拓展高?；瘜W(xué)教學(xué)內(nèi)容至介微觀理論的新機(jī)遇

張寧，卞妙，何德麗，賀夢冬

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

0 引言

自20 世紀(jì)初量子概念提出至量子力學(xué)發(fā)展為化學(xué)學(xué)科的重要分支以來，人們已經(jīng)利用量子化學(xué)理論對介微觀世界進(jìn)行了大量的探究并取得了輝煌的成就[1-2]。當(dāng)前，量子化學(xué)已經(jīng)是化學(xué)不可分割的一部分，由其引導(dǎo)的介微觀機(jī)制是許多“高精尖”領(lǐng)域“卡脖子”問題理解與解決的關(guān)鍵。“人們對自然界的認(rèn)識已由原來的宏觀尺度唯象理論不斷深入擴(kuò)展到現(xiàn)在的介微觀尺度理論構(gòu)架”較為頻繁地出現(xiàn)在化學(xué)相關(guān)學(xué)科的描述中[3]，體現(xiàn)了量子這一介微觀概念經(jīng)100 多年的發(fā)展已經(jīng)浸入到化學(xué)學(xué)科的各個方面，并起到引領(lǐng)化學(xué)學(xué)科發(fā)展方向作用。

盡管如此，理解或掌握量子化學(xué)并非易事：理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象，而且還耦合較多復(fù)雜的物理、數(shù)學(xué)知識，特別是在微觀世界里粒子的運動規(guī)律往往與經(jīng)典宏觀運動規(guī)律差別顯著。理論晦澀難懂、規(guī)律違反常理，不僅是學(xué)生理解介微觀世界的“攔路虎”，而且給授課教師的教學(xué)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(shù)與物理、化學(xué)相關(guān)地專業(yè)亦迎來了知識大爆發(fā)。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(yè)課程，基礎(chǔ)化學(xué)課程不斷被壓縮，以筆者所在的農(nóng)林學(xué)科為特色專業(yè)院校的物理化學(xué)理論教學(xué)為例，物理化學(xué)是生命和生態(tài)學(xué)學(xué)科、材料學(xué)學(xué)科、農(nóng)學(xué)學(xué)科以及環(huán)境學(xué)學(xué)科學(xué)生的必修基礎(chǔ)課之一，其學(xué)時由最初的126 課時最終縮減至80 課時，有些專業(yè)甚至縮減為40 學(xué)時。

為了減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān)，且在不斷緊縮課時的大背景下，絕大多數(shù)非化工類院校甚至一些綜合類院校在刪減教學(xué)內(nèi)容時，量子化學(xué)常常首當(dāng)其沖[6]。脫離了量子化學(xué)，化學(xué)學(xué)科將變成完全宏觀唯象的、二十世紀(jì)初的化學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)完化學(xué)但不懂得聯(lián)系宏觀與原子分子，這與逐步從“炒菜式”研究過渡為“宏觀現(xiàn)象→微觀結(jié)構(gòu)→宏觀性質(zhì)→指導(dǎo)生產(chǎn)”的“量體裁衣式”現(xiàn)代研究、介微觀結(jié)構(gòu)研究逐漸占據(jù)重要地位的化學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢相悖。

