以“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”為導向的物理專業(yè)實驗教學改革與實踐

張瑩瑩，馮 鐸，李志豪，陳 晶，畢宛毓

（大連理工大學物理學院三束材料改性教育部重點實驗室，遼寧大連 116023）

0 引言

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（簡稱“大創(chuàng)”）是教育部組織實施的“高等學校本科教學質量與教學改革工程”重要內容之一。物理專業(yè)實驗室不僅是“大創(chuàng)”計劃的重要實踐基地，專業(yè)實驗教學也是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新實踐能力的重要途徑和方式之一［1］。

長期以來，受傳統(tǒng)教學理念束縛，實驗教學往往不受重視，學生探索性、創(chuàng)新性實踐訓練受到限制，學習的主動性和積極性不高［2-3］。如何將“大創(chuàng)”計劃和物理專業(yè)實驗教學有機融合，以實驗室為“大創(chuàng)”平臺，以“大創(chuàng)”促進實驗教學，增強學生實驗興趣，進而有效提高教學質量，是物理專業(yè)實驗教學改革需要努力的方向之一［4-5］。

應用物理學專業(yè)實驗項目之一——光催化系列實驗項目，是專為大學生開展的專業(yè)實驗訓練項目。此系列實驗項目分為3 步：分子模擬、制備及觀察、光催化降解，實驗目的使學生掌握環(huán)境保護領域新的技術方法，并學會利用模擬結果和真實結果進行對比分析的科學思想。由于課堂實驗教學的時間和空間有限，學生的實踐能力和創(chuàng)新能力得不到充分發(fā)揮。實驗室通過“實驗教學-內容延伸-探索研究-創(chuàng)新能力培養(yǎng)”模式，在課堂實驗教學的基礎上，拓展教學資源，每年承擔“大創(chuàng)”計劃1～2 項，并將“大創(chuàng)”成果反饋實驗教學，形成以“大創(chuàng)”計劃為導向的專業(yè)實驗教學項目。

以下從“大創(chuàng)”計劃的實驗過程著手，說明如何在實驗教學的基礎上，注重培養(yǎng)大學生的科學創(chuàng)新能力。

1 實驗過程

1.1 實驗背景

光催化技術是環(huán)境領域一門新興技術，是指在有光參與時，將有機污染物降解為非污染物的技術，在環(huán)境治理、資源保護等方面具有廣泛的應用［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，被廣泛應用于光催化技術的多個領域［7-10］。

然而，TiO2在應用上仍存在不少問題。例如，純凈的TiO2電子和空穴壽命短、易復合，有效參與反應的數(shù)量少；光吸收范圍窄，光的利用率較低等，這些缺點限制了TiO2作為理想光催化劑的潛力。人們采用了多種方法對TiO2光催化活性進行改良，其中進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-空穴的復合，還能有效改善TiO2的電子結構，使其發(fā)生明顯的紅移現(xiàn)象，可有效提高其對可見光的利用率。

在實驗教學中，對TiO2進行鐵（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光催化性能的影響。在學生掌握一定理論知識和實驗技能的基礎上，針對一些對該項目感興趣的同學，進行實驗內容的適當延伸，并承擔“大創(chuàng)”計劃1 項：“離子摻雜比例對TiO2光催化效果的改良研究”。實驗過程以Mn 離子摻雜TiO2為例，首先分子模擬不同摻雜比例對TiO2光催化性能的改良，再通過催化降解甲基橙溶液進行實驗驗證。

1.2 模擬結果

基于密度泛涵方法的從頭算量子力學程序（CASTEP）模塊，采用商業(yè)軟件Materials Studio進行模擬，過程分為建立超胞、設置參數(shù)、分析結果3 步。銳鈦礦型TiO2超胞（2 ×2 ×1）結構由8 個Ti原子，16 個O原子組成，如圖1（a）所示。將超胞中任意1、2、3 個Ti離子被Mn離子取代，分別對應摻雜比例為12.5%、25.0%、37.5%，其中摻雜比例指Mn 離子所占摩爾分數(shù)，分子結構如圖1 所示。通過MS軟件建立單胞、超胞結構，學生可以對晶體的微觀結構進行觀察分析。

圖1 不同Mn摻雜比例下銳鈦礦型TiO2 超胞結構

當光照射到光催化劑表面時，軌道電子吸收相應頻率的光子能量而發(fā)生帶間躍遷，光子能量的變化會反射出一定的光譜，進而表現(xiàn)出不同的光學性質。介電函數(shù)虛部值由電子躍遷決定，即帶隙較窄時，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，表明此頻率范圍內能夠躍遷的電子最多。然而，可見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，其中0～3 eV之間出現(xiàn)的極大值已覆蓋可見光光子的能量范圍，表明可見光能夠激發(fā)此區(qū)域內的大量電子，進而有效改良了TiO2的光催化性能。此外，通過分析結果還發(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 實驗驗證

