中国元素在物理化学教学中的融合与探索

曹琨　刘勇　刘义武　付孝锦　黄文恒　张霞忠　姬丹

摘  要：2020年新冠肺炎引发的疫情在全球蔓延。不同文化和观念在这场疫情中不断发生碰撞和交流，也引发人们对价值观的重新考量。在人类命运联系空前紧密的时代，在传统价值体系遭受争议和考验的时刻，文章立足于物理化学这门专业基础核心课程，围绕如何在大学课堂教学中贯穿社会主义核心价值观和中华文化的优秀传统，进行了深入的反思，并对课程模式进行了探讨。

关键词：新冠肺炎;中国传统文化;物理化学;教学设计

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）07-0091-04

Abstract： COVID-19 has brought about not only a global epidemic in 2020 but also more collisions and deeper communications in norms of concepts and cultures between nations. It is necessary to reconsider the value of traditions in such unprecedented era when the fates of all human beings relate with each other together so closely; when the treasures and conventions of traditional culture have confronted with so many challenges. Based on characteristics of Physical Chemistry， this thesis focuses on how to introduce and run through the core values of Chinese Socialism and treasures of our Chinese traditional culture in class and discuss the possible teaching designs.

Keywords： COVID-19; Chinese traditional culture; Physical Chemistry; teaching designs

2020年新冠肺炎正在全球蔓延，防控新冠肺炎疫情是當前的头等大事。中国作为最大留学生生源国，百余万中国留学生遍布全球，他们从最初的忧心祖国战“疫”形势的海外支援力量，转眼间变成了全国人民关心的对象，部分留学生通过各种渠道辗转回国，但是，在此过程中，出现种种不快事件。从澳洲“跑步女”到吵着要矿泉水的“豌豆公主病”再到“坑爹妈”的许可馨，关于留学生的热搜一波又一波。在这些不当言论的背后，照出了一张张极端“精致的利己主义者”的真实面孔。面对这些问题，加强学生思想道德建设，成为了亟待解决的问题。目前高校专业课程在传统教学过程中，注重知识的讲授，这是智育的体现，但是在品德的培养上，有所欠缺。如果仅靠思政课程对大学生进行价值引领，其局限性日益明显。

在1752年，罗蒙诺索夫出版了他的《物理化学导论》，提到物理化学的定义：“物理化学是一门科学，物理化学根据物理学上的原理和实验说明了复杂物体中经过化学处理后所发生的化学变化”。罗蒙诺索夫所指定的这个方向，物理化学一直延续到现在。在1876年，俄国物理化学家刘巴温编写了《物理化学一般指导》，积累了物理化学的全部资料，这本著作也一直沿用至今[1]。物理化学课程曾被印永嘉先生称为四大化学专业课中的灵魂课程，属于化学、化工、能源、材料和环境等专业的必修课程之一，在人才培养过程中起着承上启下的作用。课程本身具有理论性强，逻辑性强，概念多，公式多且限制条件多等特点，学习者往往学而无力，缺乏一定的学习动机，进而失去兴趣。如何上好这门课，把学生培养成技术过人，素质过硬，思想先进的人才，在国家经济发展息息相关的领域发挥作用，是教师面临的重大课题。

如何将中国元素融入到物理化学的课堂教学过程中，我们进行了一些思考和探索，并与大家进行交流。

一、以诗词为引，导入新课

诗词是中国传统文化的精髓，许多诗词是对古代自然、生活和劳动的描述。李政道曾说科学和艺术是硬币的两个面，诗词作为艺术的一种，也可以认为科学和诗词是硬币的两个面，而这枚硬币就是现象。在相关知识点的教学过程中，不少诗句恰好形象而准确地体现了教学知识点，将诗句中描述的自然生活场景抽丝剥茧，把科学规律还原，既能弘扬中华传统文化，陶冶情操，又能融合情感、理性与实验探索，有助于提高教学质量，更好地促进学生物理化学科核心素养发展[2]。

我们对往届学生的调查中发现，大部分学生在学习物理化学时心理状态会呈现出三个阶段，从最初的迷茫到中期困苦再到最后的豁然开朗，如果学生在迷茫期没有及时调整过来，在困苦期因公式多，定理困难而放弃没有坚持下来，那么对于物理化学的学习就会得到一个糟糕的结果。若我们在物理化学的第一课中，引用著名学者王国维提出的治学三种状态，即“昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路”“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”“蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”，提醒学生们在学习过程中可能面临的问题，介绍相应的学习方法引导学生适时调整心态，迎难而上，最终收获丰硕的成果[3]。

物理化学的特点之一是公式多，特别是热力学公式，对条件的适用性有着严格的要求，学生初学时，面对诸多公式和条件无从下手，对于同一个热力学函数，在不同条件下的公式应用往往会生出“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中”的感觉，这时老师应当帮助学生厘清主线，抓住核心，建立联系，通过一隅三反，最终使学生“豁开云雾见青天（释心月）”。