在前期的研究中[7]，筆者提出以浙江大學(xué)彭笑剛的《物理化學(xué)講義》為參考資料，將發(fā)展有一個多世紀(jì)的量子化學(xué)理論中的基本概念以“穿針引線”地方式穿插到現(xiàn)有經(jīng)典物理化學(xué)課程中，一反傳統(tǒng)借重“熱機(jī)”理論處理用于描述宏觀系統(tǒng)的熱力學(xué)，而是從一個有限但又充分的量子化學(xué)理論基礎(chǔ)出發(fā)，然后通過統(tǒng)計熱力學(xué)過渡到宏觀熱力學(xué)理論框架，形成具有新體系、新角度、新內(nèi)容“三新”特征知識結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)教程和具有介微觀特色的物理化學(xué)授課模式，使得學(xué)生在學(xué)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(zhì)自然過渡完整的物理化學(xué)圖像，建立物理化學(xué)整個體系的全局觀。遺憾的是，這一思想在實際教學(xué)過程中執(zhí)行起來困難重重，主要存在如下問題：(1)多數(shù)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(xiàn)，吸引不了學(xué)生；(3)從介微觀過渡到宏觀性質(zhì)多涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，沉迷于此耗時耗力，但從定量轉(zhuǎn)換為定性又難以解釋清晰……綜上，可以看出包含量子內(nèi)容的化學(xué)課程的教與學(xué)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?qū)ふ乙环N媒介形象地展示它們，將能對化學(xué)課程的教學(xué)從原有的“舊”內(nèi)容擴(kuò)展至前沿的涉及介微觀的“新”內(nèi)容有關(guān)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(chǔ)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(xiàn)有化學(xué)課程教學(xué)的新契機(jī)。本文首先回顧了傳統(tǒng)化工實驗技能競賽對化學(xué)課程教與學(xué)的反哺，然后討論了虛擬仿真實驗在模擬介微觀世界的優(yōu)勢，最后提出結(jié)合虛擬仿真實驗媒介把量子理論融合到傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)的一些構(gòu)想，供讀者討論。

1 傳統(tǒng)化工實驗技能競賽對化學(xué)課程教與學(xué)的作用

化學(xué)是一門以理論和實踐(實驗)相結(jié)合的自然學(xué)科，有時理論在先，需要通過實驗來驗證，而多數(shù)情況則是實驗出現(xiàn)新現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)展出新的理論，甚至可以說，實驗是當(dāng)前化學(xué)學(xué)科發(fā)展的主要手段[8]。然而，出于高校實驗室設(shè)備、場地、經(jīng)費、人員條件限制和實際安全考慮，長期以來在化學(xué)教與學(xué)過程中普遍存在重理論輕實踐教學(xué)的現(xiàn)實問題。

1998 年，在教育部高等學(xué)?；瘜W(xué)教育研究中心指導(dǎo)下，南開大學(xué)舉辦了本科生首屆全國大學(xué)生化學(xué)實驗競賽，拉開了我國本科生化學(xué)實驗競賽的序幕[9]。該賽事一經(jīng)發(fā)布，就受到全國各大高校的廣泛關(guān)注和廣大化學(xué)化工專業(yè)學(xué)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(xué)教學(xué)固有局面的同時，實際上也順應(yīng)了化學(xué)學(xué)科的發(fā)展規(guī)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(xù)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(xué)趣味化學(xué)知識與化學(xué)實驗聯(lián)合競賽、2004 年浙江省教育廳舉辦了高?；A(chǔ)化學(xué)實驗技能競賽、2007 年湖南省教育廳舉辦了普通高等學(xué)校大學(xué)生化學(xué)實驗技能競賽等且都持續(xù)至今[10]。

化學(xué)實驗競賽歷經(jīng)20 多年的發(fā)展，其名稱或比賽模式隨著時代的進(jìn)步發(fā)生了更易，但其內(nèi)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(xù)舉辦中，各個層次高校改革者也依據(jù)不同目的賦予了競賽不同的功能，例如，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面，形成了“四層次”大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練平臺及三位一體競賽訓(xùn)練模式[11]；更重要的是，在與化學(xué)教與學(xué)的相互作用中，逐步形成了“案例教學(xué)”[12]“教賽融合”[13]“組、教、練、賽”四位一體實踐體系及“四年成長”學(xué)習(xí)機(jī)制[14]等以賽促/教/學(xué)、反哺教學(xué)、相輔相成的良性互促竟教模式，具體表現(xiàn)在：(1)競賽促進(jìn)化學(xué)實驗教學(xué)相關(guān)操作標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，進(jìn)而促使實驗教材描述、表述統(tǒng)一化[15]；(2)競賽進(jìn)一步加強(qiáng)了相關(guān)化學(xué)知識點教授由分散到模塊化的教學(xué)方式，同時競賽中的題目拓寬了涉及知識的點面，也促進(jìn)了日常實驗教學(xué)中實驗項目的更新?lián)Q代；(3) 競賽極大地促進(jìn)了各類教學(xué)平臺建設(shè)、實驗教師隊伍的建設(shè)以及不同學(xué)校教師的交流；(4) 而上述(1)、(2) 和(3) 中的促進(jìn)所帶來的高素質(zhì)教資隊伍、優(yōu)質(zhì)課程及高水平實驗平臺又為高水平科學(xué)和教學(xué)研究、學(xué)術(shù)教學(xué)骨干、創(chuàng)新性人材培養(yǎng)提供了“活水”“養(yǎng)分”，幫助其更好地完成比賽，提高競賽質(zhì)量、水平[16]。

