雙一流背景下應用型本科院校物理化學實驗教學體系的改革與實踐*

歐利輝，靳俊玲，沈廣宇，張春香

(湖南文理學院化學與材料工程學院，湖南 常德 415000)

物理化學實驗是我?；瘜W、材料科學與工程、環境工程和制藥工程等專業的一門專業基礎課程，具有綜合性強、實驗原理抽象、儀器操作復雜和數據處理嚴謹等特點，其在培養學生創新能力、實踐能力和數據處理能力等方面起著極為重要的作用。在當前國家實施一流高校以及一流學科建設的背景下，根據物理化學實驗課程的特點以及學生學習情況來看，我校物理化學實驗課程教學水平目前尚未達到一流學科的要求。目前我校的物理化學實驗課程教學過程仍采用以教師講授實驗原理、實驗步驟和數據處理要求為主、學生按照教師要求機械地完成實驗教學內容，這種教學方式既不能很好地調動學生的學習積極性，學生只能被動地接受，更不利于培養學生的創新精神和實踐能力，不能滿足雙一流背景下應用型本科院校對創新型和應用型人才培養的要求[1]。因此，湖南文理學院作為應用型本科院校，對物理化學實驗教學體系的改革是當前一項極為緊迫的工作。

1 我校物理化學實驗課程教學體系面臨的挑戰

《高等教育法》明確指出，高等教育的任務是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才。對于應用型本科院校，物理化學實驗教學在創新人才培養和素質教育中起著非常重要的作用。然而，傳統的物理化學實驗教學體系越來越顯現出其諸多弊端：實驗課僅僅是對理論的簡單驗證，缺乏對所學知識進行融會貫通，舉一反三能力的培養；實驗內容重復，缺乏完整性，僅局限于本課程內容的實驗，而與其他課程的橫向聯系較少；缺乏對學生綜合素質的培養，如綜合實驗能力、實驗設計能力和研究能力的培養；實驗內容陳舊老化，更新速度緩慢與現代科學發展結合較少，與現代物理化學的研究內容和方法銜接較少，不利于學生創新能力的提高；教學手段單一、落后，嚴重影響學生對實驗課的興趣，不利于實驗課教學質量的提高；學生實驗主要是按實驗教材進行實驗操作，是被動的，因此學生對實驗課不夠認真；開課方式老套，經常大循環，部分實驗甚至超前理論教學的實際情況，無法達到預期教學效果；尤其是，由于實驗儀器設備的限制，傳統的物理化學實驗無法實現對物理化學理論課程中反應機理系統的認識。如何解決傳統物理化學實驗課程理論及實驗教學的問題，提高物理化學實驗課程的教學質量，增強學生對物理化學實驗課程的學習興趣是目前課程改革內容中討論的一個熱點問題。

2 我校物理化學實驗課程教學體系的改革與實踐

作為應用型本科院校，我校將服務區域經濟社會發展作為自己的使命擔當，為地方經濟社會發展提供科技支撐和人才支持。自我校第四次黨代會以來，學校進一步明晰辦學思路，確定了“特色鮮明的國內一流應用型大學”的建設目標。因此，針對我校物理化學實驗課程教學體系面臨的挑戰，本論文將在在教學內容、教學模式和教學方法等方面進行改革與實踐，進一步加強對學生創新思維和創新意識的培養，增強學生學習的主觀能動性，滿足雙一流背景下應用型本科院校對創新型和應用型人才培養的要求。

2.1 一體化三層次的物理化學實驗教學體系的構建

為了緊跟時代步伐和適應形勢發展的要求，本論文提出打破現有傳統物理化學實驗課程教學體系，根據我校性質和專業特點，構建符合本校實際的一體化三層次的物理化學實驗課程教學體系，使之適應創新型和應用型人才的培養[2]。這對于學生綜合素質的提高和創新能力的培養，對于我校本科教學水平和學科建設上新臺階都具有十分重要的意義。根據物理化學實驗教學對象和內容，按以下思路及方法構建物理化學實驗課程教學體系。

