一、课程教学目标
《物理化学》是应用化学专业、给排水科学与工程专业、环境工程专业的一门专业基础课。《物理化学》运用物理学和数学等基础科学的理论和实验方法,研究化学变化和相变化的平衡规律和化学变化速率规律,以及这些规律和物质结构的关系。本课程的任务是系统地介绍热力学、化学动力学、电化学和胶体与界面化学的基本知识、原理和方法,以及部分统计热力学的基本知识。
通过本课程的学习,学生能够了解物理化学的基本原理,并比较牢固地掌握专业所必需的物理化学基本概念、计算方法,使学生树立正确的思想方法,提高学生的逻辑推理能力以及分析问题和解决问题的能力,培养学生的自学能力和独立思考问题的能力,增强学生的创新精神和实践精神,使学生能运用物理化学的方法进行科学研究和解决实际问题。
课程目标1:能够将化学的自然科学知识的原理和方法用于理解和表述化学、化工问题。
课程目标2:能够将数学、物理、化学等基本原理用于识别复杂化学与化学工程问题的关键点和参数。
课程目标3:能够掌握物理化学研究方法和有关问题的解决方法,将物理化学的相关知识用于解决生产生活中的有关实际问题。
二、思政育人目标
根据专业人才培养特点和专业能力素质要求,科学合理设计思想政治教育内容,把课程思政建设作为落实立德树人根本任务的关键环节。
1、充分发掘《物理化学》专业课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源,不仅使学生掌握扎实的科学理论,还培养学生科学的思维方法、拥有基本的科学素养、科学的“三观”,同时树立正确的积极的理想信念、道德品德,真正做到“三全”育人。
2、有机结合实时新闻,及时把最新科研成果、科研动态、新闻热点等转化为教学内容,激发学生学习兴趣,激励学生爱国、励志、求真、力行,增强学生的社会责任感,坚定“三个自信”。
3、积极引导学生自我管理、主动学习, 激发求知欲望,提高学习效率,提升自主学习能力,培养创新精神和实践能力。
三、课程思政典型教学案例设计
恩格斯在《自然辩证法》中指出:“化学可以称为研究物体由于量的构成的变化而发生质变的科学”。化学课程中的知识点与矛盾统一、量变质变、方法论等都紧密结合;化学发展史、化学家生平等都是对学生进行思政教育的最佳材料。
“《物理化学》已成为一门消失于无处不在的学科”,同时,《物理化学》融合物理学和化学两大基础自然学科的基本知识点,也被称为“化学中的哲学”,在《自然辩证法》中得到充分阐述。热力学定律、相平衡、电化学、表面化学等的发展无处不体现着人们对自然、对科学认识的逐步提高,通过引导学生建立“生活无处不化学”的理念,将对基本理论的理解和生产生活实际、国计民生及大政方针紧密结合。
详见附录。
四、课程思政实施成效及学生反馈
通过本课程思政的研究与实践,学生不仅可以牢固掌握理论知识,提高科学素养,还能够强化科学思维,提高分析解决问题能力。同时,培养了学生良好的团队协作、沟通和组织能力,并具有终身学习的意识和能力,以适应社会的发展。通过专业教育和思政教育协同作用,使学生成为具有广博知识和优雅气质的有知识、有理想、有责任心的新时代青年。
通过课程思政的实施,学生反响良好,纷纷表示不仅接收到基本科学知识教育,提高了科学素养,还受到了深层思想教育。
附录:课程思政典型教学案例设计
案例一:绪论中的思政
案例意义:绪论的讲授是考验教师对本门课程的地位和内容的整体把握,教师首先要对课程有一个总体的把控。通过系统地高瞻远瞩地向学生介绍课程在学科中的地位、课程内容及其研究意义、研究方法,使学生对本课程产生总体了解,激发学生学习兴趣。同时,简单介绍课程发展历史、所涉及的名人轶事等,使学生建立整体的、系统的、科学的思维逻辑。