不可否認(rèn)，在競賽舉辦的初期，竟教相互提高相互促進(jìn)，效果顯著。但隨著教學(xué)改革到深水區(qū)、化學(xué)學(xué)科進(jìn)一步聚集到(量子)介微觀區(qū)域、人材培養(yǎng)的多元化，二者相互作用優(yōu)勢漸微。一個關(guān)鍵的原因是傳統(tǒng)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(xué)知識，以最近五年湖南省化工技能競賽無機(jī)及分析化學(xué)組賽題為例，全部以某種配合物的合成輔以化學(xué)分析確定其組分，而物理化學(xué)則無外乎某物質(zhì)分子量、熱焓或分解速率的測定，如此往復(fù)，給人感覺已到了無法創(chuàng)新的階段，此現(xiàn)狀自然越來越難以引起參賽教師、學(xué)生的興趣，更何談影響日常的化學(xué)教與學(xué)。這些亦與前述化學(xué)學(xué)科在(量子)介微觀世界蓬勃發(fā)展、知識點呈指數(shù)式增長的現(xiàn)狀相悖，之所以如此，這是由于若要介入更復(fù)雜的物質(zhì)合成、物性參數(shù)測試甚至介微觀世界的前沿化學(xué)知識，必定要借助大量高精尖昂貴的儀器設(shè)備，這是各大高校財力所不能承擔(dān)的。但通過實驗引導(dǎo)，加深對復(fù)雜體系涉及介微觀世界化學(xué)理論知識的理解，相關(guān)的實驗項目又不可或缺。毋庸置疑，納入“量子理論”新內(nèi)容到傳統(tǒng)化學(xué)技能競賽可激發(fā)賽事活力，而反過來該賽事又可帶動化學(xué)教與學(xué)內(nèi)容向前沿的(量子)介微觀世界精進(jìn)，如果真的能實現(xiàn)二者的有機(jī)融合，不但能拓展化學(xué)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(yōu)勢與必要性

在現(xiàn)實世界實現(xiàn)上述需求無疑要耗費大量的資源，那么利用計算機(jī)虛擬是否可行？答案是肯定的。隨著計算機(jī)多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的手段介入到化學(xué)的教與學(xué)過程中[17]，例如，從最初的手寫幻燈片到計算機(jī)輔助編輯+PPT 展示再到當(dāng)前的MOOC 和雨課堂等教學(xué)方式，這些手段的介入極大地豐富了原本45 分鐘課堂的內(nèi)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(qiáng)了教師與學(xué)生的互動率。虛擬仿真技術(shù)也在這一時間段應(yīng)運而生[18]，它與其他多媒體手段的區(qū)別在于能實現(xiàn)人機(jī)交互操作，而且能用3D 視圖虛擬化真實的儀器設(shè)備、操作流程，能依據(jù)操作人輸入的參數(shù)實現(xiàn)不同結(jié)果的輸出，讓人有當(dāng)真在實驗、在操作設(shè)備的“身臨其境”感，特別是在當(dāng)前傳統(tǒng)的化學(xué)實驗教學(xué)受到(1)傳統(tǒng)實驗室教學(xué)很難從分子層次上理解化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系、動力學(xué)機(jī)制和反應(yīng)特性；(2) 大型儀器昂貴且自動化封裝，傳統(tǒng)實驗室教學(xué)難以幫助學(xué)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(xué)實驗教學(xué)不宜使用危險或是貴重的化學(xué)藥品；(4) 傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)由于物理空間和時間的限制，不利于學(xué)生及時地了解和跟蹤學(xué)科發(fā)展等制約時，備受各層次教學(xué)改革者的關(guān)注。

