無機化學思政教學案例設計

寧靜 宋祖偉 梁愛琴 惠妮 錢備 郝龍

摘? 要：在“三全育人”的教育背景下，課程思政與無機化學基礎課程的融合對于大一新生的價值觀和學習態度的引導有很重要的意義。該文以化學熱力學中的重要知識點“反應自發性的判斷”為例，通過類比的方法，進行系列思政教學設計，將生活中常見例子——“學習過程”引入課程內容，引導學生更好地理解知識點，同時進行德育思考，從而升華課程質量，為注重邏輯思維的理科課程的思政教學設計提供一個新思路。

關鍵詞：思政教學設計;無機化學;反應自發性;類比;教學案例

中圖分類號：G641? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）15-0098-04

Abstract： Under the education background of the "Three All Education"， the combination of ideological and political education and the fundamental Inorganic Chemistry course is very important for guiding the values and learning attitudes of freshmen. In this paper， an important knowledge point in chemical thermodynamics， "judgment of the reaction spontaneity"， is taken for a series of the ideological and political teaching case design through an analogy method. By introducing common case "learning process" in everyday life into the course， we expect the college students to better understand the relevant knowledge， and think more about the life and values at the same time. In this way， this can not only enhance the course quality， but also provide a new thinking of the ideological and political teaching design for science courses which emphasized on logical thinking.

Keywords： ideological and political teaching design; Inorganic Chemistry; reaction spontaneity; analogy; teaching case

課程思政是以構建“三全育人”格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把“立德樹人”作為教育的根本任務的一種綜合教育理念。在新的教育形勢和國家對人才培養的需求下，做好課程思政教學內容的設計，是高校教育工作者面臨的新挑戰，同時也是教育質量全面提升的新機遇。

一? 大學無機化學課程思政教學的研究背景

對于大學化學等理科特征較強的課程，進行思政教學設計的教學研究尤為重要。無機化學或類似課程是大學理工科教育的專業基礎課，涉及學生面廣，也是大一學生剛入學接觸到的課程，思政內容的融入，對于幫助學生樹立正確的價值觀和學習態度意義重大[1-2]。目前，各高校針對此類課程的思政研究也逐漸開展;然而，對于以邏輯思維訓練為主的理科學科，融入思政元素，往往不容易起到協同效應，即課程知識與思政元素之間的關聯往往不具有很強的交互性[3]。當前，針對無機化學課程思政設計思路主要集中于以下幾個方面：①結合老一輩化學家和著名化學從業者的事跡，激發學生的愛國情懷和學習熱情;②引入與當前時事相關的新的化學研究成果，引導學生進行珍愛生命、保護環境、珍惜資源等方面的思考;③傳統文化的植入，弘揚傳統文化的同時寓教于樂;④哲學思想和規律的滲透，啟發學生的思維等[4-9]。上述思政元素起到了激發民族自豪感和社會責任感等的積極作用，對于知識點的趣味性和豐富度也有不同程度的提升，已經為思政元素與課程的結合作了良好的鋪墊。然而，結合點多數落在人文社科類素材，與理科課程知識點的邏輯性有明顯不同角度。在課程的教學設計上，能否更有效地利用理科邏輯關系較強的特點，使得思政元素更好地服務于教學活動，仍然是值得廣大高等化學教育者思考的問題。

類比思維是理科學習的一種重要方法，不僅有助于理解新的概念，同時也可以啟發學生發散思維、自主探究的能力，是在理科教學中常用的方法[10]。如果將圍繞一個知識點的相關概念和原理與同一個生活案例不同角度進行類比，形成系列映射關系，一方面可以加深學生對這一系列新知識點的學習掌握，另一方面也可利用科學原理與生活中道理的相通性，啟發學生進行思政思考，在這種思維的反饋過程中起到思政設計的協同效果。

化學熱力學是高校無機化學教學中的重點及難點章節，其中涉及到多個新的熱力學函數及化學符號的使用，對大一新生來說通常不容易掌握。本文主要采用類比教學，深度挖掘化學熱力學與大學“學習過程”的聯系，以化學熱力學中“反應自發性的判斷”這一知識點為示例進行了系列思政教學設計，幫助學生理解掌握知識的同時，實現潛移默化的思政教育，為基礎理科課程提供了一種思政設計的新思路。