在讲授表面化学润湿过程时，可以通过杨万里在《晓出净慈寺送林子方》中“接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红”所绘出的一池荷花的美妙画卷以及徐陵“嫩竹犹含粉，初荷未聚尘”和周敦颐在《爱莲说》中诗句“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖” 所描写的荷花的高洁品质，提出“荷叶效应”，引导学生对固体表面的润湿性能、亲水、疏水现象的辨析，逐步深入讨论材料表面疏水性能与结构和表面能之间的关系，并可以进一步介绍我国在固体表面微纳米结构设计制备应用等方面的创新性研究成果。让学生由表及里的感受中国文化的博大精深同时增长学科视野。我们可以用李白的诗句“日照香炉生紫烟，遥看瀑布挂前川”所描绘的瀑布飞泻，水气蒸腾而上，在丽日照耀下，仿佛有座顶天立地的香炉冉冉升起了团团紫烟这一场景讲解胶体的丁达尔现象，升腾的水气作为气溶胶，阳光在其中发生散射，根据瑞利公式，散射光的强度与波长的四次方成反比。太阳光在通过水气时，太阳光的短波成分（蓝紫色光）比长波成分（红黄色光）更多地被散射。当我们遥看“香炉峰”时，看到的是散射光，故以为“生紫烟”。讲到离子氛模型，每一个中心离子同时又是其他离子的离子氛，这正如诗人卞之琳的现代诗歌《断章》中“你在桥上看风景，看风景的人在楼上看你”所描述的这一画面相呼应。

以诗词作为导入材料，不可使用晦涩难懂的词句，使学生在讨论中产生认知冲突，应选用学生熟悉的诗歌，从而在解释现象的过程中巧妙的引入新知识点，可以使学生构建良好的知识结构。对教师而言，要在浩如烟海的中国诗词中找到能恰当体现这些知识的诗句，这对理工科教师的文学素养要求较高，教师必须要有广博的文化底蕴。

二、古代哲学思想在物理化学原理中的体现

哲学是一切科学的基础，是关于自然一般规律的科学。物理化学是哲学在化学领域的具体化。从物理化学的形成发展，到不同理论的提出，均体现了丰富的哲学思想，被誉为化学中的哲学[4]。中国古代哲学思想萌芽于殷、周之际，成形于春秋末期，战国时代已出现百家争鸣的繁荣局面。诸子百家的哲学思想在中国奴隶制向封建制转变的过程中，以中华民族特有的理论思维形式表现了唯物和唯心主义，辩证法和形而上学的相互关系，形成了独具特色的认识论和方法论。抓住两者之间相同的哲学原理，择其一二穿插在知识的讲授过程中，在学生“悟理”的同时将美育情感润物无声的植入学生心中。

在热力学第一定律中，我们講到准静态过程时，可以穿插老子在《道德经》中所述“天下难事多起于易，天下大事多起于细”，“合抱之木，生于毫末;九层之台，起于累土;千里之行，始于足下”。讲到能量守衡，老子在《道德经》中提到“夫轻诺必寡信，多易必多难，是以圣人犹难之，故终无难矣”，在讲解知识的同时，让学生们明白，比你优秀的人都比你努力，现在你付出的劳动，吃的苦，是为了将来工作的时候轻松一些。从而激发学生的学习动力。

永动机是人们一直热衷的一个话题，19世纪，人们就妄想有一个不需要能量就持续输出功的机器，但是热力学第一、第二定律均否定了永动机的存在。这些定律均是在大量实践基础上得出来的宝贵经验。如同《韩非子·显学》中提到的“无参验而必之者，愚也;弗能必而据之者，诬也”以及“夫视锻锡而察青黄，区冶不能以必剑;水击鹄雁，陆断驹马，则臧获不疑钝利。发齿吻形容，伯乐不能以必马;授车就驾，而观其末涂，则臧获不疑驽良。观容服，听辞言，仲尼不能以必士;试之官职，课其功伐，则庸人不疑于愚智。”通过欧冶子锻造利剑，伯乐相马，孔夫子观人等这些熟知的事例告诉大家实践出真知。

经过大量的实验证明，热力学第一定律就是包括热量在内的能量守恒与转化定律，它是这样表述的——自然界的一切物体都具有能量，其能量有各种不同的形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中，能量的总和不变。数学表达式：

U2-U1=ΔU=Q+W

ΔU-系统热力学能（内能）的增量;Q-系统与环境交换的热，系统从环境中吸收热量为+，系统放出热量为-;W-系统与环境交换的功，环境对系统做功为+，系统对环境做功为-。若系统发生一个微小的变化，则会有

dU=Q+W

此外，热力学第一定律也可以用另外一种文字来进行表达：要想制造出一种永动机，它既不依靠外界供给能量，本身的能量也不会减少，却不断地对外做功，这是不可能的。也就是说，是造不出不需要能而不断对外做功的机器的，即永动机是不可能存在的。

