信息化背景下物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐

中圖分類號：G424

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.20.010

Exploration and Practice of Teaching Reform of Physical Chemistry Experiments in the Informatization Context

SUN Fang

（College of Chemistry， Chongqing Normal University， Chongqing

AbstractInresponse to the demandfor talentcultivation innew engineering disciplines and the trendofdigital transformationcombinedithteevelopmentofcuting-edgetechnologiessuchas5Gandatfcialintellgencetsicle intends to propose a new paradigm for physical chemistry experimental teaching thatcombines virtual andreal integration with curriculumideologyand politics.This plannot only enriches the digital experimental resource libraryand innovatively implementsahybridteachingmodeofonineandofline，butalsoorganicallyintegratesthecultivationofscientificspitand the education of socialist core values into the entire processof experimental teaching.This reform plan aims to comprehensivelyenhancestudents'digitalexperimentalskils，innovativethinking，andscientificthicsawareness，ainga solid foundation for the cultivation of scientific and technological talents in the new era.

Keywordsvirtual-real integration; curriculum ideology and politics; physical chemistry experiment

1教學(xué)改革的時(shí)代訴求

1.1技術(shù)革命對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新要求

隨著量子計(jì)算、AI預(yù)測、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，科研范式正在經(jīng)歷一場前所未有的深刻變革。這些技術(shù)不僅顯著提高了科研效率，還為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的視角和方法，同時(shí)也帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[]。

虛擬仿真技術(shù)作為其中的佼佼者，以其強(qiáng)大的模擬能力和便捷性，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上的限制。通過虛擬仿真平臺，學(xué)生可以不受實(shí)驗(yàn)室條件的限制，安全、高效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。例如，在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)使學(xué)生能夠直觀地觀察到微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而更深入地理解物理化學(xué)原理。

與此同時(shí)，數(shù)字化原生代學(xué)生的學(xué)習(xí)特征也發(fā)生了顯著變化。2023年高校學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)調(diào)查報(bào)告顯示，當(dāng)代大學(xué)生更傾向于利用數(shù)字化工具進(jìn)行學(xué)習(xí)，他們渴望在互動(dòng)、開放的環(huán)境中獲取知識，并傾向于通過實(shí)踐來檢驗(yàn)所學(xué)。因此，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須適應(yīng)這一變化，充分利用數(shù)字化資源，打造更加符合學(xué)生需求的教學(xué)模式，以滿足他們對個(gè)性化學(xué)習(xí)和互動(dòng)學(xué)習(xí)的需求。

1.2傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)痛點(diǎn)分析

傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在多年的發(fā)展過程中，逐漸暴露出諸多痛點(diǎn)，嚴(yán)重制約了教學(xué)質(zhì)量的提升。

首先，同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重。據(jù)教育部2021年本科教育教學(xué)審核評估分析，超 70% 高校的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更新周期超過15年，部分內(nèi)容仍沿用20世紀(jì)末的設(shè)計(jì)，這些內(nèi)容陳舊，缺乏創(chuàng)新性和針對性，無法滿足新時(shí)代人才培養(yǎng)的需求。學(xué)生在這些實(shí)驗(yàn)中往往只能按照固定的步驟進(jìn)行操作，難以發(fā)揮主動(dòng)性和創(chuàng)新性。其次，高危實(shí)驗(yàn)開設(shè)困難。由于實(shí)驗(yàn)條件和安全等因素的限制，一些高危實(shí)驗(yàn)如高溫高壓反應(yīng)、放射性實(shí)驗(yàn)等難以在普通實(shí)驗(yàn)室中開展。這不僅限制了學(xué)生對這些實(shí)驗(yàn)的理解深度，還影響了他們對相關(guān)知識的全面掌握。最后，評價(jià)維度單一。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過度側(cè)重操作規(guī)范性，忽視了過程性評價(jià)和綜合性評價(jià)。這種評價(jià)方式無法全面反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰途C合素質(zhì)，也限制了學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展。

