量子化學方法及相關軟件應用于結構化學教學的研究

吳楠楠 歐陽順利

（1.內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古科技大學 內蒙古自治區白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點實驗室〈省部共建國家重點實驗室培育基地〉，內蒙古 包頭014010）

0 引言

結構化學教學目前存在兩個方面的難題[1]。首先，結構化學中的內容比較抽象,具有極強理論性、實驗性和應用性，要求學生具有較強的空間思維能力，學生因此難于理解和掌握，極大影響了學生的學習積極性和教學效果。其次，結構化學涉及面廣，隨著當代結構化學學科本身的迅猛發展和與相關學科的交叉， 使得結構化學的教學量快速增加，而相應的教學課時量不但沒有增加甚至有所減量，這就勢必形成了任務多，時間不足的困難。為了解決上述兩方面的問題，提高該課程教學效果,國內有一些學者開展不同程度的探索與研究。 例如：整合結構化學中相關知識點，利用多媒體的方法教學的等教學改革。 這些學者的探索都或多或少地影響了結構化學的教學，也取得了不少教學效果。不過，這些教學改革和方法沒能根本性地解決這兩方面的問題。因此，針對如何更好地解決這兩方面問題，我們提出量子化學方法及相關軟件應用于結構化學教學的思路。

1 量子化學與結構化學的關系

結構化學作為高等學校化學各分支學科及其它與化學交叉的各學科的一門重要專業基礎課程，是利用量子力學理論及現代數學工具和現代實驗方法來研究化學問題的一門學科[2]。它是理論化學的核心，從微觀的角度來研究不同層面的微觀結構以及其結構與物理化學等性能之間關聯關系。

量子化學是化學的一個重要的分支學科。當代量子化學是隨著計算機科學的快速發展利用量子力學的相關理論來研究化學問題的一門學科。量子化學發展至今, 可以根據解Schr?dinger 方程而引入近似程度的不同分為以下幾種方法:從頭計算方法(ab initio calculation) 、簡單分子軌道法如HMO(休克爾分子軌道法)、EHMO(擴展HMO)法等、半經驗分子軌道方法、密度泛函理論、量子力學-分子力學的QM/MM組合方法等。 它們在從無機小分子到生物大分子，從靜態結構到動態分子動力學反應，從分子內的強弱相互作用到分子間強弱相互作用等各方面都有應用。 量子化學已經涉及到化學、材料學、物理學、生命科學、醫藥學等眾多學科。

隨著計算技術的快速發展和理論上的重大突破, 量子化學軟件也越來越發達，得到了廣泛的應用。 如Gaussian 作為一款功能強大的量子化學綜合軟件包，是做半經驗計算和從頭計算使用最廣泛的量子化學軟件，可以研究：分子能量和結構，過渡態的能量和結構化學鍵以及反應能量，分子軌道，反應路徑，偶極矩和多極矩，振動頻率，紅外和拉曼光譜，原子電荷和電勢，核磁共振，極化率和超極化率，熱力學性質，用于研究諸多領域的課題。

從上述所述，我們了解了結構化學、量子化學以及量子化學相關方法和軟件。 因此，結構化學這門課程可以很好地利用量子化學相關方法和軟件進行分析和詮釋。

2 量子化學方法及相關軟件應用于結構化學教學的策略

本文主要研究的是將現代量子化學科研方法及相關軟件應用于結構化學教學的問題， 研究的過程將本著遵循理論與實踐相結合，從典型研究問題出發，探索并形成研究成果，指導結構化學學科的教學。本文采用如下幾方面實現量子化學方法及相關軟件應用于結構化學教學：第一方面是文獻研究，通過分析文獻資料，收集國內外結構化學及相關的成果資料，總結出可行的技術路線；第二方面是實驗教學，讓學生親自進行一些簡單地分子設計等量子化學計算方面的嘗試；第三方面是調查研究，調研的主要目的是想了解學生對結構化學教學改革教學研究與設計的滿意程度；第四方面是多媒體的教學方法與自主學習方法相結合，使較為抽象的知識具體化，提高學生對結構化學知識的掌握。 第五方面是主題式教學和參與式學習討論結合，使學生分析與解決問題的能力能得到相應的提高。

從量子化學科研結合結構化學教學入手的具體教改思路是通過用Gaussian 等量子化學軟件計算，使用GaussianView 等可視化的量子化學軟件，將抽象的概念變為直觀的圖形，激發學生學習興趣和培養學生科研意識的有效方法。

3 量子化學方法及相關軟件應用于結構化學的實例

針對學生通過傳統教學學習結構化學難以較好理解和掌握這一情況， 我們嘗試在結構化學教學中采用量子化學計算方法與軟件來配合教學。 例如：研究水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用[3]，首先用GaussView 搭建H2O 分子與DMSO 分子模型，然后用Gaussian 軟件進行結構優化和頻率計算， 接下來用GaussView 打開結果文件，得到優化后H2O 分子與DMSO 分子結構。 這是可以做一些可視化的教學：點擊展示振動（Display Vibratons）文本框中的開始（start）按鈕，就可以顯示所選振動模式的振動動畫，點擊停止（stop）按鈕，可以停止分子的振動，也可以點擊光譜圖（spectrum）按鈕，生成H2O 分子和DMSO 分子的拉曼以及紅外光譜圖。 最后，我們將優化后的H2O分子和DMSO 分子放在一起進一步優化， 得到H2O 分子和DMSO 分子間氫鍵的結構圖。 在結構化學的課堂上，我們這樣用量子化學軟件呈現動畫圖像可使難于理解與掌握的知識變得生動有趣，大大增強結構化學的教學效果。 此外，像水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用也是學科前沿研究熱點，培養學生從現有課堂知識應用并解決前沿的能力。

總之， 我們結合先輩在結構化學教學改革探索過程中的經驗,對結構化學教學進行深入改革。采用當代先進的量子化學計算方法及軟件來配合教學，并在教學內容中加入前言科學問題，加強教學與科研相結合,在傳授基礎知識的同時，注重培養學生的物理學和化學思想與方法，著力培養學生的科學素養。 將現代量子化學科研方法及相關軟件應用于大學結構化學教學中是解決這門學科知識點多雜與難理解的一條有效途徑。

［1］王麗.可視化量子計算軟件在結構化學教學中應用的實踐[J].新課程,2012,67.

［2］曾榮英,唐文清,馮永蘭,陳志敏.結構化學教學改革的實踐與探索[J].化學高等教育,2007,97：21-24.

［3］歐陽順利,吳楠楠.拉曼光譜技術與理論化學計算對分子結構與性質的研究[M].長春：吉林大學出版社,2013.