物理化學(xué)課程思政教學(xué)設(shè)計與實施
——以“界面現(xiàn)象”為例

劉萬強，劉鑫微，張崇華

湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化工與材料國家級實驗教學(xué)示范中心，湖南 湘潭 411201

2020年教育部在《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中提出，立德樹人成效是檢驗高校一切工作的根本標準。高校要全面推進課程思政建設(shè)，寓價值觀引導(dǎo)于知識傳授和能力培養(yǎng)之中。物理化學(xué)是化學(xué)學(xué)科最為重要的理論基礎(chǔ)課程[1]。在其發(fā)展過程中涉及科學(xué)發(fā)展史、哲學(xué)內(nèi)涵、科學(xué)倫理、美學(xué)內(nèi)涵，以及科學(xué)家的人文情懷和科學(xué)精神[2]。同時物理化學(xué)的原理是辯證唯物主義客觀規(guī)律的鮮活例證。此外，物理化學(xué)的基本原理在日常生活以及中華傳統(tǒng)優(yōu)秀文化中得以體現(xiàn)，在生產(chǎn)實踐、科技創(chuàng)新中得到應(yīng)用。這些素材為課程思政提供了大量的思政元素。同時物理化學(xué)課程是理工科眾多專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程。因此，深入挖掘物理化學(xué)課程中的思政元素，發(fā)揮課程的思政功能，是落實立德樹人根本任務(wù)的重要舉措。

王旭珍等人[3]提出把化學(xué)史、優(yōu)秀傳統(tǒng)文化等思政素材與科學(xué)知識有機融合。孫越等人[4]梳理了物理化學(xué)實驗教學(xué)中開展課程思政的思路。郭暢等人[5]提出融合課程思政特色的“1421”專業(yè)課程建設(shè)模式。這些教研教改為物理化學(xué)課程思政建設(shè)提供了重要的借鑒。但總體而言，物理化學(xué)課程仍存在不足：專注知識傳授、忽視思政教育；思政教學(xué)設(shè)計缺乏系統(tǒng)性；部分思政素材和元素與課程內(nèi)容聯(lián)系不緊密。此外，具體的可資借鑒的課程思政教學(xué)設(shè)計實例較少。

基于思政素材創(chuàng)設(shè)課堂情境，能夠構(gòu)建思政元素與學(xué)科核心概念的內(nèi)在聯(lián)系，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供真實的表現(xiàn)機會。本文采用知識學(xué)習(xí)與思政教育有機融合的教學(xué)設(shè)計理念，充分發(fā)揮顯性與隱性課程教育的協(xié)同效應(yīng)。并以“界面現(xiàn)象”內(nèi)容的教學(xué)為例，充分挖掘與界面現(xiàn)象相關(guān)的思政素材，并闡述了將知識線與思政線“雙線融合”的教學(xué)設(shè)計思路和教學(xué)實施過程，以期實現(xiàn)知識傳授、價值塑造和能力培養(yǎng)的多元統(tǒng)一，促使學(xué)生自由而全面的發(fā)展。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

物質(zhì)的存在形態(tài)有氣、液、固三種，在相態(tài)交界的地方，就會產(chǎn)生界面。由于界面層中的分子所處的環(huán)境與本體中的不同，因此界面層產(chǎn)生了一些與本體不同的性質(zhì)，由此產(chǎn)生了許多特殊的現(xiàn)象和性質(zhì)，稱之為界面現(xiàn)象。例如：曙光、雨滴、露珠、彩虹等自然現(xiàn)象都與界面現(xiàn)象有關(guān)。同時界面現(xiàn)象的原理也應(yīng)用于染色、吸附和界面反應(yīng)等領(lǐng)域。這些均體現(xiàn)了界面現(xiàn)象與實際生活、科技前沿的緊密聯(lián)系。

本節(jié)課以天津大學(xué)《物理化學(xué)(下冊)》第六版[6]第十章“界面現(xiàn)象”為教學(xué)內(nèi)容，展開界面現(xiàn)象第一課時教學(xué)。課程的主要內(nèi)容包括：(1) 界面的定義與類型；(2) 界面現(xiàn)象產(chǎn)生的原因；(3) 從力、表面功和表面自由能等角度分析表面張力；(4) 結(jié)合熱力學(xué)討論表面張力等。

