创新能力培养是当今“双一流”建设背景下拔尖创新人才培养中的重中之重。对于化学类专业而言，创新能力更多来源于学生对已有知识和理论的深入理解、融会贯通和准确运用。基础化学实验是化学化工及相关专业本科教学的重要内容，更是高校培养化学、化工类人才创新能力的重要实践环节。因此，创新能力培养也对化学理论和实验教学提出了更高的要求^[1–3]。大连理工大学应用化学(理学)专业始创于1987年，一直是我校理科人才培养高地，2020年成为教育部“双万计划”首批国家级一流本科专业建设点和教育部“强基计划”首批招生改革试点专业，并已于2020年开始“强基计划”招生^[3]。为实现拔尖创新人才培养目标，我们也多方面采取措施，贯彻“以学生为中心”的教学理念，优化教学团队、教学内容，在理论与实践相结合的教学中深化学生对理论课教学内容的理解，培养他们的思辨和创新能力^{[4, 5]}。我校基础化学实验中心成立于1996年，是国内首批国家级实验教学示范中心之一，近年来不断探索优化实验课程体系和教学内容，积极推进实验教学改革，为培养新时代拔尖创新人才营造良好的育人环境^[6]。自教育部启动“国家拔尖人才培养计划”以来，我校和国内各兄弟院校都在不断探索，有针对性地进行实验教学改革^[7–12]。

仪器分析实验是本科基础化学实验的重点组成部分之一，也是我校为应用化学(理学)本科生开设的一门必修实验课。仪器分析实验内容主要包括利用各种大型仪器来测定物质的化学组成、含量、状态、结构等。课程教学目标是通过实验教学和操作，将学生培养成为透彻理解常用仪器分析方法和原理，掌握常用分析仪器的使用方法，并具备利用相关分析仪器解决实际问题能力的高素质化学创新人才。根据人才培养目标，实验教学内容设置分为验证性实验和研究性实验，具体实验内容包括气相色谱法、液相色谱法、原子吸收光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外光谱法、核磁共振、气-质谱联用，以及电化学分析法等^[7]。

实验教学中，我们发现部分学生对仪器分析实验内容、原理和操作理解还有很大上升空间，主要原因在于对分析方法的基本原理的理解有待深入，化学理论与实验教学内容之间存在代沟，导致学生对实验中的具体操作理解片面，容易陷入被动学习状态，这严重制约了实验课程教学效果的进一步提升。仪器分析实验的基本原理多源于物理、化学的基本原理，并已经成为化学各学科的研究中实现样品分离、分析和表征的主要手段。这些基本理论多涉及微观层次上的物质之间的相互作用，物质内部电子的运动规律，光、电与分子或分子中电子的相互作用等，无法通过肉眼直接观测或在生活中接触不到。在教学和课堂讨论中，这些理论的表述也会涉及较多的公式和复杂的推导，内容相对抽象、生涩，学生会觉得“难”，所以也必须结合具体实例使这些理论具体化、形象化，来优化学生的学习体验。因此，在目前教学内容快速更替、学时减少的大背景下，必须优化实验教学内容、密切实验与基础理论教学内容的衔接、增设和调整能力培养内容，以激发学生的学习主动性，提升教学质量，实现创新人才培养目标^[13–15]。

近年来，随着计算机技术和计算方法的发展，理论化学已经成为化学学科的重要分支，并且发展迅速。理论化学与实验研究联合发表的顶刊论文和先进研究成果不断涌现，不仅彰显了理论化学研究在化学研究中的重要地位，也进一步表明理论化学研究已经逐步成为与实验研究并行、互补的化学研究手段。“理论与实验”的协同合作可以显著提高科学研究效率，并已逐步成为科研工作的新范式。这对未来的拔尖创新人才提出了更高的要求，既要了解理论化学的基本原理，也要能借助理论化学手段开展研究。与实验研究相比，理论化学研究可以直观形象地给出相关仪器分析原理中涉及但无法直接观测的微观层次上的物质之间的相互作用、物质内部电子的运动规律等微观尺度的信息，将抽象的原理和理论教学内容形象化，有利于加深学生对化学理论的理解。结合上述实验教学中凸显的问题和理论化学研究的优势，我们尝试将理论化学研究引入到基础化学实验——仪器分析实验中来，让学生在完成实验教学的同时进行简单的密度泛函理论计算，引导他们结合实验数据和计算结果，深入理解化学实验的基本原理，从根本上思考实验设计等问题。

我校仪器分析实验中专门开设了气相色谱法实验，内容是醇系物小分子的分离分析，目的是帮助学生巩固色谱理论知识。实验中，学生可以根据教师讲解和实验流程，通过改变色谱操作条件(温度、载气流速、桥电流等)改善混合物的分离效果，进而根据不同的分离对象改进实验方案，实现待测样品分离分析的实验目标。为避免学生由于对涉及的化学理论理解片面，陷入被动学习状态，影响实验教学效果，我们对气相色谱法分析醇系物的实验教学内容进行了优化和调整，设置了问题导向的理论化学研究模块来弥补传统实验教学在微观理论方面的不足。

