物理化学课程思政案例

摘 要：以习近平主席在第七十五届联合国大会上提出的“碳达峰碳中和”目标为载体，切入“碳达峰碳中和”与电化学的关联点，实现思政元素与专业知识的自然融合。结合电催化还原CO2的科研前沿，引导学生分析电化学还原CO2的原理、特征、反应效率及面临的挑战；从课程内容的拓展及与思政元素的融合等方面阐述融合教育的实施方案。以团队合作学习的方式及通过课后阅读文献、写报告、课堂展示的形式对文献报道体系的产物选择性、催化剂稳定性、法拉第效率等进行评价，并对其挑战性问题进行思考，完善学生的知识体系，实现对教材内容的拓展和深化，达到课程内容与前沿研究、工业应用相结合的培养目标，培养学生的社会责任感和时代使命感，从而实现价值引领。

关键词：碳达峰碳中和；课程思政；物理化学；电催化还原CO2；融合教育；反应效率评价；实施方案

中图分类号：G641 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）26-0048-05

Abstract： Taking the goal of "carbon peak and carbon neutralization" proposed by President Xi Jinping at the 75th United Nations General Assemblyas a carrier， we capture the connection between "carbon peak and carbon neutralization" and electrochemistry to realize the integration of course content and ideological and political elements. Combined with the latest scientific research on electrocatalytic reduction of CO2， students are guided to analyze the principle， characteristics， reaction efficiency and challenges of electrochemical reduction of CO2. The integrated education is elaborated from the expansion of course content and the integration with ideological and political elements. Students will learn to evaluate the product selectivity， catalyst stability， and Faraday efficiency of the reported systems after reading literatures， writing reports， and presentation in the form of teamwork. Thereafter the course content will be expanded， and the knowledge structure of students will be improved. Ultimately， the combination of course content with scientific research and industrial application will be achieved.

Keywords： carbon peak and carbon neutrality; curriculum ideology and politics; physical chemistry; electrocatalytic reduction of CO2; integrated education; reaction efficiency evaluation; implementation plan

高校立身之本在于立德树人。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[1]。作为研究电能与化学能之间的相互转换及转换过程中相关规律的一门学科，电化学是物理化学课程的重要组成部分[2]。近几十年来，电化学在环境保护、新能源、新材料、信息技术和生物医学等领域的应用不断拓展和深入，仅依赖传统教材内容的照本宣科很难让学生跟上电化学蓬勃发展的需求。与此同时，电化学蕴含丰富的思政元素，通过加强对思政元素的挖掘力度，以及加强思政元素、前沿研究与教学内容的融合程度，可以提高学生的创新意识和社会责任感，从而实现价值引领的培养总目标[3-6]。浙江理工大学物理化学的授课对象遍及浙江理工大学纺织科学与工程学院、材料科学与工程学院、化学与化工学院、生命科学与医药学院，以及浙江理工大学启新学院共四个二级学院和一个独立学院的六大专业。在学习物理化学课程之前，学生已经学习了分析化学和仪器分析，这两门课程都包含电化学的部分基础知识点，因此，与这些基础知识点相关的章节，教师不需要重复讲解。教师在回顾这部分知识点的基础上，可以将电化学知识的实际应用、最新科研进展、新思想传授给学生，拓展学生的知识体系，也不会挤占其他章节的教学时间。本文以习近平主席在第七十五届联合国大会上提出的“碳达峰碳中和”目标为载体，切入“碳达峰碳中和”与电化学的关联点，结合电催化还原CO2的科研前沿，引导学生分析电化学还原CO2的原理、特征、反应效率及面临的挑战，对教学内容进行拓展和深化。学生通过团队合作方式阅读教师指定的文献和自己查阅的文献，撰写报告和课堂展示，达到课程内容与前沿研究、工业应用相结合的培养目标，培养学生的社会责任感和时代使命感。

一 挖掘电化学蕴含的思政元素——“碳达峰碳中和”

