新工科背景下物理化學課程思政探索與實踐

趙學艷　肖瑞杰　曹桂榮

摘? 要? 結(jié)合新工科背景下人才培養(yǎng)的新特點和新要求，從教學內(nèi)容的優(yōu)化、思政元素的積累、教學方法的改進和教學案例的設(shè)計四個部分進行積極探索既符合新工科思想，又融入課程思政的物理化學教學內(nèi)容和教學方式。致力于培養(yǎng)具有工程意識、專業(yè)意識、創(chuàng)新意識和人文意識的德才兼?zhèn)涞膹秃闲凸た迫瞬拧?/p>

關(guān)鍵詞? 新工科；課程思政；物理化學；教學實踐

中圖分類號：G641? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）08-0103-05

0? 引言

新一輪產(chǎn)業(yè)革命和科技革命的興起對創(chuàng)新型工程科技人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，為主動適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟的發(fā)展，國家提出“新工科理念”。新工科教育的定位是在立德樹人和德學兼修的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)具有家國情懷、國際視野、法治意識、生態(tài)意識和工程倫理意識的多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]。習近平總書記強調(diào)，做好高校

思想政治工作，要用好課堂教學這個主渠道，要挖掘其他課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源，實現(xiàn)全方位育人[2]。物理化學是化學的重要基礎(chǔ)學科，也是化工、環(huán)境、材料、地下水科學與工程等工科專業(yè)必修的基礎(chǔ)課。物理化學知識體系滲透著哲學思想和深刻的內(nèi)涵，深度挖掘物理化學知識中蘊含的思政元素，培養(yǎng)學生追求真理、嚴謹治學、勇攀科學高峰的責任感和使命感，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當，形成正確的世界觀、人生觀和價值觀。

在體現(xiàn)新工科思想的同時，將課程思政融入物理化學的課堂教學，積極探索既符合新工科思想，又體現(xiàn)課程思政的物理化學教學內(nèi)容和教學方式。在知識傳授和能力培養(yǎng)的過程中同步進行價值塑造，實現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造的協(xié)同發(fā)展，培養(yǎng)具有工程意識、專業(yè)意識、創(chuàng)新意識和人文意識的德才兼?zhèn)涞膭?chuàng)新型復合型工科人才，落實立德樹人根本任務(wù)。針對以上目標，從教學內(nèi)容的優(yōu)化、思政元素的積累、教學方法的改進和教學案例的設(shè)計四個方面對物理化學課程進行設(shè)計。

1? 優(yōu)化教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生的工程意識

防災(zāi)科技學院是一所以地學為特色的高校，物理化學作為一門重要的基礎(chǔ)理論課程，主要面向地下水科學與工程專業(yè)開設(shè)。針對地下水科學與工程專業(yè)教學改革與專業(yè)發(fā)展現(xiàn)實，分析物理化學教學在專業(yè)發(fā)展中面臨的新挑戰(zhàn)，探討物理化學課程內(nèi)容、教學方式、課程體系及學科思維在專業(yè)教學和學生培養(yǎng)中的作用，并提出針對性的改進與強化措施，竭力培養(yǎng)學生的專業(yè)素質(zhì)和工程能力。

物理化學課程以物理和數(shù)學為基礎(chǔ)，理論抽象、公式推導復雜、適用條件嚴格、計算煩瑣，如何在有限的課堂內(nèi)完成大量知識的傳授是對教師最大的考驗。地下水科學與工程屬于工科專業(yè)，其培養(yǎng)目標不同于理科專業(yè)，不能簡單地照搬物理化學教材上的理論內(nèi)容，有必要精簡其理論性而增加其實用性，深入了解地下水科學與工程專業(yè)，致力于打造契合這一專業(yè)的獨特的物理化學課程。

