信息化背景下物理化學實驗教學改革探索與實踐

中圖分類號：G424

文獻標識碼：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教學改革的時代訴求

1.1技術革命對實驗教學的新要求

隨著量子計算、AI預測、大數據分析等新技術的不斷涌現，科研范式正在經歷一場前所未有的深刻變革。這些技術不僅顯著提高了科研效率，還為實驗教學提供了新的視角和方法，同時也帶來了新的挑戰和機遇[]。

虛擬仿真技術作為其中的佼佼者，以其強大的模擬能力和便捷性，突破了傳統實驗在時間和空間上的限制。通過虛擬仿真平臺，學生可以不受實驗室條件的限制，安全、高效地進行實驗操作。例如，在物理化學實驗中，分子動力學模擬技術使學生能夠直觀地觀察到微觀粒子的運動規律，從而更深入地理解物理化學原理。

與此同時，數字化原生代學生的學習特征也發生了顯著變化。2023年高校學生數字素養調查報告顯示，當代大學生更傾向于利用數字化工具進行學習，他們渴望在互動、開放的環境中獲取知識，并傾向于通過實踐來檢驗所學。因此，物理化學實驗教學必須適應這一變化，充分利用數字化資源，打造更加符合學生需求的教學模式，以滿足他們對個性化學習和互動學習的需求。

1.2傳統實驗教學痛點分析

傳統物理化學實驗教學在多年的發展過程中，逐漸暴露出諸多痛點，嚴重制約了教學質量的提升。

首先，同質化現象嚴重。據教育部2021年本科教育教學審核評估分析，超 70% 高校的實驗項目更新周期超過15年，部分內容仍沿用20世紀末的設計，這些內容陳舊，缺乏創新性和針對性，無法滿足新時代人才培養的需求。學生在這些實驗中往往只能按照固定的步驟進行操作，難以發揮主動性和創新性。其次，高危實驗開設困難。由于實驗條件和安全等因素的限制，一些高危實驗如高溫高壓反應、放射性實驗等難以在普通實驗室中開展。這不僅限制了學生對這些實驗的理解深度，還影響了他們對相關知識的全面掌握。最后，評價維度單一。傳統實驗教學過度側重操作規范性，忽視了過程性評價和綜合性評價。這種評價方式無法全面反映學生的實驗能力和綜合素質，也限制了學生的個性化發展。

1.3新工科人才培養需求

新工科建設對人才培養提出了更高的要求，強調培養具有創新能力和跨學科素養的復合型人才。特別是在新能源材料、生物醫藥等領域，需要既懂物理化學原理又具備跨學科知識的人才來推動技術創新和產業升級。因此，實驗教學必須緊跟時代步伐，不斷更新教學內容和方法，以滿足新工科人才培養的需求。

2教學體系重構路徑

2.1虛實融合實驗體系構建

為了克服傳統物理化學實驗教學的痛點，本研究擬構建“虛實融合\"的實驗體系。該體系包括基礎層、虛擬層和創新層三個層次，旨在通過虛實結合的方式，全面提升學生的實驗技能和創新能力。

基礎層：保留并優化傳統驗證性實驗，如燃燒熱測定、中和熱測定等。這些實驗是物理化學課程的基礎，有助于學生掌握基本的實驗技能和理論知識。在保留這些實驗的同時，對其進行數字化改造，利用虛擬仿真技術模擬實驗過程，使學生在安全、便捷的環境中鞏固基礎知識。

虛擬層：開發AR輔助儀器操作和分子模擬實驗等虛擬仿真項目。通過AR技術，學生可以直觀地觀察到儀器的內部結構和工作原理。例如，在電化學實驗中，學生可以通過AR眼鏡觀察到電解池的內部結構和工作過程，從而更深入地理解電化學原理。同時，利用分子模擬軟件（如MaterialsStudio、LAMMPS等）進行實操訓練，幫助學生深入理解微觀世界的運動規律。

創新層：設計“碳中和\"\"新能源材料\"等主題實驗項目，如 CO₂ 電催化還原綜合實驗、鋰離子電池材料制備與性能測試等。這些實驗項目旨在培養學生的創新思維和解決實際問題的能力。通過參與這些實驗項目，學生可以了解當前的科技前沿和社會熱點問題，從而激發其探索未知、服務社會的熱情。

2.2數字化資源建設

為了支撐虛實融合實驗體系的實施，本教研室擬建設豐富的數字化資源，包括微課視頻庫、虛擬仿真項目庫和智能指導系統等。

微課視頻庫：擬涵蓋200多個知識點切片，每個切片時長控制在5一10分鐘內，便于學生利用碎片時間進行學習。這些視頻內容要求涵蓋物理化學課程的核心概念和實驗技能，包括實驗原理、儀器操作、數據處理等方面。學生可以通過觀看這些視頻來鞏固和拓展所學知識，提高學習效率。

虛擬仿真項目庫：進一步開發并上線多個虛擬仿真項目。這些項目不僅能模擬真實的實驗環境和操作過程，還能提供豐富的交互功能和數據分析工具。學生可以在虛擬環境中進行實驗操作和數據分析，從而加深對實驗原理的理解。