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会上明确提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。随着人口增长和工业化进程的发展，化石燃料的消耗急剧增加，CO2过度排放，从而导致全球变暖，加剧气候不稳定性，干旱、台风、高温热浪、寒潮和沙尘暴等极端天气频繁发生，对人类生活和生产的破环强度日益增大。我国主动提出“碳达峰碳中和”目标，是促进我国能源及相关产业升级，实现国家经济长期健康可持续发展的必然选择。CO2减排主要有三种技术可供选择：①开发清洁能源、可再生能源和新能源取代化石能源；②通过减少能耗削减CO2排放；③CO2捕获储存和CO2转化利用。CO2的转化利用可以从根本上减缓CO2排放和减少化石燃料用量，该课题的研究意义重大，是科学界和工业界的研究热点[7]。

由于CO2分子中特殊的三中心四电子的离域？仔键作用，导致碳氧键的键长短（1.16 ？魡），键能高（799 kJ·mol-1），因此，CO2分子非常稳定，通常只有借助催化剂，且在高温高压等复杂条件下才能将其转化为其他碳类化合物。例如传统热催化转化通常需要200～500 ℃高温和几兆帕高压。光催化可在常温常压下将CO2转化为高附加值产品，但光催化的转化率与量子产率太低，很难达到工业应用的水平。近十几年的研究表明，电化学还原法可以在温和反应条件下将CO2转化成合成气、甲酸、烃类及醇类等工业所需的燃料和高附加值化学品，对实现“碳达峰碳中和”目标具有重要意义，已成为学术界和工业界共同关注的热点[8-12]。反应所需的电能可从太阳能、风能、潮汐能等可再生能源获取，因此电化学还原CO2是绿色环保的可持续发展技术，图1为电催化还原CO2的简单流程图。我们将从以下几方面开展思政元素与教学内容的融合教育。

（一） 电化学还原CO2的原理

电化学还原CO2反应就是利用电能在电解池的阴极上还原CO2，而H2O在阳极上被氧化成O2的过程。电解槽一般由工作电极、对电极及参比电极的三电极体系构成；阴、阳电极室通过质子交换膜分离，避免CO2的还原产物被氧化，如图2所示。电解质通常是一些廉价的无机盐水溶液，如NaHCO3、Na2SO4等。上述知识点都是电化学的核心教学内容。

（二） 电催化还原CO2反应的特征

1）反应在常温常压、水溶液中进行，整个还原过程几乎无废水产生，符合环保要求。

2）还原过程所需的电能可从绿色可再生能源中获取。

3）可根据产物的还原电势调控还原产物。

由表1可知，在电化学还原过程中，CO2得到2e-、4e-、6e-、8e-或12e-，分别生成合成气、甲酸、烃类及醇类等多种燃料和化学品[9]。结合能斯特方程，引导学生基于产物的还原电势，分析通过选择合适催化剂调控还原产物的可能性。

（三） 电催化还原CO2的反应效率评价

通过查阅我国科学家近年来在电催化还原CO2制备甲酸盐、乙烯、乙醇和合成气等领域的开创性工作[13-14]，按以下指标评价反应效率，实现对教材内容的拓展和深化，达到课程内容与前沿研究、实际应用相结合的培养目标。

1）产物选择性。

2）法拉第效率。

3）起始电位和电流密度。

4）催化剂稳定性。

（四） 电催化还原CO2技术存在的问题

1）由于反应在水中进行，CO2气体在水中的低溶解度限制了还原反应的速率，法拉第效率偏低。

2）存在与还原CO2竞争的析氢副反应。

3）反应需要较高的超电势，因此能量利用率不高。

4）产物大多为多种气体与液体的混合物，产物分离的成本较高。

5）反应的关键中间体及生成机理仍需要不断探索，技术上面临很大挑战。

6）最大挑战是电催化剂的低活性和较差的稳定性。

所以，电催化还原CO2技术面临很大挑战，离实际应用还有一定距离，鼓励学生好好学习，共同努力。也为本课程后续的化学动力学教学内容提前留置了思考，增强学生学习新知识的主动性和积极性。

