培养符合时代发展需要的优秀人才，是新时代教育工作的根本任务，也是教育现代化的方向目标。新时代大学教育要促进学生全面发展，培养综合素质高的社会主义接班人，即要求教师在教学工作中不仅要传承学术价值，更重要的是以立德树人为目标充分挖掘课程自身的育人属性。课程是人才培养的基本单元，是体现“以学生发展为中心”理念的“最后一公里”落地的工作。新时代大学教育中以理论课程为载体的课程思政教学是促进大学生三观成熟的重要途径^{[1, 2]}。通过传统课程教学与思政教学同向同行、融合发展的育人模式^{[3, 4]}，强化学生学习、发展与获得的关联，有针对性地提高学生获得感，让学生拥有追求美好生活的持久动力^{[1, 5]}，为全面发展打下坚实的基础。

化学是一门特别强调变化和不断发展的学科。近代化学经过300多年的发展，对物质存在及变化的本质已经具备了一定的理论基础。人类可以应用现有理论预测、控制和设计许多化学变化。化学原理及相关研究成果体现在生产和生活的方方面面，了解和应用化学知识对普通大众提升生活品质、实现健康生活具有重要的意义^[6]。

普通化学作为大类招生教育体系下非化学类专业本科生的通识课程，通过普通化学的学习，学生能够从热力学和动力学角度辨证统一地认识化学反应的可能性和现实性，应用相关理论解决日常生活、生产乃至基础理论研究中遇到的化学问题，这对于非化学类专业学生化学素养的培养、综合素质的提高都具有十分重要的意义^[7]。

我校普通化学教学团队多年来依托自建的优质MOOC资源，在全教学周期紧紧围绕“前沿与基础相关联”“素质与能力共促进”理念不断挖掘课程思政元素，形成了围绕全课程知识点的“化学原理系统化、化学知识有用化、化学应用善恶化、前沿基础融合化”普通化学“四化”课程教学模式，秉承“以学生为中心、立德树人”的宗旨，将理论知识与课程思政系统性融合，促进了日常教学回归教育本真^[8]，助益培养既有深厚化学素养和实践动手能力，又兼具优良品德和家国情怀、堪当民族复兴大任的时代新人，为高等教育以德育人、为党育人、为国育才的教学目标充分助力。

化学是研究变化的科学。千百年来，化学的发展逐渐打开了宏观与微观之间的通道，消除了物质与信息之间的界限，揭开了物质变化的奥秘^[9]；化学的发展使得化学反应的系统理论知识体系逐步随研究总结而形成，其中在研究任一化学变化时，有以下四个最重要的问题需要首先思考：

1) 如果反应能够发生，反应过程中能量如何变化(吸热、放热)？

2) 在一定的条件下，化学反应是否能够发生？

3) 在一定的条件下，如果反应能够进行，反应进行的程度如何？

4) 如果反应能够进行，反应发生的快慢如何?

本课程所学热力学基础、动力学基础即是解决这些问题的最基本原理^[10]。以合成氨反应为例(N₂(g) + 3H₂(g) = 2NH₃(g))，其基本热力学数据如表 1所示。

合成氨反应是20世纪以来人类进步的重要反应之一，它的出现使得人工合成氮肥成为可能，是人类征服自然的一个划时代的丰碑。早在l754年，Briestly就用硇砂和石灰共热第一次人工合成了氨^[12]，但直到1913年第一套合成氨的装置才正式投产。在这100多年间，近代化学发展逐渐科学化、系统化，人们对元素的认知逐渐清晰，逐渐探明了化学反应进行的条件。也正是这种对化学反应基本原理的逐步系统认识，才使得合成氨反应得以于20世纪初在高温高压条件下成为现实。

在教学过程中，我们以合成氨反应为例，通过以上四个问题的学习，使学生深刻、系统地理解化学反应基本原理的基础理论体系。

在化学反应过程中，能量的转化是绕不开的话题，如化学能与热能、化学能与电能等。其中化学能与热能是伴随所有化学反应最基础的能量交换，从人类学会用火开始即是研究探索的重点。课程首先通过介绍热力学第一定律把学生的思维引导到化学反应热效应概念上来。通过化学反应焓相关知识点的学习(1、反应条件：恒温恒压，不做非体积功的情况；2、数学表达式：H = U + pV；3、反应焓变计算公式：$ {\text{Δ}}_{\text{r}}{\text{H}}_{\text{m}}^{\text{⊖}}\text{}=\text{}{\sum }_{\text{B}}{\text{ν}}_{\text{B}}{\text{Δ}}_{\text{f}}{\text{H}}_{\text{m}}^{\text{⊖}}\left(\text{生成物}\right)\text{-}\text{}{\sum }_{\text{B}}{\text{ν}}_{\text{B}}{\text{Δ}}_{\text{f}}{\text{H}}_{\text{m}}^{\text{⊖}}\left(\text{反应物}\right) $；4、人为规定焓变小于零为放热反应，焓变大于零为吸热反应)，一般直觉认为放热的反应宜自发进行，而合成氨的反应通过相关计算可见(式(1))，从热力学角度而言，这一反应是放热的，但是在常温常压条件下反应并不能进行，由此可以得知根据热效应不能判断化学反应能否发生。