2 教學(xué)設(shè)計思想

本節(jié)課以現(xiàn)象-本質(zhì)-規(guī)律的知識線展開教學(xué)，同時以思政育人目標為導(dǎo)向，創(chuàng)設(shè)思政線，將知識線與思政線“雙線融合”，將思政教育有機融入到各個教學(xué)環(huán)節(jié)中。

3 教學(xué)目標

結(jié)合高等學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)物理化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)要求[7]，設(shè)計知識能力目標和思政目標如下。

3.1 知識能力目標

(1) 通過自主閱讀教材，能總結(jié)界面的基本概念和類型，及其產(chǎn)生的微觀本質(zhì)。

(2) 通過液膜收縮實驗，能推導(dǎo)出表面張力、表面功和表面吉布斯函數(shù)的表達式，理解表面張力的含義。

(3) 了解日常生活中的界面現(xiàn)象，能夠應(yīng)用表面張力的相關(guān)知識解釋日常生活中的界面現(xiàn)象。

(4) 通過小組交流討論，加深對界面現(xiàn)象的理解，同時提高小組協(xié)作能力。

3.2 課程思政目標

(1) 通過古文《愛蓮說》，感受中華優(yōu)秀傳統(tǒng)美德，堅定文化自信。

(2) 借助天宮一號中的水膜張力實驗、我國科學(xué)家江雷院士設(shè)計制備的新型界面材料，增加民族自豪感和科技報國的使命感，厚植家國情懷。

(3) 了解國內(nèi)外納米超疏水自清潔材料，開拓科學(xué)視野，增強投身社會主義現(xiàn)代化強國建設(shè)的熱情。

(4) 從現(xiàn)象-本質(zhì)-規(guī)律的學(xué)習(xí)邏輯中，增強思維的邏輯性、辯證性、全局性，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力和探究精神。

(5) 通過課后查找與界面相關(guān)的研究成果、日常現(xiàn)象并撰寫論文，提高思政自我教育[8]的主動性。

4 教學(xué)流程

界面現(xiàn)象的教學(xué)流程分為六個環(huán)節(jié)。在教學(xué)過程中，教師通過界面現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生深入探究界面現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，同時涉及對學(xué)生理想信念、人文情懷、精神追求、科學(xué)思維等方面的思政教育，表1以知識線和思政線展示了教學(xué)過程中的主要師生活動。

表1 教學(xué)流程

5 教學(xué)實施

5.1 新課引入：日常生活界面現(xiàn)象

【教師引導(dǎo)，學(xué)生思考】展示圖1-圖3：肥皂泡、荷葉上的水珠為什么一般接近球形？蓮為什么能出淤泥而不染？

圖1 球形肥皂泡

圖2 荷葉上的露珠

圖3 《愛蓮說》

【設(shè)計意圖】

(1) 借助生活中常見的界面現(xiàn)象引入課堂并提問，激發(fā)學(xué)生求知欲，提高學(xué)習(xí)興趣。

(2) 借助文學(xué)作品《愛蓮說》中所描述的蓮花出淤泥而不染的自然現(xiàn)象，隱喻公正廉潔的傳統(tǒng)美德，弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，堅定文化自信，培養(yǎng)學(xué)生高尚精神追求。

5.2 概念構(gòu)建：界面定義及其類型

(1) 請同學(xué)們分組討論分析燒杯中沸騰的水可能存在的界面(圖4)？什么是界面？可能存在哪些類型的界面?

圖4 盛有沸騰的水的燒杯

【學(xué)生討論、補充后得到】附著在燒杯內(nèi)壁的氣泡與燒杯壁之間存在氣-固界面；氣泡與水、空氣與液面之間存在氣-液界面；水與燒杯壁之間存在液-固界面。密切接觸的兩相之間的過渡區(qū)(約有幾個分子的厚度)稱為界面，若其中一相為氣體，該界面又可稱表面。界面的類型根據(jù)物質(zhì)狀態(tài)的不同，可以分為氣-液、氣-固、液-液、液-固、固-固等界面。

