无机化学思政教学案例设计

2023-06-14宁静宋祖伟梁爱琴惠妮钱备郝龙

高教学刊 2023年15期

宁静宋祖伟梁爱琴惠妮钱备郝龙

摘要：在“三全育人”的教育背景下，课程思政与无机化学基础课程的融合对于大一新生的价值观和学习态度的引导有很重要的意义。该文以化学热力学中的重要知识点“反应自发性的判断”为例，通过类比的方法，进行系列思政教学设计，将生活中常见例子——“学习过程”引入课程内容，引导学生更好地理解知识点，同时进行德育思考，从而升华课程质量，为注重逻辑思维的理科课程的思政教学设计提供一个新思路。

关键词：思政教学设计;无机化学;反应自发性;类比;教学案例

中图分类号：G641 文献标志码：A 文章编号：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

课程思政是以构建“三全育人”格局的形式将各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把“立德树人”作为教育的根本任务的一种综合教育理念。在新的教育形势和国家对人才培养的需求下，做好课程思政教学内容的设计，是高校教育工作者面临的新挑战，同时也是教育质量全面提升的新机遇。

一大学无机化学课程思政教学的研究背景

对于大学化學等理科特征较强的课程，进行思政教学设计的教学研究尤为重要。无机化学或类似课程是大学理工科教育的专业基础课，涉及学生面广，也是大一学生刚入学接触到的课程，思政内容的融入，对于帮助学生树立正确的价值观和学习态度意义重大[1-2]。目前，各高校针对此类课程的思政研究也逐渐开展;然而，对于以逻辑思维训练为主的理科学科，融入思政元素，往往不容易起到协同效应，即课程知识与思政元素之间的关联往往不具有很强的交互性[3]。当前，针对无机化学课程思政设计思路主要集中于以下几个方面：①结合老一辈化学家和著名化学从业者的事迹，激发学生的爱国情怀和学习热情;②引入与当前时事相关的新的化学研究成果，引导学生进行珍爱生命、保护环境、珍惜资源等方面的思考;③传统文化的植入，弘扬传统文化的同时寓教于乐;④哲学思想和规律的渗透，启发学生的思维等[4-9]。上述思政元素起到了激发民族自豪感和社会责任感等的积极作用，对于知识点的趣味性和丰富度也有不同程度的提升，已经为思政元素与课程的结合作了良好的铺垫。然而，结合点多数落在人文社科类素材，与理科课程知识点的逻辑性有明显不同角度。在课程的教学设计上，能否更有效地利用理科逻辑关系较强的特点，使得思政元素更好地服务于教学活动，仍然是值得广大高等化学教育者思考的问题。

类比思维是理科学习的一种重要方法，不仅有助于理解新的概念，同时也可以启发学生发散思维、自主探究的能力，是在理科教学中常用的方法[10]。如果将围绕一个知识点的相关概念和原理与同一个生活案例不同角度进行类比，形成系列映射关系，一方面可以加深学生对这一系列新知识点的学习掌握，另一方面也可利用科学原理与生活中道理的相通性，启发学生进行思政思考，在这种思维的反馈过程中起到思政设计的协同效果。

化学热力学是高校无机化学教学中的重点及难点章节，其中涉及到多个新的热力学函数及化学符号的使用，对大一新生来说通常不容易掌握。本文主要采用类比教学，深度挖掘化学热力学与大学“学习过程”的联系，以化学热力学中“反应自发性的判断”这一知识点为示例进行了系列思政教学设计，帮助学生理解掌握知识的同时，实现潜移默化的思政教育，为基础理科课程提供了一种思政设计的新思路。

二基于类比思维的思政教学案例

（一）思政教学设计思路

在讲授无机化学课程时发现：同一个知识点的相关联的内容，由于讲授顺序和教材排版的原因，学生很难形成知识点的连贯性，以化学热力学“反应自发性的判断”这一知识点为例，进行深度剖析如下。

对于自发反应的判断，主要依据“热力学第二定律”，该定律在不同的条件下有2种常用表述方式，分别涉及2个重要的状态函数熵S和吉布斯函数（吉布斯自由能）G。在表述上，一种是针对孤立体系的熵增加原理;另一种是针对定温定压下的封闭体系的自由能减少原理。由于化学反应常用封闭体系，因此常通过吉布斯自由能变化（即ΔG）的符号来判断相应体系的自发性。