二 融合教育的实施方案

如图3所示，我们通过课程导言引入中国“碳达峰碳中和”目标，基于知识体系的构建和拓展，实现课程内容与思政元素的自然融合。由于在物理化学课程之前已经开设了分析化学和仪器分析，学生在这两门课程中已经学习了原电池和电解池装置、Faraday定律、电极，以及利用能斯特方程计算电极电势和电池电动势。因此，与上述基础知识点相关的章节，教师不需要重复讲解，可以将与之相关的前沿科研成就和新思想传达给学生，拓展学生的知识体系，这样便不会挤占其他章节的教学时间。当然总学时数有限，电催化还原CO2反应的拓展知识点无法一一在课堂上详细讲解，因此，教师应提前将国内外部分科学家在电催化还原CO2制备甲酸盐、乙烯、乙醇和合成气等最新突破性工作的文献上传至学习群。为了节约时间和提高学习效率，学生以团队合作学习的方式，通过阅读文献、写报告、课堂展示的形式对文献报道体系的产物选择性、催化剂稳定性、法拉第效率等进行评价，并对文献中的挑战性问题进行思考，实现对教材内容的拓展和深化，达到理论知识与科学前沿、实际应用相结合的培养目标，具体实施方案如图4所示。

我们首先在2020级应用化学专业试行课程内容与思政元素融合教育的教学方案，为了提高效率和培养团队合作精神，将总人数为72人的学生分成4个小组。选取4个主题：①CO2过度排放的后果，电催化还原CO2的原理和反应特征；②电催化还原CO2产物的还原电位与产物选择性；③电催化还原CO2生成工业所需的不同化学品的反应机理；④电催化还原CO2的常用催化剂的稳定性比较。通过抽签确定每个小组的报告主题，学生通过阅读教师指定的文献和自己查阅的文献，撰写报告，每个小组指派一位组员以PPT形式在课堂进行5分钟的简单展示（图5）。

三 课程内容与思政元素融合教育的效果评价

我们在课程结束后发放了思政元素融入电化学课程教学的效果评价问卷72份，共回收72份有效问卷，回收率100%。98.6%的同学认为电化学课程恰当融入了思政元素；有88.9%的同学接受课程思政教育方式及内容；所有同学认为有助于理解“碳达峰碳中和”的国家战略意义。90.0%的同学认为讨论课有助于了解电化学领域的研究热点和最新科研成果，理解专业知识和实际应用的距离。88.0%的同学认为利用学校图书馆的中英文数据库查阅文献、分析问题，撰写文献调研报告有利于后续专业课学习和毕业论文。除了电催化还原CO2方法，通过文献查阅，同学们发现还有更多技术有助于实现“碳达峰碳中和”，例如金属-CO2电池技术、微生物电化学方法、CO2加氢制汽油技术、CO2人工合成淀粉技术，以及CO2捕集与封存技术。大多数同学表示课程内容与思政元素的融合教育激发了科技报国的使命感（75.0%），培养了科学思维方法（82.3%），树立了学好专业知识解决国民经济发展中的瓶颈问题和“卡脖子”问题的信心（80.9%），具体见表2。

四 结束语

以习近平主席在第七十五届联合国大会上提出的“碳达峰碳中和”为载体，结合国内外科学家在电催化还原CO2领域的前沿科研成就，找准“碳达峰碳中和”与电化学知识的映射点，通过课程内容与思政元素的自然融合将前沿科学的最新进展和新思想传达给学生，拓展学生的知识体系，让学生意识到物理化学知识对科技进步和社会可持续发展的重要性，同时培养学生敏锐的科学思维方法和勇攀科学高峰的科学精神，激发学生科技报国的使命担当。

参考文献：

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基金项目：浙江省第一批省级课程思政教学研究项目“思政元素融入《物理化学》课程教学的研究”（浙教函〔2021〕47号）；浙江理工大学一流课程建设项目“物理化学”（浙理工教〔2021〕47号）

作者简介：黄建花（1966-），女，汉族，浙江金华人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为光催化。