比如，在學習系統(tǒng)與環(huán)境的概念時，要講清楚開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)的概念。物理化學課程主要以封閉系統(tǒng)為主要研究對象，即系統(tǒng)與環(huán)境之間只有能量交換，沒有物質(zhì)交換。但是，將這些概念應(yīng)用于天然水時，要靈活運用，天然水實際上是開放和動態(tài)的系統(tǒng)，并且也是一個非平衡體系的運動過程，但在一定的空間范圍和時間段內(nèi)，則處于相對的靜止、穩(wěn)態(tài)或者平衡。例如，一個水文地質(zhì)單元的水質(zhì)變化過程是不可逆的動態(tài)進行的，但在各個地點（如泉、井）上，在一定時期，常常具有穩(wěn)定的溫度、壓力和物質(zhì)濃度值。也就是說該地段與相鄰的物質(zhì)交換和能量交換十分緩慢，則可按封閉系統(tǒng)來處理，也可視為局部的平衡體系（鑲嵌平衡），使問題簡化，得出有用的結(jié)論。在處理地下水成分的運移過程時就運用了這種思想。地下水成分復雜，可溶解一定的氣體、無機鹽和有機物，在這些物質(zhì)間，涉及相平衡、沉淀溶解平衡、絡(luò)合平衡、化學吸附等，只有建立合理的平衡模擬體系才能全面的考慮元素的遷移。而平衡模擬體系的建立，就利用了“鑲嵌”平衡的概念[3]，雖然這種平衡模式是一種指定條件下的假想狀態(tài)，這種狀態(tài)可能并不存在，但可確定實際體系的變化趨勢及其控制因素，從而預(yù)知元素的遷移—轉(zhuǎn)化機制與歸宿，這就要求我們轉(zhuǎn)變思維，將純粹的物理化學中的熱力學知識應(yīng)用于復雜的自然體系，并簡化處理，解決實際問題，培養(yǎng)學生的工程意識。

在物理化學的教學過程中，除了討論其在基礎(chǔ)體系的應(yīng)用之外，還會結(jié)合具體的地下水環(huán)境，考慮實際體系的組成，增加學生處理實際問題的能力。比如在處理水—巖溶解平衡問題時，由于天然水中礦物濃度較高，溶液嚴重偏離理想溶液，水—巖溶解與平衡受鹽效應(yīng)和同離子效應(yīng)的影響較大，會導致較顯著的“離子氛”效應(yīng)，進而使離子強度增大，最終影響離子活度和溶解度，此時應(yīng)該用活度代替濃度來計算溶解度更準確，因此，在本課程的學習過程中，要著重厘清離子強度、離子氛、活度系數(shù)、活度和濃度的概念，以及這些概念之間的聯(lián)系。在計算離子強度時，物理化學課程中的Debye-Hückel方程僅適用于離子強度小于0.005 mol/L的可飲用地下淡水，不適用于含鹽量較高的微咸水體系。對于微咸水體系，還需要擴展講授Debye-Hückel方程的修正式，用于處理鹽度更高的水體系[4]。

膠體化學在地下水科學與工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，每升地下水中天然膠體個數(shù)為108～1 017個[5]。地下水中不易運移擴散的污染物一般以膠體為運移載體，膠體的輸運對于污染物遷移具有重要的意義。同時，滯留于孔隙介質(zhì)中的膠體顆粒物可以吸附重金屬等污染物，起到修復地下水環(huán)境的作用。膠體的親水或疏水性、穩(wěn)定性、離子強度和pH等因素又會影響膠體的聚沉、吸附、脫附和運移等過程，講清楚這些因素對膠體的影響，才能更好地將膠體應(yīng)用于污水處理和凈化。

在學習溶液的依數(shù)性時，講授反滲透技術(shù)在重金屬廢水處理、海水淡化以及純水制備中的應(yīng)用。學習熱力學定律時，擴展講授能源的分類，各類能源的優(yōu)缺點，可再生能源的開發(fā)與利用，引導學生增強節(jié)能意識、環(huán)保意識。

總之，在學習基礎(chǔ)的物理化學知識時，關(guān)注其與專業(yè)知識的結(jié)合及在實際體系中的應(yīng)用，切實增強學生處理實際問題的能力，培養(yǎng)學生的工程意識。

2? 構(gòu)建物理化學課程思政教學素材庫

為了貫徹思政教育和專業(yè)課程同向同行、協(xié)同育人的理念，以學科發(fā)展史、科學家精神、經(jīng)典理論建立、物理化學與地下水科學學科交叉知識、學科發(fā)展前沿、物理化學知識在水處理方面的應(yīng)用、中國傳統(tǒng)文化中化學知識的體現(xiàn)等幾個方面為抓手，將思政教育貫穿課程教學全過程，如圖1所示。

以上幾個方面的思政素材在教學的過程中并非獨立進行，比如在講授前五個方面的知識時，可能會穿插進行該知識在實際中的應(yīng)用、相應(yīng)的科學家事跡以及與此相關(guān)的傳統(tǒng)文化的體現(xiàn)。在思政教育的同時，時刻不忘新工科理念，注重知識的拓展應(yīng)用。

