拓展高校化學教學內容至介微觀理論的新機遇

張寧，卞妙，何德麗，賀夢冬

(1.中南林業科技大學 理學院，湖南 長沙 410004；2.中南林業科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；3.中南林業科技大學 商學院，湖南 長沙 410004)

0 引言

自20 世紀初量子概念提出至量子力學發展為化學學科的重要分支以來，人們已經利用量子化學理論對介微觀世界進行了大量的探究并取得了輝煌的成就[1-2]。當前，量子化學已經是化學不可分割的一部分，由其引導的介微觀機制是許多“高精尖”領域“卡脖子”問題理解與解決的關鍵。“人們對自然界的認識已由原來的宏觀尺度唯象理論不斷深入擴展到現在的介微觀尺度理論構架”較為頻繁地出現在化學相關學科的描述中[3]，體現了量子這一介微觀概念經100 多年的發展已經浸入到化學學科的各個方面，并起到引領化學學科發展方向作用。

盡管如此，理解或掌握量子化學并非易事：理論性強、內容抽象，而且還耦合較多復雜的物理、數學知識，特別是在微觀世界里粒子的運動規律往往與經典宏觀運動規律差別顯著。理論晦澀難懂、規律違反常理，不僅是學生理解介微觀世界的“攔路虎”，而且給授課教師的教學帶來了極大的難度[4-5]。尤其地，近年來量子概念地浸入或交叉，多數與物理、化學相關地專業亦迎來了知識大爆發。然而，人的精力和總的有效課時量是有限的，為了遷就一些專業課程，基礎化學課程不斷被壓縮，以筆者所在的農林學科為特色專業院校的物理化學理論教學為例，物理化學是生命和生態學學科、材料學學科、農學學科以及環境學學科學生的必修基礎課之一，其學時由最初的126 課時最終縮減至80 課時，有些專業甚至縮減為40 學時。

為了減輕學生的負擔，且在不斷緊縮課時的大背景下，絕大多數非化工類院校甚至一些綜合類院校在刪減教學內容時，量子化學常常首當其沖[6]。脫離了量子化學，化學學科將變成完全宏觀唯象的、二十世紀初的化學，導致學生學習完化學但不懂得聯系宏觀與原子分子，這與逐步從“炒菜式”研究過渡為“宏觀現象→微觀結構→宏觀性質→指導生產”的“量體裁衣式”現代研究、介微觀結構研究逐漸占據重要地位的化學學科發展趨勢相悖。

在前期的研究中[7]，筆者提出以浙江大學彭笑剛的《物理化學講義》為參考資料，將發展有一個多世紀的量子化學理論中的基本概念以“穿針引線”地方式穿插到現有經典物理化學課程中，一反傳統借重“熱機”理論處理用于描述宏觀系統的熱力學，而是從一個有限但又充分的量子化學理論基礎出發，然后通過統計熱力學過渡到宏觀熱力學理論框架，形成具有新體系、新角度、新內容“三新”特征知識結構的物理化學教程和具有介微觀特色的物理化學授課模式，使得學生在學完該課程后，能夠在頭腦中形成一幅從分子、原子微觀層次到宏觀唯象性質自然過渡完整的物理化學圖像，建立物理化學整個體系的全局觀。遺憾的是，這一思想在實際教學過程中執行起來困難重重，主要存在如下問題：(1)多數介微觀概念比較抽象，需要耗費較多課時來闡明；(2)研究對象在介微觀尺度，看不見摸不著，致使精彩豐富的微觀世界無法有效呈現，吸引不了學生；(3)從介微觀過渡到宏觀性質多涉及復雜的數學公式，沉迷于此耗時耗力，但從定量轉換為定性又難以解釋清晰……綜上，可以看出包含量子內容的化學課程的教與學的難點主要在于所涉及的介微觀世界圖像不直觀，如果能夠尋找一種媒介形象地展示它們，將能對化學課程的教學從原有的“舊”內容擴展至前沿的涉及介微觀的“新”內容有關鍵作用。

從2021 年起，湖南省教育廳在保留原有化工實驗技能競賽模塊的基礎上，將虛擬仿真實驗也納入競賽單元，筆者敏銳地意識到在這一變化的新形勢下，或許可能也是把介微觀尺度(量子)理論框架納入現有化學課程教學的新契機。本文首先回顧了傳統化工實驗技能競賽對化學課程教與學的反哺，然后討論了虛擬仿真實驗在模擬介微觀世界的優勢，最后提出結合虛擬仿真實驗媒介把量子理論融合到傳統化學教學的一些構想，供讀者討論。