1、认识研究对象——运动着的物质
马克思主义哲学认为,物质是指不依赖于人们的意识而存在,又能为人们的意识所反映的客观实在。物质包括实物和场,有质量的物质是实物,就是我们通常所指的物质;没有质量的物质就是场,如光、电、磁、热、力等。场是物理学的范畴,通常在人们生活中不多考虑。所以我们常说的物质是指实物,今天我们也主要了解实物,从尺度、形态和性质三个方面进行剖析。
北京和大学教授、中科院院士、化学界的泰斗徐光宪先生曾把物质结构的尺度分为宇观、遥观、宏观、显微观、介观、微观、渺观,但我们习惯上分宇观、宏观和微观。宇观是指尺度大于106m的物质,如地球、太阳系、银河系、星云等宇宙层面的物质;尺度介于10-8m和106m之间的物质称作宏观,就是我们所处的这个世界中能够用肉眼或者借助常规仪器可以感知到的物质;微观是指尺度小于10-8m的物质,比如原子、分子、玻色子等具有量子力学特征的微观粒子。另外,在宏观和微观之间尺度大概在纳米和毫米之间的粒子,应该划分为宏观,但又表现出一些量子力学的特征,和微观相似,所以称作“介观”,就是我们通常纳米科学研究的范围。
物质的形态,就是我们通常所说的气、液、固三态,还有等离子态以及液晶状态等。物质的性质,除了温度、密度、压强、体积等物理性质,和光、电、磁、热、力紧密相连,还有氧化、还原、酸碱性等化学性质。但物质最基本的属性是运动。按照恩格斯在《自然辩证法》中的解释,运动是物质的存在方式、是物质的固有属性。无论是微观世界还是宇观世界,运动是绝对的,静止才是相对的,微观物质运动是量子化的,宏观世界的运动符合牛顿定律。
2、认识万物之“理”,遵守自然规律
理,即道理、物理、事理、原理,根本上说就是“法则、规律”!物质运行的法则、规律,当然包括微观、宏观和宇观的世界运行法则!认识自然规律,遵守自然法则,我们才会更好的存活下去!反之,破坏法则,悖规律而行,必会受到自然的报复。“亚马逊大火”是人们肆意破坏自然的结果,“地球之肺”被破坏,势必引起“蝴蝶效应”,影响到整个地球的生态!习总书记提出“青山绿水才是金山银山”!恩格斯先生在在文章《劳动在从猿到人的转变中的作用》中就预言道:“我们不要过分陶醉于人类对自然界的胜利。对于每一次这样的胜利,自然界都对我们进行报复”!“天下兴亡,人人有责”!新时代的青年衣食不愁,应该高瞻远瞩,考虑些关乎全人类全地球长远发展的事儿,考虑些有意义的事儿,而不是只盯着眼前的手机游戏!
3、认识“物”“理”,探究“化”“学”,增强使命感
“物理”,就是事物、物质运行的基本规律、基本法则,从学科的角度讲,物理主要研究与热、力、光、声、电、磁等有关的内容,研究物质的组成、结构、性质及其运动规律。“化学”, 是关于变化、改造、创新的学问,最早称物质学或质理学,含义为物质的性质或者物质的变化,就是关于物质变化的学问,研究新物质的生成。恩格斯也说过:“化学可以称为研究物质由于量的构成的变化而发生质变的科学”。近期还有人认为,化学主要是研究物质的分子转变规律的科学。 这些都是从不同角度去定义化学。
大家所知的变化有“物理变化、化学变化和相变化”,具体包括p、V、T、形态、晶型、结构以及相变等。从“变化”这个词本身去看,意味着事物所处的状态发生了改变,从原有的状态变为新的状态。当我们了解了自然规律自然法则,我们可以利用它,让我们适应环境,然后去改造我们的生存环境,以使我们更好地生存下去!但是改变也好,改造也好,要有一个“度”,不可无节制,无度的改变只会带来大自然的报复,对自然资源的过度开发是在掠夺子孙后代的生存空间,所以我们要讲“可持续发展”!
