以“法拉第定律”为例的物理化学课程教学中课程思政

2023-11-29蒋漫文苏振江唐娴敏

广州化工 2023年13期

肖利，蒋漫文，苏振江，唐娴敏

(湖南工业大学材料与先进制造学院，湖南株洲 412007)

2014年上海最早提出“课程思政”概念，上海大学“大国方略”通选课，“中国系列”课程是整个高校思想政治教育体系中重要的创造性环节，探索在综合素养课和专业课程中融入思政元素，把做人做事的基本道理、把社会主义核心价值观的要求、把实现民族复兴的理想和责任融入各类课程教学之中，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。2016年12月，全国高校思想政治工作会议，习近平主席强调：培养什么人，是教育的首要问题，要深化教育体制改革，健全立德树人落实机制，思想政治工作是学校各项工作的生命线，要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课程要坚持在改进中加强，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思政理论课同向同行，形成协同效应[1]。2017年8月，教育部长陈宝生在《光明日报》撰文指出，把立德树人、规范管理的严格要求和春风化雨、润物无声的灵活方式结合起来，把解决师生的思想问题和教学科研、学习就业等实际问题结合起来，使高校始终充满积极向上的正能量[2]。2021年11月，教育部长怀进鹏在《学习时报》撰文指出，完善思想政治工作顶层设计，统筹思政课一体化建设，在全国所有高校、所有专业推进课程思政建设[3]。2020年5月印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》中指出，要科学设计课程思政教学体系，对于专业教育课程，要根据不同学科专业的特色和优势，深入研究不同专业的育人目标，深度挖掘提炼专业知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，科学合理拓展专业课程的广度、深度和温度，从课程所涉专业、行业、国家、国际、文化、历史等角度，增加课程的知识性、人文性，提升引领性、时代性和开放性[4]。因此，课程思政的目的是全面高质量的育人，是对单一知识技能教育的纠偏，是建设有“灵魂”课程，是在知识传播中实现价值引领，将知识转化或延伸为德行，再上升为自己的价值要求，最后成为认识和改造世界的能力和方法。

《物理化学》是研究物理性质与化学反应相互影响规律的一门学科，也是其他化学分支学科的理论基础，因此，各高等院校的化学、化工、材料、生物、制药、食品、环境等诸多工科专业都把《物理化学》作为专业必修的主干课程和基础课程[5-7]。《物理化学》在大学课程体系中占据着非常重要的地位。因此，针对《物理化学》课程思政的教学改革进行探讨和研究，引导学生树立正确的价值观念，以期达到良好的教学效果，从而实现党中央提出“三全育人”的教育要求和“立德树人”的教育目标。国内学者孟志新等[8]研究了《物理化学》课程思政的融入点，探讨了在讲解理论知识时融入爱国热情和社会责任感；王旭珍等[9]研究了化工专业的《物理化学》课程思政案例；毛双[10]研究了《物理化学》中水的相图教学中引入课程思政案例。《物理化学》课程教学中蕴含了大量的课程思政元素，但是提炼的却很少。因此，以课堂教学为主渠道、《物理化学》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。

《物理化学》是很多工科专业核心课程，《自然科学学科发展战略调研报告(物理化学)》指出，“凡具有较好物理化学素养的大学本科毕业生，均能较快适应工作的变动，开辟新的研究阵地，从而有可能站在国际科技发展的前沿”[11]。目前的《物理化学》教学中存在许多问题，一方面《物理化学》涉及的理论知识比较枯燥难懂，学生经常困惑这些复杂难懂的理论究竟解决了哪些关键性的行业发展的瓶颈问题；另一方面，长期以来，《物理化学》教学要求注重基础理论知识传播，课堂氛围沉闷，学生难以将理论知识与行业的进步、国家的发展密切联系起来。因此，针对《物理化学》课程思政的教学改革研究，在课堂上隐形地传播《物理化学》理论知识与行业的进步、国家的发展之间的关联，引导学生树立正确的价值观念，从而实现党中央提出“三全育人”的教育要求和“立德树人”的教育任务，变成新时代中国高校课程教学改革面临的重要任务之一。本文以《物理化学》电化学部分的“法拉第定律”为例，深度挖掘课程思政元素，研讨在教学中开展课程思政。