在教学设计上，在色谱实验教学之前，首先以问答形式引导学生结合相关理论课教学内容思考气相色谱法分离甲醇、乙醇、异丙醇和正丙醇的原理和关键影响因素——待测/分离物质与吸附质之间的相互作用。色谱实验开始前通常需要进行仪器开机前检查、开机、参数设置、等待仪器稳定等步骤。仪器稳定通常需要20分钟左右。这段时间足够指导学生生成理论化学计算任务，提交到后台服务器，并讲解数据的导入、导出和分析方法。实验开始后，学生进行仪器操作，理论计算任务由服务器执行。实验操作结束时，学生可以下载计算任务数据，完成实验和计算结果的分析和讨论。

不同分子与色谱柱的相互作用差别可以用分子吸附能差异来表示。在理论化学研究中，吸附能($ E_{{\text{ad}}} $)通常定义为吸附质能量($ E_{{\text{mol}}} $)和吸附剂能量($ E_{{\text{sorbent}}} $)的加和与吸附了吸附质的吸附剂的总能量($ E_{{\text{sorbent+mol}}} $)的差值，由下式表示：

(1)$ E_{{\text{ad}}}{\text{}}{\text{=}}{\text{}}{\left(E_{{\text{sorbent}}}{\text{}}{\text{+}}{\text{}}E_{{\text{mol}}}\right){\text{-}}{\text{}}E}_{{\text{sorbent+mol}}} $

由式(1)可知，计算$ {E}_{{\text{ad}}} $需要通过理论化学方法分别计算$ {E}_{{\text{sorbent}}} $、$ {E}_{{\text{mol}}} $以及$ {E}_{{\text{sorbent+mol}}} $。吸附能为正值，并且吸附能越大，吸附越稳定。理论化学研究模块的具体设计原则如下：

① 吸附质的结构要简单合理，容易理解，醇系物分离实验只涉及甲醇、乙醇、异丙醇和正丙醇。

② 吸附剂的结构要简单，学生接受起来容易。气相色谱常用的吸附剂有由苯乙烯与二乙烯苯共聚合成的高分子多孔微球(GDX系列)和硅胶等。高分子多孔微球适用于气相和液相中水的分离，气体及低级脂肪醇混合物的分离。硅胶具有较强的极性，适用常温下O₂、N₂、CO、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、CO₂、N₂O、NO和NO₂等气体的分离。

③ 不同吸附质在相同吸附剂上吸附能不同，会影响观测到的停留时间和出峰的顺序。

④ 不同吸附质在不同吸附剂上吸附能不同，表现为吸附稳定性差异，会影响吸附分离的效率，甚至影响或改变吸附剂结构和性质。

⑤ 理论计算尽可能使用开源或者免费软件，目前使用免费WebMO软件作为计算平台用于计算任务生成、分发和结果数据处理，计算平台后台目前连接安装我校购买的量子化学计算软件Gaussian 16的服务器用于快速完成计算。我们正在开发开源软件ORCA的相关计算功能，如果成熟将进行迁移，避免版权问题^[16]。

⑥ 吸附剂与吸附质的相互作用通常为弱相互作用，如分子间的色散、诱导和偶极相互作用、氢键、卤键等中的一种或者几种的组合，因此需要选取合适的计算方法和基组开展有效计算。

⑦ 要求学生整理数据，将计算结果填入到计算结果表中，再计算相关能量(表 1)。

⑧ 根据计算结果，分析吸附剂与吸附质之间相互作用的特点以及不同吸附剂上吸附作用的差别。

上述理论化学研究模块的设计原则，在实验教学过程中具体实现如下：

① 选取密度泛函理论中可以较为精确进行长程相互作用计算的ωb97xd泛函，配合6-311+g(d, p)基组进行计算^{[17, 18]}。

② 醇系物分析实验涉及甲醇、乙醇、异丙醇和正丙醇等小分子，可利用相应分子结构进行结构优化和频率计算。

③ 醇类在吸附剂上的吸附应该为可逆表面吸附，只与吸附剂上近邻表面基团相互作用。为了简化计算，选取环己烷作为表示GDX高分子多孔微球的模型化合物，选取二聚硅酸为硅胶的模型化合物。

④ 为帮助学生理解吸附剂选择的基本原则，要求同时计算高分子多孔微球和硅胶吸附剂上醇类的吸附能；计算所需结构可以利用WebMO的结构绘制功能直接录入，也可以在WebMO中直接导入提供的分子结构进行结构优化和频率分析；计算结束后，得到的吸附结构如图 1所示，整理得醇系物在高分子多孔微球和硅胶吸附剂上吸附能如表 2所示。

⑤ 吸附剂与吸附质之间的相互作用和电荷转移情况可以通过差分电荷密度的等值面图进行评估，计算可以通过开源软件Multiwfn在色谱终端计算实现^[19]，并利用开源软件VMD进行三维显示(图 1)。

⑥ 吸附剂与吸附质之间的相互作用具体是诱导力、色散力、偶极力、氢键等中的一种还是多种也可以利用Multiwfn软件计算进行约化密度梯度(Reduced Density Gradient，RDG)分析进行评估，并使用开源软件VMD显示作图(图 2)。

