双一流背景下应用型本科院校物理化学实验教学体系的改革与实践*

欧利辉，靳俊玲，沈广宇，张春香

(湖南文理学院化学与材料工程学院，湖南 常德 415000)

物理化学实验是我校化学、材料科学与工程、环境工程和制药工程等专业的一门专业基础课程，具有综合性强、实验原理抽象、仪器操作复杂和数据处理严谨等特点，其在培养学生创新能力、实践能力和数据处理能力等方面起着极为重要的作用。在当前国家实施一流高校以及一流学科建设的背景下，根据物理化学实验课程的特点以及学生学习情况来看，我校物理化学实验课程教学水平目前尚未达到一流学科的要求。目前我校的物理化学实验课程教学过程仍采用以教师讲授实验原理、实验步骤和数据处理要求为主、学生按照教师要求机械地完成实验教学内容，这种教学方式既不能很好地调动学生的学习积极性，学生只能被动地接受，更不利于培养学生的创新精神和实践能力，不能满足双一流背景下应用型本科院校对创新型和应用型人才培养的要求[1]。因此，湖南文理学院作为应用型本科院校，对物理化学实验教学体系的改革是当前一项极为紧迫的工作。

1 我校物理化学实验课程教学体系面临的挑战

《高等教育法》明确指出，高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才。对于应用型本科院校，物理化学实验教学在创新人才培养和素质教育中起着非常重要的作用。然而，传统的物理化学实验教学体系越来越显现出其诸多弊端：实验课仅仅是对理论的简单验证，缺乏对所学知识进行融会贯通，举一反三能力的培养；实验内容重复，缺乏完整性，仅局限于本课程内容的实验，而与其他课程的横向联系较少；缺乏对学生综合素质的培养，如综合实验能力、实验设计能力和研究能力的培养；实验内容陈旧老化，更新速度缓慢与现代科学发展结合较少，与现代物理化学的研究内容和方法衔接较少，不利于学生创新能力的提高；教学手段单一、落后，严重影响学生对实验课的兴趣，不利于实验课教学质量的提高；学生实验主要是按实验教材进行实验操作，是被动的，因此学生对实验课不够认真；开课方式老套，经常大循环，部分实验甚至超前理论教学的实际情况，无法达到预期教学效果；尤其是，由于实验仪器设备的限制，传统的物理化学实验无法实现对物理化学理论课程中反应机理系统的认识。如何解决传统物理化学实验课程理论及实验教学的问题，提高物理化学实验课程的教学质量，增强学生对物理化学实验课程的学习兴趣是目前课程改革内容中讨论的一个热点问题。

2 我校物理化学实验课程教学体系的改革与实践

作为应用型本科院校，我校将服务区域经济社会发展作为自己的使命担当，为地方经济社会发展提供科技支撑和人才支持。自我校第四次党代会以来，学校进一步明晰办学思路，确定了“特色鲜明的国内一流应用型大学”的建设目标。因此，针对我校物理化学实验课程教学体系面临的挑战，本论文将在在教学内容、教学模式和教学方法等方面进行改革与实践，进一步加强对学生创新思维和创新意识的培养，增强学生学习的主观能动性，满足双一流背景下应用型本科院校对创新型和应用型人才培养的要求。

2.1 一体化三层次的物理化学实验教学体系的构建

为了紧跟时代步伐和适应形势发展的要求，本论文提出打破现有传统物理化学实验课程教学体系，根据我校性质和专业特点，构建符合本校实际的一体化三层次的物理化学实验课程教学体系，使之适应创新型和应用型人才的培养[2]。这对于学生综合素质的提高和创新能力的培养，对于我校本科教学水平和学科建设上新台阶都具有十分重要的意义。根据物理化学实验教学对象和内容，按以下思路及方法构建物理化学实验课程教学体系。

