理論化學計算軟件拓寬結構化學教學

劉國魁 ，冷 霞，李云志，周廣麗，田 充，夏其英

(臨沂大學 化學化工學院，山東 臨沂 276000)

結構化學課程是高等學校化學專業的核心課程之一，對宏觀現象給予微觀層次的解釋補充，有助于深化化學專業學生的知識結構。隨著現代科技的快速發展，結構化學的理論基礎不僅限于化學領域，而且在生命科學、材料、環境科學以及藥物開發與設計等領域發揮著日益重要的作用。因此，在結構化學教學中引入現代科技、新方法、新理論，為結構化學教學注入新鮮的血液，拓寬結構化學教學，對培養新世紀多思維的創新型化學人才有重要的引領作用。

結構化學是一門理論性、邏輯性、抽象性、概念性較強的學科，對學生的邏輯思維能力、空間想象能力要求高，而且涉及的公式多而復雜，需要具備一定的數理基礎知識，在教學過程中普遍存在“教師難講，學生難懂”的問題。

針對結構化學教學中存在的問題，提出了不同的改革方法，如開展多樣化的教學評估方式[1]，對學生的課程考核不再僅限于閉卷考試這一單一的傳統方式，通過增加小組討論和課堂展示以及問答方式提高學習主動性，課后作業計入綜合考核中督促學生及時復習鞏固所學知識，設置課程論文這一項培養學生查閱文獻，提出問題和解決問題的能力，多元化的考核方式提高了學生學習的主動性。在教學過程中，通過實物模型展示以及分子結構3D模型的制作和PPT演示不同結構的對稱元素等方式將復雜的分子結構及其對稱性直觀形象的展現在學生面前[2-3]， PPT演示的相關資料可供學生反復觀看學習，有效提高了學生對分子對稱性相關知識的理解掌握，提高了教學效果；利用“翻轉課堂”這一形式[4-5]，引導學生積極思考，化被動接受為主動探索理解，結合課堂討論和教師解惑，可極大加強學生對所學知識的理解，但是考慮到該課程的難易程度以及翻轉課堂實施前后耗時比較長，增加學生的課業負擔，該種教學模式更適合作為傳統教學的補充；在教學中引入現代技術，利用專業的理論化學計算軟件如Gaussian[6-8]對一些簡單分子的電子結構，軌道能級以及分子光譜等進行計算，使學生對電子結構，軌道形狀等有了具體認識，加深對所學知識的理解。同時，理論計算實驗也激發了學生學習理論化學的興趣，可以調動學生學習的積極性，幫助學生理解貫通所學的基礎知識，培養學生進行理論化學研究的興趣和素養，有效提高教學效果。

1 理論化學計算軟件進入大學化學教學的必要性

學生從中學到大學，所學的化學僅限于“表象”，大都限于化學組成和變化，對化學的認識還限于定性的理解，只知道化學變化前后化學組成發生了變化，而不理解導致組成變化的微觀結構的變化，對“結構決定性質，性質反映結構”也僅限于表面層次的認識。在《結構化學》的教學過程中發現，學生雖然對于鍵長，鍵角，二面角等有了概念認識，但并不能有效的把這些概念用來描述分子，更無法通過這些參數來定義分子，進而更加無法理解化學中的“結構決定性質，性質反映結構”的內涵。產生此現象的主要原因在于學生主要通過書面教材學習化學，即使有球棍模型來做演示，很多時候老師也不能很好的強調鍵長，鍵角，二面角等概念與分子結構之間具體的關系。因此，在大學化學的教學過程中需要引進現代技術手段，探究現代化教學方法，使學生可以從真正意義上看到分子的三維結構，掌握其鍵長，鍵角，二面角等信息，真正從分子的三維結構上來理解化學。

1998年諾貝爾化學獎授予科恩和波普爾標志著化學不再是純實驗科學，理論計算和實驗在化學中占有同等重要的地位，化學研究已從宏觀向微觀轉變，同時也標志著理論化學計算軟件可以像實驗儀器一樣來使用。隨著量子力學在化學、材料、環境、藥物設計等領域的成功廣泛利用，理論化學計算軟件也越來越多，從分析計算電子結構的量子化學軟件，到原子、分子層次的分子力學模擬軟件，以及計算尺度更大的介觀模擬軟件，這些軟件的開發利用將理論基礎與實際應用聯系起來，在解釋預測實驗現象，開發設計新分子、新材料等方面有著不容忽視的作用，因此，將理論化學計算軟件引入結構化學教學中，通過設計合理的理論實驗，使學生切身感受到理論化學的學有所用，一個理論計算實驗的完成從最初的構建模型到計算參數的設定，以及最后的結果分析，需要學生在對所學知識的融會貫通，知識的應用不是孤立的，而是相互關聯的，培養學生多角度考慮問題的能力，同時，計算實驗的開設是對基礎知識學習的補充，可以加深學生對所學知識的理解消化，實驗操作過程可以激發學生學習理論化學的興趣，培養學生理論化學的科研意識和素養。