⑦ 将计算结果与实验观测的停留时间等实验数据相关联，讨论吸附剂的选择原则和改进色谱分离效果的方法。

由表 2数据可知，甲醇、乙醇、异丙醇和正丙醇在高分子多孔微球上吸附能均小于17 kJ∙mol⁻¹，表明四种醇类在高分子多孔微球上都是通过分子间相互作用力弱吸附在多孔微球上，因此可以通过洗脱或者气体吹扫实现三种醇类的分离。此外，三种醇类的吸附能的变化规律为甲醇 < 乙醇 < 异丙醇 < 正丙醇，因此甲醇会优先发生洗脱，停留时间最短，正丙醇最后发生洗脱，停留时间最长。相比较而言，四种醇类在硅胶上的吸附能均高于60 kJ∙mol⁻¹，这与多聚硅酸发生水解和醇解的能垒类似，表明甲醇吸附会改变吸附剂硅胶的性质，因此分离四种醇类不适合采用极性硅胶色谱柱^{[20, 21]}。此外，四种醇类的吸附能顺序在多孔微球和硅胶上不同，这与具体吸附剂的极性和表面结构相关。图 1中给出了醇类分子在两种吸附剂上吸附后的结构和电荷转移情况。由得失电子区域的大小和空间分布可知，甲醇、乙醇、异丙醇和正丙醇在高分子多孔微球上的吸附作用为分子间的范德华相互作用，吸附能比较小。在硅胶上，四种醇类的吸附作用都表现较为显著的氢键作用特点，得失电子区域均分布在醇类和硅胶之间的O―H方向，并且空间分布较大，得失电子较多。因此，醇类在硅胶上吸附能要比在高分子多孔微球上来的更大。图 2给出了吸附剂与吸附质相互作用的更直观信息。RDG分析是著名华裔理论化学家杨伟涛提出的一种可视化研究分子间弱相互作用的方法^[22]。当相互作用为吸引作用时，比如氢键、卤键等，约化密度梯度会表现为负值，用偏蓝颜色表示；当化学键为非键弱相互作用时，比如：诱导、色散和偶极作用中的一种或者几种，电子密度和约化密度梯度都较小，用近绿颜色表示；当存在空间位阻和环张力时，出现非键重叠区域，此时RDG表现为正值，用近红色表示。由图 2可知，甲醇、乙醇和异丙醇在高分子多孔微球上的吸附作用都主要为非键弱相互作用，红色RDG区域的峰来源于代表分子本身的环状结构。在硅胶上，三种醇类的吸附作用以氢键作用为主，但也包含非键范德华相互作用。因此，三种醇类在硅胶上吸附更加稳定。这些对图 1和图 2的分析都很好地印证了表 2中吸附能数据，并且揭示了醇类分子在两种吸附剂上的吸附规律，为合理选择色谱柱、实现混合物的高效分离提供了理论支撑。色谱实验测量结果如图 3所示，实验选用非极性多孔微球色谱柱。其中，四种醇类化合物的流出顺序是甲醇先于乙醇，乙醇先于异丙醇，异丙醇先于正丙醇。正丙醇保留时间最长，出峰最慢。这与计算得到的四种醇类与高分子多孔微球之间的吸附能大小规律(表 2)相一致。醇类化合物在高分子多孔微球上吸附能越大，保留的时间就越长，出峰就越慢。

在开展上述尝试的同时，我们也积极关注学生的反馈。学生普遍反映加入理论计算研究模块后，气相色谱实验变得更有挑战性，而且通过计算结果可以清晰地看到醇类化合物与吸附剂之间相互作用的本质，色谱分离的理论理解得非常透彻，这是其他课程和实验里都没有的。也有学生表示：“经过这次实验，才理解原来理论计算可以这么神奇，原来不明白的分子间相互作用的概念更清楚了，原来比较抽象的色谱分离理论能理解透了。”“这样学到的东西再也不会忘。”有的学生也表示，“这样的化学实验才有意思。”“如果其他实验项目里都设有这样的计算模块，化学一定能学的更好。”这些学生的反馈表明，我们尝试将理论化学计算引入仪器分析实验的举措，确实激发了学生学习基础化学理论的主动性，巩固并加深了学生对基本理论知识的理解，对培养学生的思辨能力、创新能力很有帮助。

为提高实验教学效果，培养化学创新人才，我们尝试将理论化学计算引入到基础化学实验中来，建设内容丰富、富有挑战的研究型实验，来引导学生结合实验数据和计算结果深入理解化学实验的基本原理，从根本上思考实验设计等问题。在实验教学中，学生不仅通过理论化学计算研究理解了化学过程的微观本质，感受理论化学的魅力，了解理论化学研究的基本原理和相关操作，他们对相关基本化学理论的理解也得到了很大提升。学情分析表明，该尝试有效激发了学生学习基础化学理论知识的热情，提高了实验教学效果，也培养了他们分析问题、解决问题的能力。今后，我们会围绕仪器分析在内的基础化学实验教学内容，继续开发更多的理论化学模块融入实验教学中，助力化学拔尖创新人才的培养。