化学中的物质是在分子尺度上的概念,化学包含了对物质变化的规律的研究。而在物质变化规律的研究中,外界条件如力、声、光、电、磁等物理性质的改变对化学变化的影响很大。举一个简单的例子,氢气和氧气混合物在爆炸极限范围内是比较稳定的,但是当受热达到两千度左右,就会发生爆炸,爆炸是反应速率很快的化学反应。同时,化学反应的发生往往还会伴随有物理变化,比如吸热或放热、气体压力的改变、发光、产生电流,等等。由此可见,物理现象和化学变化紧密相连。
简言之,《物理化学》是通过研究化学变化中伴随的物理现象,去探索化学变化的基本规律,采用的技术手段和方法也是物理学中的原理、方法和分析仪器,最终目的是能够认识这些变化规律,利用其改善我们的生存环境,提高生活质量、生命质量。
案例二:质量守恒定律和能量转化与守恒定律
案例意义:通过本部分内容的学习,学生能够正确认识社会和自然发展的基本规律,树立可持续发展的理念,建设节约型社会,建立科学的世界观。
1、质能守恒与可持续发展
按照质量守恒定律和能量守恒定律,自然界中甚至宇宙中一切物质守恒,能量守恒。在人类活动中,要索取自然资源用来制造生活用品(必需品或装饰品),消耗物质资源的过程中,必然伴随有能源的消耗,但是由于生产力的低下,这些资源不能完全转变成目标产品,所以会有副产品的生成,也会有能量的浪费散失。人们消费的物资和能量,不能物尽其用,当其应用价值被榨尽后,仍会产生很多垃圾。所以有人预测,地球的将来必然是一个垃圾场。要处理垃圾,又要消耗一些能源;而根据质量守恒,垃圾也不可能完全彻底被处理干净,最后净的结果仍将是垃圾遍地。所以我们应该多考虑如何全方位实现资源循环再利用,实现可持续发展,减少垃圾的产生,减少能源的消耗。
简言之,自然界中乃至宇宙中质能总量是不变的,不会凭空产生,也不会无故消失。消耗多少资源,最后也必然产生等量的垃圾。如今的社会物资已经丰富到了相当高的程度,人们的消费热情也前所未有地高涨,浪费也极其严重。那么,可曾想到,如今我们过度消费的物资和能源,是在透支子孙后代的生活必需品?!所以,我们有必要开源节流,建立可持续发展的长远规划,为我们的子孙后代、为人类及各种生物负责。2002年中国共产党十六次全国代表大会把“可持续发展能力不断增强”作为全面建设小康社会的目标之一,提出“可持续发展是以保护自然资源环境为基础,以激励经济发展为条件,以改善和提高人类生活质量为目标的发展理论和战略。”
2、延伸思考——绿色化学与可持续发展
化学是一把双刃剑。长期以来,化学化工极大地促进了经济发展和社会进步,为人们的生活提供了极大便利,提高了人们的生活质量,但是,也带来了资源和环境等方面的问题。化学工作者也深刻意识到了这些,由化学造成的问题也必然要从根本上在化学领域内去解决,因此,提出了“绿色化学”的理念。
按照美国《绿色化学》(GreenChemistry)杂志的定义,绿色化学是指:在制造和应用化学产品时应有效利用原料,消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。绿色化学理念的核心除了“环境友好”、“清洁化学”以外,还有很重要的一点就是“原子经济性”。 理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物,不生成副产物或废物,实现废物的“零排放”。这样,从源头上达到合理利用资源、降低成本、保护环境的目的,实现生态效益和环境效益的双赢。在工业化程度越来越高的社会中,在自然资源和环境保护的可持续发展战略中,化学必然将占据重要的位置。
案例三:热力学第二定律,建立科学社会发展观
热力学第二定律和热力学第一定律一样都是化学热力学的基础,都是人们长期生活生产实践中对自然现象的观察总结,都是在第一次工业革命期间随着蒸汽机的出现和发展而发展起来的。热力学第二定律主要利用化学热力学理论解决变化的方向和限度问题,其基本原理和社会发展的一般规律异曲同工,从中可以使学生树立科学的人生观、世界观和价值观。
1、热力学第二定律的提出
在十九世纪,第一次工业革命出现的标志是蒸汽机的发明和应用。在人们对蒸汽机(后统称热机)进行研制和改进的过程中,能量守恒定律和热功当量等理论得到了发展,奠定了化学热力学的基础。
