以“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”為導(dǎo)向的物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

張瑩瑩，馮 鐸，李志豪，陳 晶，畢宛毓

（大連理工大學(xué)物理學(xué)院三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023）

0 引言

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（簡(jiǎn)稱(chēng)“大創(chuàng)”）是教育部組織實(shí)施的“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”重要內(nèi)容之一。物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室不僅是“大創(chuàng)”計(jì)劃的重要實(shí)踐基地，專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要途徑和方式之一［1］。

長(zhǎng)期以來(lái)，受傳統(tǒng)教學(xué)理念束縛，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往不受重視，學(xué)生探索性、創(chuàng)新性實(shí)踐訓(xùn)練受到限制，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性不高［2-3］。如何將“大創(chuàng)”計(jì)劃和物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合，以實(shí)驗(yàn)室為“大創(chuàng)”平臺(tái)，以“大創(chuàng)”促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，進(jìn)而有效提高教學(xué)質(zhì)量，是物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革需要努力的方向之一［4-5］。

應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一——光催化系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是專(zhuān)為大學(xué)生開(kāi)展的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練項(xiàng)目。此系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為3 步：分子模擬、制備及觀察、光催化降解，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖箤W(xué)生掌握環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域新的技術(shù)方法，并學(xué)會(huì)利用模擬結(jié)果和真實(shí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析的科學(xué)思想。由于課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間有限，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得不到充分發(fā)揮。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)“實(shí)驗(yàn)教學(xué)-內(nèi)容延伸-探索研究-創(chuàng)新能力培養(yǎng)”模式，在課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，拓展教學(xué)資源，每年承擔(dān)“大創(chuàng)”計(jì)劃1～2 項(xiàng)，并將“大創(chuàng)”成果反饋實(shí)驗(yàn)教學(xué)，形成以“大創(chuàng)”計(jì)劃為導(dǎo)向的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

以下從“大創(chuàng)”計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)過(guò)程著手，說(shuō)明如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，注重培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

光催化技術(shù)是環(huán)境領(lǐng)域一門(mén)新興技術(shù)，是指在有光參與時(shí)，將有機(jī)污染物降解為非污染物的技術(shù)，在環(huán)境治理、資源保護(hù)等方面具有廣泛的應(yīng)用［6］。TiO2光催化劑由于具有良好的穩(wěn)定性、較高的催化活性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光催化技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域［7-10］。

然而，TiO2在應(yīng)用上仍存在不少問(wèn)題。例如，純凈的TiO2電子和空穴壽命短、易復(fù)合，有效參與反應(yīng)的數(shù)量少；光吸收范圍窄，光的利用率較低等，這些缺點(diǎn)限制了TiO2作為理想光催化劑的潛力。人們采用了多種方法對(duì)TiO2光催化活性進(jìn)行改良，其中進(jìn)行離子摻雜是最有效的方法之一。原因是離子摻雜不但能減小電子-空穴的復(fù)合，還能有效改善TiO2的電子結(jié)構(gòu)，使其發(fā)生明顯的紅移現(xiàn)象，可有效提高其對(duì)可見(jiàn)光的利用率。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)TiO2進(jìn)行鐵（Fe）／銀（Ag）／錳（Mn）／鑭（La）等任一金屬離子摻雜，觀察不同摻雜離子對(duì)光催化性能的影響。在學(xué)生掌握一定理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，針對(duì)一些對(duì)該項(xiàng)目感興趣的同學(xué)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的適當(dāng)延伸，并承擔(dān)“大創(chuàng)”計(jì)劃1 項(xiàng)：“離子摻雜比例對(duì)TiO2光催化效果的改良研究”。實(shí)驗(yàn)過(guò)程以Mn 離子摻雜TiO2為例，首先分子模擬不同摻雜比例對(duì)TiO2光催化性能的改良，再通過(guò)催化降解甲基橙溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 模擬結(jié)果