(2) 請同學(xué)們討論分析液體表面層分子與液體內(nèi)部分子受力有何不同(圖5)？為什么荷葉上的露珠接近球形(圖2)？

圖5 氣-液界面示意圖

【學(xué)生B】液體內(nèi)部的分子受到周圍分子的吸引力，這些力球形對稱，彼此抵消。而處于液體界面層的分子，由于氣相分子間距離較遠，表面層分子受到的體相分子的吸引力遠遠大于氣相分子的吸引力，導(dǎo)致液體表面層分子所受的力無法抵消，合力方向指向液體內(nèi)部，這樣表面層分子趨向于液體內(nèi)部運動，因此液體表面存在縮小的趨勢，最終形成如同一層繃緊的富于彈性的膜。這也是荷葉上的露珠接近球形的原因。

【教師】對學(xué)生回答予以評價。

【設(shè)計意圖】

(1) 以問題驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生分析沸水中的各種界面，實際了解存在哪些界面，總結(jié)出界面的定義和類型，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨立思考的習(xí)慣。

(2) 從界面現(xiàn)象探尋露珠接近球形的原因，促進學(xué)生形成現(xiàn)象-本質(zhì)-客觀規(guī)律科學(xué)探究模式，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維和科學(xué)探究精神，滲透從宏觀到微觀的事物認識規(guī)律、透過現(xiàn)象看本質(zhì)的哲學(xué)思想。

5.3 本質(zhì)探析：從力、表面功、表面吉布斯函數(shù)多角度研究表面張力

(請學(xué)生們自主分析液膜收縮實驗(圖6)，并從金屬絲所受液膜的拉力、液膜面積擴大時所作的可逆表面功、可逆表面功與吉布斯函數(shù)的關(guān)系探究表面張力。并對學(xué)生的自學(xué)成果予以評價。)具體教學(xué)內(nèi)容參考天津大學(xué)《物理化學(xué)(下冊)》第六版[6]第十章“界面現(xiàn)象”，可得：

圖6 蘸有肥皂膜的金屬框

【同學(xué)自主知識小結(jié)】表面張力、表面功、表面吉布斯函數(shù)三者關(guān)系(見表2)。

表2 表面張力、表面功、表面吉布斯函數(shù)三者關(guān)系

【設(shè)計意圖】

通過實驗，引導(dǎo)學(xué)生從力、表面功、表面吉布斯函數(shù)三個不同角度思考表面，了解三者異同，幫助學(xué)生理解表面張力的本質(zhì)；滲透對立統(tǒng)一的辯證唯物主義規(guī)律；激發(fā)學(xué)生探索未知、追求真理的精神。

5.4 本質(zhì)探析：從熱力學(xué)角度深入分析表面張力

(1) 請同學(xué)們由單相多組分系統(tǒng)的四個熱力學(xué)基本公式推導(dǎo)表面熱力學(xué)基本公式(具體教學(xué)內(nèi)容參考天津大學(xué)《物理化學(xué)(下冊)》第六版[6]第十章“界面現(xiàn)象”)。

(2) 請同學(xué)們討論并進一步分析：為什么自然界中氣泡、露珠一般都成球形或接近球形？

(3) 請同學(xué)們查閱資料，解釋蓮為什么能出淤泥而不染呢？

【學(xué)生C】科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蓮葉的表面有一層細小的絨毛和微小的疏水性顆粒，由可知，如果水在蓮葉上鋪展，就會形成較大的總表面積，導(dǎo)致水的表面吉布斯函數(shù)增大。因此，水趨向于在蓮葉表面形成大的接近球形的水珠以減小總的表面積，同時水珠在滾動時會帶走淤泥和灰塵，這就是蓮葉出淤泥而不染的原因。

【設(shè)計意圖】

通過思考液滴成球形、蓮出于污泥而不染的原因，進一步理解表面吉布斯函數(shù)表達式，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

5.5 前沿拓展：借助思政素材開展科技前沿拓展

(1) 【教師展示、提問、評價】展示我國宇航員在空間實驗室天宮一號內(nèi)所做的表面張力水膜實驗(圖7)，為什么在太空中向液膜中注水可以形成球形液滴？

圖7 天宮一號中水膜張力實驗

【學(xué)習(xí)小組C】液滴由于受到表面張力，有收縮成球形的趨勢。在地面上，水滴受到重力的影響，一般成橢球形，而在太空中微重力環(huán)境下，液滴幾乎成完美的球形。