第一层次为基础性物理化学实验，可以增强学生物理化学基本实验技能的掌握。主要包括验证性实验。学生通过第一层次的基础性物理化学实验，可以熟练掌握物理化学实验仪器的使用、学会常用的物理化学实验方法，例如，恒温水浴的操作及温度设定、压力计的使用及读数等，可为后续综合性实验和创新性实验的教学打下坚实的基础。

第二层次为综合性物理化学实验，可培养学生对物理化学知识和其他相关学科知识的综合运用能力。综合性物理化学实验课程教学体系根据专业而有所差异。化学专业：物理化学综合性实验包括有机合成实验、无机合成实验、分析化学实验以及仪器分析实验与物理化学实验的综合。同时，由于我校的化学专业为师范类方向，综合性物理化学实验还包括了中学化学实验与物理化学实验的综合。材料科学与工程专业：综合性物理化学实验主要包括无机非金属材料实验和高分子材料实验与物理化学实验的综合。环境工程专业：综合性物理化学实验主要包括环境化学实验和化工原理实验与物理化学实验的综合。制药工程专业：综合性物理化学实验主要包括药物合成实验和化工原理实验与物理化学实验的综合。

第三层次为创新性实验。创新性实验主要以研究性实验为主，培养学生创新思维、创新意识以及解决科学问题的能力。学生依托教师科研项目，在教师指导下，自主设计实验，确定实验仪器和实验方案，以此来培养学生的初步科研能力。例如，二氧化碳是引发温室效应的主要气体，如何在不影响经济发展的前提下有效地减少大气中二氧化碳的含量，是人类当前在碳中和以及碳达峰背景下面临的重大环境问题。因此，二氧化碳电催化还原形成碳氢化合物成为了当前的研究热点，实验指导教师可以此设计创新性实验，启发学生研究二氧化碳的电催化还原机理。结合我校实际和实验指导教师科研背景，可引导学生设计二氧化碳在铜电极表面电催化还原形成甲烷产物的可能路径，然后指导学生在实验室使用高性能计算服务器通过密度泛函理论计算获得不同电极电势下二氧化碳电催化还原形成甲烷产物的最佳反应路径。根据创新性实验研究，当电极电势为-0.50 V时，二氧化碳第一步电化学还原形成甲酸和一氧化碳的反应自由能极为接近，而且一氧化碳的进一步电催化还原是一个吸热过程。因此，学生可以得出-0.50 V以正的电极电势下铜电极表面应该主要形成的甲酸和一氧化碳产物。随着电极电势逐渐变负，二氧化碳电催化还原形成甲酸和一氧化碳的反应自由能的差值逐渐增加，形成一氧化碳的趋势越来越容易，并且一氧化碳的进一步电催化还原反应逐渐变为放热反应。因此，当电极电势为-0.67 V时，在铜电极表面发生的主要是二氧化碳电催化还原形成一氧化碳的反应。随着电极电势进一步变负，当电极电势为-0.90 V时，一氧化碳的后续电化学还原反应逐渐变为强放热反应，因此，形成甲烷产物的趋势变强。通过此创新性实验，学生对二氧化碳的电催化还原路径有了一个清晰的图像，并且学生可以对物理化学中的热力学、电化学和动力学有一个系统的理解，同时也进一步提升了学生的科研能力。一体化三层次的物理化学实验教学体系可以克服原始的物理化学实验与其他实验课程关联较少，甚至部分物理化学实验内容与其他实验课程出现重复的问题，从而有利于创新型和应用型人才的培养，实现一体化三层次的物理化学实验课程教学体系。