學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對甲基橙的降解率分別為47%、81%、68%和60%，結果說明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，如圖3 所示。因此，學生發(fā)現(xiàn)問題：實驗結果與模擬結果并不符合。

圖3 不同錳摻雜比例下，TiO2 光催化劑對甲基橙降解率的影響

2 創(chuàng)新能力培養(yǎng)

針對實驗中發(fā)現(xiàn)的問題，學生繼續(xù)探索研究。通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)Mn的摻雜量不是越大越好，而是有一個最佳比率［12-13］。達到最佳比例時，催化性能最優(yōu)，此時電子和空穴的復合率較低，而光能的利用率相對較高。根據分子模擬結果和實驗結果對比，學生得出結論：Mn 摻雜比例為12.5%時Mn-TiO2的催化性能最優(yōu)，此時介電函數(shù)虛部值出現(xiàn)的第一個極大值（對應頻率為1～2 eV）不超過10。

根據得出的結論，學生又做了進一步的探索研究。通過模擬計算，發(fā)現(xiàn)離子摻雜比例相同時，不同摻雜位置會對催化性能產生影響，不同離子共雜也會對催化性能產生影響。以摻雜比例為25%的Mn-TiO2兩種結構為例，學生研究了在相同摻雜比例條件下，不同摻雜位置對銳鈦礦型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。

圖4 Mn摻雜濃度為25.0%時Mn-TiO2 兩種結構介電函數(shù)虛部圖

結構1 峰值為15 左右，高于結構2，根據以上結論，在介電函數(shù)虛部出現(xiàn)的第一個極大值（對應頻率為1～2 eV）不超過10 時，催化性能達到最好。所以由圖4 可以認為摻雜結構2 的催化性能優(yōu)于結構1。因此，學生得出創(chuàng)新性結論：在實際生產應用過程中，不僅要選擇合適的摻雜比例，還應盡可能篩選最優(yōu)的摻雜位置。

3 教學模式探析

3.1 “大創(chuàng)”以實驗教學為基礎

物理專業(yè)實驗不同于物理基礎實驗，注重拓展學生的專業(yè)知識，培養(yǎng)學生基于專業(yè)的創(chuàng)新能力。專業(yè)實驗教學是大學生創(chuàng)新實踐中的重要組成部分，實驗室不僅為學生提供基礎的實驗設備和硬件平臺，提供“大創(chuàng)”的選題來源，實驗教學內容更能豐富學生思想，提供專業(yè)的理論知識和技術，培養(yǎng)學生科學的創(chuàng)新實踐能力?！按髣?chuàng)”計劃以專業(yè)實驗教學為基礎，避免了學生選題沒有依據，缺乏理論知識和必要的實驗技能，或者“大創(chuàng)”實施過程中過分依賴指導教師，不利于學生自主探索意識的培養(yǎng)。

3.2 實驗教學以“大創(chuàng)”為導向

傳統(tǒng)的教學理念認為實驗教學仍舊是理論課程的輔助形式，教學內容和形式往往比較單一，大多數(shù)通過老師講解、演示，學生根據固定模式操作，學生缺乏靈活性、自主性學習，造成積極性不高。另外，教學時間和地點比較固定，學生不具有進一步探索延伸的時間和空間。以“大創(chuàng)”計劃為導向的實驗教學，不僅可以充分利用學校的優(yōu)質教學資源，調動學生上課的積極性，還能將“大創(chuàng)”成果反饋實驗教學，鼓勵學生自主探索研究，充分發(fā)揮學生的求知欲和探索欲，契合物理專業(yè)實驗教學的培養(yǎng)目標。

4 結語

物理專業(yè)實驗教學為“大創(chuàng)”計劃提供基礎平臺，“大創(chuàng)”計劃為實驗教學注入活力和改革動力，將兩者有機融合、相互滲透，最終達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的目的。應用物理學專業(yè)實驗室以“大創(chuàng)”計劃為導向，探索以物理專業(yè)實驗教學為基礎的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。實踐表明，該教學模式不僅能有效整合優(yōu)質的教學資源，調動學生實驗積極性，更能培養(yǎng)學生嚴謹?shù)乃季S能力和科學的創(chuàng)新能力，切實提高專業(yè)實驗教學質量。相信在今后的專業(yè)實驗教學改革過程中，以“大創(chuàng)”計劃為導向的實驗教學，還將持續(xù)進行并發(fā)揮越來越大的作用。