除了热力学第一定律，热力学第二定律也是在不断的实践当中进行的，它阐明了与热现象相关的各种过程、进行的方向、条件及限度的定律等。在1850年，克劳修斯根据热量传递的方向性，提出了热是不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体的。如果有非自发过程的发生，必须同时伴随一个自发过程（机械能转化为热能），作为代价、补充条件。在1824年，卡诺提出了热可以转化为机械能的根本条件——凡有温度差的地方，都能产生动力。卡诺以理想气体为工作物质设计了这样一个循环：物质从高温Th热源吸收Qh的热量，一部分通过理想热机对外做功W，另一部分的热量则放给低温Tc热源Qc，从此，人们就把这种循环称为卡诺循环。但是这仅仅是热力学第二定律的一种表达方式，后来随着蒸汽机的日益出现，人们在提高热机效率的研究过程当中，也意识到只有一个热源的热动力装置是没有办法工作的，要使热能连续地转化为机械能，至少需要不小于两个温度不同的热源。在此实际工作过程当中，通常以大气中的空气或者环境温度下的水作为低温热源进行尝试，另外还需要高于环境温度的高温烟气作为高温热源。通过一系列地实验，最终在1951年左右，开尔文和普朗克等人从热能转化为机械能的角度，提出热力学第二定律的开尔文说法——不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机，从此也奠定了卡诺定理的重要地位。后来为了对卡诺定理进行完善，克劳修斯又对卡诺热机进行了数学阐述，提出和建立了熵的概念，即一个与热力学第二定律紧密相关的状态参数，主要是用来判别反映实际过程的方向，判断反应是否可逆、是否实现的依据。

在物理化学的研究中，我们通常要用模型去解释一些问题，这些模型并不能完全符合现实情况，但他们的一个共同点就是抓住了问题的核心。正如孟子所说：“知者无不知也，当务之为急;仁者无不爱也，急亲贤之为务。尧、舜之知而不遍物，急先务也;尧、舜之仁不遍爱人，急亲贤也。不能三年之丧，而缌小功之察;放饭流歠，而问无齿决，是之谓不知务。”

俗话说：“丢了西瓜拣芝麻。”抓住了小的却失去了大的，抓住了次要的却失去了主要的，因小失大，舍本逐末，这就叫做“不知务”。凡事总有轻重缓急，固此，要抓住当前急切应办的事先做。这正是“矛盾论”哲学的基本思想之一：抓住主要矛盾，次要矛盾便可迎刃而解了。

比如在研究“理想气体”模型的时候，我们忽略了理想气体分子的体积和分子间作用力，从微观上把理想气体分子看成是有质量、无体积的质点，假设分子之间没有相互作用，即在气体中每个分子的运动是独立的，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不会造成任何的动能损失，严格遵从气态方程pVm=RT。随后我们再讲解范德华方程时，只需要将“理想气体”模型中忽略的条件（次要矛盾）加入进去，当考虑分子体积的影响时，每个分子的实际活动空间不再是Vm，而是从Vm中减去分子自身体积有关的修正项b，即用（Vm-b）来代替Vm;考虑分子间相互作用力的影响，我们在压力项上加一个内压力，即用（p+a/V2m）代替p。这样也更方便学生了解掌握范德华如何在前人研究的基础上修正理想气体状态方程的。

在研究“理想溶液”这个模型当中，我们认为溶质与溶剂混合成为溶液时，实际不放热也不吸热，溶液体积恰好为溶质和溶剂的体积之和，并且理想溶液中各组分分子大小形状以及作用力都彼此相似。就是说，在没有能量的变化和空间结构的变化，当一种组分的分子被另一种组分的分子取代时，使其任意组分在全部浓度范围内都服从拉乌尔定律——p=p*×xA。其实，一般很多溶液都不具有“理想溶液”的性质，但是因为理想溶液所服从的规律比较简单，并且在实际过程当中，很多溶液在一定浓度区间，某些性质是与理想溶液很相似的，所以在研究物理化学的过程当中，我们引入“理想溶液”的概念，使复杂问题简单化。

又比如说“完美晶体”，我们假设了一种在实际过程当中不存在、没有任何缺陷的规则晶体，把它叫做“完美晶体”，其原子和分子严格按照一定的规律重复排列，并且长呈有序的晶体，结构十分完整，具有一定的周期性和对称性，这种晶体在绝对零度（T=0K）时，熵值等于零。

