分子模擬在結構化學課程中的重要應用

楊 靜，楊笑春，關俊霞，賈俊芳，孟祥軍

?

分子模擬在結構化學課程中的重要應用

楊 靜，楊笑春，關俊霞，賈俊芳，孟祥軍

（唐山師范學院 化學系，河北 唐山 063000）

探索了將分子模擬與結構化學有效結合的教學模式。在結構化學課程中充分發揮分子模擬計算軟件的優勢，有效融合，優勢互補，實現可視化教學的目標，提高教學效果，從而達到提升教學質量的目的。

結構化學；分子模擬；有效融合

1 引言

結構化學課程是現代物理化學學科的重要分支，是在原子、分子水平上討論物質的性質與幾何結構和電子結構之間關系的重要課程。結構化學從量子力學規律出發，推演出一般微觀粒子的運動規律、原子和分子中電子的運動狀態以及化學鍵的本質；通過數學群論等工具，對分子的結構進行分析，探討分子空間幾何結構與其性質的關系；基于X衍射等技術，對晶體的微觀幾何結構進行研究，闡明晶體性質與內部周期性結構的關系。在本課程的學習中，不僅要讓學生通過學習掌握結構化學的基本知識，而且要求學生能深刻理解“性質反映結構，結構決定性質”這一基本原理，從而從更高水平上理解各種化學現象。因此在學習結構化學時，既應重視對微觀粒子運動所遵循的量子力學規律的理解，掌握微觀現象的特點，努力將物理概念和數學表達式密切聯系起來[1]，又應重視結構和性能間的聯系，了解各種物質具有其特性的結構根源，了解各種結構所必然出現的性能，了解理論的實際應用，加深對事物本質的認識。這就意味著學生在學習過程中需要首先學習量子力學基礎理論，將這些極其抽象的理論應用于解決微觀世界的各種問題。但是，由于實驗手段的缺乏，無法讓學生直觀觸摸、觀察到微觀世界的各種特殊現象和特殊結構。教師與學生之間的教學溝通主要是用語言引導學生通過自己的想象力來理解微觀世界。顯然，這種方式不僅無法讓學生充分理解掌握各個知識點，也無法讓學生自主建立微觀立體結構。隨著課程的推進、難度的加大，學生的學習熱情和學習效果都會大幅度下降，教學效果不理想。分子模擬作為一種計算機輔助實驗技術，可以幫助學生理解結構化學中的化學原理，也可以借助分子模擬軟件形象地展示原子、分子軌道性質以及分子軌道形成的動態過程等等，切實達到提升教學效果的目的[2-3]。

2 可視化教學實踐

分子模擬是一種計算機輔助實驗技術，以原子水平的分子模型來模擬分子的結構與行為、體系的各種物理化學性質。近年來，一般分子模擬軟件所具有的功能為：建立和顯示分子結構，優化分子構型，研究分子的反應性，計算顯示電荷分布、分子軌道、電勢圖等，估計化學反應路徑和機理，研究分子的動態性質，研究分子的結構—性能關系。對于分子程序來說，首先要讀入結構參數控制參數，經過結構3+3+9-Q-初始化、優化、平衡化得到模擬體系的宏觀性質信息。過程如圖1所示。

圖1 分子模擬的基本步驟

我們將分子模擬應用到結構化學課上主要有兩方面的收獲，分別舉例說明。

2.1 結構立體化

以分子對稱性內容為例。由于分子對稱性是微觀現象，描述對稱性符號抽象繁雜，加之有些學生空間想象力不夠，學習中往往出現某些困難。所以，應用分子模擬軟件制作具有對稱性的3D立體分子模型并結合生活中常見的植物、動物對稱性現象，及人類在建筑、美術、文學中利用對稱性進行的與對稱元素有機結合的藝術創作，進而引伸到自然規律的對稱性，再到對稱性是自然界的廣泛存在的自然想象，分子對稱性只是其中的一種類型，符號雖然抽象，內容卻很具體。可幫助學生消除畏難情緒，提高審美能力，開拓視野，激發學習興趣和探索欲望。

通過多媒體將分子對稱性的知識點精心梳理，分層剖析，設計“講授”“思考”“演練”三中心。其中“講授”是主要模塊，以“思路分析”“實例講解”“歸納總結”的方式引導學習。“思考”目的在于擴展學生思維，促進學生掌握本課程知識點及問題。利用分子模擬軟件演示移動-旋轉-反映的復合操作，實現了所講授內容的可視化，便于學生對知識點的理解程。如圖2所示。