根据热机的工作原理,热机中的工作物质从高温热源T1吸热Q1,然后做功W,余热Q2释放入低温热源T2。则热机效率h总是小于1,即热机所吸收的热不能全部用来做功。
1824年,法国陆军工程师卡诺在他发表的论文《论火的动力》中提出了著名的“卡诺定理”,找到了提高热机效率的根本途径。从1840年到1847年间,在迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人的努力下,热力学第一定律以及更普遍的能量守恒定律建立起来了。1850年,克劳修斯重新审查了卡诺的工作,考虑到热传导总是自发地将热量从高温物体传给低温物体这一事实,得出了热力学第二定律的初次表述,即:“热不可能自发地从低温物体传到高温物体,而不引起其它变化。”
与此同时,开尔文也独立地从卡诺的工作中得出了热力学第二定律的另一种表述,即:“不可能从单一热源吸收热使之完全变为功,而不发生其它的变化。”
克劳修斯从热传递的角度描述了热力学第二定律,而开尔文(Kelvin)的说法反映了热功交换的方向,换句话说:“热不能完全转变为功”。后来奥斯特瓦德(Ostward)发现,假如可以从单一热源吸热使之完全用来做功,比如一台机器从太空或者海洋吸收能量然后推动航天器或轮船运动做功,这样的机器可称作“第二类永动机”,那么根据前文可知,“第二类永动机是不可能造成的”。
2、变化的方向与熵
熵是系统混乱度的量度,混乱度越大,越无序,越复杂,熵值越大;越有序,越简单,熵值越小。根据热力学第二定律,在一个隔离系统中,没有环境影响时,就其自身来说,熵值总是增大的,一切变化总是趋于无序的。
如果把研究对象看做一个小小的隔离系统,其必然自发朝向混乱度增加的方向变化,最终变得混乱无序。大到地球上每一个国家,小到一个企业单位,一个家庭,若没有一个共同遵守的约定,或者法律,或者道德,或者家风家规,则总是趋于混乱无序,最终走向破败毁灭,因此社会学中,常把法律、道德、规则等称作负熵。古人常说“向死而生”,则是从生理上阐明生命的变化过程,青少年时期,新陈代谢旺盛,新的细胞产生速率远远大于旧的细胞的衰老死亡速率,负熵起主要作用,所以渐渐成长;成年后,细胞器官的衰老速率增大,人体熵值增大,所以人渐渐衰老最终走向死亡。
3、变化的限度与平衡
化学变化过程中,反应物会转化为产物,同时,产物也会变为反应物,是物质矛盾斗争的过程,矛盾的双方既对立又统一,双方互为存在的前提。一定条件下,环境固定,则无序的变化进行到一定程度总会稳定下来,矛盾双方趋于统一,宏观上看静止了,称达到了平衡。这就是一定条件下变化的限度。但是这种平衡往往是暂时的、有条件的,当外部条件发生变化,平衡就会被打破,矛盾加剧,然后再经过一段时间,逐渐建立起新的平衡。
4、历史与社会的螺旋发展
宇宙中没有绝对的隔离系统,没有什么是不受其他事物影响而孤立存在的,小到原子大到宇宙星云,都会受到环境的约束和制衡,是各种因素对立又统一的共同体。即使对一个人或者一个家庭来说,也不可能完全将自己孤立起来,当你吃饭、穿衣、读书,都是在与外界进行着物质和精神的交流。因此,生活在一个集体中,你的言行影响着别人,而别人也会影响着你,会有矛盾冲突产生,所以需要自身积极学习,积极去调整去平衡各方面的关系,以使自己能够愉快地生存生活。
在一个社会中,当物质或权利过于集中在某些人或某个阶层手中,只为自己利益考虑,不考虑其他阶层的生存,当两极分化越来越严重,矛盾越来越突出,社会环境越来越糟糕,则量变引起了质变,必然会出现变革,所以必须要逐步完善一系列规章制度法律法规,使经济或政治能够均衡分配,使之达到一定的平衡。但若当新的矛盾产生,不能积极得到解决,积累到一定程度,必会打破原有的平衡,有新的变革出现,然后又逐渐建立新的平衡。如此反复,社会历史就在“变化-稳定-新的变化-新的稳定”过程中循环往复,永不停息地向前发展。当然,引起变化的因素很多,这些因素相互之间也会有制衡,因此,变革的时间会有所延缓,平衡总能够相对稳定一些时期。我们每个人都是自然界的一分子,是社会的一分子,我们所能做的,应该是尽量协调好各方面,建设一个有利的大环境,尽量延缓无序不稳定的局面的出现,使当前的平衡稳定时期多维持一段时间,以有充分的时间去发展!