1 课程分析

“法拉第定律”是电化学这章的第一节，电化学章节包括了法拉第定律、离子的电迁移和迁移数、电解质溶液的电导率、强电解质的活度、原电池、电池电动势测定及应用等教学内容。在本节之前，学生们已经在《无机化学》课程中学习了氧化还原反应，了解了一些电化学知识，这是“法拉第定律”学习的基础。这一节之后，将进行离子迁移率的学习，需要学生具备运用“法拉第定律”的基本能力。因此，“法拉第定律”教学有承上启下的作用。结合高等学校材料类专业物理化学相关教学内容与教学要求的建议[5]，通过本课堂的学习，学生应该掌握“法拉第定律”的应用。

2 教学流程

课堂教学以“导入-讲授-法拉第定律的应用与实例分析-文献学习和拓展”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：

2.1 导入

电化学理论在国民经济中占有重要地位，电化学是研究化学现象与电现象之间的相互关系以及化学能与电能相互转化规律的学科。将化学能转化为电能的装置称为原电池，将电能转化为化学能的装置称为电解池。原电池和电解池都由两个半电池(由金属或其他导体与相应电解质组合而成或称为电极)组成，半电池里发生反应时，电荷与物质之间的计量关系就是用“法拉第定律”来确定。

2.2 讲授

先讲述法拉第(Faraday)定律的文字表述，然后引出法拉第定律的数学式，最后分析法拉第定律的意义。

(1)法拉第定律的文字表述[12]

在电解过程中，电极上发生反应的物质的量与通过电解池中的电量成正比，与该物质在电极反应中得失电子的数目成反比。

从法拉第定律的文字表述可知，通电于电解质溶液，在电极界面上发生化学变化的物质的质量与通入的电量成正比；如果通电于若干个电池串联的线路中，当所取的基本粒子的荷电数相同时，在各个电极上发生反应的物质，其物质的量相同。

(2)法拉第定律的数学式

根据电极反应式的反应进度，必须通入的电量为：

Q=zeLξ=zFξ

式中：F为Faraday常数，其值等于1 mol元电荷的电量。

F=L·e

=6.022×1023mol-1×1.602 2×10-19C

=96 484.6 C·mol-1≈96 500 C·mol-1

如果在电解池的阴极上发生反应：

当反应进度为1 mol 时，需通入的电量为：

Q=zFξ=z+F×1 mol=z+×96 500 C

(3)法拉第定律的意义

该定律是电化学上最早的定量的基本定律，揭示了通入的电量与析出物质数量之间的定量关系；该定律在任何温度、任何压力下均可以使用，也没有其他使用限制条件。

2.3 法拉第定律的应用与实例分析

运用法拉第定律计算常见锂离子电池正极材料尖晶石型LiCoO2，尖晶石型LiMn2O4及橄榄石型LiFePO4在电极反应中理论容量。

(1)锂离子电池正极材料尖晶石型LiCoO2在充放电过程中发生如下反应：

假定充放电过程中，Li+完全迁移，理论上x=1，Qm=z+F=1×96 500=96 500 C，1 mA·h=3.6 A·s=3.6 C

所以，尖晶石型LiCoO2的理论容量为274 m·A·h·g-1。

(2)锂离子电池正极材料尖晶石型LiMn2O4在充放电过程中发生如下反应：

假定充放电过程中，Li+完全迁移，理论上x=1，Qm=96 500 C。

所以，尖晶石型LiMn2O4的理论容量为148 m·A·h·g-1。

(3)锂离子电池正极材料橄榄石型LiFePO4在充放电过程中发生如下反应：

假定充放电过程中，Li+完全迁移，理论上x=1，Qm= 96 500 C。

所以，橄榄石型LiFePO4的理论容量为170 m·A·h·g-1。

从以上计算可知，理论容量最高的是钴酸锂正极材料，钴酸锂比锰酸锂和磷酸铁锂都贵，大部分时候是用于手机、笔记本电脑和相机的电池，比较便宜又稳定的磷酸铁锂用在新能源汽车比较多，而锰酸锂电池因为没有容量优势，尽管很稳定，使用量不多。

