课程思政示范课展示月 | 《物理化学》教学案例

编者按

为贯彻落实《高等学校课程思政建设指导纲要》，深入推进学校课程思政建设，有效辐射课程思政教学改革成效，天津大学将通过课程思政示范课展示月，陆续推出优秀课程思政教学案例，供广大教师学习、借鉴，以期营造课程思政建设的良好氛围，推动实现全员全过程全方位育人。

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· 课程名称：物理化学

· 课程性质：专业基础课

· 教学对象：一年级、化工，材料等

· 总学时：96

· 主讲人：冯霞

· 所在学院：理学院

（一）教学设计：

物理化学是化学学科的理论基础，课程内容涉及很多抽象的概念和原理、严谨的公式推导等，对提高相关专业学生的知识结构、逻辑思维能力、数理分析能力、思辩能力、综合运用知识解决问题的能力等都具有十分重要的作用。为此，我们从知识点出发，深入挖掘课程中的思政元素，构建了思政素材库，精心设计教学过程，有效地开展课程思政教育。

首先明确了本课程中思政教育的切入点（图1）：

图1 物理化学思政教育切入点

其次，按照物理化学的四大知识层次和板块：化学热力学（宏观）、化学动力学（宏观）、量子力学（微观）、统计热力学（微观到宏观）分别进行梳理，从各板块的知识点出发，分别按照图1所示的6个方面去分析和挖掘思政元素，构建了课程思政案例库，并选取典型思政专题录制了案例视频，形成了较丰富的课程思政资源，将其用于线下课堂和线上教学（图2）。

图2 物理化学课程思政资源

（二） “课程思政”教学改革的创新点：

1、贯彻“课程思政隐性育人”的教学理念，在专业知识中加入思政的“盐”。围绕知识点，把科学前沿、名人轶事、生活中化学案例等内容融入教学，通过思政的“盐”来培养学生的家国情怀、科学素养、科学思维、创新意识、社会责任、生态意识、工程伦理和人文关怀等和学习兴趣。在点滴之间影响学生, 使教学过程中不知不觉的实现了“思政课程”教育目标。

2、注重国之重器、国之大师等“榜样示范”教学手段的应用，结合案例分析，做到以事感人、以榜样育人，达成“隐性思政教育”的教学目的。

3、注重师生交流。通过分享思政元素案例、思政相关题目问答、学生分享心得体会等形式，促进课堂内外思政教育一体推进。

（一）案例名称

可逆电池及其电动势的测定教学案例

（二）案例教学目标

知识目标：掌握原电池的构成及图示表示；掌握原电池的电动势的概念及计算；掌握可逆原电池的概念及其特点；了解韦斯顿标准电池的构成及其用途；掌握原电池电动势的测定方法及其在热力学中的应用。

能力目标：培养学生运用理论分析和解决实际问题的能力；提高学生理论联系实际的能力。

价值目标：电池在生活中被普遍应用，激发学生对于身边事物的求知欲，使学生理解电化学理论知识在解决实际问题的应用，实现学生科学思维方法的训练和理论运用能力的培养。

（三）案例教学实施过程

前期准备：

1、学情分析

学生高中阶段已经对原电池有初步认识，对原电池的工作原理有基本了解，但对于电池在理想状态，也就是可逆条件下的工作原理和热力学性质概念了解少，对可逆原电池的含义、韦斯顿标准电池的特点及应用了解很少，对于电动势的概念及测定方法不清晰。

2、教学重点难点分析

重点和难点：可逆电池的概念，电极反应及电池反应、原电池电池电动势及其测定

处理方法：可逆原电池是进行原电池基本热力学研究的基础。对于可逆原电池的可逆概念，学生在理解时存在一定的困难。教师借助与上册中不做非体积功可逆过程的对比，分析原电池中可逆过程的必备条件，加深学生对于可逆原电池可逆含义的理解。可通过分析原电池和可逆原电池的差别，让学生理解掌握可逆原电池的必要条件。同时通过韦斯顿标准电池向学生展示该可逆电池的特点，以加深对“可逆”的理解。

结合实验讲解原电池电动势与电压的区别，引出其测定方法。

3、本节教学设计思路

课前通过长江雨课堂在线教学平台等发布预习要求，请学生思考、回答：在日常生活、课程学习中对化学电源有哪些了解，举2-3种化学电源；是否了解这些电源的工作原理，如何评价其做电功的能力？内容侧重于激励。

课堂教学中，首先以幻灯片形式播放一组日常生活中常见3C电器图片，点明化学电源的重要性，引出原电池的学习内容，调动学生的学习热情。

秉承“学生为主体、目标为导向”的教学理念，开展案例教学。结合具体电池实例引导学生思考分析相关内容，以掌握原电池的电动势概念和重要性；通过对比具体电池的结构，让学生理解原电池图式的表达法，加深对可逆原电池的理解。结合实验介绍电池电动势的对消法测量方法，突出“对消”的含义和意义。整节内容通过启发和讲授相结合、课上与线下教学方式相结合的教学方法，完成本节课的学习目标。