盡管虛擬仿真技術(shù)有諸多優(yōu)勢，但由于各種原因其在多數(shù)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(shù)不是僅靠單一學(xué)科就能實現(xiàn)的，而是根據(jù)其應(yīng)用場景可能涉及物理、化學(xué)、材料、數(shù)學(xué)以及計算機(jī)等諸多學(xué)科的交叉[19]，例如，筆者在進(jìn)行PW12O403-團(tuán)簇結(jié)構(gòu)優(yōu)化及溶劑化行為探索時，輸出的數(shù)據(jù)高達(dá)十幾GB，而要從這些數(shù)據(jù)中提取出有效的化學(xué)信息，后處理流程要涉及統(tǒng)計分析、數(shù)學(xué)語言的程序化、數(shù)據(jù)的可視化以及Linux 平臺的熟練應(yīng)用等技術(shù)。在某種程度上，虛擬仿真技術(shù)的成熟與否可以作為判定不同傳統(tǒng)理工學(xué)科交叉深淺的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)生化學(xué)化工學(xué)科(化學(xué)實驗技能)競賽中，就受到省內(nèi)高校同仁們的廣泛歡迎。除了契合國家大力發(fā)展交叉學(xué)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(xù)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(fù)雜昂貴無法在傳統(tǒng)實驗室實現(xiàn)的項目都出現(xiàn)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(fā)生機(jī)。

3 結(jié)語

事實上，(量子)介微觀理論的爆發(fā)式增長部分也得益于計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，例如，當(dāng)前幾乎全部軟硬物質(zhì)內(nèi)部原子/ 分子結(jié)構(gòu)、固液/ 固氣/ 液氣界面結(jié)構(gòu)探索及表界面吸附理論的發(fā)展都需要借助密度泛函理論計算(如Gaussian 軟件)、經(jīng)典動力學(xué)模擬(DL_POLY 或Gromacs 軟件) 或從頭算動力學(xué)模擬(CPMD 或CP2K 軟件)等在計算機(jī)上論證并實現(xiàn)[20]。反過來，介微觀世界的多數(shù)抽象理論、違反常理實驗現(xiàn)象利用可視化軟件以圖象的方式展現(xiàn)也天然的具有優(yōu)勢，能夠即時地幫助人們在腦海中構(gòu)建可想象的物理圖像，進(jìn)而加深理解相關(guān)理論、反常實驗現(xiàn)象。

如前所述，為了使學(xué)生感受到近一個世紀(jì)人們利用量子化學(xué)理論探究微觀世界取得的輝煌成就，一方面，通過理論教學(xué)將發(fā)展有一個多世紀(jì)的量子化學(xué)理論中的基本概念以“穿針引線”地方式穿插到現(xiàn)有的化學(xué)課程中，另一方面，借助虛擬仿真技術(shù)，將能凸顯某一或某幾介微觀抽象概念的前沿科研成果轉(zhuǎn)化為三維可視化且可人機(jī)交互的仿真實驗。通過理論與實踐的相結(jié)合，最終實現(xiàn)對(量子)介微觀世界的初步認(rèn)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(fā)傳統(tǒng)學(xué)科競賽活力的同時，能像20 年前的傳統(tǒng)化工實驗技能競賽一樣，也能進(jìn)一步反哺化學(xué)的教與學(xué)，拓寬化學(xué)授課的教學(xué)范疇，推動目前化學(xué)教學(xué)依賴的經(jīng)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(jìn)程，實現(xiàn)化學(xué)教與學(xué)與時代需求的接軌。