Gaussian 09和GaussView軟件在結構化學教學中的應用

戴國梁 錢蕙

【摘要】作為化學專業的基礎課程，結構化學由于其抽象性及理論性強等特點，給教和學雙方均帶來了一定困難。本文作者結合自己的專業研究方向，在結構化學講授中應用Gaussian 09和GaussView等軟件對分子軌道等相關知識點進行輔助教學，使抽象的化學理論變得形象、簡單，這對培養學生的形象思維能力和學習興趣，提高本課程的教學效果有很大的幫助。

【關鍵詞】Gaussian 軟件 輔助教學 結構化學 教學方法

【基金項目】江蘇省高校自然科學基金，項目編號：14KJB150024。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）33-0156-01

1.課程特點和軟件簡介

當今化學已進入納米空間、皮秒時間時代，隨著人們對物質微觀結構認識的不斷深入，結構化學的基本理論越來越廣泛地應用于化學的各個領域，特別是在材料、信息、能源等領域。結構化學是研究原子、分子、晶體的結構以及結構與性質之間關系的科學。相比化學專業的其他基礎課程，本課程的新概念多，數學推導多，系統性很強，故而要求學生在學習過程中既有嚴密的邏輯思維能力，還要有較好的空間想象力，特別是要具備有一定的數學、物理基礎，才能獲得較好的教學效果。與其他化學基礎課程如有機，無機，分析化學等不同，本課程的學習過程中缺少相關的實驗演示和操作，而其他化學類課程在理論學習的同時，均開設同步的實驗課程。本課程的學習需要較多的數學、物理知識，而很多師范院校化學專業學生數理基礎相對薄弱，教學過程中不得不給學生補充一些線性代數知識，造成實際講授該課程的學時數偏少。同時，學生在學習過程中往往對一些繁瑣的數學公式及其推導過程有厭倦和抵觸心理，故學生對結構化學學習的積極性不高。很多同學在學習完本課程后，連一些基本的概念都無法搞清。事實上，在全國范圍內，《結構化學》依然是化學專業學生普遍認為最難學的課程 [1]。

近幾年來，隨著計算機技術的發展和各種化學模擬軟件的逐漸普及，涌現出了相當多的計算機輔助化學教學的案例，這對突破教學難點，提高課堂教學效率以及激發學生的學習興趣等方面有積極的作用[2-4]。因此，如何提高結構化學課程的教學質量對于學生專業素質的培養至關重要。筆者結合自己的專業研究方向，將Ganssian系列軟件應用到結構化學課程的教學當中，使教學內容從抽象到直觀、從復雜變得簡單，這增強了學生學習的積極性，提高了教學效果。

美國Ganssian公司開發的著名量子化學計算軟件Gaussian09W和它的圖形化界面GaussView，是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。該軟件可用于研究分子能量和結構、過渡態的能量和結構、化學鍵和反應能量、分子軌道、熱力學性質和反應路徑等等，是研究物質結構、反應機理等的強有力的工具。

2.應用實例：分子軌道理論和雙原子分子結構

在大學結構化學的學習中，分子軌道的內容比較抽象，因而要求學生具備較強的空間思維能力和想象力。理論上，在講授該章節內容的時候，首先必須給學生詳盡介紹變分原理，求解體系最低能量的方法，進而通過求解久期方程獲得分子體系的波函數，即分子軌道，并進一步探討分子的相關性質。在講述這部分內容的時候，如果教師只是單一地利用板書推導相關的公式，學生理解將會非常困難，學生對晦澀的公式將是一知半解，無法將此與分子的軌道聯系起來，容易使學生對這部分內容失去學習興趣。但是在 Gaussian軟件的輔助教學下，可將抽象的涉及數學公式推導的教學轉變為較生動形象的圖像化教學，對分子的結構進行模擬和重構，把抽象的分子軌道以圖像形式表示出來，促進學生直觀地理解分子軌道的來歷和構成，提高分子軌道理論教學的效果。教師可以告訴學生，該軟件是借助數學原理和計算機的計算方法來解決化學問題，實際上就是將變分等方法程序化，通過求解薛定諤方程計算出各類分子的軌道和能量，這就大大減少了人工的計算量。比如對于氧氣分子，我們首先利用Gaussian09軟件很快的計算出氧原子的原子軌道圖像和相應的軌道能，并由低到高排列這些原子軌道，此時可以配合教材內容，給學生解釋分子成鍵的三原則：對稱性匹配，能量相近，最大重疊，學生就可非常直觀的根據以上原則，將兩個氧的原子軌道自行組合得到氧氣的分子軌道，并很容易的辨別成鍵和反鍵軌道，區別σ和π軌道，進而探討一系列相關的分子性質。具體操作過程是，通過GaussView構建初始的氧氣分子模型，并轉換成空間坐標，并導入Gaussian09軟件在課堂上現場進行構型優化，電腦很快會將氧氣分子精確的幾何結構輸出，并告訴我們氧氣的分子軌道空間分布圖，以及能級水平等。運用這種教學方式，學生較好的掌握了分子軌道方法，這對提升學生的學習興趣，加深對相關內容的理解掌握，有很大的幫助。

3.收獲與體會

在實際的教學過程中，教學與科研是有機統一的。科研不僅是深化教學的手段和方法，還能夠創新教學的內容。從我教學的經歷中，發現學生對教師的科研經歷部分是很感興趣的，即使是比較深奧的內容，也能夠認真聽講。所以教師應該緊跟學科研究的最新前沿動態，并將新的科研成果與課堂接軌，可豐富和更新學科知識內容，吸引學生在課堂上的注意力，提升課堂教學效率。在結構化學課程的教學過程中，引入化學計算軟件，不僅能幫助學生更好的掌握結構化學基礎知識，還能讓學生及時了解學科發展的前沿，激發他們投身科研創新的興趣，為人才的培養奠定基礎。

參考文獻：

[1]金燕仙，閆華，鐘愛國，林彩萍，趙杰，戴國梁.《結構化學》教學方法探析[J].廣州化工，2011（8）：145-146，150.

[2]黃斌，錢勇，陳碧波，朱國平.在結構化學教學中加強計算軟件實踐的探索[J].廣東化工，2016（23）：128-129.

[3]林少凡，喬園園，張濤.計算機輔助化學教學回顧與展望[J].計算機與應用化學，1999（5）：331-333.

[4]王后雄，譚英.Gaussian 98在有機化學教學中的應用[J].大學化學，2005（2）：36-38.

作者簡介：

戴國梁（1979-），男，漢族，副教授，博士。