智能指導系統：基于知識圖譜技術構建個性化學習路徑推薦系統。該系統能夠根據學生的學習情況和興趣偏好為其推薦適合的學習資源和實驗項目。通過收集學生的學習數據和分析其學習行為，系統可以智能識別學生的學習需求和興趣點，并為其推薦相應的微課視頻、虛擬仿真項目和實驗指導等資源。

2.3混合式教學模式創新

為了進一步提升物理化學實驗教學效果，本教研室擬實施線上線下混合式教學模式。該模式以線上線下相結合的方式促進學生的學習和發展，包括課前、課中和課后三個階段。

課前：學生通過觀看慕課視頻了解實驗原理和操作步驟，并通過虛擬仿真平臺進行預實驗操作。教師可以通過SPOC平臺跟蹤學生的學習進度和預習情況，了解學生的學習難點和困惑點，為課堂教學提供有針對性的教學反饋。課中：教師根據課前預習情況調整教學重點和難點，引導學生進行實驗操作和數據分析。利用智能設備輔助實驗教學，如IoT實驗數據實時采集系統、AR眼鏡等，使學生能夠更加直觀地觀察到實驗現象和數據變化。課后：學生需要對實驗數據進行處理和分析，并撰寫實驗報告和總結。教師可鼓勵學生積極參與創新項自孵化活動，將所學知識應用于實際問題的解決。

3課程思政融入策略

3.1科學史中的思政元素

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

3.2實驗倫理教育

實驗倫理教育是物理化學實驗教學不可或缺的一部分。教師可以通過案例分析的方式加強學生的倫理意識，培養他們的責任感和道德觀念。例如，利用RetractionWat-ch數據庫中的熱力學數據篡改案例，讓學生認識到學術不端的嚴重性和后果，引導學生思考如何在實驗中遵守倫理規范、保障數據的真實性。通過講述Bhopal災難等實驗室安全事故案例，培養學生的安全意識和責任意識，引導他們嚴格遵守實驗室規章制度和操作規程，確保實驗過程的安全性。同時，教師還需鼓勵學生積極參與實驗室安全培訓和演練活動，提高他們的應急處理能力和自救互救能力。

3.3可持續發展理念

教師需進一步將可持續發展理念融入物理化學實驗教學，培養學生的環保意識和綠色化學觀念。這不僅是響應國家生態文明建設的號召，還是培養學生社會責任感的重要途徑。例如，在有機合成實驗中，教師可采用無毒或低毒的溶劑來替代有毒試劑，減少有害物質的排放，以鼓勵學生探索更加環保的實驗方法，為綠色化學的發展作出貢獻。在實驗廢棄物處理環節，教師應加強生態文明教育，引導學生正確處理實驗廢棄物并積極參與環保行動。同時，教師應鼓勵學生參與校園環保和志愿服務活動，將所學知識應用于實踐，為環境保護貢獻自己的力量。

4預期實施成效與反思

4.1預期教學效果量化分析

根據以上“虛實融合 ⁺ 課程思政\"的物理化學實驗教學改革方案，預期可看到的顯著成果：

實驗報告優秀率提升：預計未來兩年內，通過引入更先進的虛擬仿真技術和強化實踐操作技能訓練，學生的實驗報告優秀率有望提高至少 25% 。

創新項目轉化率增長：預期學生參與的創新項目的轉化率達到約 15% ，這意味著每七個項目中就有一個能夠轉化為實際應用或獲得省級以上的獎項。這樣的成就將證明學生在創新思維及解決實際問題的能力方面有了顯著提升。

虛擬實驗完成度提高：預期學生對于虛擬仿真實驗的接受度和滿意度將持續上升，預計完成度將達到 98% 以上。若這一比例顯著提高，則表明虛擬仿真實驗將成為提升學生實驗興趣和動手能力的有效工具。

4.2持續改進方向

盡管上述目標描繪了一個充滿希望的前景，但為確保改革成功，還需在以下方面持續優化。

AI實驗助教系統的發展：計劃進一步開發和完善AI實驗助教系統，使其功能更加全面，智能化水平更高。未來的目標是讓該系統不僅能提供個性化的學習建議，還能實時反饋實驗操作中的錯誤，幫助學生即時糾正，從而提高其實驗效率和準確性。

校企合作深化：“數字雙胞胎”實驗平臺的建設將是下一步的重點工作之一。通過加強與企業和科研機構的合作，可以共同構建一個既具備前沿科技支持又貼近工業應用場景的實驗環境，為學生提供更為豐富和真實的實踐機會。

多元增值評價體系的建立：為更好地評估學生的綜合能力，需致力于創建一套全面的多元增值評價體系。利用數字化能力雷達圖等可視化工具，幫助學生清晰地認識到自己的強項與弱點，并據此制定個性化發展計劃，促進其全面發展。

5結語

在數字化轉型背景下，物理化學實驗教學應主動擁抱技術變革，繼續深化教育數字化轉型的探索和實踐，不斷推動實驗教學的創新和發展。通過加強AI實驗助教系統的開發、構建校企聯動的“數字雙胞胎”實驗平臺、建立多元增值評價體系等措施，進一步助力培養具有數字素養、創新能力和家國情懷的新時代科技人才。

★基金項目：師范大學博士啟動基金、人才引進項目“疏基金屬納米團簇的電化學穩定性、催化機理及催化性能調控的理論研究\"（24XLB027）。

參考文獻

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