(1)$ \Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\ominus}=\sum_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} \Delta_{\mathrm{f}} H_{\mathrm{m}}^{\ominus}(\text { 生成物 })-\sum_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} \Delta_{\mathrm{f}} H_{\mathrm{m}}^{\ominus}(\text { 反应物 })=-92.22 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$

通过课本有关反应熵与吉布斯自由能知识的学习，学生了解到化学反应能够发生的条件是在一定条件下反应吉布斯自由能变(∆_rG_m = ∆_rH_m − T∆_rS_m)小于零。经计算学生会发现合成氨反应在标准状态下的反应吉布斯自由能变小于零，即从热力学角度看，标准状态下(IUPAC规定标准状态^{[11, 13]})合成氨反应是可以自发进行的(式(2)、式(3))。而传统的Haber-Bosch法合成氨需要高温高压(573–773 K、15–30 MPa)条件下进行，这似乎产生了理论与实际之间的矛盾，它说明∆_rG_m < 0只是化学反应发生的必要而非充分条件。这时就需要综合考虑以上四个问题，强化理解化学反应可以进行与否的条件核心，即该反应需在高温高压条件下克服其高活化能(60–115 kJ∙mol⁻¹) ^{[14, 15]}才能进行。通过范特霍夫等温方程($ {\text{Δ}}_{\text{r}}{\text{G}}_{\text{m}}\left(\text{T}\right)\text{}\text{=}\text{}{\text{Δ}}_{\text{r}}{\text{G}}_{\text{m}}^{\text{⊖}}\left(\text{T}\right)\text{}\text{+}\text{}\text{RT}\text{ln}\text{Q} $)计算也可以得知，此反应条件下(773 K、30 MPa)，摩尔反应吉布斯自由能变小于零(式(4))，即达成了必要且充分的条件，于是完美解决了实际与理想间看似矛盾实则统一的问题。

(2)$ \Delta_{\mathrm{r}} S_{\mathrm{m}}^{\ominus}=\sum_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} S_{\mathrm{m}}^{\ominus}(\text { 生成物 })-\sum_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} S_{\mathrm{m}}^{\ominus}(\text { 反应物 })=-198.76 \mathrm{~J} \cdot \mathrm{mol}^{-1} \cdot \mathrm{K}^{-1} $

(3)$\Delta_{\mathrm{r}} G_{\mathrm{m}}^{\ominus}(298.15 \mathrm{~K})=\Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\ominus}-T \Delta_{\mathrm{r}} S_{\mathrm{m}}^{\ominus}=-32.96 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$

(4)$ \Delta_{\mathrm{r}} G_{\mathrm{m}}(773 \mathrm{~K})=\Delta_{\mathrm{r}} G_{\mathrm{m}}^{\ominus}(773 \mathrm{~K})+R T \ln Q=-68.10 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1} $

研究了合成氨的反应可能性，接下来要解决的问题即是特定条件下该反应可以进行的程度。要解决这一关键问题即要引出反应平衡和标准平衡常数的相关概念。通过标准平衡常数与反应吉布斯自由能相互关系的公式对该条件下氨合成的平衡常数进行计算分析(式(5))，可以看出此条件下反应平衡常数很小，即反应温度为773 K时，在标准状态下反应进行的程度很低。如果想要反应持续进行就必须打破反应的平衡状态，传统的Haber-Bosch法合成氨即是通过高压条件改变反应商以使反应平衡移动从而使反应达到实际要求的。

(5)$K^{\ominus}=\mathrm{e}^{-\frac{\Delta_{\mathrm{r}} G_{\mathfrak{m}}^{\ominus}(773 \mathrm{~K})}{R T}}=7.07 \times 10^{-5}$