讲解专业知识的过程中，润物无声地切入思政元素（图3）。

图3 知识、能力、价值培养相统一的课堂教学设计

4、具体过程设计

(1) 课堂回顾

回顾相关内容：1）自发化学反应的化学能可通过原电池转化为电能。2）原电池中化学能转化为电能的条件：对于氧化还原反应或在整个反应历程中经历了氧化还原作用的过程，借助适当的装置使化学反应以阴极反应和阳极反应的形式在不同区域完成。

教学手段和方法：回忆引导+启发式提问。

(2) 课程导入

创设情境“丹尼尔电池”，提问：电池的构成？电池的正负极、阴阳极？用图示如何表示原电池？

教学手段和方法：情境导入引出学习内容。

(3) 内容展开

A. 电极反应及电动势的概念

引导学生回顾原电池构成，明确发生氧化反应的电极为阳极，给出电子、电势低、为负极；发生还原反应的电极为阴极，得到电子、电势高、为正极。但是放电过程中两电极的电极电势之差不是电动势（引起思考：电动势是什么？）。注意强调，阳极和阴极均是基于发生在电极界面相的反应而定义的，因此对处于开路状态的电池系统并不能指定阳极和阴极。

教学手段和方法：借助大家熟知的丹尼尔电池进行分析、讲解。

B. 原电池的图示表示

丹尼尔电池

结合丹尼尔电池，按照左边为阳极、右边为阴极，将各组分用化学式从左到右依次排列组成(活度或浓度)及相态(g,l,s)，其中“|”表示存在电势差的相界面；“¦”表示存在液相接界电势的半透膜；“||”表示盐桥，其使液接电势降低到忽略不计。此外，同一相中的物质用逗号隔开。对气体电极和氧化还原电极还需写出导电的惰性电极，通常是铂电极。

教学手段和方法：通过具体原电池，让学生理解图示规则，培养归纳总结能力。

C. 可逆电池（教学重点）

利用原电池将自发反应的化学能转化为电能，进而对外做功。此时提出电池做功与热机做功的效率是不同的，进行深入比较。 自然引出“可逆电池”的概念。

可逆电池：

最高能量转化效率可达80%；

热机：

最高能量转化效率一般40%。

说明原电池是一种可高效利用化学能的装置。当然电池内阻、电极极化等因素使电池效率达不到理论最大值。

可逆电池的特点：

研究原电池的热力学则要求电池系统处于平衡态。引导学生回忆上学期所学平衡的相关知识：对于过程，平衡就意味着可逆。那原电池平衡态也可以通过电池的可逆过程来实现。电池过程的可逆性表现为：

a. 化学可逆性，即物质的可逆，表现为电极反应是可逆的:电流反向时，电极反应随之反向；当I=0时，反应亦停止。

b.电极反应具有热力学可逆性。电池系统在无限接近平衡的系统条件下工作，即可逆电池中所通过的电流必须为无限小（能量的转变可逆）。在可逆充放电过程中，电池在充电时吸收的能量等于放电时放出的能量，并在经历一个可逆过程后使系统和环境均复原。

c. 实际可逆性。上述的丹尼尔电池虽然具有化学可逆性，但由于在丹尼尔电池中存在两种电解质溶液，而在液体接界处的离子扩散是不可逆的，因而并非严格意义上的可逆电池。同时，为了防止两种溶液的扩散混合，需使用允许离子通过的多孔隔板将两种溶液隔开。

教学手段和方法：采用对比法讲授电池与热机对外做功效率的不同，帮助学生理解电池的优势。然后由电池对外做功的极限引出可逆电池的概念，并分析应满足的条件，使学生明确电池中可逆过程的含义。

D. 韦斯顿标准电池

韦斯顿标准电池是一种高度可逆的电池。其结构为

该电池中只有单一的CdSO4饱和水溶液，为单液电池，可以很好地满足可逆电池的条件。

相关反应为：

阳极：Cd(汞齐)+SO42-+8/3H2O(l)→CdSO4‧8/3H2O(s) + 2e-

阴极：Hg2SO4(s) +2e-→2Hg(l)+SO42-

电池反应: Cd(汞齐)+ Hg2SO4(s) + 8/3H2O(l)→2Hg(l)+ CdSO4‧8/3H2O(s)

教学手段和方法：对比丹尼尔电池和韦斯顿标准电池，指出该可逆电池的优点和在对消法测定原电池电动势中的应用。（引出下文波根多夫对消法）。

思政：汞的危害。

E. 电动势的测定与波根多夫对消法（补偿法）

提问：电动势测定时电流需满足什么条件？（电流为0），怎么实现呢？（采用特殊设计的电路）；具体测定装置中有三个电池：工作电池、标准电池、待测电池，一个检流计、一个均匀滑线电阻AB。测定时，改变可变电阻的位置直至检流计中无电流通过，此时满足：