人类社会的变化如此,地球的变化如此,文明的发展亦如此。在目前物欲横流的社会,很多人只顾自己积累财富,有些国家只顾自己发展,从不考虑对自然、社会以及其他物种生命乃至整个生态环境的影响,长此以往,无序发展的结果必然是毁灭,然后再经过一个漫长的动荡时期,渐渐建立新的秩序或文明。老子说:“天之道,在损有余而补不足;人之道,在损不足而补有余。 ”天之道,即为自然规律,人们若能遵守自然规律,认识自然规律,利用其而不试图去改变或逆转,则人类社会必能保持一段长久的平衡稳定,有充足的时间和能力去建立相对长久的文明。
案例四:熵增原理与“构建人类命运共同体”
案例意义:
1. 让学生正确认识社会和自然发展的基本规律,强化建设“人类命运共同体”的意义,建立科学的世界观。
2. 让学生知道个人习惯建立及生活、心理变化的基本规律,培养科学正确的生活习惯和学习习惯,建立科学的人生观和价值观。
3. 分析热力学第二定律和熵的发展历程,帮助学生建立科学的逻辑思维方法。
本次课的内容属于《物理化学》热力学第二定律的第2讲。热力学理论产生于第一次工业革命蒸汽机的发明和使用过程中对热机效率的研究。热力学第一定律可以解决能量衡算问题,热力学第二定律从热机效率出发解决一定条件下变化是否能够发生的问题(即变化的方向)。判断变化是否能够发生,主要依靠分析熵和吉布斯函数的变化,所以对于熵和吉布斯函数必须要有很透彻的分析和掌握。
内容思维逻辑如下: 第一次工业革命→热机效率→卡诺循环的热温商→任意可逆循环的热温商→可逆过程的热温商→熵及其物理意义→不可逆过程的热温商→克劳修斯不等式→熵增原理→熵判据→不同过程熵变的计算(条件)→变化方向的判断(环境的熵变)→化学变化方向判断(→引入吉布斯函数)
热机效率恒小于1,其极大值就是卡诺热机的效率,通过对卡诺循环、卡诺定理特别是卡诺热机效率的分析研究,引入“熵”这个概念,熵变就是可逆过程中的热温商;同时推导出热二定律的数学表达式克劳修斯不等式,以及熵增原理,隔离系统一切过程熵值永不减少;最后得到熵判据,即隔离系统中的熵增过程都是可以自发进行的。通过分析不同过程熵变计算,解决变化的方向问题,也为后续常见封闭系统的不同过程变化方向判断(即吉布斯函数判据)奠定了基础。
本次课内容逻辑性强,推理过程严谨,环环相扣,理论性强,但同时又与生活实践紧密相关。基本研究思路是,从实践中归纳总结出理论,然后在实践中检验理论,又演绎指导实际生产生活中的具体问题解决。
在对熵和熵增原理的分析中,剖析其在宇宙、自然、地球、生命、社会、生产流通等领域的作用,鼓励学生建立科学的生活方式、正确的学习理念,特别是引入中美在抗疫中的应对策略,介绍习总书记“构建全球命运共同体”,使学生建立科学的世界观和人生观。
因此,本次课对于学生掌握解决实际问题的方法,建立科学的思维,以及课程思政的实施,等等,都具有重要的作用。
案例五:化学中的量变质变与社会公序良俗的形成
质量互变规律是唯物辩证法的基本规律之一。恩格斯说过:“化学可以称为研究物体由于量的构成的变化而发生质变的科学”。根据马克思主义辩证唯物主义哲学,“质”是一事物内部固有的区别于他事物的规定性,事物显著的、根本性质的变化称作“质变”。而化学主要研究物质的组成、结构、性质的变化规律及其中伴随的能量变化,正是研究分子质变的科学。“量”是事物的规模、程度、速度以及构成事物的成分在空间的排列等可以用数量表示的规定性,是区别相同事物的依据。事物在数量和程度上的逐渐的、不显著的变化称作“量变”。量变是质变的前提和必要准备,当量变达到一定程度时,就会引起质变。物质化学运动中的量变和质变具有极为多样的内容和形式,证实了质量互变规律的真理性。
1. 化学中的量变与质变
在物理化学中,可逆过程是典型的量变引起质变的实例。可逆过程是指推动力无限小、系统与环境之间差异无限小、系统内部以及环境在无限接习近平衡条件下进行的过程。可逆过程由无数接近于平衡的状态组成,每一步的变化都很微小,宏观上几乎看不到变化,这样经过很长时间后,数量积累的结果可以看出有变化发生。反向进行时也一样。举一个通俗的例子,从祖国最北方的哈尔滨步行到最南方的香港,每次移动一厘米,则每一步看上去几乎没有移动,但只要时间足够,能够坚持不懈地走,最终总会走到终点。
这一类可逆过程在化学中有很多。在相变过程中如水的蒸发、固体的融化熔融、溶解、结晶等过程,化学反应中反应物分子的碰撞及原子重新组合过程,等等,这些变化都是在微观上渐渐发生的,是宏观上肉眼所看不到的,但在一定条件下,经过一段时间后会发现系统表现出新物质的特性,则可以判断变化已经发生了。
另外,结构的变化也是量变的一种形式,而当结构完成变化,就会转变为另一种分子,表现出新的性质,即生成新的物质,完成质的改变。
2.个人生活中的量变质变与习惯的养成
俗话说“习惯成自然 坚持定性格”。有研究表明,只要坚持做,养成一个好习惯只需20天,同样,坏习惯的养成也是长期由小到大累积起来的。