第一層次為基礎性物理化學實驗，可以增強學生物理化學基本實驗技能的掌握。主要包括驗證性實驗。學生通過第一層次的基礎性物理化學實驗，可以熟練掌握物理化學實驗儀器的使用、學會常用的物理化學實驗方法，例如，恒溫水浴的操作及溫度設定、壓力計的使用及讀數等，可為后續綜合性實驗和創新性實驗的教學打下堅實的基礎。

第二層次為綜合性物理化學實驗，可培養學生對物理化學知識和其他相關學科知識的綜合運用能力。綜合性物理化學實驗課程教學體系根據專業而有所差異?；瘜W專業：物理化學綜合性實驗包括有機合成實驗、無機合成實驗、分析化學實驗以及儀器分析實驗與物理化學實驗的綜合。同時，由于我校的化學專業為師范類方向，綜合性物理化學實驗還包括了中學化學實驗與物理化學實驗的綜合。材料科學與工程專業：綜合性物理化學實驗主要包括無機非金屬材料實驗和高分子材料實驗與物理化學實驗的綜合。環境工程專業：綜合性物理化學實驗主要包括環境化學實驗和化工原理實驗與物理化學實驗的綜合。制藥工程專業：綜合性物理化學實驗主要包括藥物合成實驗和化工原理實驗與物理化學實驗的綜合。

第三層次為創新性實驗。創新性實驗主要以研究性實驗為主，培養學生創新思維、創新意識以及解決科學問題的能力。學生依托教師科研項目，在教師指導下，自主設計實驗，確定實驗儀器和實驗方案，以此來培養學生的初步科研能力。例如，二氧化碳是引發溫室效應的主要氣體，如何在不影響經濟發展的前提下有效地減少大氣中二氧化碳的含量，是人類當前在碳中和以及碳達峰背景下面臨的重大環境問題。因此，二氧化碳電催化還原形成碳氫化合物成為了當前的研究熱點，實驗指導教師可以此設計創新性實驗，啟發學生研究二氧化碳的電催化還原機理。結合我校實際和實驗指導教師科研背景，可引導學生設計二氧化碳在銅電極表面電催化還原形成甲烷產物的可能路徑，然后指導學生在實驗室使用高性能計算服務器通過密度泛函理論計算獲得不同電極電勢下二氧化碳電催化還原形成甲烷產物的最佳反應路徑。根據創新性實驗研究，當電極電勢為-0.50 V時，二氧化碳第一步電化學還原形成甲酸和一氧化碳的反應自由能極為接近，而且一氧化碳的進一步電催化還原是一個吸熱過程。因此，學生可以得出-0.50 V以正的電極電勢下銅電極表面應該主要形成的甲酸和一氧化碳產物。隨著電極電勢逐漸變負，二氧化碳電催化還原形成甲酸和一氧化碳的反應自由能的差值逐漸增加，形成一氧化碳的趨勢越來越容易，并且一氧化碳的進一步電催化還原反應逐漸變為放熱反應。因此，當電極電勢為-0.67 V時，在銅電極表面發生的主要是二氧化碳電催化還原形成一氧化碳的反應。隨著電極電勢進一步變負，當電極電勢為-0.90 V時，一氧化碳的后續電化學還原反應逐漸變為強放熱反應，因此，形成甲烷產物的趨勢變強。通過此創新性實驗，學生對二氧化碳的電催化還原路徑有了一個清晰的圖像，并且學生可以對物理化學中的熱力學、電化學和動力學有一個系統的理解，同時也進一步提升了學生的科研能力。一體化三層次的物理化學實驗教學體系可以克服原始的物理化學實驗與其他實驗課程關聯較少，甚至部分物理化學實驗內容與其他實驗課程出現重復的問題，從而有利于創新型和應用型人才的培養，實現一體化三層次的物理化學實驗課程教學體系。

