拓展高校化学教学内容至介微观理论的新机遇

张宁，卞妙，何德丽，贺梦冬

(1.中南林业科技大学 理学院，湖南 长沙 410004；2.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；3.中南林业科技大学 商学院，湖南 长沙 410004)

0 引言

自20 世纪初量子概念提出至量子力学发展为化学学科的重要分支以来，人们已经利用量子化学理论对介微观世界进行了大量的探究并取得了辉煌的成就[1-2]。当前，量子化学已经是化学不可分割的一部分，由其引导的介微观机制是许多“高精尖”领域“卡脖子”问题理解与解决的关键。“人们对自然界的认识已由原来的宏观尺度唯象理论不断深入扩展到现在的介微观尺度理论构架”较为频繁地出现在化学相关学科的描述中[3]，体现了量子这一介微观概念经100 多年的发展已经浸入到化学学科的各个方面，并起到引领化学学科发展方向作用。

尽管如此，理解或掌握量子化学并非易事：理论性强、内容抽象，而且还耦合较多复杂的物理、数学知识，特别是在微观世界里粒子的运动规律往往与经典宏观运动规律差别显著。理论晦涩难懂、规律违反常理，不仅是学生理解介微观世界的“拦路虎”，而且给授课教师的教学带来了极大的难度[4-5]。尤其地，近年来量子概念地浸入或交叉，多数与物理、化学相关地专业亦迎来了知识大爆发。然而，人的精力和总的有效课时量是有限的，为了迁就一些专业课程，基础化学课程不断被压缩，以笔者所在的农林学科为特色专业院校的物理化学理论教学为例，物理化学是生命和生态学学科、材料学学科、农学学科以及环境学学科学生的必修基础课之一，其学时由最初的126 课时最终缩减至80 课时，有些专业甚至缩减为40 学时。

为了减轻学生的负担，且在不断紧缩课时的大背景下，绝大多数非化工类院校甚至一些综合类院校在删减教学内容时，量子化学常常首当其冲[6]。脱离了量子化学，化学学科将变成完全宏观唯象的、二十世纪初的化学，导致学生学习完化学但不懂得联系宏观与原子分子，这与逐步从“炒菜式”研究过渡为“宏观现象→微观结构→宏观性质→指导生产”的“量体裁衣式”现代研究、介微观结构研究逐渐占据重要地位的化学学科发展趋势相悖。

在前期的研究中[7]，笔者提出以浙江大学彭笑刚的《物理化学讲义》为参考资料，将发展有一个多世纪的量子化学理论中的基本概念以“穿针引线”地方式穿插到现有经典物理化学课程中，一反传统借重“热机”理论处理用于描述宏观系统的热力学，而是从一个有限但又充分的量子化学理论基础出发，然后通过统计热力学过渡到宏观热力学理论框架，形成具有新体系、新角度、新内容“三新”特征知识结构的物理化学教程和具有介微观特色的物理化学授课模式，使得学生在学完该课程后，能够在头脑中形成一幅从分子、原子微观层次到宏观唯象性质自然过渡完整的物理化学图像，建立物理化学整个体系的全局观。遗憾的是，这一思想在实际教学过程中执行起来困难重重，主要存在如下问题：(1)多数介微观概念比较抽象，需要耗费较多课时来阐明；(2)研究对象在介微观尺度，看不见摸不着，致使精彩丰富的微观世界无法有效呈现，吸引不了学生；(3)从介微观过渡到宏观性质多涉及复杂的数学公式，沉迷于此耗时耗力，但从定量转换为定性又难以解释清晰……综上，可以看出包含量子内容的化学课程的教与学的难点主要在于所涉及的介微观世界图像不直观，如果能够寻找一种媒介形象地展示它们，将能对化学课程的教学从原有的“旧”内容扩展至前沿的涉及介微观的“新”内容有关键作用。

从2021 年起，湖南省教育厅在保留原有化工实验技能竞赛模块的基础上，将虚拟仿真实验也纳入竞赛单元，笔者敏锐地意识到在这一变化的新形势下，或许可能也是把介微观尺度(量子)理论框架纳入现有化学课程教学的新契机。本文首先回顾了传统化工实验技能竞赛对化学课程教与学的反哺，然后讨论了虚拟仿真实验在模拟介微观世界的优势，最后提出结合虚拟仿真实验媒介把量子理论融合到传统化学教学的一些构想，供读者讨论。

