“物理化学”理论—实验教学融合课程思政探索

［摘 要］ 课程思政是贯彻落实习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上坚持把立德树人作为中心环节，讲话精神的重要方法和途径。物理化学实验是研究物质的物理性质以及这些性质与其化学反应间的关系的一门科学。作为一门独立的课程，“物理化学实验”是一门重要的基础化学实验课。结合“物理化学”课程特点，在教学过程中，逐步引入正确的价值观，通过科学素养的培养进行价值引领，优化教学内容，提升教学实效，充分发挥思想政治教育与课程的学科对话和理论引导。

［关键词］ 物理化学；课程思政；课程改革

［基金项目］ 2021年度广东工业大学本科教学工程项目“物理化学实验课中开设综合性实验的探索”（1105/211220029）

［作者简介］ 陈 超（1983—），男，山东曲阜人，博士，广东工业大学轻工化工学院副教授，主要从事纳米多孔材料研究及化工原理教学研究；李 垒（1985—），男，河北石家庄人，博士，广东工业大学轻工化工学院讲师（通信作者），主要从事光电催化研究及物理化学教学研究。

［中图分类号］ G641 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）34-0101-04 ［收稿日期］ 2023-04-04

2016年12月，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调：“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面”［1］。高等教育不仅要注重专业素质的培养，还要注重大学生思想政治意识及正确的世界观、人生观和价值观的建立。因此，教师需要通过改变教学模式及教学方法，将思政元素与课程紧密结合，在课程中渗透思政元素，在思政元素中体现课程知识体系［2］。物理化学是现代化学、生命科学、材料与环境科学发展的基础，在资源开发利用、环境保护等攸关社会和经济发展及人口与健康等方面应用潜力巨大。

一、“物理化学”课程思政的具体要求及必要性

物理化学是基于物质的物理现象和化学变化的联系研究物质在化学过程中基本规律的一门科学，是研究化学学科中的原理和方法、体系行为最一般规律和理论的学科。理论化、系统化是其核心特征，化学过程的本质及规律蕴含着深刻的哲学辩证思维，即事物的普遍性与特殊性、主要矛盾和次要矛盾及质变与量变等。因此，通过“物理化学”课程的教学，引导学生形成辩证思维，具体到理论联系实际对“物理化学”知识点进行思考和理解，运用所学理论解释现象及解决实际问题，学会透过现象看本质，在学习中领会“物理化学”解决实际问题的科学方法。在知行统一中提高学生利用马克思主义立场观点方法分析问题和解决问题的能力［3］。“物理化学实验”课程教学则基于理论学习基础，通过培养学生利用物理的方法定量地解释化学过程的规律，学生在头脑中具象的构建物理—化学现象及相关规律紧密关联的桥梁。通过系统性、层次化的实验训练，掌握物理化学实验的基本方法和技能，养成严谨科学的实验态度，培养学生进一步从事相关科学研究的能力。当前，“物理化学”课程主要面临的问题包括基础理论概念理解模糊不清，相关原理方法掌握困难，理论教学与实验教学脱节导致难以将理论与实践相结合等。由此，整体上探讨理论与实践一体融合的理论和实践问题显得尤其重要。从宏观层面建立教育教学目标及微观层面组织教学实施方案优化，利用理论与实践相结合的形式在宏观思考及细节学习两个方面同时推动学生学习，通过科学的思辨性学习及实践，培养学生正确的“三观”。

二、“物理化学”教育教学中宏观认知结构的构建

化学作为一门自然学科，既具有抽象的概念，又具有形象的实验。物理化学作为物理学和化学两大分支学科的结合产物，是研究从物质的物理现象和化学现象的联系入手探索化学变化根本规律的科学，其蕴含着普遍联系的唯物辩证法，其形成与发展也是唯物辩证法在自然科学领域的实践。基于此，物理化学所涉及的概念、定律、原理和公式等内容抽象且逻辑演绎性强，在其推导过程中往往基于实际过程的理想化，并使用理想化的方法通过对复杂问题进行必要的抽象化以适用于不同的条件与范围，从而建立相应的理论模型体系及实际应用模型。基于马克思主义哲学原理中的普遍性和特殊性以及主要矛盾和次要矛盾关系的原理，可知所学概念、理论往往都是从客观实际中概括和归纳出来的，学习时如果能时刻都联系客观现象进行思考、推理，运用所学理论解释客观现象，创造性地解决实际问题，那么就会对理论的实质产生更深一层的认识。人对事物的认知过程正如《认识论》中所指出的：“实践—认识—再实践—再认识”［4］。同时，教学过程中始终需要注意在变量发展过程中需注重引导学生关于量变和质变以及普遍性和特殊性的理解。例如，普遍性是事物发展的一般规律，对于任意变化过程，在其核心原理层面必然存在其普遍性，基于此可发展具有普适性的理论模型。但是，基于化学学习可知，特殊性也是普遍存在的，所以针对特定条件下的特殊性需关注理论模型的特殊形式。

