系的研究”（22169004）；廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目“一流學(xué)科建設(shè)驅(qū)動化學(xué)類研究生‘五位一體’培養(yǎng)模式的探索”（JGY2022031）、“OBE理念下化工專業(yè)研究生‘五個一’人才培養(yǎng)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(xué)。

*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(dǎo)師。研究方向為新能源材料與器件及其相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題。

2020年教育部《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》（以下簡稱《綱要》）中指出，把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量?！毒V要》明確了課程思政建設(shè)目標要求和內(nèi)容重點，提出加強中華優(yōu)秀傳統(tǒng)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(chuàng)新為核心的時代精神，教育引導(dǎo)學(xué)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(jié)合物理化學(xué)課程教學(xué)目標，深入挖掘中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化元素是實現(xiàn)課程思政建設(shè)目標的重要立足點。

張樹永[1]系統(tǒng)論述了物理化學(xué)課程思政建設(shè)的目標與實現(xiàn)途徑，強調(diào)必須防止出現(xiàn)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(xué)發(fā)展史、中國物理化學(xué)家、優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、學(xué)科交叉與創(chuàng)新和身邊的科學(xué)家等方面開展課程思政教學(xué)。孫艷輝等[3]從學(xué)科發(fā)展史、科學(xué)家簡介、經(jīng)典理論和方法、學(xué)科交叉、科學(xué)發(fā)展前沿及物理化學(xué)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用6個方面梳理物理化學(xué)課程蘊含的思政教育要點。郭暢等[4]提出構(gòu)建“1421模式”提升課程育人實效。左晶等[5]探討了物理化學(xué)課程思政教學(xué)內(nèi)容組成構(gòu)建、課堂思政教學(xué)過程的把控要素。這些探討與實踐為物理化學(xué)課程思政建設(shè)提供借鑒。但物理化學(xué)教師在實踐過程中仍存在思政元素和課程知識聯(lián)系不緊密的問題。尤其在中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育方面，可借鑒的課程思政教學(xué)設(shè)計實例較少。

物理化學(xué)學(xué)科萌芽于18世紀中葉，如今已成為化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的前沿研究熱點和相鄰學(xué)科的交叉點。縱觀物理化學(xué)的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)很多理論知識是由歐洲科學(xué)家提出，中國元素占比很少。如何結(jié)合課程知識融入中國元素，弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，是課程思政教學(xué)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(xué)設(shè)計思路。并以膨脹功知識點的教學(xué)，展示了膨脹功與經(jīng)典唐詩有機融合實現(xiàn)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育的實例。

一? 教學(xué)內(nèi)容分析

熱力學(xué)第一定律（dU=δQ+δW）的一個重要應(yīng)用就是計算系統(tǒng)和環(huán)境之間的熱交換。熱力學(xué)能是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，比較容易從系統(tǒng)的其他性質(zhì)計算出來。確定了功和熱力學(xué)能的變化量，對封閉系統(tǒng)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(jīng)典熱力學(xué)中，一般只考慮機械功。對于氣態(tài)封閉系統(tǒng)，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(guān)。因此，在功的計算中必須聯(lián)系具體的過程。

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

二? 教學(xué)設(shè)計理念

本節(jié)課以定義—過程—應(yīng)用的知識線開展教學(xué)，以設(shè)問—思考—回應(yīng)的思政線為導(dǎo)向，將思政教育有機融入到教學(xué)環(huán)節(jié)中。

三? 教學(xué)目標

依據(jù)《高等學(xué)校化學(xué)類專業(yè)物理化學(xué)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)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(zhì)。

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(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，培養(yǎng)邏輯思維能力。

2）通過比較不同狀態(tài)下膨脹功求算公式的區(qū)別，建立知識相關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)方法，掌握本專業(yè)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(fā)展團隊合作意識。

（三）? 課程思政目標

1）通過學(xué)習(xí)膨脹功的求算及其與過程的關(guān)系，學(xué)習(xí)馬克思主義唯物辯證的對立與統(tǒng)一思想，提高學(xué)生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。

2）通過學(xué)習(xí)膨脹功在經(jīng)典唐詩中的解釋、西氣東輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，增加課程的人文性，引導(dǎo)學(xué)生靈活運用所學(xué)知識解決工程問題，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感。

四? 教學(xué)環(huán)節(jié)

膨脹功的教學(xué)包括5個環(huán)節(jié)。教師過程設(shè)問導(dǎo)入新課，引導(dǎo)學(xué)生通過溫度差異的現(xiàn)象探究其背后的熱力學(xué)本質(zhì)，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(xí)，對所學(xué)知識點進行綜合應(yīng)用和鞏固。整個教學(xué)過程中，采用講授法、討論法、練習(xí)法，通過生活實例引導(dǎo)學(xué)生思考，通過完成各種學(xué)習(xí)情境，使學(xué)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(xué)環(huán)節(jié)。