(2) 【教師拓展】江雷院士課題組仿生荷葉原理(圖8)，制備了一種神奇的能穩(wěn)定漂浮在水面上的銅片，即使在湍急的水流中，也能漂浮，甚至征服“瀑布”。這種銅片就是下表面為超親水性涂層，上表面超疏水的涂層。這樣下表面就可以牢牢的吸附在水面上。

圖8 江雷院士及Janus界面材料

(3) 【教師展示、提問、評價】如圖9所示，我們發(fā)現(xiàn)手機屏幕上不小心灑到水時，水在屏幕上一般形成小液滴？為什么？

圖9 屏幕納米涂層技術(shù)

【學(xué)生D】這是由于屏幕上有一層疏水性納米薄膜，大幅度降低了屏幕的表面吉布斯函數(shù)。同時水保持液滴形態(tài)也降低水的表面吉布斯函數(shù)，因而水在屏幕表面形成液滴，達到防水、防塵的作用。

【教師評價、拓展】回答準確，這也是仿生荷葉的自清潔原理。目前，這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于屏幕納米涂層、超疏水自清潔衣服面料(圖10)等領(lǐng)域。

圖10 納米超疏水自清潔材料

【設(shè)計意圖】

(1) 展示我國在航天領(lǐng)域的成就以及我國科學(xué)家在表面材料領(lǐng)域的研究成果，增強民族自豪感，堅定道路自信，激發(fā)學(xué)生科技報國的理想信念。

(2) 展示中外科學(xué)家在納米涂層技術(shù)、納米自清潔材料等方面的成果，展示學(xué)科原理在科技發(fā)展中的應(yīng)用和價值，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和科學(xué)精神，拓展學(xué)生的國際視野，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。

5.6 總結(jié)及任務(wù)：知識小結(jié)與作業(yè)布置

(1) 請同學(xué)們對本節(jié)課所學(xué)知識進行小結(jié)。

【學(xué)生E】在本節(jié)課中，我們學(xué)習(xí)了界面的定義與類型、表面張力、表面吉布斯函數(shù)、多組分系統(tǒng)熱力學(xué)公式以及表面張力的影響因素。同時，也明白了日常生活中一些現(xiàn)象的原理，也體會到了中華文化的博大精深，以及中國智慧對科技發(fā)展和人類進步的促進作用。作為當(dāng)代大學(xué)生，我們應(yīng)該樹立正確的價值觀和人生觀，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興貢獻自己的力量。

(2) 作業(yè)布置。

日常生活中還有哪些現(xiàn)象與界面現(xiàn)象有關(guān)？哪些科技創(chuàng)新應(yīng)用到了界面原理？請同學(xué)們分析原因，撰寫一篇相關(guān)論文。

【設(shè)計意圖】

(1) 在總結(jié)知識的同時進行思政引導(dǎo)，強化理論知識學(xué)習(xí)以及課程思政教育效果。

(2) 學(xué)生課后進一步拓展界面現(xiàn)象的知識學(xué)習(xí)，感受科技原理在日常生活和科技創(chuàng)新中的應(yīng)用，開展自我思政教育。

6 教學(xué)效果及反思

以“界面現(xiàn)象”為例的物理化學(xué)課程思政教學(xué)設(shè)計，將串聯(lián)中華傳統(tǒng)文化、生活實例、科技前沿等思政素材的思政線與現(xiàn)象-本質(zhì)-規(guī)律為邏輯的知識線“雙線融合”，發(fā)揮物理化學(xué)課程的育人功能。該教學(xué)設(shè)計經(jīng)過3個學(xué)年的教學(xué)實踐和打磨提煉，獲得了湖南科技大學(xué)課程思政教學(xué)比賽一等獎、湖南省高校課程思政教學(xué)比賽三等獎。另外，物理化學(xué)課程思政還應(yīng)豐富思政元素融合方式、完善思政教育考核評價體系等，以建立系統(tǒng)的物理化學(xué)課程思政體系。