1.3新工科人才培養(yǎng)需求

新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)提出了更高的要求，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和跨學(xué)科素養(yǎng)的復(fù)合型人才。特別是在新能源材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，需要既懂物理化學(xué)原理又具備跨學(xué)科知識的人才來推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須緊跟時(shí)代步伐，不斷更新教學(xué)內(nèi)容和方法，以滿足新工科人才培養(yǎng)的需求。

2教學(xué)體系重構(gòu)路徑

2.1虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建

為了克服傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的痛點(diǎn)，本研究擬構(gòu)建“虛實(shí)融合\"的實(shí)驗(yàn)體系。該體系包括基礎(chǔ)層、虛擬層和創(chuàng)新層三個(gè)層次，旨在通過虛實(shí)結(jié)合的方式，全面提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力。

基礎(chǔ)層：保留并優(yōu)化傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如燃燒熱測定、中和熱測定等。這些實(shí)驗(yàn)是物理化學(xué)課程的基礎(chǔ)，有助于學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能和理論知識。在保留這些實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，對其進(jìn)行數(shù)字化改造，利用虛擬仿真技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)過程，使學(xué)生在安全、便捷的環(huán)境中鞏固基礎(chǔ)知識。

虛擬層：開發(fā)AR輔助儀器操作和分子模擬實(shí)驗(yàn)等虛擬仿真項(xiàng)目。通過AR技術(shù)，學(xué)生可以直觀地觀察到儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。例如，在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過AR眼鏡觀察到電解池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作過程，從而更深入地理解電化學(xué)原理。同時(shí)，利用分子模擬軟件（如MaterialsStudio、LAMMPS等）進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，幫助學(xué)生深入理解微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

創(chuàng)新層：設(shè)計(jì)“碳中和\"\"新能源材料\"等主題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如 CO₂ 電催化還原綜合實(shí)驗(yàn)、鋰離子電池材料制備與性能測試等。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問題的能力。通過參與這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以了解當(dāng)前的科技前沿和社會熱點(diǎn)問題，從而激發(fā)其探索未知、服務(wù)社會的熱情。

2.2數(shù)字化資源建設(shè)

為了支撐虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)施，本教研室擬建設(shè)豐富的數(shù)字化資源，包括微課視頻庫、虛擬仿真項(xiàng)目庫和智能指導(dǎo)系統(tǒng)等。

微課視頻庫：擬涵蓋200多個(gè)知識點(diǎn)切片，每個(gè)切片時(shí)長控制在5一10分鐘內(nèi)，便于學(xué)生利用碎片時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。這些視頻內(nèi)容要求涵蓋物理化學(xué)課程的核心概念和實(shí)驗(yàn)技能，包括實(shí)驗(yàn)原理、儀器操作、數(shù)據(jù)處理等方面。學(xué)生可以通過觀看這些視頻來鞏固和拓展所學(xué)知識，提高學(xué)習(xí)效率。

虛擬仿真項(xiàng)目庫：進(jìn)一步開發(fā)并上線多個(gè)虛擬仿真項(xiàng)目。這些項(xiàng)目不僅能模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作過程，還能提供豐富的交互功能和數(shù)據(jù)分析工具。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析，從而加深對實(shí)驗(yàn)原理的理解。

智能指導(dǎo)系統(tǒng)：基于知識圖譜技術(shù)構(gòu)建個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑推薦系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和興趣偏好為其推薦適合的學(xué)習(xí)資源和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過收集學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和分析其學(xué)習(xí)行為，系統(tǒng)可以智能識別學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣點(diǎn)，并為其推薦相應(yīng)的微課視頻、虛擬仿真項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)等資源。

2.3混合式教學(xué)模式創(chuàng)新

為了進(jìn)一步提升物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，本教研室擬實(shí)施線上線下混合式教學(xué)模式。該模式以線上線下相結(jié)合的方式促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展，包括課前、課中和課后三個(gè)階段。