2.1? 將中華傳統(tǒng)文化融入課堂教學

化學古來有之，絕非近代而出。我國的化學從金屬冶煉、造紙、火藥、醫(yī)藥、煉丹開始，在漫長的過程中積累了豐富的化學知識以及化學實驗，在講課的過程中以古書對化學實驗的記載作為導引，意義非凡。比如西漢的《淮南萬畢術(shù)》里記載了“曾青得鐵則化為銅”（曾青[Cu2（OH）2CO3]），揭示銅鹽與鐵的置換反應(yīng)；東漢魏伯陽在煉丹著作《周易參同契》提出：“胡粉投火中，色壞還為鉛”短短的10個字，將堿式碳酸鉛的分解以及還原反應(yīng)總結(jié)得非常到位；晉代煉丹家葛洪曾在《抱樸子》一書中談到：“丹砂燒之成水銀，積變又還成丹砂”，高度概括了硫化汞的分解與生成反應(yīng)的可逆性，這在當時是很了不起的認識；南北朝時期的醫(yī)藥家陶弘景曾說明了硝石的鑒定方法“以火燒之，紫青煙起，云是真硝石也”，與近代運用焰色反應(yīng)來鑒別硝酸鉀相似。這些講解，既傳授了知識，又讓學生了解我國對化學實驗及古代化學的發(fā)展作出的貢獻，還能使學生感受文化熏陶，增長學科視野。

我國傳統(tǒng)文化博大精深，在古詩詞中也蘊藏著豐富的化學變化和化學現(xiàn)象，比如南宋詩人楊萬里的《昭君怨·詠荷上雨》，“午夢扁舟花底，香滿西湖煙水。急雨打篷聲，夢初驚。卻是池荷跳雨，散了真珠還聚。聚作水銀窩，瀉清波”；周敦頤的《愛蓮說》“予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖”；徐陵《侍宴詩》“嫩竹猶含粉，初荷未聚塵”等優(yōu)美的詩句均說明了荷花、荷葉的疏水性，聚焦到物理化學知識就是固體表面的潤濕性、親水性和疏水性。通過古詩詞作為引導資料，使學生感受詩歌優(yōu)美的韻律和中華傳統(tǒng)文化魅力的同時，自然地引入學科知識點，激發(fā)學習興趣，增強文化自信。我國傳統(tǒng)文化在物理化學知識點的體現(xiàn)，見表1。

2.2? 弘揚科學家的愛國主義情懷

物理化學注重理論，在學科思維方面獨具魅力，被譽為“化學中的哲學”。在化學發(fā)展的歷史長河中，我國對古代化學的發(fā)展做出了舉世矚目的成就，但是在近代化學的建立和發(fā)展中，由于各種原因，我們處于落后的狀態(tài)。新中國成立后，一代代科學家奮力追趕，在化學基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的諸多方面取得了一系列的成果，如表2所示。通過挖掘科學家對物理化學學科發(fā)展的重大貢獻，引導學生感知他們求真求實的科學精神和追求理想的科學品質(zhì)，激發(fā)學生的愛國熱忱，奮發(fā)圖強，為祖國的繁榮富強而學習的拼搏精神。

2.3? 化學給人以知識，化學史給人以智慧

我國著名化學家傅鷹先生曾說過：“化學可以給人以知識，化學史可以給人以智慧。”化學史蘊含著眾多物理化學家的實驗經(jīng)驗以及眾多理論從誕生到成熟的發(fā)展過程，引入化學史，能夠提升學生對課程的了解。如工業(yè)革命中，人們千方百計提高蒸汽機的效率，才激勵了熱功轉(zhuǎn)化的方向和限度的研究，由此總結(jié)出了熱力學第一定律和熱力學第二定律。如表3所示，在每個章節(jié)中適當加入相關(guān)研究課題的發(fā)展史，如熱力學三定律、化學動力學和膠體化學學科發(fā)展史，使學生了解化學家的科學思維方法，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，從而深化學生對物理化學知識的理解，培養(yǎng)學生思考問題和解決問題的能力。

2.4? 將新理論、新應(yīng)用及時融入課堂

在學生掌握了基礎(chǔ)知識后，適當增加這一領(lǐng)域的新理論、新發(fā)現(xiàn)，這樣有利于學生及時了解目前的科研水平，鼓勵青年學生迎難而上，勇敢跨越學科邊界，探索新的路徑解決科學問題。比如，在學習水的相圖一節(jié)時，擴展講授冰在不同溫度下冰晶結(jié)構(gòu)的最新研究以及冷凍干燥技術(shù)在食品和藥品儲存方面的應(yīng)用[6]，擴展講授水在高溫高壓下的超臨界狀態(tài)，以及超臨界流體在萃取、聚合反應(yīng)、涂料和催化過程中的應(yīng)用。在學習電池時，簡單介紹山東大學徐立強教授設(shè)計的多面體電催化劑，使新型鋰硫電池在高硫面載量及貧電解液的工作條件下仍能取得優(yōu)異的性能[7]。在學習界面特性的時候，介紹江雷院士課題組仿生荷葉表面微—納米雙重結(jié)構(gòu)、設(shè)計制備各種親/疏水超常規(guī)新型納米界面材料的創(chuàng)新性工作[8]。這些創(chuàng)新性工作可以引發(fā)學生對自然科學的探究精神，讓學生及時了解我國目前的科研水平，增強自信心。