圖2 CH4中的映軸S4與旋轉反映操作

“演練”提供了鞏固和檢測學生所學知識的針對性習題。每一知識點都有技巧點撥，重在培養學生分析問題的能力，掌握判斷點群的思維方法。課件以分子模擬軟件設計的動畫形式將各類分子的對稱元素與對稱操作細致地展現，使常規教學手段難以體現的微觀結構用多媒體技術演示出來。制作出來的3D素材課件能夠引起學生注意、提供學習指導、誘發學習行為，能夠完成一系列教學環節，對提高學生學習結構化學的興趣、培養其空間想象能力有很好的效果。

同樣針對電子結構難懂、空間結構難學的難題，我們也針對性地采用分子模擬計算化學軟件制作了大量函數圖和動畫，描述原子軌道、分子軌道性質以及分子軌道的形成過程，在課件中嵌入原子、分子結構演示軟件，并設計制作了大量分子、不同類型晶體的3D結構圖片和動畫，激發了學生的學習積極性，較成功解決了結構化學課程課堂教學的難點、重點，真正將微觀世界的理論化語言主導教學的模式演化為可視化教學的模式。

2.2 應用具體化

結構化學作為一門理論課程涉及了大量以前沒有接觸過的知識，長期以來，結構化學以教師難講、學生難學而著稱[4]。課程涉及的基本概念多且抽象，涉及其他課程知識多，但是課堂講述內容如果為一味的結構化學的重要理論的堆砌，學生必然對課堂產生疲倦、迷茫感。因此，將結構化學在各學科的重要應用實例與其所應用的結構化學理論聯系、結合起來，既有助于理解結構化學課程中涉及的重要理論，又對結構化學學科在各個領域的重要應用有所了解，激發學生的學習熱情。課堂中可以滲透講解分子模擬的相關程序所實現的各行業的重大課題成果與結構化學基礎原理之間的結合與應用。

圖3 合金形狀記憶源于馬氏體相變及其逆轉變特性

比如，在講解結構化學，尤其是原子簇結構化學和金屬有機化合物的結構化學的知識點時，向學生介紹這一類知識點涉及“形狀記憶合金”等在理論、實踐研究上都極其重要的課題（如圖3所示），還會涉及尋找新型高效的工業催化劑等與工農業生產息息相關的應用研究課題。在天然產物的結構化學研究中，天然藥物，尤其是具有抗癌活性的有效成分的研究也有可能為人類制服癌癥作出重要貢獻。蛋白質空間結構的研究仍然是一個既困難而又有重要理論意義和實際應用價值的課題。而這些重要的研究成果都是以原子簇結構化學和金屬有機化合物結構化學的知識點為理論基礎，借助于分子模擬的計算程序，利用電子計算機的高速、高效率的計算來實現的，同時也充分發揮了結構化學數據庫的作用。而且這些工作對于新的半經驗理論和新的結構化學理論的提出有重大的影響，而有關方法的建立則對“分子設計”的實現起著重要的作用。

3 結束語

結構化學課程是化學本科生專業的基礎理論課，是他們在更深層次理解化學本質的階梯，是今后從事研究工作的必備知識，因此結構化學課程十分重要。分子模擬通過操作計算機軟件，以可視化的原子分子層面來展示化學現象，可以彌補結構化學課程過于抽象不夠具體的問題，同時可擴展結構化學理論實際應用的相關知識，切實提高學生的學習熱情和學習興趣，顯著提高了課堂教學效果。

[1] 呂鐵錚.建構主義教學理論對結構化學教學的啟示[J].教育教學論壇,2015,39:156-157.

[2] 韓波.交叉融合譜新篇:結構化學牽手分子模擬[J].科技世界,2018,(14):171-172.

[3] 王衛東.“結構化學”課程的建設與研究[J].湖北師范學院學報(自然科學版),2009,29(2):105-112.

[4] 陳惜明,徐素芳,彭宏.結構化學課件的開發與應用[J].大學化學,2005,20(3):36-38.

The Important Application of Molecular Modeling in Structural Chemistry

YANG Jing, YANG Xiao-chun, GUAN Jun-xia, JIA Jun-fang, MENG Xiang-jun

(Department of Chemistry, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

This paper explores the important role of the effective combination of molecular modeling and structured chemistry in classroom practice. In structured chemistry course, the advantages of molecular modeling software are brought into full play. Cross-integration and complementary advantages are achieved and the visual teaching is realized. The goal of learning is achieved, teaching quality is enhanced with the improving the teaching effect.

structural chemistry; molecular modeling; cross-integration

O6-4

A

1009-9115(2019)03-0104-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.03.027

唐山師范學院教改項目（2016001001）

2018-09-16

2019-03-20

楊靜（1979-），女，遼寧臺安人，博士，教授，研究方向為應用量子化學。

（責任編輯、校對：琚行松）