二? 基于類比思維的思政教學案例

（一）? 思政教學設計思路

在講授無機化學課程時發現：同一個知識點的相關聯的內容，由于講授順序和教材排版的原因，學生很難形成知識點的連貫性，以化學熱力學“反應自發性的判斷”這一知識點為例，進行深度剖析如下。

對于自發反應的判斷，主要依據“熱力學第二定律”，該定律在不同的條件下有2種常用表述方式，分別涉及2個重要的狀態函數熵S和吉布斯函數（吉布斯自由能）G。在表述上，一種是針對孤立體系的熵增加原理;另一種是針對定溫定壓下的封閉體系的自由能減少原理。由于化學反應常用封閉體系，因此常通過吉布斯自由能變化（即ΔG）的符號來判斷相應體系的自發性。

為了讓學生更好地理解這2個熱力學函數的物理意義，掌握其與反應自發性的關系，在課程設計中采用了類比的方法，將“學習”這一例子與自發性的判斷自然地聯系起來。將“學習”的特點、目的與反應自發性的判據進行類比，通過對更通俗易懂的學習過程自發性的判斷，深化對熱力學中反應自發性的理解，同時引導學生對自己的學習態度和學習目的進行反思，達到思政引領的效果（圖1）。

（二）? 思政教學設計實例及實踐

課程的引入：由“什么是自發反應”開始。通過水流從高處流下等生活中常見的自發過程為例，講解自發反應的主要特點——方向性、有限度、可做功，并為后續利用這些特點展開類比做鋪墊。

課堂教學主體內容圍繞“反應自發性的判斷”引出互相關聯的具體知識點案例，通過與“學習”類比，聯系2個自發性判據，并最終將熱力學與化學平衡的知識點串聯起來。

1案例1——“熵”的教學設計

首先，從已經學過的能量（焓變ΔH）角度，根據常見熱力學反應實例，得知放熱只是自發反應進行的趨勢之一，并不是唯一影響因素。進而由“固體生成氣體的吸熱反應為自發反應”切入，引入“混亂度”這一影響因素，展開熵相關內容的講解。講授熵的概念，即熵是反映體系質點運動混亂度的物理量，而混亂度一方面與體系本身中粒子結構的復雜性有關，結構越復雜，微觀狀態數越多，混亂度越大;另一方面與體系的溫度有關，溫度越高，質點運動越快，混亂度越大。

其次，聯系自發性的判斷，引入熱力學第二定律的熵判據，即孤立系統的反應自發地向著熵增大的方向進行，引導學生思考“為什么應用條件為‘孤立體系”。結論是，對于孤立體系由于無能量交換，可以排除焓變的影響。

最后，引入“學習”這一具體生活案例進行類比，請同學們思考“學習過程是否為自發過程”，并提示學生考慮學習過程中熵的變化。在教學實踐過程中，多數學生的第一反應是學習是熵增加的過程，認為學到的知識增加了;教師可借機引導學生思考熵判據的應用體系（即孤立體系），也就是當學習者與知識存在于同一個孤立體系中，則不存在知識的增加。而從信息的角度，學習是一個將零散的知識點進行整合并系統化的過程，形成系統的知識體系，因此是混亂度或熵減小的過程，即ΔS<0。與此同時，借助這個類比，幫助學生深入理解和推廣“混亂度”和“規整性”的含義，最終得出“學習不是自發過程”的結論。另一方面，引導學生反向思考，學習的逆過程（即忘記知識）則應為自發過程，即“逆水行舟，不進則退”，教育學生學習需要不斷加入外力，持之以恒。基于學習過程的這一特點，課下向學生推送艾賓浩斯遺忘曲線，引導學生按時復習，推動學習過程的進行。至此，熵的教學設計、思政引申和教學實踐得以完成（圖2）。

2案例2——吉布斯自由能判據的教學設計

焓變ΔH、熵變ΔS、溫度T都是影響反應自發性的因素，能否找到一個涵蓋上述3個因素的綜合性的自發性判據呢？由此自然引入吉布斯函數的講解。

第一步，講解吉布斯函數的定義式G=H-TS，其是一個綜合了焓H、熵S和溫度T的狀態函數。對應定義式，深入闡述吉布斯函數（吉布斯自由能）的物理意義。所謂自由能，是指體系的總能量中除去維持體系在一定溫度下的熵值的能量之外剩余的能量。因此，如果體系可以對外做有用功，則有用功的最大值就是這部分吉布斯自由能的降低值（-ΔG≥-Wmax'）。