(4)文献学习和拓展

先播放视频介绍97岁的“锂电池之父”约翰·古迪纳夫(John B. Goodenough)获得2019年诺贝尔化学奖，他是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人，锂离子电池的奠基人之一。约翰·古迪纳夫21岁在耶鲁大学获得数学系学士学位，30岁在芝加哥大学获得物理学博士学位，然后在林肯实验室进行材料物理研究。1976年，54岁的约翰·古迪纳夫进入牛津大学任教授并作为无机化学研究负责人，64岁他开始在德州大学奥斯丁分校担任教授，从事能源材料的研究。

1976年，锂电池问世，但是锂电池在使用过程中，锂金属表面会逐渐析出锂结晶，造成电池内部短路，引起电池自燃。这个问题引起了约翰·古迪纳夫的思考，他根据自己的理论推测氧化物电极或将克服这个问题。1980年，约翰·古迪纳夫和他的团队发现了尖晶石型钴酸锂材料比金属锂更温和，使锂枝晶问题得到改善，且电池容量更高[13]。1982年他发现一款更为温和便宜的材料，锰酸锂；1991年，约翰·古迪纳夫实验室与索尼公司合作，利用负极材料石墨与钴酸锂相结合，研究成了可充电锂电池，这一成果直接改变了电子产业的格局，可充电锂电池广泛应用于相机、随身听、笔记本电脑、手机等；1997年，他的团队发现了又一种适合商业化的锂离子正极材料，磷酸铁锂[14]。电动汽车用电池中，随着2020年1月比亚迪推出“刀片电池”，低成本的磷酸铁锂电池在市场份额中增加至50%左右，更高体积能量密度、更长使用寿命、不会自燃和爆炸的新能源汽车将改变全球汽车工业的格局。

比亚迪，这个专注于技术创新的企业，是中南大学冶金物理化学专业毕业的王传福于1995年创立，它很快就取代了当时日本电池企业的垄断地位，成为一流的电池生产企业。创始人王传福上项目有他的独特之处，与国内很多企业盲目花大价钱引进国际领先水平的生产线相比，王传福从头到尾都是自主开发研制产品，且产品质量达到和领先国际同行，实现多领域的国产替代。王传福认为，年轻的中国工程师可能胜过资深的欧美技术专家，他认为什么都可以自己造，而且造的比高价买的更好用[15]。改革开放早期，中国制造企业大部分处于全球产业链下游，只是获得一些利润微薄的初级产品订单，王传福改变了中国企业家的创业思路，这位“技术派”领军人物，以拆解跨国公司的技术壁垒为己任，狂热追求技术创新，并组织了一支真正能征惯战的本土化的技术研发和制造队伍，在国际领先的技术上做出来卓越的成就。

3 挖掘思政元素，培养学生的终身学习的精神和家国情怀

文献阅读部分让学生掌握了用法拉第定律分析科学家约翰·古迪纳夫发现的三种锂离子电池正极材料LiCoO2，LiMn2O4及LiFePO4在电极反应中理论容量与实际应用之间的联系。通过了解科学家约翰·古迪纳夫的生平和科学精神，鼓励学生在求学和科研探索的道路上，要持续、专注、要跟踪行业发展的热点问题，然后用自己累积的理论和实践优势，分析问题的关键点，找出可能的解决方案。纵观约翰·古迪纳夫的生平，什么时候努力都不晚，什么专业限制都不要管，只要找到热点问题，去解决问题，一直努力，一定会有成功的那一天。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”。

企业家王传福的创业经历和创新精神，可以帮助同学们对中国制造业发展提振信心，这有利于引导学生感知企业家的爱国情怀、追求卓越的精神，在经营企业中追求事业理想，学习企业家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”。借助物理化学课程思政，激励学生坚定“四个自信”[16]，厚植家国情怀尤其重要，如果在专业基础课程中植入具有很强的针对性、亲和力、感染力的课程思政案例，可满足学生对个人发展的需求和期待，将蕴含在案例中的思想价值潜移默化地传递给学生，使思政教育既能“触及灵魂”，又能“润物无声”，让学生听得进、记得牢。