物理化学课程教学中的课程思政——以“水的相图”为例
［收稿时间］2020-02-18
［基金项目］四川师范大学2019年“课程思政”示范课程。［作者简介］毛双（1972-），男，四川广元人，博士，副教授，研究方向：物理化学。
［摘
要］课程思政建设是当前专业课程教学改革的重要内容。文章结合高等学校化学类专业物理化学课程相关教学内容
与教学要求的建议以及化学类专业人才培养目标，以“水的相图”教学为例，研讨在物理化学课程教学中培养学生的科学素养、正确的世界观与方法论、家国情怀与献身精神、创新意识与实践能力。
［关键词］课程思政；物理化学课程；课程改革
［中图分类号］G641［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2021）04-0097-04
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引言
习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调：要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应[1]。课程思政是课程教育的重要组成部分，是课程教书育人功能的本意。课程思政就是要把思想政治工作贯穿于教育教学全过程，坚持立德树人，推动思政课程和课程思政协同育人的创新发展，使其他课程与思想政治理论课同向同行。专业课教师利用其独特优势，运用学科思维，提炼专业课中蕴含的德育因素及价值理念，并在潜移默化中将其转化为学生精神层面的指引，这正是课程思政的主要体现。课程思政旨在知识传授与价值引领并行，构建全程育人、全方位育人格局[2]。高校大学生的思想政治认知和学习环节已经不能仅限于传统的、显性的思想政治理论课，其他课程同样需要承担思政教育的功能，并且能够利用专业课程内容丰富、学科内涵拓展性广和师资力量雄厚的特点，在践行立德树人的根本任务上提供新的育人途径[3]。
物理化学是研究化学体系中物质的结构及其变化规律的科学。它借助数学、物理等基础科学的理论及其提供的实验手段，研究化学体系中最普遍的宏观规律和理论，肩负着服务后续专业课程和培养创新能力两大任务[4-7]。物理化学课程教学要使学生能认识到物理化学是整个化学学科中的理论基础，是物理学与化学相互渗透的一门课程；使学生能准确地理解物理化学中各种基本概念、定律、公式和理论，能应用物理化学的研究方法来解决实际问题；使学生能掌握物理化学的基本理论方
法，学会应用图表、公式进行逻辑推理和演绎，学会解决
实际问题；使学生学习前人的科学精神、治学态度和探索方法，树立正确的世界观、人生观和价值观。物理化学课程包含了许多课程思政的要素，如每一条定理和公式的产生过程都渗透着物理化学家们的艰苦努力，比如焦耳与热力学第一定律、克劳修斯与热力学第二定律、卡诺与卡诺循环、法拉第与法拉第定律、科尔劳乌斯与离子独立运动定律、阿伦尼乌斯与阿伦尼乌斯公式、郎格缪尔与气固吸附等，授课教师可以充分利用这类物理化学家的故事和科学发展史，鼓舞学生不断进取、求真务实。物理化学课程同样包含了不少科学思维、世界观和方法论，比如对“第一类永动机与第二类永动机”的讨论，可以巩固热力学基本定理的学习，认清“燃素说”与“热死论”，帮助学生树立正确的世界观。而对化学反应动力学“碰撞理论”与“过渡态理论”的比较，可以帮助学生理解研究反应动力学的方法论。物理化学课程的讲授需要推导一些基本的物理化学公式，这可以强化化学与数学、物理等多学科的联系，多学科的交叉有助于培养学生的科学素养。物理化学课程中对渗透与反渗透、液体的毛细现象、表面吸附等的探讨，可以加强课堂教学与生活实际的相辅相成[8-12]。本文以多组分系统相平衡中“水的相图”一节的教学为例，研讨在物理化学课堂教学中如何开展课程思政。
一、课程分析“水的相图”是多组分系统相平衡的第二部分。相平衡章节包含了相律、单组分系统的相图以及二组分系统的气-液相图、液-液相图和固-液相图等教学内容。在本节之前，学生已经学习了吉布斯相律和单组分系统两相平衡的克-克方程，这是相图学习的理论基础。接
物理化学课程教学中的课程思政
——以“水的相图”为例
毛
双
（四川师范大学化学学院，四川
成都
610068）
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下来将进行二组分系统相图的学习，需要学生具备相图中点、线、面的基础知识与识别相图的基本能力。因此“水的相图”教学有承上启下的作用。结合高等学校化学类专业物理化学相关教学内容与教学要求的建议[13]
，通过本堂课的学习，学生应该掌握水的相图的基本知识，能够运用相律来说明体系的状态并掌握和绘制简单的单组分相图，理解多相系统平衡的一般条件。
二、教学流程
课堂教学以“导入—讲授—小组讨论—实例分析—文献学习—小结与应用”的思路展开，充分使用图片、视频、文献等教学资源。以下为具体教学流程。
