以“大学生创新创业训练计划”为导向的物理专业实验教学改革与实践

张莹莹，冯 铎，李志豪，陈 晶，毕宛毓

（大连理工大学物理学院三束材料改性教育部重点实验室，辽宁大连 116023）

0 引言

大学生创新创业训练计划（简称“大创”）是教育部组织实施的“高等学校本科教学质量与教学改革工程”重要内容之一。物理专业实验室不仅是“大创”计划的重要实践基地，专业实验教学也是培养大学生创新实践能力的重要途径和方式之一［1］。

长期以来，受传统教学理念束缚，实验教学往往不受重视，学生探索性、创新性实践训练受到限制，学习的主动性和积极性不高［2-3］。如何将“大创”计划和物理专业实验教学有机融合，以实验室为“大创”平台，以“大创”促进实验教学，增强学生实验兴趣，进而有效提高教学质量，是物理专业实验教学改革需要努力的方向之一［4-5］。

应用物理学专业实验项目之一——光催化系列实验项目，是专为大学生开展的专业实验训练项目。此系列实验项目分为3 步：分子模拟、制备及观察、光催化降解，实验目的使学生掌握环境保护领域新的技术方法，并学会利用模拟结果和真实结果进行对比分析的科学思想。由于课堂实验教学的时间和空间有限，学生的实践能力和创新能力得不到充分发挥。实验室通过“实验教学-内容延伸-探索研究-创新能力培养”模式，在课堂实验教学的基础上，拓展教学资源，每年承担“大创”计划1～2 项，并将“大创”成果反馈实验教学，形成以“大创”计划为导向的专业实验教学项目。

以下从“大创”计划的实验过程着手，说明如何在实验教学的基础上，注重培养大学生的科学创新能力。

1 实验过程

1.1 实验背景

光催化技术是环境领域一门新兴技术，是指在有光参与时，将有机污染物降解为非污染物的技术，在环境治理、资源保护等方面具有广泛的应用［6］。TiO2光催化剂由于具有良好的稳定性、较高的催化活性等诸多优点，被广泛应用于光催化技术的多个领域［7-10］。

然而，TiO2在应用上仍存在不少问题。例如，纯净的TiO2电子和空穴寿命短、易复合，有效参与反应的数量少；光吸收范围窄，光的利用率较低等，这些缺点限制了TiO2作为理想光催化剂的潜力。人们采用了多种方法对TiO2光催化活性进行改良，其中进行离子掺杂是最有效的方法之一。原因是离子掺杂不但能减小电子-空穴的复合，还能有效改善TiO2的电子结构，使其发生明显的红移现象，可有效提高其对可见光的利用率。

在实验教学中，对TiO2进行铁（Fe）／银（Ag）／锰（Mn）／镧（La）等任一金属离子掺杂，观察不同掺杂离子对光催化性能的影响。在学生掌握一定理论知识和实验技能的基础上，针对一些对该项目感兴趣的同学，进行实验内容的适当延伸，并承担“大创”计划1 项：“离子掺杂比例对TiO2光催化效果的改良研究”。实验过程以Mn 离子掺杂TiO2为例，首先分子模拟不同掺杂比例对TiO2光催化性能的改良，再通过催化降解甲基橙溶液进行实验验证。

1.2 模拟结果

基于密度泛涵方法的从头算量子力学程序（CASTEP）模块，采用商业软件Materials Studio进行模拟，过程分为建立超胞、设置参数、分析结果3 步。锐钛矿型TiO2超胞（2 ×2 ×1）结构由8 个Ti原子，16 个O原子组成，如图1（a）所示。将超胞中任意1、2、3 个Ti离子被Mn离子取代，分别对应掺杂比例为12.5%、25.0%、37.5%，其中掺杂比例指Mn 离子所占摩尔分数，分子结构如图1 所示。通过MS软件建立单胞、超胞结构，学生可以对晶体的微观结构进行观察分析。

图1 不同Mn掺杂比例下锐钛矿型TiO2 超胞结构

当光照射到光催化剂表面时，轨道电子吸收相应频率的光子能量而发生带间跃迁，光子能量的变化会反射出一定的光谱，进而表现出不同的光学性质。介电函数虚部值由电子跃迁决定，即带隙较窄时，虚部值一般较大［11］，电子越容易跃迁。如图2 所示，未掺杂TiO2的介电函数虚部（图中黑线所示）在0～40 eV之间出现2 个峰值，其中最大峰值出现在3～5 eV之间，表明此频率范围内能够跃迁的电子最多。然而，可见光光子的能量范围为1.63～3.1 eV，小于未掺杂TiO2虚部峰值位置，因此可见光的利用率并不高。Mn 离子掺杂使介电函数的虚部峰值明显向低能区移动，其中0～3 eV之间出现的极大值已覆盖可见光光子的能量范围，表明可见光能够激发此区域内的大量电子，进而有效改良了TiO2的光催化性能。此外，通过分析结果还发现，随着Mn离子掺杂比例的增加，介电函数虚部最大峰值逐渐增大，说明掺杂比例越高，催化性能越好。