每天坚持早起读书或者跑步,则前几天可能比较困难,要靠坚强的意志去支撑,而当日积月累,早起成为一种习惯,到了时间生物钟响起,自然就醒了。当助人成为一种习惯,一旦面对问题出现,潜意识中就会伸出双手。
“温水煮青蛙”的故事相信大家都听说过。这是19世纪末美国康奈尔大学科学家做过的一个“水煮青蛙实验”。科学家将青蛙投入40摄氏度的水(不是沸水)中时,青蛙因受不了突如其来的高温刺激立即奋力从开水中跳出来得以成功逃生。当科研人员把青蛙先放入装着冷水的容器中,然后再缓慢加热(每分钟上升0.2摄氏度),结果就不一样了。青蛙反倒因为开始时水温的舒适而在水中悠然自得。当青蛙发现无法忍受高温时,已经心有余而力不足了,不知不觉被煮死在热水中。这是“量变到质变”的典型事例,它告诉我们大环境的改变有时是看不到的,我们必须时时注意,多学习,多警醒,习惯的生活方式,也许对你最具威胁,要改变这一切,唯有不断创新,打破旧有的模式。
3.社会环境中的量变质变与公序良俗的形成
自然环境和社会环境中也有很多量变引起质变的实例。
近些年,地球气温逐年上升,近日有报道称南极冰山融化,冰盖面积减少,海平面上升,沿海很多城市都处于被淹没的危险之中。“温室效应”是自工业革命以来,现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气,产生的和大量排放的汽车尾气中含有的二氧化碳气体进入大气造成的。早在1938年,英国气象学家卡林达在分析了19世纪末世界各地零星的CO2观测资料后,就指出当时CO2浓度已比世纪初上升了6%。由于他还发现从上世纪末到本世纪中叶全球也存在变暖倾向,因而在世界上引起了很大反响。同时,人类可利用淡水资源的减少,雾霾的形成,化肥的大量使用使土壤的恶化,农药的使用使虫子鸟儿死亡造成生态破坏,等等,这些问题都是在现代工业化生产过程中渐渐造成的。
另一方面,每个人都是自然界的一分子,很多人的微小行为累积起来,最后会影响到大的社会环境,个人价值观最后汇成社会公序良俗。2006年,南京一法官判决“彭宇案”的奇葩判词引发全民惊慌,“扶不扶”的问题就此诞生,社会道德日渐滑坡。还有网上众筹的新闻、乞讨诈骗问题,等等,小事一桩桩,却渐渐引起社会的冷漠,公民道德底线降低。而近几年来,媒体对于正能量的报道,对好人的认可和奖励激励,也渐渐提高了民众的道德底线,树立正确的道德观价值观。
所以,“千里之堤溃于蚁穴”,而“雪崩时没有哪片雪花是无辜的”,小概率事件发生多了就成为必然。刘备尚且说“勿以善小而不为,勿以恶小而为之”!自律,做些小事,做些力作能及的好事,会成为自身的好习惯,会影响到周围的人,“积少成多,集腋成裘”,会变成社会公序良俗,形成良好的社会环境。
案例六:化学反应速率与科学婚恋
案例意义: 通过分析化学反应过程,引导学生在交友婚恋过程中遵守的基本原则,培养科学的价值观,追求德智体全面发展。
教学内容:碰撞理论中把反应物A、B分子都看做是没有性质的简单硬球,两个分子在相互的作用力下,先是互相接近,接近到一定距离,分子间的斥力随着距离的减小而很快增大,分子就改变原来的方向而相互远离,完成了一次碰撞过程。碰撞理论认为反应物分子只有发生了有效碰撞才能够进行反应,才有可能生成产物。
延伸理解:首先,两个分子要能够有碰撞的机会,这就像,在芸芸众生中,两个陌生人能够有机会相遇,像你和你的同学、你的室友能够同窗甚至共同生活四年,根本原因来自于你们有共同的志向,高考选择了同一个学校同一个专业!那么假如在一个很大的商场里,两个陌生人相遇而碰撞的机率应该很小吧?但是,人太多了他们可能不小心碰撞了一下,一个说对不起,另一个说没关系,就各走各的路了,这种可能性是最大的;那么如果两个分子碰撞的比较激烈,能量比较高,或者说两个人性格都比较豪爽,比较外向,气场比较强大,一个说我们真是有缘啊,一起喝一杯 奶茶?!然后两个人就坐着聊起来了,一聊,情趣相投,志向相同,性格相近,出身相似,三观相合!真的是心与心的碰撞,像被电击了一下一样!简直不能再好了,那么结拜吧,或者结婚吧!最终修成正果,反应完毕,再生个小分子出来,和和美美一家人!比如钱钟书和杨绛,63年伉俪情深,钱钟书说,“我在遇到你前从未想过要结婚,遇到你后从未想过要和别人结婚”,这才是最美的情话,通篇没有一个“爱”字,但在最直白最简单的语言后面却情深似海!然而,世间像这样完美的爱情毕竟太少了,反应完全的概率太小了,大多数都是因为各种其他因素,最终分离了,反应没有能够发生。《罗马假日》两个主角的戏里戏外,《泰坦尼克号》,俞伯牙与钟子期高山流水知音,这些都是因为各种原因未能相伴终生的例子。总而言之,化学反应的发生,两个反应物分子要有相遇而碰撞的机会,碰撞的动能要足够高,碰撞的位置刚刚好,在连心线上,心与心的碰撞后又刚好有发生反应的外界条件和机会,最后才能生成产物。所以,珍惜生命,珍惜你的家人,珍惜你的同学朋友,更要好好珍惜爱护你的恋人哦!