五? 教學(xué)過程

（一）? 導(dǎo)入新課：唐代白居易《大林寺桃花》

教師引導(dǎo)，學(xué)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(chǎn)生的？

設(shè)計意圖：以古詩為導(dǎo)入口，多學(xué)科交融學(xué)習(xí)，弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，堅定文化自信。在提升學(xué)生人文素養(yǎng)的同時結(jié)合提問將學(xué)生引入本次課程所學(xué)知識。

（二）? 構(gòu)建概念：功的定義與一般表達式

1）請同學(xué)們復(fù)習(xí)回顧功和熱傳輸能量的區(qū)別。

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

2）請同學(xué)們結(jié)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(xué)內(nèi)容參考南京大學(xué)《物理化學(xué)第六版（上冊）》[6]第二章“準靜態(tài)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(shè)計意圖：通過知識回顧讓學(xué)生掌握功的本質(zhì)（功不是狀態(tài)函數(shù)，與變化的途徑有關(guān)）。從機械功的概念出發(fā)，讓學(xué)生理解功的概念和定義式。

（三）? 剖析本質(zhì)：不同過程功的計算

1）請同學(xué)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(dǎo)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(tǒng)從狀態(tài)1變到狀態(tài)2之后，如果能使系統(tǒng)和環(huán)境都恢復(fù)到原來的狀態(tài)而未留下任何永久性的變化，則該過程稱為熱力學(xué)可逆過程。

絕熱過程：ΔU=W。

設(shè)計意圖：通過對過程的思考，理解功與過程的關(guān)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(shù)越多，做的功也越多。

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

如果是理想氣體，則

7）學(xué)生小組討論：請同學(xué)們比較這些過程做的功的多少，可以得出什么結(jié)論？

學(xué)習(xí)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?？赡媾蛎洠到y(tǒng)對環(huán)境做最大功。

設(shè)計意圖：通過從四個相互關(guān)聯(lián)、又有區(qū)別的過程膨脹功的計算，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力，培植對立統(tǒng)一的辯證唯物主義思想。

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

（A）升高? （B）降低? （C）不變

學(xué)生小組討論：請同學(xué)們完成練習(xí)。

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

設(shè)計意圖：通過互動練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力。

（四）? 回應(yīng)設(shè)問與應(yīng)用拓展

學(xué)生小組討論：“人間四月芳菲盡，山寺桃花始盛開”的物理化學(xué)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(fā)生膨脹導(dǎo)致密度降低，向上運動（圖6）。由于空氣的導(dǎo)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(huán)境做功。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)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(qū)）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(shè)計意圖：通過對唐詩中溫差產(chǎn)生原因的分析，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)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(lián)系起來，增加課堂的趣味性和人文性，增強中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育。

學(xué)生小組討論：請同學(xué)們思考并分析，如果是環(huán)境對系統(tǒng)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(yīng)該怎樣使用壓縮泵更節(jié)能？

教師評價、拓展：功與變化的途徑有關(guān)。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(huán)境對系統(tǒng)做最小功。因此，多個泵壓縮更節(jié)能。

設(shè)計意圖：通過比較膨脹和壓縮過程的做功情況，學(xué)習(xí)馬克思主義唯物辯證的對立與統(tǒng)一思想；通過西氣東輸中壓縮過程如何節(jié)能的分析，強化學(xué)生工程倫理教育，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

（五）? 總結(jié)及任務(wù)

1）請同學(xué)們對本節(jié)課的內(nèi)容進行小結(jié)。學(xué)生C：在本節(jié)課中，我們學(xué)習(xí)了膨脹功的定義、計算及其應(yīng)用、可逆過程。同時也明白了生產(chǎn)生活中一些現(xiàn)象的原理，體會到中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的魅力。作為新時代大學(xué)生，我們應(yīng)樹立馬克思主義的世界觀、人生觀、價值觀，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興匯聚源源不斷的青春力量。

2）布置作業(yè)。還有哪些經(jīng)典古詩詞中的現(xiàn)象可以用膨脹功解釋？生產(chǎn)生活應(yīng)用還有哪些膨脹功應(yīng)用的相關(guān)實例？哪些最新科技創(chuàng)新應(yīng)用了膨脹功的原理？請同學(xué)們分析背后的原因，撰寫一篇論文。

設(shè)計意圖：通過梳理本節(jié)課所學(xué)的膨脹功的重難點，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)圖。同時進行思政引導(dǎo)，強化理論知識和思政教育效果。

通過學(xué)生拓展膨脹功的知識，感受物理化學(xué)原理在中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、日常生活和科技創(chuàng)新中的應(yīng)用，內(nèi)化思政教育。

六? 結(jié)束語

以膨脹功為例的物理化學(xué)課程思政教學(xué)設(shè)計，將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、工程生產(chǎn)實例等思政元素的思政線與現(xiàn)象—本質(zhì)—規(guī)律的知識線有機融合，充分發(fā)揮物理化學(xué)課程的育人功能，讓枯燥的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為生動有趣的知識盛宴。在教學(xué)過程中以學(xué)生發(fā)展為中心，做到問題驅(qū)動、理實一體、學(xué)練結(jié)合。

參考文獻：

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

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