图2 未掺杂和不同比例Mn掺杂锐钛矿型TiO2介电函数虚部图

1.3 实验验证

学生将配制好的不同掺杂比例的Mn-TiO2粉末加入甲基橙溶液中，通过紫外灯照射3 h 后，发现未掺杂、Mn离子掺杂比例为12.5%、25%、37.5%的TiO2对甲基橙的降解率分别为47%、81%、68%和60%，结果说明TiO2降解甲基橙的效率随着Mn 离子掺杂比例的增加呈先增加后减小趋势，如图3 所示。因此，学生发现问题：实验结果与模拟结果并不符合。

图3 不同锰掺杂比例下，TiO2 光催化剂对甲基橙降解率的影响

2 创新能力培养

针对实验中发现的问题，学生继续探索研究。通过查阅资料，发现Mn的掺杂量不是越大越好，而是有一个最佳比率［12-13］。达到最佳比例时，催化性能最优，此时电子和空穴的复合率较低，而光能的利用率相对较高。根据分子模拟结果和实验结果对比，学生得出结论：Mn 掺杂比例为12.5%时Mn-TiO2的催化性能最优，此时介电函数虚部值出现的第一个极大值（对应频率为1～2 eV）不超过10。

根据得出的结论，学生又做了进一步的探索研究。通过模拟计算，发现离子掺杂比例相同时，不同掺杂位置会对催化性能产生影响，不同离子共杂也会对催化性能产生影响。以掺杂比例为25%的Mn-TiO2两种结构为例，学生研究了在相同掺杂比例条件下，不同掺杂位置对锐钛矿型TiO2光催化性能的影响。

如图4 所示所示，在1～2 eV 之间出现介电函数虚部值的最大峰，且峰值大小与掺杂位置有关。

图4 Mn掺杂浓度为25.0%时Mn-TiO2 两种结构介电函数虚部图

结构1 峰值为15 左右，高于结构2，根据以上结论，在介电函数虚部出现的第一个极大值（对应频率为1～2 eV）不超过10 时，催化性能达到最好。所以由图4 可以认为掺杂结构2 的催化性能优于结构1。因此，学生得出创新性结论：在实际生产应用过程中，不仅要选择合适的掺杂比例，还应尽可能筛选最优的掺杂位置。

3 教学模式探析

3.1 “大创”以实验教学为基础

物理专业实验不同于物理基础实验，注重拓展学生的专业知识，培养学生基于专业的创新能力。专业实验教学是大学生创新实践中的重要组成部分，实验室不仅为学生提供基础的实验设备和硬件平台，提供“大创”的选题来源，实验教学内容更能丰富学生思想，提供专业的理论知识和技术，培养学生科学的创新实践能力。“大创”计划以专业实验教学为基础，避免了学生选题没有依据，缺乏理论知识和必要的实验技能，或者“大创”实施过程中过分依赖指导教师，不利于学生自主探索意识的培养。

3.2 实验教学以“大创”为导向

传统的教学理念认为实验教学仍旧是理论课程的辅助形式，教学内容和形式往往比较单一，大多数通过老师讲解、演示，学生根据固定模式操作，学生缺乏灵活性、自主性学习，造成积极性不高。另外，教学时间和地点比较固定，学生不具有进一步探索延伸的时间和空间。以“大创”计划为导向的实验教学，不仅可以充分利用学校的优质教学资源，调动学生上课的积极性，还能将“大创”成果反馈实验教学，鼓励学生自主探索研究，充分发挥学生的求知欲和探索欲，契合物理专业实验教学的培养目标。

4 结语

物理专业实验教学为“大创”计划提供基础平台，“大创”计划为实验教学注入活力和改革动力，将两者有机融合、相互渗透，最终达到培养学生创新实践能力的目的。应用物理学专业实验室以“大创”计划为导向，探索以物理专业实验教学为基础的创新能力培养模式。实践表明，该教学模式不仅能有效整合优质的教学资源，调动学生实验积极性，更能培养学生严谨的思维能力和科学的创新能力，切实提高专业实验教学质量。相信在今后的专业实验教学改革过程中，以“大创”计划为导向的实验教学，还将持续进行并发挥越来越大的作用。