1 傳統化工實驗技能競賽對化學課程教與學的作用

化學是一門以理論和實踐(實驗)相結合的自然學科，有時理論在先，需要通過實驗來驗證，而多數情況則是實驗出現新現象，進而發展出新的理論，甚至可以說，實驗是當前化學學科發展的主要手段[8]。然而，出于高校實驗室設備、場地、經費、人員條件限制和實際安全考慮，長期以來在化學教與學過程中普遍存在重理論輕實踐教學的現實問題。

1998 年，在教育部高等學校化學教育研究中心指導下，南開大學舉辦了本科生首屆全國大學生化學實驗競賽，拉開了我國本科生化學實驗競賽的序幕[9]。該賽事一經發布，就受到全國各大高校的廣泛關注和廣大化學化工專業學生的踴躍參與。之所以如此，是這一賽事首次將實踐(實驗)單列考察，在突破了以往重理論輕實踐(實驗)化學教學固有局面的同時，實際上也順應了化學學科的發展規律，且在國家層面提出。這也是至此以后以該賽事為模板的各類競賽在各省、市遍地開花并一直持續至今的原因所在，例如，天津市教育廳在2000 年舉辦了天津大學趣味化學知識與化學實驗聯合競賽、2004 年浙江省教育廳舉辦了高校基礎化學實驗技能競賽、2007 年湖南省教育廳舉辦了普通高等學校大學生化學實驗技能競賽等且都持續至今[10]。

化學實驗競賽歷經20 多年的發展，其名稱或比賽模式隨著時代的進步發生了更易，但其內涵，即實踐(實驗) 占有比重高(70%)，一直未曾改變。在該賽事的持續舉辦中，各個層次高校改革者也依據不同目的賦予了競賽不同的功能，例如，在創新人才培養方面，形成了“四層次”大學生創新訓練平臺及三位一體競賽訓練模式[11]；更重要的是，在與化學教與學的相互作用中，逐步形成了“案例教學”[12]“教賽融合”[13]“組、教、練、賽”四位一體實踐體系及“四年成長”學習機制[14]等以賽促/教/學、反哺教學、相輔相成的良性互促竟教模式，具體表現在：(1)競賽促進化學實驗教學相關操作標準化、規范化，進而促使實驗教材描述、表述統一化[15]；(2)競賽進一步加強了相關化學知識點教授由分散到模塊化的教學方式，同時競賽中的題目拓寬了涉及知識的點面，也促進了日常實驗教學中實驗項目的更新換代；(3) 競賽極大地促進了各類教學平臺建設、實驗教師隊伍的建設以及不同學校教師的交流；(4) 而上述(1)、(2) 和(3) 中的促進所帶來的高素質教資隊伍、優質課程及高水平實驗平臺又為高水平科學和教學研究、學術教學骨干、創新性人材培養提供了“活水”“養分”，幫助其更好地完成比賽，提高競賽質量、水平[16]。

不可否認，在競賽舉辦的初期，竟教相互提高相互促進，效果顯著。但隨著教學改革到深水區、化學學科進一步聚集到(量子)介微觀區域、人材培養的多元化，二者相互作用優勢漸微。一個關鍵的原因是傳統化工實驗技能競賽由于外在條件限制不能引入更前沿的化學知識，以最近五年湖南省化工技能競賽無機及分析化學組賽題為例，全部以某種配合物的合成輔以化學分析確定其組分，而物理化學則無外乎某物質分子量、熱焓或分解速率的測定，如此往復，給人感覺已到了無法創新的階段，此現狀自然越來越難以引起參賽教師、學生的興趣，更何談影響日常的化學教與學。這些亦與前述化學學科在(量子)介微觀世界蓬勃發展、知識點呈指數式增長的現狀相悖，之所以如此，這是由于若要介入更復雜的物質合成、物性參數測試甚至介微觀世界的前沿化學知識，必定要借助大量高精尖昂貴的儀器設備，這是各大高校財力所不能承擔的。但通過實驗引導，加深對復雜體系涉及介微觀世界化學理論知識的理解，相關的實驗項目又不可或缺。毋庸置疑，納入“量子理論”新內容到傳統化學技能競賽可激發賽事活力，而反過來該賽事又可帶動化學教與學內容向前沿的(量子)介微觀世界精進，如果真的能實現二者的有機融合，不但能拓展化學實驗技能競賽的涉足范圍，更能加快(量子)介微觀理論在高校大范圍的傳播，但問題是在有限的資源下如何融合二者？