模型法是一种常用的科学方法，理想模型巧妙地排除了错综复杂的次要矛盾的干扰，突出了事物的主要矛盾，揭示了事物的本质，因而建立最简单、最具代表意义的理想化科学模型。基于理想模型可研究变化过程的基本规律，再进一步找出理想与实际的偏差，然后针对此偏差做出适当的修正，从而对事物的认识前进一步，实际问题就可以逐渐解决。要求学生总结课程所用到的模型法，领悟其导出的思路。例如，理想气体模型——真实气体范德华模型，卡诺循环——热机与热泵，离子氛模型、科尔劳斯离子独立运动定律，经验方程塔菲尔方程与理论模型巴特勒-福尔摩方程，弗罗因德利希吸附经验式与朗缪尔单分子层吸附理论模型等。

基于以上思辨性学习，按其内在联系及发展逻辑将“物理化学”知识纲领化，即首先实现知识结构化。当“物理化学”教学实现以思辨性知识结构为单元进行传授或思考时，可促进学生对知识的理解、记忆，提高知识应用效率。同时，培养学生有意识地将所学知识与原有知识进行融合，从而建立新的认知结构，最终实现学生良好的学习习惯及思考能力的培养。

三、课程思政引入理论教学设计

“物理化学”课程的目标之一是将哲学思辨原理贯穿人才培养体系，把专业教育与思政教育紧密结合，寓辩证法导引于知识传授和能力培养之中，切实提高学生思想政治素养和专业学术水平［5-6］。化学是研究微观世界物质的运动规律，对于很多不能直接观察的过程，可通过想象和类比使抽象理论形象化。在“物理化学”教学过程中，要着重引导学生着眼于实际过程，演绎推导理想模型，继而反馈回到实际过程，践行“实践—认识—再实践”；同时系统分析教材中各知识点间的相互联系及其在知识结构中的位置，从逻辑层面引导学生构建各知识点的关系及演变过程，将各知识点结构化，构建“物理化学”知识结构，培养学生主动构建“物理化学”知识结构的学习习惯。

气体状态方程的导出思路：引导学生思考理想气体状态方程、真实气体状态方程（范德华方程）、对应态原理是如何建立的，使学生从实验测量设计、数据归纳和处理及归纳规律的过程中，理解科研人员是如何处理理想模型与实际气体之间的普遍性与特殊性联系以及合理地抓住主要矛盾，从而有效解决实际问题的。

热力学第一定律与状态函数：强调状态函数在热力学第一定律中的作用，可以通过状态函数间接解决研究过程的热效应及难以测量的反应，启发学生明确人生目标是可以设计不同途径去实现的，从而坚定理想信念。热力学第二定律的建立过程：由于早期发明的蒸汽机热机效率低下，人们逐渐意识到可能有一个本质的东西制约，卡诺理想化循环从根本上回答了热机效率低下的问题，并引致热力学第二定律的建立，革命导师恩格斯在他的著作《自然辩证法》中对卡诺做了高度评价。克劳修斯在热力学第二定律中提出的熵增加原理，为人类社会的可持续发展指明了方向；普利高津提出的耗散结构理论，通过耗散结构理论解释清朝闭关锁国导致灭亡的必然性和中国改革开放的必要性。

反应可行性的设计：耦合反应的概念是把不可能发生的反应过程通过对其反应本质的认识，建立起基于合理假设的可能发生反应，即来源于实际而又高于实际的抽象过程，突出研究对象的主要矛盾和主要特征，抓住事物及其变化规律的本质。

以上具体教学过程中还需注意引导学生在原有知识基础上学习时，通过由现象到本质、从一般到特殊以及由简单到复杂的思维锻炼，明确引导学生自我审视原有知识体系与所学新知识之间的异同及发展脉络，从而实现新知识体系的架构及主动构建新知识体系的能力。

化学也是一门实验科学，它的许多规律的发现、理论的形成都起源于实际的化学实验而非基于理想模型推测产生的。例如，化学反应动力学中所学习的化学反应速率，其影响因素有温度、浓度、压强、催化剂以及其他条件。以上因素的改变对反应速率的影响是通过化学实验得出的结论，即实验结果或客观事实，实践出真知。