总结强调:同学们要树立科学的价值观,按照社会主义核心价值观的要求,追求德智体美劳全面发展。物以类聚人以群分,你优秀了,就会吸引到更优秀的人,“三观”相合的朋友或恋人,才能让你得到提升,拥有更有意义的人生。
案例七:水化学与水哲学
水对于人类及社会有着重要的意义,水在生命演化中起到了重要的作用。人类很早就开始对水产生了认识,东西方古代朴素的物质观中都把水视为一种基本的组成元素,水是中国古代五行之一,西方古代的四元素说中也有水。另有研究表明,地球上水约占71%,人体或者生物细胞中,水约占71%。
在化学中,很多反应都是在水环境中进行,无机化学及分析化学中多数理论都与水溶液相关。物理化学中“相平衡”一章单组分系统相图中,结合相图对水进行深入阐释,深入剖析老子的水哲学及《水知道答案》,使学生加深对水的认识,树立“节水爱水”、热爱生命的意识。
1、水的物理和化学性质
水在常温常压下为无色无味的透明液体,通常有气、液、固三态,温度或压力改变,其状态会改变。水分子的化学结构为H2O,不等性sp3杂化,V字型分子。水的热稳定性很强,不能通过加热的方式使其分解,只能通过电解分解。水的溶解能力很强,所有物质都会在水中溶解,自然界中纯水是罕见的。
水的密度反常变化,水在3.98℃时密度最大。按照常理,物质都有“热胀冷缩”的特点,即相同质量的物质温度升高密度变小体积变大,温度降低密度变大体积变小。但是水只有3.98摄氏度时密度最大,温度上升或下降密度都会变小体积变大,所以水结冰后会浮在水面上。南北极的冰山都在水面上漂浮着,形成冰盖,而下面水保持3.98℃左右,保障了生物的生存。
2、老子谈水的四种美德
第一,至善之功。老子说“上善若水,水善利万物而不争。”即:“上善的人好像水一样,水善于滋养万物而不和万物相争“。
第二,至谦之德。老子说“水善利万物而不争,居众人之所恶,故几于道。” 即:“水善于滋养万物而不和万物相争,停留在大家厌恶的地方,所以这样最接近于道”。
第三,至大之量。“江海所以为百谷王者,以其善下之,故为百谷王”。即江海所以能够成为百川河流所汇往的地方,乃是由于它善于处在低下的地方,所以能够成为百川之王。
第四,至柔之刚。老子说“天下莫柔弱于水,而攻坚强者莫之能胜,以其无以易之。弱之胜强,柔之胜刚,天下莫不知,莫能行。”遍天下再没有什么东西比水更柔弱了,而攻坚李克强却没有什么东西可以胜过水。弱胜过强,柔胜过刚,遍天下没有人不知道,但是没有人能实行。
3、《水知道答案》论证水的感性
《水知道答案》是日本摄影师江本胜在冷室高速摄影拍摄水在不同图片文字和声音环境下的结晶,然后做出的一些感性解释。目前有人反映该书是伪科学,但是符合人们对美好感情的向往,正能量满满,因此,可以在课堂上调节气氛,用来激励学生去追求美好的事物。
《水知道答案》中,作者用122张通过显微摄影拍下的奇形怪状的水结晶照片,试图向读者展示“水能听,水能看,水知道生命的答案”的奇异观点。在最初的观察中,他们发现城市中被漂白的自来水几乎无法形成结晶;而只要是天然水,无论出自何处,他们所展现的结晶都异常美丽。当研究员在实验水两边放上音箱,让水“听”音乐。听了贝多芬《田园交响曲》的水结晶美丽工整,而听了莫扎特《第40号交响曲》的水结晶则展现出一种华丽的美。研究员进而在装水的瓶壁上贴上不同的字或照片让水“看”,结果不管是哪种语言,看到“谢谢”的水结晶非常清晰地呈现出美丽的六角形;看到“混蛋”或者“烦死了”的水结晶破碎而零散。简而言之,只要水感受到了美好与善良的感情时,水结晶就显得十分美丽;当感受到丑恶与负面的情感时,水结晶就显得不规则且丑陋。
在波动理论里,世间万物都处在波动的状态中,各自拥有一定的波长和固定的频率。不仅人们周围的物体呈波动状态,就连各种文字、声音、图像,以及我们的心理变化和情感活动也呈现为一种波动状态。而构成人体的60~70%是水,地球表面也有70%被水覆盖,所以当人们看不见、听不到、摸不着波动的时候,水却能感受到,并且受到强烈的影响。水结晶也许正是这些影响的信息记录。
每一滴水都是一个生命!每一个人都有对美好生命的向往!珍爱生命,珍惜水!