对于一个化学反应，前面三个问题是从化学热力学角度解决理论上化学反应能否进行的问题，要使一个化学反应的发生变成现实，反应进行的快慢是必须考虑的问题。从化学反应动力学的角度探讨反应速率即所关注的第四个问题：特定条件下反应的快慢如何。通过这一部分知识的学习，学生在掌握速率方程($ v=k c_{\mathrm{A}}^\alpha c_{\mathrm{B}}^\beta$)和阿伦尼乌斯方程(k = Aexp(−E_a/RT))后，对反应速率影响因素的作用原理进一步系统理解，也可以解释为什么氨的合成实际情况中必须在高温高压下反应了。

本课程教研团队依托线上线下教学资源，以合成氨反应为主线对原来散落的、晦涩的知识点进行系统化梳理，对普通化学进行“化学原理系统化”教学。学生通过将所学知识点与合成氨的反应要素进行一一对应，形象地理解课本中状态函数、反应热、反应焓变、反应吉布斯自由能变、标准平衡常数、速率常数等概念以及它们之间的相互联系和转换关系，形成对课本知识的系统化理解；同时，也可以通过所学知识验证为什么Haber-Bosch法合成氨反应可以成功应用于工业生产，从而逐步形成了学习化学“明物质形成变化之理”的化学素养。

理论原理都是从具体的问题抽象总结来的，这些概括化的知识点只有在具体的问题运用中才有价值和意义。化学反应的这些基本原理及相关研究成果体现在我们生产和生活的方方面面，了解和应用这些知识对公众提升生活质量是非常重要的途径^[16]。我校普通化学教研团队在基本原理系统化教学的基础上，注重知识点的实际应用能力教学，使学生在学习过程中增强化学有用的信念，促使学生保持持久的学习内驱力，这也是教学质量提高的最有力保障。

2020年9月11日，习近平总书记在科学家座谈会上提出科技发展的四个面向要求^[17]，其中面向人民健康生活正是化学与生活休戚相关的写照，也是化学研究与应用所应坚持的最基本理念。化学作为人类文明的基石之一，虽然工业革命以来在普通大众看来是污染与危险的代名词，但它的存在与发展更应该是解决人民生命健康与环境绿色发展的问题。在普通化学课程中，应用化学知识解决以上问题着重体现在酸碱解离平衡、难溶电解质解离平衡、氧化还原平衡等知识点中。

缓冲溶液对人体健康具有非常重要的意义，人体的各种体液中都包含有缓冲体系。缓冲溶液是能够抵抗外加少量酸、碱或稀释，而本身pH不发生显著变化的溶液，在缓冲溶液教学中最核心的部分即缓冲溶液pH的计算，其核心知识点就是酸碱解离平衡的相关知识。在教学过程中，通过与化学平衡之间的类比、推导、归纳出酸碱解离平衡的含义和特征，并用解离平衡常数($ {{K}}_{\text{a}}^{\text{⊖}} $(弱酸解离常数)和$ {{K}}_{\text{b}}^{\text{⊖}} $(弱碱解离常数))来加以表征、描述。如果忽略水的解离，缓冲溶液pH的计算公式为：

(6)$ \mathrm{pH}=\mathrm{p} K_{\mathrm{a}}^{\ominus}-\lg \frac{c(\text { 共轭酸 })}{c(\text { 共轭碱 })} $

以人体血液中的H₂CO₃-NaHCO₃缓冲体系为例(图 1)，当酸(H⁺)进入时，H⁺会与抗酸成分HCO₃⁻结合形成H₂CO₃，促使平衡向左移动，从而“消耗”H⁺，产生的H₂CO₃会分解生成H₂O和CO₂，通过肺部排出体外。当碱(OH⁻)进入时，OH⁻会结合H⁺形成H₂O，促使平衡向右移动，从而“消耗”了抗碱成分H₂CO₃，产生的H₂O经由肾脏通过排泄作用排出，最终使得血液中的pH保持在7.35–7.45 ^{[18, 19]}。

在日常生产生活中，水资源环境的优劣与我们的健康生活息息相关，处理如金属离子污染等水环境问题时，难溶强电解质的多相解离平衡是关键知识点，其核心内容是溶度积规则及其应用，其中包括一些基本概念的理解(如：难溶电解质解离平衡、溶度积常数($ {{K}}_{\text{s}\text{p}}^{\text{⊖}} $)、离子积等)。在教学过程中，通过与化学平衡之间的类比、推导、归纳出难溶电解质解离平衡的含义和特征，运用溶度积规则(图 2)来加以表征、描述，培养学生深入理解沉淀生成、溶解和转化的原理及方法，体会难溶电解质解离平衡的广泛存在性及相应价值。