1 传统化工实验技能竞赛对化学课程教与学的作用

化学是一门以理论和实践(实验)相结合的自然学科，有时理论在先，需要通过实验来验证，而多数情况则是实验出现新现象，进而发展出新的理论，甚至可以说，实验是当前化学学科发展的主要手段[8]。然而，出于高校实验室设备、场地、经费、人员条件限制和实际安全考虑，长期以来在化学教与学过程中普遍存在重理论轻实践教学的现实问题。

1998 年，在教育部高等学校化学教育研究中心指导下，南开大学举办了本科生首届全国大学生化学实验竞赛，拉开了我国本科生化学实验竞赛的序幕[9]。该赛事一经发布，就受到全国各大高校的广泛关注和广大化学化工专业学生的踊跃参与。之所以如此，是这一赛事首次将实践(实验)单列考察，在突破了以往重理论轻实践(实验)化学教学固有局面的同时，实际上也顺应了化学学科的发展规律，且在国家层面提出。这也是至此以后以该赛事为模板的各类竞赛在各省、市遍地开花并一直持续至今的原因所在，例如，天津市教育厅在2000 年举办了天津大学趣味化学知识与化学实验联合竞赛、2004 年浙江省教育厅举办了高校基础化学实验技能竞赛、2007 年湖南省教育厅举办了普通高等学校大学生化学实验技能竞赛等且都持续至今[10]。

化学实验竞赛历经20 多年的发展，其名称或比赛模式随着时代的进步发生了更易，但其内涵，即实践(实验) 占有比重高(70%)，一直未曾改变。在该赛事的持续举办中，各个层次高校改革者也依据不同目的赋予了竞赛不同的功能，例如，在创新人才培养方面，形成了“四层次”大学生创新训练平台及三位一体竞赛训练模式[11]；更重要的是，在与化学教与学的相互作用中，逐步形成了“案例教学”[12]“教赛融合”[13]“组、教、练、赛”四位一体实践体系及“四年成长”学习机制[14]等以赛促/教/学、反哺教学、相辅相成的良性互促竟教模式，具体表现在：(1)竞赛促进化学实验教学相关操作标准化、规范化，进而促使实验教材描述、表述统一化[15]；(2)竞赛进一步加强了相关化学知识点教授由分散到模块化的教学方式，同时竞赛中的题目拓宽了涉及知识的点面，也促进了日常实验教学中实验项目的更新换代；(3) 竞赛极大地促进了各类教学平台建设、实验教师队伍的建设以及不同学校教师的交流；(4) 而上述(1)、(2) 和(3) 中的促进所带来的高素质教资队伍、优质课程及高水平实验平台又为高水平科学和教学研究、学术教学骨干、创新性人材培养提供了“活水”“养分”，帮助其更好地完成比赛，提高竞赛质量、水平[16]。

不可否认，在竞赛举办的初期，竟教相互提高相互促进，效果显著。但随着教学改革到深水区、化学学科进一步聚集到(量子)介微观区域、人材培养的多元化，二者相互作用优势渐微。一个关键的原因是传统化工实验技能竞赛由于外在条件限制不能引入更前沿的化学知识，以最近五年湖南省化工技能竞赛无机及分析化学组赛题为例，全部以某种配合物的合成辅以化学分析确定其组分，而物理化学则无外乎某物质分子量、热焓或分解速率的测定，如此往复，给人感觉已到了无法创新的阶段，此现状自然越来越难以引起参赛教师、学生的兴趣，更何谈影响日常的化学教与学。这些亦与前述化学学科在(量子)介微观世界蓬勃发展、知识点呈指数式增长的现状相悖，之所以如此，这是由于若要介入更复杂的物质合成、物性参数测试甚至介微观世界的前沿化学知识，必定要借助大量高精尖昂贵的仪器设备，这是各大高校财力所不能承担的。但通过实验引导，加深对复杂体系涉及介微观世界化学理论知识的理解，相关的实验项目又不可或缺。毋庸置疑，纳入“量子理论”新内容到传统化学技能竞赛可激发赛事活力，而反过来该赛事又可带动化学教与学内容向前沿的(量子)介微观世界精进，如果真的能实现二者的有机融合，不但能拓展化学实验技能竞赛的涉足范围，更能加快(量子)介微观理论在高校大范围的传播，但问题是在有限的资源下如何融合二者？

