“基礎量子化學”課程建設中若干問題的研究

楊照地，張桂玲

(哈爾濱理工大學化學與環境工程學院，哈爾濱150080)

“基礎量子化學”課程建設中若干問題的研究

楊照地，張桂玲

(哈爾濱理工大學化學與環境工程學院，哈爾濱150080)

計算機的高速發展給理論化學的課程建設帶來了無限契機。為了使“基礎量子化學”課程成為學生們感興趣的課程，應合理編排教學內容，增設量子化學實驗，同時開展科研促進教學的模式，使之成為學校一個獨具特色的理論基礎課。

基礎量子化學;課程建設;量子化學計算實驗;科研促進教學

隨著計算機技術和理論化學的飛速發展，理論計算化學的發展空前迅速，化學已經不再是單純的實驗的科學，而是理論和實驗并重、并肩發展的科學?；瘜W基本理論可以解釋實驗現象同時也可為實驗科學家提供指導?；A量子化學就是一門重要的理論基礎課程，主要為結構化學、計算化學、功能分子設計等課程和科學研究方向提供理論基礎。

科技的不斷發展以及高等院校教學改革的不斷深入，本科生知識體系的不斷變化，要求教學內容更加系統化和前沿化，科研型的教學環節和教學活動也將不斷增加，而國際前沿的與計算機應用密切結合的計算化學領域和功能分子設計研究領域將是學生們的首選，因此具備基礎的量子化學知識是必要的?；A量子化學未來必將成為高校的專業基礎課或主干課程以及化學專業研究生的必修課。因此對它進行系統的課程建設是十分必要的。但是由于《基礎量子化學》這門課程的特點，要使這門課程更具有推廣性和實用性，筆者認為要在課程建設中做好以下三方面工作。

一、合理編排教學內容，讓枯燥的理論知識變得簡單易懂

量子化學是一門交叉學科，它需要較多的物理、數學、計算知識，對于廣大學生和化學工作者來說有著一定的距離。它太抽象、深奧，全篇都是晦澀難懂的公式，大家覺得它難，因此對它失去了學習興趣。要想讓學生和化學工作者接受它，我們要重新編排理論教學內容，采用各種方法把枯燥的知識形象化具體化，變得簡單易懂。

(一)增加圖型描述來把抽象知識具體化

早在1976年，日本量子化學家、諾貝爾獎獲得者福井謙一就寫了一本名為《圖解量子化學》的書，在該書中，作者為了使那些不習慣于數學式的人能夠了解并掌握量子化學的本質，并且應用量子化學知識對實驗結果進行解析和研究，書中應用了大量簡單易懂的圖形，而沒有完全使用數學式解釋問題［1］。雖然在當時計算機軟件技術沒有十分發達，但是福井謙一在該書中的圖解十分形象，對讀者來說淺顯易懂。比如對分子軌道圖形、成鍵軌道和反鍵軌道的圖形表示以及前線軌道的能級圖等，圖形顯然簡單但卻清楚明白。對于我們來說也是可以這樣做的，并且我們可以把圖做得更加漂亮，更加形象，因為我們可以借助的工具增加了(Guassview、Chemdraw、Photoshop等)。比如原子軌道和分子軌道的描述，我們可以借助Guassview軟件給出，圖形是三維的，非常清晰并且可以隨意調節軌道正負兩面的顏色以示區分。另外，我們也可以借助Gauss軟件計算丁二烯分子，用Guassview軟件得到前線分子軌道的分布圖，可以形象地給出丁二烯1，4位HOMO和LUMO軌道處的擴展，從而說明1，4位為什么具有大的反應性。

(二)著重于如何應用量子化學處理問題，而不是公式的推導和進行復雜的計算

其實由于現代計算機的高速發展，有很多復雜乏味的計算已經不用人們去做了，都可以交給計算機來完成，因此量子化學的復雜計算已經不是問題了，問題是你怎么認識量子化學?你要用它來解決什么問題?如何用它解釋實驗現象等等［2］。因此在我們進行課程建設過程中，重新編排的教學內容，除了對量子化學作系統的介紹外，還要結合實例，看看量子化學是如何處理問題的。例如我們在分子軌道理論部分可以先提出這樣的問題:為什么兩個氫原子可以形成一個穩定的氫分子H2，而兩個氦原子不能形成穩定的氦分子He2?為什么氧分子是具有順磁性?當我們把依據原子軌道線性組合方式(LCAO－MO)得到的分子軌道的能級圖給出，當我們把電子按照填充三原則填充以后，這些問題就很明確了。另外，當我們給學生講述分子軌道與能級、軌道類型與能級間隔的時候，我們也不妨先提出如下問題:為什么染料分子中大多含有芳香環和共軛鏈?這樣我們在告訴學生什么是基態、激發態以及軌道能級間躍遷的同時也告訴了他們物質顏色與分子結構的關系。相信這種通過解決問題的過程來讓學生認識量子化學的方式會極大地增加學生們對這門課程的學習興趣。