以生活中常见的龋齿形成及防治为例(图 3)，羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)是人体骨骼和牙齿的主要无机组成成分。当牙面生态膜内的pH下降到5或5以下时羟基磷灰石溶解性增大，釉质表层下缓慢溶解脱矿(表现为龋齿)；正常情况下唾液内也含有丰富的羟基磷灰石，pH接近中性，钙与磷酸盐呈过饱和状态，唾液中的钙会发生再矿化。可见口腔中羟基磷灰石处于一个脱矿与再矿化的动态平衡，保持这个平衡将有利于牙齿的健康；如受到糖类物质的攻击将使这个平衡被破坏向脱矿方面移动，从而引起龋齿的发生^[20]。

针对龋齿问题，市面上出现含氟型牙膏。与普通牙膏相比，含氟牙膏添加了一定量氟化钠等氟化物成分。研究表明，氟磷灰石的溶度积常数比羟基磷灰石低近百倍($ {{K}}_{\text{sp}}^{\text{⊖}}\text{(}{\text{Ca}}_{\text{10}}{\left(\text{P}{\text{O}}_{\text{4}}\right)}_{\text{6}}{\left(\text{OH}\right)}_{\text{2}}\text{) =}\text{}\text{2.35}\text{}\text{×}{\text{10}}^{-\text{59}}；{{K}}_{\text{sp}}^{\text{⊖}}\left({\text{Ca}}_{\text{10}}{\left(\text{P}{\text{O}}_{\text{4}}\right)}_{\text{6}}{\text{F}}_{\text{2}}\right]\text{= 7.1 ×}{\text{10}}^{-\text{61}} $)，根据式(7)计算可见图 4沉淀转化的反应是可以发生的。可见氟磷灰石比羟基磷灰石更加耐酸，能够抑制牙齿脱矿及促进再矿化保护牙齿健康。

(7)$ K^{\ominus}=\frac{c\left(\mathrm{OH}^{-}\right)}{c\left(\mathrm{~F}^{-}\right)}=\frac{K_{\mathrm{sp}}^{\ominus}\left(\mathrm{Ca}_{10}\left(\mathrm{PO}_4\right)_6(\mathrm{OH})_2\right)}{K_{\mathrm{sp}}^{\ominus}\left(\mathrm{Ca}_{10}\left(\mathrm{PO}_4\right)_6 \mathrm{~F}_2\right)}=\frac{2.35 \times 10^{-59}}{7.10 \times 10^{-61}}=33.09$

工业时代以来对化石燃料的过度使用导致我们生存的环境面临日趋严重的危机。为持续推动我国的工业化建设和经济高质量发展，更好地推进“绿水青山就是金山银山”战略，发展清洁能源成为亟待解决的问题。而电化学能源的高效应用即在一定程度上有助于解决当下的能源问题。学习电化学基础知识，最核心的部分即氧化还原平衡的相关知识点。课程通过与化学平衡之间的类比、推导、归纳出氧化还原反应的特征和定量化分析(电动势(E))、电极电势(φ))能斯特方程的理解和应用)。

作为构成现代电化学工程的科学基础之一，能斯特方程成功地用来描述电极、原电池的可逆电势与标准电极电势及反应物活度的定量关系，为电极材料和电池体系的设计提供了重要的前期理论依据。

普通化学通过“化学知识有用化”教学，着力知识点与实际应用的结合，突出化学在解决面向人民生命健康、面向科技前沿问题时所发挥的作用，形成科学知识对习近平总书记生态发展观的有力支撑，促使学生形成了“学化学促进民物和谐共生”的理想信念。理想信念是人的精神支柱，是社会责任意识产生的源泉和基础，认识到每门课程的价值所在将有助于学生学习获得感和人生责任感的提高，对学生综合素质的培养有重要的意义。

党的十八大以来，习近平总书记多次给新时代高等教育做出重要指示，同时他也对青少年的发展提出“六点寄语”^{[21, 22]}，从老师教学与学生发展的角度提出了德育发展的重要性。司马光强调有才无德者断不可用，无数历史事实也证明了有才无德者对人民健康幸福、社会健康发展的巨大危害^[23]。为贯彻大学教育以德育人、立德树人的宗旨，我校普通化学教研团队在理论知识系统化、知识应用有用化教学的基础上，着重挖掘知识点中关于专业素质、职业道德的思政元素，助力学生德才兼备、全面发展。