四、课程思政引入实践教学设计

“物理化学实验”课程一般是验证型实验，综合了化学学科领域中各分支学科（无机化学、有机化学和分析化学）所需要的基本操作技能和基本研究方法，在基础化学实验教学中占有非常重要的地位。相较于其他分支实验课程，物理化学实验更侧重于使用物理的方法定量地衡量化学过程，展示其内在规律，架构物理现象和化学现象及规律的联系。在多层次、全面系统的实验训练中，尤其要注重培养学生通过实践联系及巩固“物理化学”理论课程中所学的基本理论和基本概念，通过“实践—认识—再实践”的过程掌握物理化学实验的基本方法和技能，以及深入理解理论课程学习内容。实验课程教学过程中通过严格的物理化学实验的基本实验方法和技术的学习要求，培养学生观察并正确记录实验现象和数据的意识，逐步养成实事求是的科学态度和一丝不苟的科学作风等良好习惯，培养学生进行科学研究的能力。同时，通过介绍相关实验领域当前科研前沿成果、发展方向及痛点，激发学生学习理论知识和勇于实践的兴趣［7-9］。

首先，“物理化学实验”课程教学是理论教学的延伸，实践过程所涉及的基本原理都来源于前期理论课程学习所建构的知识体系。基于此，有意识地引导学生从原始概念出发，对实验所涉及的各个环节进行详细的了解及解读，从实验过程、原则和方法等入手，全方位地解析相关“物理化学实验”课程的教学内容，深入理解所开设实验并通过观察、替代、比较、模拟以及控制变量等实验方法，为进一步具象化理解理论知识提供模型，在实际操作过程中完成理论知识的升华，使学生具有相对更扎实的理论基础。

其次，从实际教学现状入手，基于理论教学内容及知识点，关联设计实验教学安排，使得“物理化学实验”教学不仅可作为理论教学内容的补充或辅助，还可通过实践教学使学生意识到“物理化学实验”课程的重要性。在开展理论教学的同时逐渐引入实践教学内容，在一个知识点完成后立即进入实践教学，在实践教学中再深化理解理论教学内容，从而使得学生通过掌握“物理化学实验”的核心思维和科学办法的方式进一步深化理解理论教学内容。

最后，以兴趣为导向，通过实验帮助学生更好地理解掌握理论知识。在实验教学过程中，通过相关知识点发展历史过程及当前前沿研究热点等引出相应的实验原理，启发学生通过辩证思维和科学严谨的实验过程，思考理论学习和实际过程的关系；在实验进行中，要求学生认真观察实验现象，严格要求并准确完整地记录原始数据。同时，可以通过新奇有趣的实验演示，激发学生的实验兴趣；进一步引导学生学习透过现象看本质，实现实验现象和理论知识的相互印证，即不仅要知其然更要知其所以然；还可鼓励学生在前人的基础上勇于创新，探索新观点、发现新内容。除此之外，物理化学作为一门学科更是科学，可通过引导学生采用新的实验方法，在确保实验科学性的同时保证实验的可操作性和安全性。

五、理论教学与实践教学融合设计

在实际教学过程中，通常存在理论课程与实验课程内容不匹配，或课程开设的时间导致的教学进度不统一的情况，从而导致在课程进行过程中实验内容与理论课程内容无法相互印证，即理论课程内容无法通过实验课程体现，而实验课程又无法得到有效的理论知识支持，从而使得理论课程对于实验课程的指导作用以及实验课程对于理论课程的促进作用无法体现。为防止理论教学与实践教学相脱节，具体实施方法如下：（1）根据实际教学内容要求设计合理的教学安排，实现理论课程与实验课程内容的匹配。物理化学作为理论性极强的知识体系，须在理论教学环节注重知识的体系化及模块化，并建立不同模块间的联系。同时，基于理论知识体系的建立，根据实际情况设计并整合经典实验，开发可操作性更强的探究性实验，使其既要适合现有的教学平台，又要适应理论课的教学内容，激发学生学习兴趣。（2）合理安排理论教学及实验教学进度。“物理化学”课程理论教学应先于实践教学，在开展理论教学的同时适当引入实践教学内容，继而在实践学习过程中亲自验证理论原理，深化理解理论教学内容。通过理论课程与实验课程的合理配合，帮助学生更好地理解和掌握抽象、枯燥的理论知识。