2 理論化學計算軟件進入大學教育的優勢

理論化學計算軟件進入大學教育最大的一個優勢在于經濟方便，與傳統的實驗室進行的化學實驗相比，理論化學計算軟件進入大學課堂所需成本低，有計算機的地方就可以實現，目前已有的免費計算軟件完全可以滿足大學化學教學的實現，因而不需要額外購買類似于實驗室開展化學實驗所需的其他儀器設備、藥品，也不需要實驗后續的廢液廢物的回收處理等，是環境友好型實驗。其次，在教學中引入理論化學計算軟件，是新世紀計算機技術發展的產物，符合現代化教學方法的理念，現如今，多媒體技術被廣泛應用于大學課堂，能用多媒體的地方就可以用理論化學計算軟件來操作，對于一些比較復雜的計算實驗，可以借助操作演示來實現，學生通過在實驗中自己構建三維分子結構，有助于對分子空間結構、對稱性等的理解。此外，目前大多數大學生自己有配備的電腦，學生在課堂實驗結束之后，也可以自己在課后練習(教師可以提供實驗相關的教程和實驗操作視頻)，對一些復雜的演示實驗，教師可以制作相應的實驗教程，感興趣或者有志于在理論化學方向深入探究的同學可以在課后實踐，加深鞏固所學知識的同時，對培養化學領域的優秀人才有深遠意義。

3 理論化學計算實驗設計的思考

考慮到課堂的時效性，設計一些典型體系的簡單、耗時短的計算實驗是開展大學化學計算實驗的基礎，同時實驗的設計需要緊扣結構化學教學大綱的要求，在重點難點章節中引入計算實驗，有效提高結構化學教學效果。

作為一個專業性量子化學計算軟件，Gaussian和Gaussview軟件已被成功引入理論化學實驗教學中，浙江師范大學滕波濤等人[6]利用Gaussian 03軟件設計實驗計算分子軌道能級和形狀，河北大學張春芳等人[7]利用Gaussian 09軟件開展了乙酸乙酯堿性水解機理的理論研究實驗，這些成功的教學案例表明在大學化學教學過程中引入Gaussian軟件，設計合理的理論計算實驗是切實可行的，豐富了傳統的結構化學教學，也為學生打開了一扇嶄新的結構化學之門。筆者認為，針對與經典理論截然不同的量子化學理論中的重點、難點內容，如對量子力學基礎知識和波函數的理解，以及利用量子力學解決分子相關的問題，可以設計如下計算實驗：(1)計算典型的多原子分子H2O2的電子結構，得到鍵長、鍵角、二面角等信息，分析分子軌道圖形和能級，使學生了解波函數求解過程的同時，對分子軌道理論有了具體、定量的認識；(2)計算典型的CO、NO異核分子的幾何結構，電子結構，直觀觀察分子的不同振動方式。

在計算軟件中，Materials Studio軟件是一款界面友好、容易操作的可視化軟件，是初學者入門計算化學的基礎計算軟件之一。山東大學苑世領教授[9]已應用該軟件開設分子模擬課程，成功在本科生化學教學中實踐。針對結構化學課程中的晶體部分內容，可以考慮設計如下實驗：(1)金屬以及晶體的構建、相應晶格參數的設置、以及不同晶面的切面結構；(2)SiO2晶體和準晶體的構建，以及相應參數的設置和不同晶面的剖面結構。此外，作為對結構化學教學的拓展補充，考慮利用Materials Studio軟件設計分子動力學模擬實驗，與處理電子的量子化學理論相比，分子力學理論以原子為基本粒子，遵循經典力學運動規律，更容易被接受理解，而且分子力學綜合利用了結構化學中的量子力學基本原理和物理化學中的統計熱力學知識，有助于學生對不同學科知識的融會貫通，培養學生的創新意識，也拓寬了學生的認知，分子模擬更加直觀易懂的特點也易激發、培養學生對理論化學研究的興趣。

4 總結

結構化學是化學專業教學中的一門主干學科，由于其自身理論性、邏輯性、抽象性強的特點，歷來是教與學中的較難課程。針對結構化學教學改革，本文提出將理論計算軟件引入結構化學課程教學，通過設計合理多樣的理論計算實驗輔助結構化學課堂教學，基于對增加理論計算實驗教學的必要性、優勢和意義的分析，以及對目前引入計算實驗教學實踐案例的研究，可見，結構化學基礎理論教學與理論計算實驗的結合是結構化學教學改革的一個趨勢，使抽象的理論具體化，有助于激發學生對晦澀難懂的結構化學的學習興趣，降低教與學的難度，注重了對不同學科知識的融會貫通，從而提高結構化學的教學效果。此外，隨著理論計算化學在生物、材料、環境以及藥物設計等不同領域的廣泛應用，在緊扣結構化學教學大綱的重點、難點的基礎上，增加有特色的新型理論計算實驗的設計是未來理論實驗教學中的一個發展趨勢，對培養具有廣泛知識背景、多思維角度、創新思維的新時代高水平化學人才有重要意義。