3? 借助雨課堂，提高課堂效率

隨著物理化學學時不斷被壓縮，僅在有限的課時內(nèi)進行思政教育是很難實現(xiàn)的，需要積極探索新途徑和新方法，將師生討論、學生調(diào)研、小論文和雨課堂等多種形式結(jié)合起來，全方位多角度進行思政培育。充分利用雨課堂的課前預(yù)習環(huán)節(jié)，提前發(fā)布相關(guān)的資料，使學習更加便捷、高效，比如各章節(jié)理論的發(fā)展簡史、學科前沿的文獻、知識在實際中應(yīng)用的短視頻或者科學家事跡的短視頻等，總之通過聲、形、畫等多方面的強烈沖擊引起學生的情感共鳴。課堂教學的過程中，就這些資料與學生進行討論，深化認識。

課后復習階段，通過雨課堂將梳理總結(jié)的重點難點發(fā)布給學生，并匹配適量的客觀題和主觀題，通過答題情況，實時掌握學生的學習效果，形成良性互動。

4? 教學案例

以“表面活性劑及其作用”這一知識點為例，精心設(shè)計教學案例，將教學內(nèi)容與科學精神、家國情懷、工程意識、知識的運用以及創(chuàng)新精神有機融合，與學生產(chǎn)生情感共鳴，達到預(yù)期的教育效果。基于上述教學目標，設(shè)計教學過程，主要包括預(yù)習準備，課中學習討論和課后延伸三個部分，三部分中預(yù)設(shè)了問題引入，成果交流、構(gòu)建新知、總結(jié)延伸等幾個環(huán)節(jié)，將課程層層推進，如圖2所示。

課前準備環(huán)節(jié)，充分利用雨課堂，以圖文資料、詩詞、視頻等多種形式引導學生思考，激發(fā)學生探究的興趣。針對預(yù)習中提出的問題，讓學生在課堂上分組討論，以小組為單位談?wù)剬Ρ砻鎻埩σ约氨砻婊钚詣┑恼J識。在學生有一定認識的基礎(chǔ)上，學習新知識。拓展表面活性劑以及表面活性劑水溶液聚集體在不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，結(jié)合專業(yè)特點，重點挖掘表面活性劑在土壤和地下水污染修復過程的應(yīng)用，尤其用于處理石油污染場地，結(jié)合最新的研究成果，講解表面活性劑在水溶液中形成的膠束、微乳液、凝膠、囊泡等聚集體對污染場地的修復機理[9]，使學生具有工程意識，體現(xiàn)新工科的思想。在基礎(chǔ)知識的傳授過程中結(jié)合傅鷹先生多次婉拒國外優(yōu)厚條件，一心報效祖國，為國家培養(yǎng)了首批優(yōu)秀的膠體化學人才，解決了多項國家建設(shè)需要的應(yīng)用課題，引導學生淡泊名利，志存高遠，把個人理想和追求融入實現(xiàn)中華民族偉大復興中國夢的奮斗中。

5? 結(jié)束語

新工科背景下，對物理化學課程的教學提出了更高的要求，針對地下水科學與工程專業(yè)教學改革與專業(yè)發(fā)展現(xiàn)實，在教授基礎(chǔ)物理化學知識的同時，結(jié)合具體的地下水環(huán)境，考慮實際體系的組成，凸顯物理化學知識在地下水工程中的應(yīng)用，增加學生處理實際問題的能力，培養(yǎng)工程意識。同時注重教學內(nèi)容與思政元素之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，恰當提取出其蘊含的科學精神、家國情懷、責任擔當，通過共情的方式來弘揚案例中的思政精神，提升育人成效，致力于培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞膭?chuàng)新型卓越工程科技人才。

6? 參考文獻

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[2] 習近平：思政課是落實立德樹人根本任務(wù)的關(guān)鍵課程[EB/OL].（2020-08-31）[2023-09-08].http：//www.

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[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.

*項目來源：防災(zāi)科技學院教育研究與教學改革項目“新工科背景下物理化學課程思政探索與實踐”（項目編號：JY2021B24）。

作者簡介：趙學艷，通信作者，博士，副教授；肖瑞杰、曹桂榮，講師。