2 虛擬仿真實驗納入競賽的優勢與必要性

在現實世界實現上述需求無疑要耗費大量的資源，那么利用計算機虛擬是否可行？答案是肯定的。隨著計算機多媒體技術的迅速發展，越來越多的手段介入到化學的教與學過程中[17]，例如，從最初的手寫幻燈片到計算機輔助編輯+PPT 展示再到當前的MOOC 和雨課堂等教學方式，這些手段的介入極大地豐富了原本45 分鐘課堂的內容，有效地提高了課堂授課效率、知識掌握度，模糊了課堂的界限，增強了教師與學生的互動率。虛擬仿真技術也在這一時間段應運而生[18]，它與其他多媒體手段的區別在于能實現人機交互操作，而且能用3D 視圖虛擬化真實的儀器設備、操作流程，能依據操作人輸入的參數實現不同結果的輸出，讓人有當真在實驗、在操作設備的“身臨其境”感，特別是在當前傳統的化學實驗教學受到(1)傳統實驗室教學很難從分子層次上理解化學物質的結構性能關系、動力學機制和反應特性；(2) 大型儀器昂貴且自動化封裝，傳統實驗室教學難以幫助學生完整深入了解儀器的原理、使用和拓展；(3)基于安全因素以及成本原因，大面積的化學實驗教學不宜使用危險或是貴重的化學藥品；(4) 傳統化學實驗教學由于物理空間和時間的限制，不利于學生及時地了解和跟蹤學科發展等制約時，備受各層次教學改革者的關注。

盡管虛擬仿真技術有諸多優勢，但由于各種原因其在多數高校特別是地方院校并未受到重視，除了對其的作用褒貶不一抑或資源受限，更重要的是該技術不是僅靠單一學科就能實現的，而是根據其應用場景可能涉及物理、化學、材料、數學以及計算機等諸多學科的交叉[19]，例如，筆者在進行PW12O403-團簇結構優化及溶劑化行為探索時，輸出的數據高達十幾GB，而要從這些數據中提取出有效的化學信息，后處理流程要涉及統計分析、數學語言的程序化、數據的可視化以及Linux 平臺的熟練應用等技術。在某種程度上，虛擬仿真技術的成熟與否可以作為判定不同傳統理工學科交叉深淺的標準線。

2021 年湖南省教育廳首次將虛擬仿真實驗作為獨立單元納入大學生化學化工學科(化學實驗技能)競賽中，就受到省內高校同仁們的廣泛歡迎。除了契合國家大力發展交叉學科的大背景外，虛擬仿真實驗的納入真的為競賽注入了活力：如雙戊烯高壓連續催化加氫虛擬仿真實驗、基于原子尺度的微觀物理虛擬仿真實驗等以前因安全隱患、儀器復雜昂貴無法在傳統實驗室實現的項目都出現在了賽場上，無疑增加了賽事的豐富性和新穎性，拓寬了競賽所能考察的范圍，使其煥發生機。

3 結語

事實上，(量子)介微觀理論的爆發式增長部分也得益于計算機技術的快速發展，例如，當前幾乎全部軟硬物質內部原子/ 分子結構、固液/ 固氣/ 液氣界面結構探索及表界面吸附理論的發展都需要借助密度泛函理論計算(如Gaussian 軟件)、經典動力學模擬(DL_POLY 或Gromacs 軟件) 或從頭算動力學模擬(CPMD 或CP2K 軟件)等在計算機上論證并實現[20]。反過來，介微觀世界的多數抽象理論、違反常理實驗現象利用可視化軟件以圖象的方式展現也天然的具有優勢，能夠即時地幫助人們在腦海中構建可想象的物理圖像，進而加深理解相關理論、反常實驗現象。

如前所述，為了使學生感受到近一個世紀人們利用量子化學理論探究微觀世界取得的輝煌成就，一方面，通過理論教學將發展有一個多世紀的量子化學理論中的基本概念以“穿針引線”地方式穿插到現有的化學課程中，另一方面，借助虛擬仿真技術，將能凸顯某一或某幾介微觀抽象概念的前沿科研成果轉化為三維可視化且可人機交互的仿真實驗。通過理論與實踐的相結合，最終實現對(量子)介微觀世界的初步認識。

2021 年是虛擬仿真實驗納入競賽的第一年，筆者期待該單元在喚發傳統學科競賽活力的同時，能像20 年前的傳統化工實驗技能競賽一樣，也能進一步反哺化學的教與學，拓寬化學授課的教學范疇，推動目前化學教學依賴的經典宏觀框架向基于精確且定量的介微觀知識體系的縱深進程，實現化學教與學與時代需求的接軌。