課前：學(xué)生通過觀看慕課視頻了解實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟，并通過虛擬仿真平臺進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)操作。教師可以通過SPOC平臺跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和預(yù)習(xí)情況，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)和困惑點(diǎn)，為課堂教學(xué)提供有針對性的教學(xué)反饋。課中：教師根據(jù)課前預(yù)習(xí)情況調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析。利用智能設(shè)備輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如IoT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)、AR眼鏡等，使學(xué)生能夠更加直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)變化。課后：學(xué)生需要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和總結(jié)。教師可鼓勵(lì)學(xué)生積極參與創(chuàng)新項(xiàng)自孵化活動(dòng)，將所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際問題的解決。

3課程思政融入策略

3.1科學(xué)史中的思政元素

教師需將科學(xué)史中的思政元素融入物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過講述科學(xué)家的故事和科研成果來激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和創(chuàng)新精神。例如，在表面張力實(shí)驗(yàn)中，教師可引申至顧毓珍先生的膠體化學(xué)研究成果。顧毓珍先生是我國膠體化學(xué)領(lǐng)域的奠基人之一，通過講述他的科研歷程和愛國情懷，可激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和責(zé)任感。在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，教師可融合錢逸泰院士的納米材料創(chuàng)新故事。通過講述錢逸泰院士如何攻克科研難題、為國家科技進(jìn)步作出貢獻(xiàn)的事跡，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和愛國情懷。

3.2實(shí)驗(yàn)倫理教育

實(shí)驗(yàn)倫理教育是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可或缺的一部分。教師可以通過案例分析的方式加強(qiáng)學(xué)生的倫理意識，培養(yǎng)他們的責(zé)任感和道德觀念。例如，利用RetractionWat-ch數(shù)據(jù)庫中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)篡改案例，讓學(xué)生認(rèn)識到學(xué)術(shù)不端的嚴(yán)重性和后果，引導(dǎo)學(xué)生思考如何在實(shí)驗(yàn)中遵守倫理規(guī)范、保障數(shù)據(jù)的真實(shí)性。通過講述Bhopal災(zāi)難等實(shí)驗(yàn)室安全事故案例，培養(yǎng)學(xué)生的安全意識和責(zé)任意識，引導(dǎo)他們嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度和操作規(guī)程，確保實(shí)驗(yàn)過程的安全性。同時(shí)，教師還需鼓勵(lì)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)室安全培訓(xùn)和演練活動(dòng)，提高他們的應(yīng)急處理能力和自救互救能力。

3.3可持續(xù)發(fā)展理念

教師需進(jìn)一步將可持續(xù)發(fā)展理念融入物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和綠色化學(xué)觀念。這不僅是響應(yīng)國家生態(tài)文明建設(shè)的號召，還是培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感的重要途徑。例如，在有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)中，教師可采用無毒或低毒的溶劑來替代有毒試劑，減少有害物質(zhì)的排放，以鼓勵(lì)學(xué)生探索更加環(huán)保的實(shí)驗(yàn)方法，為綠色化學(xué)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)廢棄物處理環(huán)節(jié)，教師應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)文明教育，引導(dǎo)學(xué)生正確處理實(shí)驗(yàn)廢棄物并積極參與環(huán)保行動(dòng)。同時(shí)，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參與校園環(huán)保和志愿服務(wù)活動(dòng)，將所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)踐，為環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)自己的力量。

4預(yù)期實(shí)施成效與反思

4.1預(yù)期教學(xué)效果量化分析

根據(jù)以上“虛實(shí)融合 ⁺ 課程思政\"的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案，預(yù)期可看到的顯著成果：

實(shí)驗(yàn)報(bào)告優(yōu)秀率提升：預(yù)計(jì)未來兩年內(nèi)，通過引入更先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)和強(qiáng)化實(shí)踐操作技能訓(xùn)練，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告優(yōu)秀率有望提高至少 25% 。