以德国物理化学家、合成氨的发明者弗里茨·哈伯为例，赞扬他的人说他是天使，为人类带来了丰收和喜悦，是用空气制造面包的圣人。前面提到的Haber-bosch传统合成氨工艺即是他提出的，这一工艺的成功应用是具有世界意义的，它结束了人类完全依靠天然氮肥的历史，给世界农业发展带来了福音，也是化工生产实现高温、高压催化反应的第一个里程碑。但这一里程碑式的跨越也间接给人类带来了灾难，军工需要的大量硝酸、炸药的原料因催化工业的发展得到了极大的丰富；因为氯气弹投入战场，哈伯也成为第一次世界大战化学武器的罪魁，这也是为什么诅咒他的人说他是魔鬼，给人类带来痛苦和死亡。诺贝尔化学奖是对他为人类贡献的最大褒奖，同时他惨淡的后半生也是为他的罪恶赎罪。哈伯的一生完美诠释了科学技术应用的“两面性”^{[24, 25]}，两种针锋相对、截然不同的评价，也警示着后世科研工作者坚守自己的职业道德。

科学本身是中性的，没有善恶的，是相应的技术应用让它区别了“善”与“恶”^[26]。在人类历史长河中，正是化学的不断发展造就了大千世界的绚彩纷呈。化学作为人类的无价财富，它可以化腐朽为神奇，而不应只是工业时代以来污染和危险的代名词。我校普通化学教研团队通过全过程“化学应用善恶化”模式的教学，促使学生化学素养进一步提高，使学生在明确化学反应基本原理的同时，深刻理解化学如何应用于社会发展之利害，形成了“学化学崇人生徙善远罪”的人生哲学，为全面发展打下坚实的基础。

为全面贯彻立德树人根本宗旨，助力培养学生全面发展，普通化学教研室在“前沿与基础相关联”“素质与能力共促进”理念的指导下，逐步强化全课程知识点与科技社会前沿有机融合，使学生在化学知识学习过程中培养起利用所学知识解决时代问题的时代使命感和责任感。

进入新时代，中国彰显大国使命与担当的突出热点即习近平总书记在2020年9月第75届联合国大会上提出的“碳达峰、碳中和”中国时间表^[27]。这一掷地有声的声明体现了新时代中国的大国担当，也体现了新时代中国强调高质量发展要面向人民生命健康的时代使命。

实现“碳达峰、碳中和”需要各行业和个人在各自的职业范畴内强化节能减排意识、践行绿色低碳意识。特别是一些高耗能产业要依托科技创新、推进技术革新，促进化石能源应用为主体向多元形式能源应用转变。以合成氨工业为例，合成氨的活化能范围通常在60–115 kJ∙mol⁻¹，高温高压反应过程中每合成一吨氨能源使用量超过30 GJ，年能源消耗占到世界总能源消耗的2%左右，碳排放量超过2.16 kg CO₂/kg NH₃^{[14, 15]}。可见未来合成氨工业的革新还任重道远，包括传统热催化、电催化、光催化等多个领域的研究还需要进一步深入推进。

在“碳达峰、碳中和”实现的道路上高校负有“特殊责任”，即培养一大批未来各行业的储备人才。未来各行业如何在“碳达峰、碳中和”实现的道路上披荆斩棘，从业人员的化学素养将提供重要的理论和实践指导。普通化学作为一门通识类课程，也有一定的“特殊责任”，即通过热点前沿与课程知识结构的有机融合，从化学素养和思想理念两方面助力培养学生担当时代使命的责任意识，形成“力行时代‘双碳’使命”的时代责任感，使大学生担负起未来工作中“两碳”时间表推进过程中的专业责任，做到学以致用。

我校普通化学教研团队在“前沿与基础相关联”“素质与能力共促进”理念的指导下，以自建的优质慕课为载体，立足立德树人基本要求，助力大学生全面发展，深度钻研理论知识点的德育元素，在全教学周期依托“化学原理系统化、化学知识有用化、化学应用善恶化、前沿基础融合化”的“四化”教学模式(图 5，表 2)，培养学生逐步树立“明物质形成变化之理”的化学素养、淬炼“增民物和谐共生之信”的理想信念、养成“崇人生徙善远罪之德”的人生哲学、锤炼“力时代‘双碳’使命之行”的责任担当，这与党史学习教育要求的“学史明理、学史增信、学史崇德、学史力行”异曲同工、不谋而合。

普通化学教学通过“四化”课程教学模式的不断完善，使老师和学生在教学和学习过程中充分意识到自然科学与社会科学发展同频共振、化学学习与党史教育同向同行，有效地培养了学生的爱国情怀。在教学全过程中使学生进一步坚定了只有共产党才能救中国、只有共产党的强大才能复兴中国的信念，充分实现了普通化学作为大一学生的一门通识课程助力高等教育立德树人、为党育人、为国育才的目标实现。