二、增設量子化學計算實驗，體驗量子化學和計算機結合帶來的震撼

可以說計算機給量子化學插上了翅膀。很多老師和學生都知道，薛定諤方程處理多原子分子是相當復雜的，如果不借助于計算機，手動幾乎是不可能完成的。但是很少人親自體驗過如何利用計算機來研究和模擬化學問題，如何建立計算，如何分析結果。以往可能由于計算機價格昂貴，并不普及，所以無法實現開設量子化學計算實驗的想法。可是如今計算機在高校已經達到普及，甚至每個學院都有獨立的計算機機房，這樣就為開設量子化學計算實驗提供了必要的條件。

另外，現在的課程建設提倡理論與實踐相結合的方式，實驗有助于對抽象理論的理解。而且從目前學生的學習興趣和特點出發考慮，學生們喜歡實驗，喜歡應用計算機，喜歡形象化的東西。他們不喜歡聽老師在黑板上講復雜的理論推導，因為他們覺得學完了不知道有什么用，怎么用。

我們既然有了資源，又了解了學生的需要，我們就可以增設量子化學計算實驗了。我們選取一些典型的，但是原子數又不是很多、計算耗時不會太長的分子，去設計以下各實驗。

(1)甲醛單點能的計算;

(2)乙烯基態分子幾何的優化;

(3)乙烯基醇異構體頻率計算;

(4)甲醛激發態的優化和頻率計算;

(5)模擬化學反應;

(6)模擬溶液中的體系。

這些實驗既能讓學生們了解量子化學的本領，學會應用量子化學理論知識解決問題的手段，又簡單易懂，操作簡單，而且可以極大地發揮學生的積極性和主動性。

三、科研促進教學，將學到的理論應用于研究

目前，科研型教學模式在高校是非常盛行的?，F在各個高校的人才模式發生了變化，具有博士學位的年輕教師越來越多，也就是說在某一領域具有固定的科研方向，具有獨立的科研能力并且科研水平處于國內乃至國際領先的青年教師越來越多。他們不僅有好的理論基礎和實驗技能，還能把握科技前沿。發揮出他們的優勢既可以鍛煉青年教師，也可以提升學生對某一領域的學習和研究興趣。

那么在基礎量子化學課程建設中，如何開展科研型的教學模式呢?

(一)開展創新性實驗的方式

對于一些對理論學習和量子化學計算非常感興趣的學生，可以結合相關教師的科研方向，以教師和學生共同商討的方式給出研究的內容和方案。然后學生在教師的指導下，完成一個課題的研究，寫出研究報告。在我們學院，從事量子化學方向科學研究工作的就有四位教師，均為博士，其中兩位為教授、博導?？蒲蟹较蛴行》肿臃磻獧C理的研究、導電高分子材料的理論研究、雙光子吸收材料的分子設計和理論研究以及晶體缺陷的檢測和理論研究。這些研究方向都是屬于國際前沿的科學研究領域。對于教師來說，在自己的科研領域內開展這種創新性的實驗，有助于他們從學生那里得到更多的奇思妙想和創新性的啟發，也有助于他們發現和培養適合于進一步深造的學生。

(二)開展科研訓練的教學環節

對于大多數的學生來說，他們不了解科學研究的過程，總是覺得很難，甚至有些神秘、高不可攀，因此他們在心里對科學研究敬而遠之。我們教師恰恰可以利用這樣的心理，開展科研訓練的環節，設計一些簡單的，又能體現科學研究過程的量子化學小課題，讓學生有機會把學到的理論知識用于實際解決問題上來，從而把理論與實踐相結合，既讓學生和科學研究有了親密接觸，又加固了理論學習的內容，一舉兩得。

［1］葉鐵林，周宏力.《圖解量子化學》評介［J］.化學通報，1983，(6):64.

［2］王德民，葉學其.神奇的預測——趣談量子化學［M］.長沙:湖南教育出版社，2001.

The Investigation of Some Problems for the Curriculum Construction of“Fundamental quantum chemistry”

YANG Zhao-di，ZHANG Gui-ling
(Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

There are many chances for the curriculum construction of theoretical chemistry with the fast developing of computer technology.In order to make“Fundamental quantum chemistry”a unique theoretically fundamental curriculum and to let the students be interested in it，we should reasonably lay out the teaching contents，add the quantum chemistry computing experiments curricula and develop teaching pattern of scientific researches.

fundamental quantum chemistry;curriculum construction;quantum chemistry computing experiments;teaching pattern of scientific researches

G642.421

A

1001－7836(2010)02－0073－02

(責任編輯:孫大力)

2009－12－16

哈爾濱理工大學教學研究課題(P20080048)

楊照地(1978－)，女，內蒙古召烏達盟人，副教授，博士，從事材料化學方面的理論研究;張桂玲(1969－)，女，教授，博士生導師，博士，從事導電高分子材料的理論研究。