創(chuàng)新項(xiàng)目轉(zhuǎn)化率增長：預(yù)期學(xué)生參與的創(chuàng)新項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化率達(dá)到約 15% ，這意味著每七個(gè)項(xiàng)目中就有一個(gè)能夠轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用或獲得省級以上的獎(jiǎng)項(xiàng)。這樣的成就將證明學(xué)生在創(chuàng)新思維及解決實(shí)際問題的能力方面有了顯著提升。

虛擬實(shí)驗(yàn)完成度提高：預(yù)期學(xué)生對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的接受度和滿意度將持續(xù)上升，預(yù)計(jì)完成度將達(dá)到 98% 以上。若這一比例顯著提高，則表明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將成為提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣和動(dòng)手能力的有效工具。

4.2持續(xù)改進(jìn)方向

盡管上述目標(biāo)描繪了一個(gè)充滿希望的前景，但為確保改革成功，還需在以下方面持續(xù)優(yōu)化。

AI實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)的發(fā)展：計(jì)劃進(jìn)一步開發(fā)和完善AI實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)，使其功能更加全面，智能化水平更高。未來的目標(biāo)是讓該系統(tǒng)不僅能提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議，還能實(shí)時(shí)反饋實(shí)驗(yàn)操作中的錯(cuò)誤，幫助學(xué)生即時(shí)糾正，從而提高其實(shí)驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性。

校企合作深化：“數(shù)字雙胞胎”實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)將是下一步的重點(diǎn)工作之一。通過加強(qiáng)與企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的合作，可以共同構(gòu)建一個(gè)既具備前沿科技支持又貼近工業(yè)應(yīng)用場景的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為學(xué)生提供更為豐富和真實(shí)的實(shí)踐機(jī)會。

多元增值評價(jià)體系的建立：為更好地評估學(xué)生的綜合能力，需致力于創(chuàng)建一套全面的多元增值評價(jià)體系。利用數(shù)字化能力雷達(dá)圖等可視化工具，幫助學(xué)生清晰地認(rèn)識到自己的強(qiáng)項(xiàng)與弱點(diǎn)，并據(jù)此制定個(gè)性化發(fā)展計(jì)劃，促進(jìn)其全面發(fā)展。

5結(jié)語

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)主動(dòng)擁抱技術(shù)變革，繼續(xù)深化教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的探索和實(shí)踐，不斷推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展。通過加強(qiáng)AI實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)的開發(fā)、構(gòu)建校企聯(lián)動(dòng)的“數(shù)字雙胞胎”實(shí)驗(yàn)平臺、建立多元增值評價(jià)體系等措施，進(jìn)一步助力培養(yǎng)具有數(shù)字素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和家國情懷的新時(shí)代科技人才。

★基金項(xiàng)目：師范大學(xué)博士啟動(dòng)基金、人才引進(jìn)項(xiàng)目“疏基金屬納米團(tuán)簇的電化學(xué)穩(wěn)定性、催化機(jī)理及催化性能調(diào)控的理論研究\"（24XLB027）。

參考文獻(xiàn)

[1]宋大雷，李茹民，宋莎，等.教育信息化背景下高校物理化學(xué)教學(xué)改革探索[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(bào)（上旬刊），2024（2）：13-16.

[2]艾玲娟.高校思政課數(shù)字化轉(zhuǎn)型：價(jià)值意蘊(yùn)、現(xiàn)實(shí)困境與應(yīng)對路徑[J]成才之路，2024（16）：33-36.

[3]劉仁植，魯輝，肖倩.信息化背景下物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性教學(xué)改革及實(shí)踐[J].廣州化工，2021，49（15）：192-194.

[4]彭鵬，周鳳.“國開\"思想政治理論課\"虛實(shí)結(jié)合\"實(shí)踐教學(xué)研究[J]智庫時(shí)代，2019（38）：223，230.

[5]崔孝玲，李紅霞，趙冬妮，等.化工教育信息化背景下物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教法改革探討一線上線下混合式教學(xué)法[J].當(dāng)代化工研究，2020（21）：119-121.