第二步，針對自發性的判斷，引入熱力學第二定律的自由能判據，即定溫定壓下封閉系統的反應方向，自發地向著吉布斯自由能減小的方向進行。通過熵增加原理、焓變和吉布斯自由能變的相關等式推導得到自由能判據的適用條件，即定溫定壓、不做有用功的封閉體系。

第三步，繼續引入“學習”這個例子，聯系到學習的目的，是為了對社會作更大的貢獻，可類比自由能定義中的做有用功的能力。如此看來，學習實際上是一個積累“自由能”的過程，即ΔG>0，為不自發的過程，與熵判據得到的結論一致。其次，從自由能的定義式G=H-TS出發，引導學生思考我們的總能力（對應公式中的“H”），一方面用于維持自身的生存（對應公式中的“TS”），也就是“獨善其身”的能力;剩下的“自由”的自由能G的部分則是可對外放出的“兼濟天下”的能力，而這也是我們學習的根本目的。至此，吉布斯函數的教學設計、思政引申和教學實踐得以實現（圖3）。

3? 案例3——對于熱力學自發性與平衡問題的引申思考

在授課過程中，有學生自然提出或由教師引導學生思考這樣的問題：正常情況下，人的學習不應該是一個自發進行的過程嗎？從幼時起，人的很多學習行為都是在內驅力的作用下自發進行的，為什么到了大學的課堂反而不是自發的了呢？解釋這個問題還是回到自發性判斷的適用條件，即孤立體系或一定條件下的封閉體系才適用。而人類幼時的各種自發性學習行為的前提，是有著一個開放豐富的環境（即敞開體系）。我們可以接觸到足夠的學習資源，就像是一個化學反應體系只存在反應物而沒有生成物一樣，此時正向自發的動力才是無限的。如果在課堂中只是封閉自己做與學習無關的事情，自然不可能自發地完成學業，這就說明學習態度的至關重要性，需要主動創建更開放的學習體系，不斷引入學習資源，使得學習過程的平衡不斷地正向進行。隨即引申思考，可以引導學生將反應的自發方向看成是平衡移動的方向，從而將熱力學與化學平衡聯系在一起，深化對知識點的串聯和理解（圖4）。

4? 知識點小結

最后進行知識點小結，更直觀地將熱力學第二定律的2種表述進行融會貫通。經過這個類比過程，一方面更好地幫助學生理解熱力學中2個反應自發性的判據及其關聯性，也引申到化學平衡的知識點，將其有機串聯起來。另一方面自然地融合思政元素，教育學生體會到課堂學習并不是一個自發過程，需要借助自身的努力、開放積極的態度才可以完成，并且要向著為社會做更多的有用功的目標去前進。最后深化課程主題“愿社會的熵值更小，個人的自由能更大”。

（三）? 教學評價與反饋

課后問卷反饋表明，同學們對生活案例類比的思政教學方式接受度較高（圖5）。114名問卷參與者中，約98%的學生認為增添了課堂趣味性，約80%的學生表示感受到了生活道理與科學原理的統一性，起到了思政融入的效果，超過95%的學生認為起到了較好的教學效果，較好地實現了課程思政設計的教學目標。

三? 結束語

目前課程思政教學的實施過程還存在著一定程度的著重形式、生搬硬套等問題，在一定程度上影響了學生對于思政教育參與的積極性;同時，關聯度不高的思政元素設計，還會對學生學習思路的連貫性起到一定的反作用。

從課程設計的角度，本文所述類比思維的運用是一個相對有效的課程設計思路，首先保證了知識內容與思政延伸內容的邏輯一致性，同時通過類比深化概念、引申思維，最終反饋回到知識本身，完成一個知識深化的閉環，較好地實現課程思政教學的設計目的。

作為高校教師一定要在教學過程中合理應用思政元素，通過巧妙的課程設計，加強教學理念的創新，切實體現出思政與教學的協同作用，實現“立德樹人”的長遠目標。

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