基于密度泛涵方法的從頭算量子力學(xué)程序（CASTEP）模塊，采用商業(yè)軟件Materials Studio進(jìn)行模擬，過(guò)程分為建立超胞、設(shè)置參數(shù)、分析結(jié)果3 步。銳鈦礦型TiO2超胞（2 ×2 ×1）結(jié)構(gòu)由8 個(gè)Ti原子，16 個(gè)O原子組成，如圖1（a）所示。將超胞中任意1、2、3 個(gè)Ti離子被Mn離子取代，分別對(duì)應(yīng)摻雜比例為12.5%、25.0%、37.5%，其中摻雜比例指Mn 離子所占摩爾分?jǐn)?shù)，分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過(guò)MS軟件建立單胞、超胞結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以對(duì)晶體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析。

圖1 不同Mn摻雜比例下銳鈦礦型TiO2 超胞結(jié)構(gòu)

當(dāng)光照射到光催化劑表面時(shí)，軌道電子吸收相應(yīng)頻率的光子能量而發(fā)生帶間躍遷，光子能量的變化會(huì)反射出一定的光譜，進(jìn)而表現(xiàn)出不同的光學(xué)性質(zhì)。介電函數(shù)虛部值由電子躍遷決定，即帶隙較窄時(shí)，虛部值一般較大［11］，電子越容易躍遷。如圖2 所示，未摻雜TiO2的介電函數(shù)虛部（圖中黑線所示）在0～40 eV之間出現(xiàn)2 個(gè)峰值，其中最大峰值出現(xiàn)在3～5 eV之間，表明此頻率范圍內(nèi)能夠躍遷的電子最多。然而，可見(jiàn)光光子的能量范圍為1.63～3.1 eV，小于未摻雜TiO2虛部峰值位置，因此可見(jiàn)光的利用率并不高。Mn 離子摻雜使介電函數(shù)的虛部峰值明顯向低能區(qū)移動(dòng)，其中0～3 eV之間出現(xiàn)的極大值已覆蓋可見(jiàn)光光子的能量范圍，表明可見(jiàn)光能夠激發(fā)此區(qū)域內(nèi)的大量電子，進(jìn)而有效改良了TiO2的光催化性能。此外，通過(guò)分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，隨著Mn離子摻雜比例的增加，介電函數(shù)虛部最大峰值逐漸增大，說(shuō)明摻雜比例越高，催化性能越好。

圖2 未摻雜和不同比例Mn摻雜銳鈦礦型TiO2介電函數(shù)虛部圖

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

學(xué)生將配制好的不同摻雜比例的Mn-TiO2粉末加入甲基橙溶液中，通過(guò)紫外燈照射3 h 后，發(fā)現(xiàn)未摻雜、Mn離子摻雜比例為12.5%、25%、37.5%的TiO2對(duì)甲基橙的降解率分別為47%、81%、68%和60%，結(jié)果說(shuō)明TiO2降解甲基橙的效率隨著Mn 離子摻雜比例的增加呈先增加后減小趨勢(shì)，如圖3 所示。因此，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果并不符合。

圖3 不同錳摻雜比例下，TiO2 光催化劑對(duì)甲基橙降解率的影響

2 創(chuàng)新能力培養(yǎng)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，學(xué)生繼續(xù)探索研究。通過(guò)查閱資料，發(fā)現(xiàn)Mn的摻雜量不是越大越好，而是有一個(gè)最佳比率［12-13］。達(dá)到最佳比例時(shí)，催化性能最優(yōu)，此時(shí)電子和空穴的復(fù)合率較低，而光能的利用率相對(duì)較高。根據(jù)分子模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，學(xué)生得出結(jié)論：Mn 摻雜比例為12.5%時(shí)Mn-TiO2的催化性能最優(yōu)，此時(shí)介電函數(shù)虛部值出現(xiàn)的第一個(gè)極大值（對(duì)應(yīng)頻率為1～2 eV）不超過(guò)10。