为了让学生更好地理解这2个热力学函数的物理意义，掌握其与反应自发性的关系，在课程设计中采用了类比的方法，将“学习”这一例子与自发性的判断自然地联系起来。将“学习”的特点、目的与反应自发性的判据进行类比，通过对更通俗易懂的学习过程自发性的判断，深化对热力学中反应自发性的理解，同时引导学生对自己的学习态度和学习目的进行反思，达到思政引领的效果（图1）。

（二）思政教学设计实例及实践

课程的引入：由“什么是自发反应”开始。通过水流从高处流下等生活中常见的自发过程为例，讲解自发反应的主要特点——方向性、有限度、可做功，并为后续利用这些特点展开类比做铺垫。

课堂教学主体内容围绕“反应自发性的判断”引出互相关联的具体知识点案例，通过与“学习”类比，联系2个自发性判据，并最终将热力学与化学平衡的知识点串联起来。

1案例1——“熵”的教学设计

首先，从已经学过的能量（焓变ΔH）角度，根据常见热力学反应实例，得知放热只是自发反应进行的趋势之一，并不是唯一影响因素。进而由“固体生成气体的吸热反应为自发反应”切入，引入“混乱度”这一影响因素，展开熵相关内容的讲解。讲授熵的概念，即熵是反映体系质点运动混乱度的物理量，而混乱度一方面与体系本身中粒子结构的复杂性有关，结构越复杂，微观状态数越多，混乱度越大;另一方面与体系的温度有关，温度越高，质点运动越快，混乱度越大。

其次，联系自发性的判断，引入热力学第二定律的熵判据，即孤立系统的反应自发地向着熵增大的方向进行，引导学生思考“为什么应用条件为‘孤立体系”。结论是，对于孤立体系由于无能量交换，可以排除焓变的影响。

最后，引入“学习”这一具体生活案例进行类比，请同学们思考“学习过程是否为自发过程”，并提示学生考虑学习过程中熵的变化。在教学实践过程中，多数学生的第一反应是学习是熵增加的过程，认为学到的知识增加了;教师可借机引导学生思考熵判据的应用体系（即孤立体系），也就是当学习者与知识存在于同一个孤立体系中，则不存在知识的增加。而从信息的角度，学习是一个将零散的知识点进行整合并系统化的过程，形成系统的知识体系，因此是混乱度或熵减小的过程，即ΔS<0。与此同时，借助这个类比，帮助学生深入理解和推广“混乱度”和“规整性”的含义，最终得出“学习不是自发过程”的结论。另一方面，引导学生反向思考，学习的逆过程（即忘记知识）则应为自发过程，即“逆水行舟，不进则退”，教育学生学习需要不断加入外力，持之以恒。基于学习过程的这一特点，课下向学生推送艾宾浩斯遗忘曲线，引导学生按时复习，推动学习过程的进行。至此，熵的教学设计、思政引申和教学实践得以完成（图2）。

2案例2——吉布斯自由能判据的教学设计

焓变ΔH、熵变ΔS、温度T都是影响反应自发性的因素，能否找到一个涵盖上述3个因素的综合性的自发性判据呢？由此自然引入吉布斯函数的讲解。

第一步，讲解吉布斯函数的定义式G=H-TS，其是一个综合了焓H、熵S和温度T的状态函数。对应定义式，深入阐述吉布斯函数（吉布斯自由能）的物理意义。所谓自由能，是指体系的总能量中除去维持体系在一定温度下的熵值的能量之外剩余的能量。因此，如果体系可以对外做有用功，则有用功的最大值就是这部分吉布斯自由能的降低值（-ΔG≥-Wmax'）。

第二步，针对自发性的判断，引入热力学第二定律的自由能判据，即定温定压下封闭系统的反应方向，自发地向着吉布斯自由能减小的方向进行。通过熵增加原理、焓变和吉布斯自由能变的相关等式推导得到自由能判据的适用条件，即定温定压、不做有用功的封闭体系。