2.2 虚拟仿真实验教学推进物理化学实验课程教学体系的改革与实践

我校目前具有一门表面催化计算化学虚拟仿真实验湖南省一流课程，其中，表面催化反应属于物理化学课程的范畴。将线上表面催化计算化学虚拟仿真实验教学平台与线下物理化学实验课程教学有机结合，互相补充，提高教学内容的科技时效性，丰富教学手段。这种虚拟仿真实验教学辅助的自主化与智能化，有效提高了学生以问题作为切入点，以实验作为突破口，自主探索专业理论知识的能力，促进教师优化传统物理化学实验教学体系。同时，在引入虚拟仿真实验项目时，在实体实验项目的选择性方面，应主要淘汰简单验证性、陈旧性实验项目，保留内容优质、综合性强的实体实验教学项目。因此，通过优化实体实验教学项目，减少实体实验教学内容的学时，可为引入虚拟仿真实验教学内容腾出空间[3-4]。虚拟仿真实验教学可有效解决传统物理化学实验课程教学体系存在的不足，完善物理化学课程教学体系，真正让学生利用虚拟仿真软件探索物理化学中催化反应过程的多元性和复杂性，进而实现对化学过程微观机制的系统理解[5]。

通过依托科研前沿的表面催化计算化学虚拟仿真实验教学，推动物理化学实验课程教学体系与经济社会发展对高校人才培养等需求相适应。例如，以表面催化计算化学虚拟仿真实验中包括的铜单晶表面二氧化碳还原反应机理的虚拟仿真实验教学项目为例，本虚拟仿真实验教学项目建立了铜单晶表面二氧化碳还原形成碳氢化合物的路径，并考虑铜单晶表面掺杂的过渡金属对二氧化碳还原路径的影响以及这些表面增强的催化活性的起源。同时，使用计算氢电极模型以及一氧化碳覆盖相关电化学界面模型，通过虚拟仿真实验考虑了溶剂效应和电极电势对二氧化碳还原路径的影响。学生在进行虚拟仿真实验时，需要设置计算参数和计算模型，进入界面，点击相应的虚拟仿真实验模块，即可设置参数和选择溶剂化模型，主要包括计算软件、计算方法、交换关联能、平面波基组的截断动能及截断电荷密度、费米面和最小能量路径计算方法等，如图1所示。同时，本虚拟仿真实验项目需要通过虚拟仿真实验完成相应在线测试题目来考察学生分析问题和解决问题的能力，通过实际操作认识到实验设计的流程以及本虚拟仿真实验模块选择的重要意义。例如，在二氧化碳还原过程，学生可根据对基元反应步骤的最小能量路径分析，得出每一个反应步骤的活化能，进而根据活化能的大小判断基元反应步骤的难易程度，学生可进行在线测试，如图2所示。

图1 表面催化计算化学虚拟仿真实验计算参数和计算模型设置界面

图2 表面催化反应虚拟仿真实验在线测试试题

本虚拟仿真实验教学项目有着良好的互动性，教学过程具有较强的灵活性，不受时空限制，教师与学生可在不同地域之间开展虚拟仿真实验教学。同时，本虚拟仿真实验项目能有效解决因计算模拟周期过长，尤其是各基元反应步骤的最小能量路径分析，反应机理难以通过传统的实验测定，微观现象难以通过传统实验观察等造成的难题，帮助学生充分理解物理化学知识点以及化学物质结构与性能的关系，弥补传统物理化学课程普遍缺少抽象理论的实验环节，实现传统物理化学实验不具备和难以完成的教学功能，提升学生物理化学课程的核心素养。表面催化计算化学虚拟仿真实验教学的实施，不仅可以优化物理化学实验课程教学体系，减少简单原理验证的陈旧实体实验，也可以优化实体实验教学的综合设计性实验。引入体现科研前沿和具有学科交叉属性的表面催化计算化学虚拟仿真实验项目，可以实现物理化学实验课程教学体系和创新人才培养要求相适应的目的，可以培养学生学科交叉和结合各专业领域的综合能力。

3 结 语

从物理化学实验课程教学体系的改革与实践过程的成效看，实现了预期的培养目标与要求，构建了有利于培养学生创新精神和实践能力的一体化三层次的物理化学实验课程教学体系。通过将依托科研前沿的表面催化计算化学虚拟仿真实验教学与物理化学实验教学相结合，推动了物理化学实验课程教学体系与经济社会发展对高校人才培养等需求的适应性，培养了学生融合运用专业知识、学科交叉以及结合各专业领域的能力。