根據(jù)得出的結(jié)論，學(xué)生又做了進(jìn)一步的探索研究。通過(guò)模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)離子摻雜比例相同時(shí)，不同摻雜位置會(huì)對(duì)催化性能產(chǎn)生影響，不同離子共雜也會(huì)對(duì)催化性能產(chǎn)生影響。以摻雜比例為25%的Mn-TiO2兩種結(jié)構(gòu)為例，學(xué)生研究了在相同摻雜比例條件下，不同摻雜位置對(duì)銳鈦礦型TiO2光催化性能的影響。

如圖4 所示所示，在1～2 eV 之間出現(xiàn)介電函數(shù)虛部值的最大峰，且峰值大小與摻雜位置有關(guān)。

圖4 Mn摻雜濃度為25.0%時(shí)Mn-TiO2 兩種結(jié)構(gòu)介電函數(shù)虛部圖

結(jié)構(gòu)1 峰值為15 左右，高于結(jié)構(gòu)2，根據(jù)以上結(jié)論，在介電函數(shù)虛部出現(xiàn)的第一個(gè)極大值（對(duì)應(yīng)頻率為1～2 eV）不超過(guò)10 時(shí)，催化性能達(dá)到最好。所以由圖4 可以認(rèn)為摻雜結(jié)構(gòu)2 的催化性能優(yōu)于結(jié)構(gòu)1。因此，學(xué)生得出創(chuàng)新性結(jié)論：在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，不僅要選擇合適的摻雜比例，還應(yīng)盡可能篩選最優(yōu)的摻雜位置。

3 教學(xué)模式探析

3.1 “大創(chuàng)”以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)

物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)不同于物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，注重拓展學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生基于專(zhuān)業(yè)的創(chuàng)新能力。專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)室不僅為學(xué)生提供基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和硬件平臺(tái)，提供“大創(chuàng)”的選題來(lái)源，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更能豐富學(xué)生思想，提供專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)和技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐能力?！按髣?chuàng)”計(jì)劃以專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)，避免了學(xué)生選題沒(méi)有依據(jù)，缺乏理論知識(shí)和必要的實(shí)驗(yàn)技能，或者“大創(chuàng)”實(shí)施過(guò)程中過(guò)分依賴指導(dǎo)教師，不利于學(xué)生自主探索意識(shí)的培養(yǎng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)以“大創(chuàng)”為導(dǎo)向

傳統(tǒng)的教學(xué)理念認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍舊是理論課程的輔助形式，教學(xué)內(nèi)容和形式往往比較單一，大多數(shù)通過(guò)老師講解、演示，學(xué)生根據(jù)固定模式操作，學(xué)生缺乏靈活性、自主性學(xué)習(xí)，造成積極性不高。另外，教學(xué)時(shí)間和地點(diǎn)比較固定，學(xué)生不具有進(jìn)一步探索延伸的時(shí)間和空間。以“大創(chuàng)”計(jì)劃為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以充分利用學(xué)校的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，調(diào)動(dòng)學(xué)生上課的積極性，還能將“大創(chuàng)”成果反饋實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生自主探索研究，充分發(fā)揮學(xué)生的求知欲和探索欲，契合物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為“大創(chuàng)”計(jì)劃提供基礎(chǔ)平臺(tái)，“大創(chuàng)”計(jì)劃為實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入活力和改革動(dòng)力，將兩者有機(jī)融合、相互滲透，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的目的。應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室以“大創(chuàng)”計(jì)劃為導(dǎo)向，探索以物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。實(shí)踐表明，該教學(xué)模式不僅能有效整合優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性，更能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S能力和科學(xué)的創(chuàng)新能力，切實(shí)提高專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。相信在今后的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革過(guò)程中，以“大創(chuàng)”計(jì)劃為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還將持續(xù)進(jìn)行并發(fā)揮越來(lái)越大的作用。