而“热力学可逆过程”理想模型，则突出体现了热力学系统的状态变化。热力学系统由一种状态经过某一过程到达另一状态后，如果存在另一过程使系统和外界完全复原，回到原来的状态，同时又完全消除原来过程对外界所产生的一切影响，叫做可逆过程，其完全忽略了实际过程进行的时候必须存在的体系和环境之间的某些强度性质的差值（如可逆膨胀过程中体系与环境之间的压力差），使问题简化。

其实在物理化学的钻研进程当中，有很多的理想模型，这些理想模型可以奇妙地排除错综复杂的次要矛盾的干扰，突显事物的主要矛盾，从而让我们可以通过主要矛盾集中全力去研究其中蕴含的普遍规律，找出理想与实际的偏差，使实际过程迎刃而解。所以，在解决复杂事物时，抓住问题的主要矛盾是十分重要的。

在课堂教学中，根据不同的教学内容，充分发掘其中的中国古代哲学和辩证法等思政教育资源，要努力克服牵强附会、流于说教、不重系统设计、不重效果评价的问题，通过系统设计真正将思政教育与专业教育高效融合，全面落实专业育人目标。

三、传统中医理念与物理化学辩证法相结合

传统中医是以中华民族传统文化为背景，在对生命活动、疾病规律，药物的发现、使用、作用规律的认识过程中，建立、形成的一种医学理论与实践，是认识论、方法论、辩证法的具体体现。中医的整体思维，辩证思维在物理化学的教学过程中同样适用，我们分别从整体性和辩证性两方面来讨论。

中医的整体思维指人体是一个有机的整体，人体与外界环境是密切相关的整体。物理化学同样具有鲜明的整体观，首先，从物理化学教学内容看，主要包括热力学和动力学两大部分，除此之外还涉及电化学，界面化学，胶体化学等专题内容，学生在学习的过程中往往会出现只见树木不见树林的情况，容易把各个章节独立开来，教师应引导学生整体性的看到物理化学课程。我们学习的热力学和动力学为理论基础，电化学，相平衡，化学平衡，胶体化学等可以看作是热力需和动力学在某一领域的具体应用，各部分密切联系，形成了一个有机的整体。其次，我们在解决热力学问题时，只需关注始态和终态的状态，对于具体历程不需考虑，这与中医治疗的着眼点和研究手法等方面均有广泛的共性。二者都重在关注系统的整体存在状态（始态和终态）和变化方向，而不关注系统的内部具体结构和发生变化的微观历程。

中医的辩证思维是指医生依据中医理论，通过“四诊”，对病症进行综合分析，按照确定的中医学原理进行整体分析总结，得出某一类病症的治疗方法。我们在推导可逆过程做功时，首先计算了一次等外压过程、多次等外压过程以及无限次微小外压变化过程所做的功，我们得到结论：可逆膨胀做最大功，可逆压缩做最小功。二者都通过归纳演绎、分析综合的辩证方法得到一个通用的结论。

四、结束语

把中国传统文化融入到物理化学教学中，能够使枯燥的知识生动、深刻的呈现在学生面前，让学生体会到哲学、物理化学和中国元素的融合之美。教师在将中国元素融入教学过程中应在遵循《物理化学》自身教学规律的前提下，应以遵循适当、适时和適量为原则，寻找到两者之间的共同点，巧妙设计课程内容，在有限的课堂时间内合理组织课堂教学，做到收放自如，衔接自然，完成预期的教学目标。最后，教师要在课后认真总结经验，对教学中成功的方面，存在的问题，教学任务完成和难点突破情况，学生课堂上所反映出来的各种信息，教学效果诸方面作出系统的分析和总结，并在以后的教学当中逐步改进并完善。

物理化学课程思政建设还处于起步阶段，要抓住课程的知识主线，努力克服强拉硬拽，喧宾夺主，无限发散的问题。培养学生热爱祖国，坚定自强，文化自信，担当勇毅的精神品格是一个长期、细致、复杂的工程，要注重系统设计，从而达到传统文化与专业知识完美的融合，全面落实“三全育人”目标。

参考文献：

[1]陈耀祖.化学文献的起源和发展[J].兰州大学学报（社会科学版），1994，22（3）：127-133.

[2]鲍继才.让古典诗词为化学教学服务[J].化学教育，2008，29（1）：34-36.

[3]孙成余.文理交融策略在“金属”教学中的感性实践与理性思考[J].中学化学教学参考，2014，7：29-30.

[4]王旭珍，王新平，王新葵，等.大道至简，润物无声——物理化学课程思政的实践[J].大学化学，2019，34（11）：77-81.

基金项目：2018年度内江师范学院“应用化学省级地方普通本科高校应用型示范专业”（编号：yz18002）;2019年度内江师范学院“一流本科专业建设项目”（编号：YLZY201908）

作者简介：曹琨（1984-），男，汉族，山东青岛人，博士，副教授，研究方向：物理化学;刘勇（1976-），男，汉族，四川安岳人，硕士，教授，研究方向：物理化学。