2 虚拟仿真实验纳入竞赛的优势与必要性

在现实世界实现上述需求无疑要耗费大量的资源，那么利用计算机虚拟是否可行？答案是肯定的。随着计算机多媒体技术的迅速发展，越来越多的手段介入到化学的教与学过程中[17]，例如，从最初的手写幻灯片到计算机辅助编辑+PPT 展示再到当前的MOOC 和雨课堂等教学方式，这些手段的介入极大地丰富了原本45 分钟课堂的内容，有效地提高了课堂授课效率、知识掌握度，模糊了课堂的界限，增强了教师与学生的互动率。虚拟仿真技术也在这一时间段应运而生[18]，它与其他多媒体手段的区别在于能实现人机交互操作，而且能用3D 视图虚拟化真实的仪器设备、操作流程，能依据操作人输入的参数实现不同结果的输出，让人有当真在实验、在操作设备的“身临其境”感，特别是在当前传统的化学实验教学受到(1)传统实验室教学很难从分子层次上理解化学物质的结构性能关系、动力学机制和反应特性；(2) 大型仪器昂贵且自动化封装，传统实验室教学难以帮助学生完整深入了解仪器的原理、使用和拓展；(3)基于安全因素以及成本原因，大面积的化学实验教学不宜使用危险或是贵重的化学药品；(4) 传统化学实验教学由于物理空间和时间的限制，不利于学生及时地了解和跟踪学科发展等制约时，备受各层次教学改革者的关注。

尽管虚拟仿真技术有诸多优势，但由于各种原因其在多数高校特别是地方院校并未受到重视，除了对其的作用褒贬不一抑或资源受限，更重要的是该技术不是仅靠单一学科就能实现的，而是根据其应用场景可能涉及物理、化学、材料、数学以及计算机等诸多学科的交叉[19]，例如，笔者在进行PW12O403-团簇结构优化及溶剂化行为探索时，输出的数据高达十几GB，而要从这些数据中提取出有效的化学信息，后处理流程要涉及统计分析、数学语言的程序化、数据的可视化以及Linux 平台的熟练应用等技术。在某种程度上，虚拟仿真技术的成熟与否可以作为判定不同传统理工学科交叉深浅的标准线。

2021 年湖南省教育厅首次将虚拟仿真实验作为独立单元纳入大学生化学化工学科(化学实验技能)竞赛中，就受到省内高校同仁们的广泛欢迎。除了契合国家大力发展交叉学科的大背景外，虚拟仿真实验的纳入真的为竞赛注入了活力：如双戊烯高压连续催化加氢虚拟仿真实验、基于原子尺度的微观物理虚拟仿真实验等以前因安全隐患、仪器复杂昂贵无法在传统实验室实现的项目都出现在了赛场上，无疑增加了赛事的丰富性和新颖性，拓宽了竞赛所能考察的范围，使其焕发生机。

3 结语

事实上，(量子)介微观理论的爆发式增长部分也得益于计算机技术的快速发展，例如，当前几乎全部软硬物质内部原子/ 分子结构、固液/ 固气/ 液气界面结构探索及表界面吸附理论的发展都需要借助密度泛函理论计算(如Gaussian 软件)、经典动力学模拟(DL_POLY 或Gromacs 软件) 或从头算动力学模拟(CPMD 或CP2K 软件)等在计算机上论证并实现[20]。反过来，介微观世界的多数抽象理论、违反常理实验现象利用可视化软件以图象的方式展现也天然的具有优势，能够即时地帮助人们在脑海中构建可想象的物理图像，进而加深理解相关理论、反常实验现象。

如前所述，为了使学生感受到近一个世纪人们利用量子化学理论探究微观世界取得的辉煌成就，一方面，通过理论教学将发展有一个多世纪的量子化学理论中的基本概念以“穿针引线”地方式穿插到现有的化学课程中，另一方面，借助虚拟仿真技术，将能凸显某一或某几介微观抽象概念的前沿科研成果转化为三维可视化且可人机交互的仿真实验。通过理论与实践的相结合，最终实现对(量子)介微观世界的初步认识。

2021 年是虚拟仿真实验纳入竞赛的第一年，笔者期待该单元在唤发传统学科竞赛活力的同时，能像20 年前的传统化工实验技能竞赛一样，也能进一步反哺化学的教与学，拓宽化学授课的教学范畴，推动目前化学教学依赖的经典宏观框架向基于精确且定量的介微观知识体系的纵深进程，实现化学教与学与时代需求的接轨。