2.2 虛擬仿真實驗教學推進物理化學實驗課程教學體系的改革與實踐

我校目前具有一門表面催化計算化學虛擬仿真實驗湖南省一流課程，其中，表面催化反應屬于物理化學課程的范疇。將線上表面催化計算化學虛擬仿真實驗教學平臺與線下物理化學實驗課程教學有機結合，互相補充，提高教學內容的科技時效性，豐富教學手段。這種虛擬仿真實驗教學輔助的自主化與智能化，有效提高了學生以問題作為切入點，以實驗作為突破口，自主探索專業理論知識的能力，促進教師優化傳統物理化學實驗教學體系。同時，在引入虛擬仿真實驗項目時，在實體實驗項目的選擇性方面，應主要淘汰簡單驗證性、陳舊性實驗項目，保留內容優質、綜合性強的實體實驗教學項目。因此，通過優化實體實驗教學項目，減少實體實驗教學內容的學時，可為引入虛擬仿真實驗教學內容騰出空間[3-4]。虛擬仿真實驗教學可有效解決傳統物理化學實驗課程教學體系存在的不足，完善物理化學課程教學體系，真正讓學生利用虛擬仿真軟件探索物理化學中催化反應過程的多元性和復雜性，進而實現對化學過程微觀機制的系統理解[5]。

通過依托科研前沿的表面催化計算化學虛擬仿真實驗教學，推動物理化學實驗課程教學體系與經濟社會發展對高校人才培養等需求相適應。例如，以表面催化計算化學虛擬仿真實驗中包括的銅單晶表面二氧化碳還原反應機理的虛擬仿真實驗教學項目為例，本虛擬仿真實驗教學項目建立了銅單晶表面二氧化碳還原形成碳氫化合物的路徑，并考慮銅單晶表面摻雜的過渡金屬對二氧化碳還原路徑的影響以及這些表面增強的催化活性的起源。同時，使用計算氫電極模型以及一氧化碳覆蓋相關電化學界面模型，通過虛擬仿真實驗考慮了溶劑效應和電極電勢對二氧化碳還原路徑的影響。學生在進行虛擬仿真實驗時，需要設置計算參數和計算模型，進入界面，點擊相應的虛擬仿真實驗模塊，即可設置參數和選擇溶劑化模型，主要包括計算軟件、計算方法、交換關聯能、平面波基組的截斷動能及截斷電荷密度、費米面和最小能量路徑計算方法等，如圖1所示。同時，本虛擬仿真實驗項目需要通過虛擬仿真實驗完成相應在線測試題目來考察學生分析問題和解決問題的能力，通過實際操作認識到實驗設計的流程以及本虛擬仿真實驗模塊選擇的重要意義。例如，在二氧化碳還原過程，學生可根據對基元反應步驟的最小能量路徑分析，得出每一個反應步驟的活化能，進而根據活化能的大小判斷基元反應步驟的難易程度，學生可進行在線測試，如圖2所示。

圖1 表面催化計算化學虛擬仿真實驗計算參數和計算模型設置界面

圖2 表面催化反應虛擬仿真實驗在線測試試題

本虛擬仿真實驗教學項目有著良好的互動性，教學過程具有較強的靈活性，不受時空限制，教師與學生可在不同地域之間開展虛擬仿真實驗教學。同時，本虛擬仿真實驗項目能有效解決因計算模擬周期過長，尤其是各基元反應步驟的最小能量路徑分析，反應機理難以通過傳統的實驗測定，微觀現象難以通過傳統實驗觀察等造成的難題，幫助學生充分理解物理化學知識點以及化學物質結構與性能的關系，彌補傳統物理化學課程普遍缺少抽象理論的實驗環節，實現傳統物理化學實驗不具備和難以完成的教學功能，提升學生物理化學課程的核心素養。表面催化計算化學虛擬仿真實驗教學的實施，不僅可以優化物理化學實驗課程教學體系，減少簡單原理驗證的陳舊實體實驗，也可以優化實體實驗教學的綜合設計性實驗。引入體現科研前沿和具有學科交叉屬性的表面催化計算化學虛擬仿真實驗項目，可以實現物理化學實驗課程教學體系和創新人才培養要求相適應的目的，可以培養學生學科交叉和結合各專業領域的綜合能力。

3 結 語

從物理化學實驗課程教學體系的改革與實踐過程的成效看，實現了預期的培養目標與要求，構建了有利于培養學生創新精神和實踐能力的一體化三層次的物理化學實驗課程教學體系。通過將依托科研前沿的表面催化計算化學虛擬仿真實驗教學與物理化學實驗教學相結合，推動了物理化學實驗課程教學體系與經濟社會發展對高校人才培養等需求的適應性，培養了學生融合運用專業知識、學科交叉以及結合各專業領域的能力。