（一）导入导入：：相律与克-克方程的复习1.相律：f=C-Φ+2
单组分体系C =1，最小的相数Φmin =1，因此最大的自由度f max =2，即采用（T,p ）以温度作为横坐标，压力作为纵坐标的二维图可完整地描述单组分体系的状态。
2.克-克方程：d p /d T =ΔH/T ∙ΔV ，ΔH 为相变热，T 为
相变温度，ΔV 为相变时的体积变化。方程明确指出，单组分体系达到两相平衡时p=f （T ），即温度
与压力具有函数关系。气液平衡与气固平衡中ΔV 为可近似看作气体的体积，液固平衡中ΔV 为可近似看作定值，因此气液平
衡与气固平衡时p=f （T ）为指数关系，而液固平衡时p=f （T ）为线性关系。
导入部分为学习如何画“水的相图”，“水的相图”中应该有几条线，哪些是曲线哪些是直线，每条线的区别与联系是什么等问题起到铺垫的作用。
（二）讲授讲授：：水的相图的面水的相图的面、、线、点（见图1）
T/K
p /Pa
P
O
f
q
A
B
C
D 水蒸气273.16
冰
水
图1
水的相图[4]
1.引导学生分析三个面（AOB 、BOC 、COA ）的特点
（1）AOB 面-低温高压、BOC 面-高温低压、COA 面-中温高中压，三个面对应水的三种状态。
（2）三个面分别对应水的固态（冰）、气态（水蒸气）和液态（水）。
（3）三个面均为单相区，f =C-Φ+2，C =1，Φ=1，即f =
2，处于单相时要确定水的状态，需要同时确定温度和压力。
2.三条线（OA 、OB 、OC ）的学习
（1）强调三条线分别对应三个两相平衡，其中OA 对应固液平衡，OB 对应气固平衡，OC 对应气液平衡。
（2）三条线均为两相平衡线，f=C-Φ+2，C =1，Φ=2，即f =1，处于两相平衡时要确定水的状态，仅需要温度或
者压力。
（3）f =1，这与克-克方程相联系，达到两相平衡时p=f （T ），即温度与压力具有函数关系。
（三）小组讨论
学生以学习小组为单位进行课堂讨论。指导学生以克-克方程为基础讨论三条线的异同，具体讨论以下几个问题：
（1）为什么OB 、OC 线为曲线而OA 线为直线？（2）为什么OB 线的斜率大于OC 线？（3）为什么OA 线的斜率为负？讨论结束后进行以下小结：
（1）当单组分体系达到气液平衡与气固平衡时p=f （T ）为指数关系，因此OB 、OC 线为曲线；而达到液固平衡时p=f （T ）为线性关系，因此OA 线为直线。
（2）两相平衡时，曲线的斜率与相变热、升华热时的体积变化有关。气固平衡和气液平衡时，ΔV 可近似看作气体的体积，因此OB 线与OC 线的斜率差别在于相变热的差别。OB 线对应于气固平衡，其斜率与升华热有关；OC 线对应于气液平衡，其斜率与汽化热有关；升华热=汽化热+熔化热，因此OB 线的斜率大于OC 线。
（3）OA 线对应固液平衡，冰的体积大于液态水的体积，即固态转化为液态时，水的ΔV <0，因此其斜率为负。这也是水与其他物质不同的地方。
（四）实例分析实例分析：：播放花样滑冰的短视频
短视频约1分半钟，展示花样滑冰运动员在冰上运动的情景。请学生结合上述小组讨论中的问题（3），分析运动员滑冰鞋的作用，并思考为什么滑冰时会在冰面上留下划痕，冰融化后产生的水对滑冰运动起什么作用。
小结：这是理论学习与生活实际的结合。滑冰鞋的底部较窄，增大了运动员对冰面的压强，从而降低了水的凝固点，造成固态冰融化为水，于是在冰面上形成了一道道划痕。融化所形成的水，对滑冰运动又起到了润滑的作用。
（五）讲授OD 线OD 线是相图中一条特殊的两相平衡线，与其他三
条线既有区别又有联系。
（1）联系：OD 线为OC 线的反向延长线，说明OD 线仍表示两相平衡，水的气液平衡。
（2）区别：OD 线为虚线，表示这是一个不稳定的两相平衡。OD 线位于单相区（固相），即OD 线上的水处于“不稳定”的状态，“不稳定”从OB 线与OD 线上等温下两点的化学势比较展开，μ（l ）>μ（s ）。通过搅拌，可以使不稳定的液态水向固态冰转化。
（3）提出“过冷”现象。一定压力下，液体的温度已低于该压力下液体的凝固点，而液体仍不凝固的现象叫液体的过冷现象，这是一种热力学上的不稳定状态。
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（六）文献阅读
指导学生阅读课前预习时提出的文献：《第一个精测水三相点的物理化学家黄子卿》[14]、《我国著名的物理化学家黄子卿教授》[15]、《黄子卿教授》[16]。展开O点的教学，相图中O点是一个特殊点，处于气、液、固的三相交界处，为三相点。
（1）由相律f=C-Φ+2→C=1，Φ=3，f=0，即O点与温度压力无关，仅与物质的本性有关。
（2）区别三相点与水的冰点，掌握冰点较低的原因：稀溶液凝固点降低与压力增大的影响。
（3）分析临界点C的特点。
（七）小结与应用