第三步，繼续引入“学习”这个例子，联系到学习的目的，是为了对社会作更大的贡献，可类比自由能定义中的做有用功的能力。如此看来，学习实际上是一个积累“自由能”的过程，即ΔG>0，为不自发的过程，与熵判据得到的结论一致。其次，从自由能的定义式G=H-TS出发，引导学生思考我们的总能力（对应公式中的“H”），一方面用于维持自身的生存（对应公式中的“TS”），也就是“独善其身”的能力;剩下的“自由”的自由能G的部分则是可对外放出的“兼济天下”的能力，而这也是我们学习的根本目的。至此，吉布斯函数的教学设计、思政引申和教学实践得以实现（图3）。

3 案例3——对于热力学自发性与平衡问题的引申思考

在授课过程中，有学生自然提出或由教师引导学生思考这样的问题：正常情况下，人的学习不应该是一个自发进行的过程吗？从幼时起，人的很多学习行为都是在内驱力的作用下自发进行的，为什么到了大学的课堂反而不是自发的了呢？解释这个问题还是回到自发性判断的适用条件，即孤立体系或一定条件下的封闭体系才适用。而人类幼时的各种自发性学习行为的前提，是有着一个开放丰富的环境（即敞开体系）。我们可以接触到足够的学习资源，就像是一个化学反应体系只存在反应物而没有生成物一样，此时正向自发的动力才是无限的。如果在课堂中只是封闭自己做与学习无关的事情，自然不可能自发地完成学业，这就说明学习态度的至关重要性，需要主动创建更开放的学习体系，不断引入学习资源，使得学习过程的平衡不断地正向进行。随即引申思考，可以引导学生将反应的自发方向看成是平衡移动的方向，从而将热力学与化学平衡联系在一起，深化对知识点的串联和理解（图4）。

4 知识点小结

最后进行知识点小结，更直观地将热力学第二定律的2种表述进行融会贯通。经过这个类比过程，一方面更好地帮助学生理解热力学中2个反应自发性的判据及其关联性，也引申到化学平衡的知识点，将其有机串联起来。另一方面自然地融合思政元素，教育学生体会到课堂学习并不是一个自发过程，需要借助自身的努力、开放积极的态度才可以完成，并且要向着为社会做更多的有用功的目标去前进。最后深化课程主题“愿社会的熵值更小，个人的自由能更大”。

（三）教学评价与反馈

课后问卷反馈表明，同学们对生活案例类比的思政教学方式接受度较高（图5）。114名问卷参与者中，约98%的学生认为增添了课堂趣味性，约80%的学生表示感受到了生活道理与科学原理的统一性，起到了思政融入的效果，超过95%的学生认为起到了较好的教学效果，较好地实现了课程思政设计的教学目标。

三结束语

目前課程思政教学的实施过程还存在着一定程度的着重形式、生搬硬套等问题，在一定程度上影响了学生对于思政教育参与的积极性;同时，关联度不高的思政元素设计，还会对学生学习思路的连贯性起到一定的反作用。

从课程设计的角度，本文所述类比思维的运用是一个相对有效的课程设计思路，首先保证了知识内容与思政延伸内容的逻辑一致性，同时通过类比深化概念、引申思维，最终反馈回到知识本身，完成一个知识深化的闭环，较好地实现课程思政教学的设计目的。

作为高校教师一定要在教学过程中合理应用思政元素，通过巧妙的课程设计，加强教学理念的创新，切实体现出思政与教学的协同作用，实现“立德树人”的长远目标。

参考文献：

[1] 胡芳东，夏其英，李琳，等.践行立德树人聚焦课程思政——以无机化学为例[J].化学教育（中英文），2021，42（16）：43-48.

[2] 宋学志，李艳强.大一新生无机化学课程思政的探索与实践[J].化学教育（中英文），2021，42（14）：32-36.

[3] 白新伟，胡珠楠，彭志江，等.地方特色思政元素双向挖掘与实施——以“无机化学”课程为例[J].化学教育（中英文），2021，42（22）：23-28.

[4] 邱志惠，高存继，梁宇宁，等.“无机化学”课程思政教学改革的思考与实践[J].科教导刊，2021（2）：128-130.

[5] 尹国杰，王莉，杨双花，等.“德融课堂、盐溶于汤”潜移默化植入思政基因——以《无机化学》课程为例[J].大众科技，2020，22（12）：101-103，108.