案例八:建立“微观结构决定宏观性质”理念,阐释“相由心生”
物质的微观结构决定其宏观性质。例如,原子结构中核外电子排布决定元素宏观性质;分子同素异形体、同分异构体、手性分子等结构不同会产生性质迥异的不同物质,有些有益于人类,而另一些可能会有害;结构不同,物质颜色会变化,形成了多彩的世界,也决定了指示剂在滴定分析中的使用,等等。
在胶体化学中,胶体的结构决定其电学、光学性质、动力学性质等,表面化学中表面活性剂分子的两亲结构影响其宏观作用。
同时,化学变化虽是一个宏观行为,但究其基本原理是所有微观行为的宏观表现。而人体的组成中主要是蛋白质、水分及有关无机元素,心情的变化会影响体内化合物的合成,影响其身体健康,长期的心情愉悦、眉飞色舞或者心地慈善,使面容也会发生很大变化,所以民间有“慈眉善目”之说。
案例九:“敞开系统”与改革开放
系统就是研究对象,根据它和环境之间的关系,可以分为三类:敞开系统、封闭系统和隔离系统。敞开系统,顾名思意就是一个开放的open system,系统与环境之间既有物质交换又有能量交换。
例如,人就是一个典型的敞开系统,当人吃饭的时候就和环境之间有了物质交换,随着外界气温的变化要穿上棉袄或者开着空调,这就是人和环境之间的能量交换。人和他人的交往或者读书学习也是和环境进行能量交换的过程,要完全和环境隔离,不与他人沟通交流,完全封闭或者闭门造车不会有正常的生活,势必会被淘汰。
同样道理,一个国家也是一个敞开系统。清朝时实行闭关锁国的政策,自以为是高高在上,结果就只有落后等着挨打,而欧洲国家已经开始了工业革命得到大发展。中华人民共和国建立后,积极推出“和平共处五项原则”的外交政策,到后来提出改革开放的各项政策,所以能够得到积极的发展,国强民富。
但是开放也是有一定度的,不能完全无条件的敞开全盘接纳,要结合我们的实际情况有选择地进行开放,所以我们提出走“中国特色的社会主义道路”,也就是说我们可以吸纳别人的优秀的好的经验,但是我们也要结合我们自己的实际国情去走属于我们自己的道路。
案例十:Hess定律与科学世界观
案例意义:树立正确的世界观、全局观。
反应热一般可以通过实验测出。但是,有些复杂反应的某些反应若难以控制,该步反应的反应热就不易准确测定。例如,在等温、等压下C(s)氧化生成CO(g)的反应热就很难测定。19世纪中叶俄国化学家G. H. Hess 在实验中总结出一条规律:一个化学反应如果分几步完成,则总反应的反应热等于各步反应的反应热之和,此即赫斯定律。从热力学观点来讲,化学反应的焓变(与过程的恒压热在量值上相等)只取决于反应的始态和终态,而与变化过程的具体途径无关。因此,在已知C(s)氧化生成CO2(g)和CO(g)氧化生成CO2(g)的反应热的情况下,通过赫斯定律即可求出等温、等压下C(s)氧化生成CO(g)的反应热。
规律不同于规则。规则是人制定的,规律(不管是自然规律还是社会规律)是客观的。人不能创造、消灭、改变规律,但可以认识规律,利用规律。应用赫斯定律通过计算不仅可以得到某些等压反应热,从而减少大量实验测定工作,而且可以计算出难以或无法用实验测定的某些反应的反应热。从赫斯定律的应用中可以看出,正确树立全局观念,办事情从整体着眼,有时候会有“柳暗花明又一村”的收获。