小结水的相图的基本特点。点、线、面是构成相图的基本要素，相律是分析相图的理论基础。以“硫的相图”为例，应用相律分析单组分相图。
（1）由相律f=C-Φ+2，分析“硫的相图”中的点、线、面。
（2）对比水的相图中的固液两相平衡线与硫的相图中的固液两相平衡线以及正交硫-单斜硫的固固两相平衡。
（3）分析临界点C的特点。C点为气液两相平衡的临界点，当温度高于C点温度时，液相消失，仅有气相存在。
（八）文献拓展
推荐文献Phase Diagram of Nanoscale Water on Solid Surfaces with Various Wettabilities[17]，A new phase diagram of water under negative pressure:the rise of the lowest-densi⁃ty clathrates-III[18]，供学生课后进一步学习了解水的相图知识的最新研究进展。
三、课程思政
结合本课程的教学目标，按照教学流程，以课程内容为切入点，融入思政教育内容，可以加强对学生的辩证唯物主义、爱国主义的教育，全面提升学生的思想道德水平，培养学生的科学素养、创新创业精神与实践能力。
（一）培养学生的科学素养
课程的讲授以几何图形的面、线、点为顺序，这不仅是认识相图的顺序，也是应用数学的方法来解决化学的问题，强调多学科的融合，与化学类专业人才培养目标[19-20]中的毕业要求“能够综合运用交叉学科的知识和技能，分析和解决本专业或跨学科的复杂问题”相一致。通过单组分体系的点、线、面讨
论，可以为接下来二组分、三组分相图的学习打好基础。对面、线、点的分析要牢牢抓住克-克方程这一理论基础，因为克-克方程从理论上解释单组分相图，单组分相图又能够验证克-克方程，理论与实践相结合正是科学的研究方法。授课中播放的视频要能进一步说明理论学习对生活实际的指导作用。
（二）培养学生正确的世界观与方法论
对OD线的分析可以体现辩证唯物主义中“相对”与“绝对”的对立统一，而这一统一关系在化学学科中经常
出现。在本课程中，强调过冷水的相对稳定性，既为表面化学的理论学习如凝固点降低法测相对分子量的实验奠定基础，也指出了物质存在与物质运动的相对性，这一观念在化学平衡的学习中也会得到巩固，对标毕业要求中的培养“逻辑思维能力、批判精神和反思意识”。
（三）培养学生的家国情怀与献身精神
文献阅读部分让学生不仅掌握了O点的性质，也能够了解化学家黄子卿先生的生平与科学精神。上述三篇文献讲述了黄子卿先生对水样进行精心的纯化，精选三相点瓶的材料，用真空蒸馏的方法，通过测定水样的电导来修正杂质的影响，进而测定水的三相点的研究工作；介绍了黄子卿先生少年时代在外求学、学成归来投入祖国建设的事迹。这有利于引导学生感知科学家们求真务实的科学精神、追求理想的科学品质和报效祖国的拳拳赤子之心，对标毕业要求“能够传播中华优秀文化和中国智慧”。
（四）培养学生的创新意识与实践能力
小结与应用部分和文献拓展部分，以“水的相图”为例，展开对其他单组分相图的分析，并与最新科研成果相结合拓展已有的水的相图部分。上述两篇“水的相图”的研究成果，讨论了在不同条件下冰晶体的构型，补充了水的相图中AOB区的知识。课堂教学与科学研究相结合有助于落实人才培养目标中的“具有创新意识和实践能力”。
四、结语
物理化学课程教学中蕴含了大量的课程思政元素。课程思政围绕人才培养方案，以课堂教学为主渠道、专业知识为载体，通过精心的教学设计、合理的教学方法和信息化的教学手段引领学生的思想导向，提高育人效果，这样不仅能够丰富学科专业教学的内容，而且能够增加学科专业内容的深度。
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又能以计算机的思维解决问题，并能够充分认识到人的思维过程与计算机自动化过程之间存在的共性与差异，借助计算机来解决问题[15]。
（三）开发建设可供学生自主学习的网络平台
美国重视学生的合作学习、自主学习，提倡E-lear⁃ing的学习方式，2010年11月，美国时任总统奥巴马颁布了其任期内最新一轮《国家教育技术计划》（NETP），提出“用技术支持的学习模型”，要保证所有的学生和教师都有足够的宽带访问因特网，并提出大力开发开放性教育资源。而我国的网络平台建设相对缺乏，网络资源更多是面向教师，可供学生自主学习的网络资源较少，这对学生的发展相当不利。
从20世纪50年代开始，自主学习成为教育心理学研究的一个重要课题，维果斯基学派、操作主义现象学派、社会认知学派等都从不同角度对自主学习进行了一些探讨并给出积极评价。采用网络环境下的
自主学习平台可以很大程度上提高学生的学习兴趣，激发学生的学习热情。由于网络不受地点时间的限制，学生可以方便地在任何时间地点进行交流，但是这样的网络学习环境对学生的监控尚有不足，这也是人们在开发网络教育平台时应该注意的问题。
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