由标准电池的电动势可计算出待测原电池的电动势。注意：

1）无论是校正还是测量，都必须使电池中无电流通过，否则就不少电动势。这也是不能用伏特计测量的原因。

2）调整R，RX时要快，即电流通过的时间尽量短，否则电极将发生极化。

3）两极不能接反，否则不能对消。另外，电流太大，损坏检流计，电池极化严重。

教学手段和方法：该内容安排有物理化学实验，结合实验来分析讲解。

思政：解决问题的科学思维方法。

F. 电池电动势测定的应用

可用于获得一些重要数据，解决化学问题。包括：

电池反应热力学函数变化、电池反应标准平衡常数、电解质溶液的平均离子活度及平均离子活度因子、难溶盐溶度积Ksp、测定溶液pH值、判断电池反应方向等。

教学手段和方法：板书+思维导图。

G. 课堂教学内容引伸

1）结合生活中常见的金属腐蚀现象，探讨自然环境中金属腐蚀和原电池的联系，引出腐蚀原电池的概念。

金属及其合金是最重要的结构材料之一，其长期稳定性对于人类生产和生活有重要意义。金属腐蚀的危害不仅在于金属本身的损失，更在于相关制品的破坏以及后续危害。金属遭到破坏的主要因素是电化学腐蚀，其所造成的损失有时是无法估计的。例如飞机机体某部分的腐蚀会导致空难的发生，桥梁钢结构的腐蚀会使桥梁断裂。另外，腐蚀原电池中电极反应的发生不能将化学能转为有用的电功，造成能源的巨大浪费。

（举例）举世闻名的珠港澳大桥，如何实现其120的超长寿命？引导学生进行思考和回答。

2）曹楚南先生事迹

曹楚南先生是中国腐蚀电化学领域的开拓者与领导者，他在1985年出版了专著《腐蚀电化学原理》，首次提出一套完整的腐蚀电化学理论体系，是迄今为止国内外唯一论述金属腐蚀过程的电化学专著。使中国在腐蚀研究与监测的电化学理论和方法、EIS研究、数理统计和随机过程理论在腐蚀科学中的应用等多方面进入国际先进行列。更重要的是，他的科研成果被广泛应用于生产与实践，高效而经济地解决了诸多生产企业面临的技术难题。即便如此，他在研究中依然秉承着“治学要用笨功夫”的道理。通过曹先生的治学态度，激发学生积极向上的学习态度。

H. 作业与思考题：

结合SPOC课程对本节课内容进行复习。查资料，进一步了解生活中腐蚀的发生条件及所采取防护措施的原理。

（四）教学效果及反思

1、教学效果

“可逆电池及其电动势测定”是《物理化学》中“电化学”一章的核心内容。通过学习这部分知识，学生能切实体会到物理化学基本原理是如何用于解决电化学问题的。此外，原电池作为化学电源的基本模型，在科学研究、工程应用、民生领域都有广泛应用，所以精选设计教学过程就能很好地将“知识、能力和价值培养”融为一体，实现课程的育人目标。

本案例教学中实施了知识线、能力线和价值线“三线并行”的教学策略。化学电源（即原电池）在我们的科研、生产、生活中已得到广泛应用，因此对电池的构成、化学原理、特性、测量技术等需要系统学习。围绕原电池电动势这一核心知识点，学生沿着“定义-测定-应用”的知识线，系统地掌握了相关内容，明确了“为什么学、学了什么内容、能解决什么问题”。

在掌握知识的同时，学生的能力也得到锻炼和提高。他们学会了通过类比、归纳、演绎来发现规律（例如：如何实现可逆）；会设计对消电路来测定原电池电动势；会利用测定的电动势计算热力学函数变化，从而分析电池中化学过程的方向与限度；掌握了更精确测定热力学数据的方法。

价值培养渗透在知识点的学习中。原电池的诞生（伽伐尼解剖实验、富兰克林捕捉天电等）过程中的科学精神，科学理论的建立过程，化学电源对解决化石能源短缺、环境保护的贡献，自发原电池的危害（腐蚀原电池）及解决方案，透过这些元素，传递了科学精神、家国情怀与文化自信（港珠澳大桥腐蚀难题的破解、科学家的杰出贡献，对后辈的勉励等），这些思政元素对学生起到了潜移默化的作用，必将影响他们的人生观、世界观和价值观。

2、反思

(1)“课程思政”是需要长期坚持的系统工程, 其建设和改革必须继续持续探索、深化和完善。现阶段存在“课时有限、教学内容偏多、思政教育较杂”等问题，需要及时总结、借鉴他人成功实践经验, 结合自身课程的特点，形成适合本门课程的完整教学体系。

(2)继续转变观念，提升自身的课程思政能力，实现思想政治教育与专业课程的有机对接。深化“隐性思想政治教育”理念的改革，真正做到“潜移默化,润物无声”。 

图文来源：冯霞

图文编辑：王贺婷

图文审核：刘洁、张娉婷、杨佳佳