計算模擬在結構化學教學中的應用與探索

李 輝 雷博文 劉 旭 吳 陽*

（遼寧大學化學院 遼寧·沈陽 110036）

0 引言

化學是一門以實驗研究為基礎發展起來的理論與實踐結合的學科。19世紀20年代科學家以量子力學理論為基礎用數值計算方法來研究原子與分子的化學性質，由于計算條件限制，最初的計算模擬只能應用在簡單的理論模型中。隨著計算機技術的飛速發展，大規模的計算模擬被應用到化學領域。1998年和2013年諾貝爾化學獎分別頒給了沃爾特·庫恩、約翰波·普爾2位量子化學科學家和馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特、亞利耶·瓦謝爾3位從事分子模擬的科學家，表明化學已經不再是單純的實驗科學，計算化學模擬已逐漸和實驗化學、理論化學一起成為化學科學研究的三個支柱，使化學研究逐漸從宏觀轉向微觀。

結構化學是基礎化學向高等化學進步的階梯，主要在原子、分子水平上研究物質性質與幾何、電子結構之間的關系，使學生突破表象在更深層次上理解化學現象和規律，認識化學問題的本質。對于化學專業學生，繼續深造從事化學領域的研究工作成為主要選擇，因此，結構化學在化學學科的課程中具有重要地位。由于結構化學課程需要較多的數學和物理的知識，電子、原子結構部分理論性強并且內容抽象，與物體宏觀運動規律相比，對微觀粒子運動規律的理解上存在障礙。此外，分子對稱性和晶體的立體結構要求學生具有較強的空間思維能力，這在一定程度上又增加了學習難度。結構化學課程的基礎性、重要性以及“教師難講，學生難學”特點，使其教學改革值得深入探討。值得注意的是，國外大學很早就已經重視計算化學及模擬在化學課程中的學習和應用，并將其引入到普通化學的教學中。隨著我國教學體制的逐步改革，許多高等院校已將計算化學模擬課程納入化學課程中。如武漢大學將分子模擬作為化學專業的必修實驗課。

學生們都喜歡形象化具體的事物，通過軟件計算模擬，將抽象的概念可視化使其表達得更具體，這即增加了學生對知識的理解和吸收，也激發了學生的學習興趣。因此，引入一些簡單的計算模擬輔助結構化學的教學，有助于提高教學質量和效果，對學生理解概念、機理及解釋實驗現象等有很大幫助，而且還可以培養他們的創新與科研能力。作者提出，圍繞結構化學教學的重點和難點，采用理論與實踐相結合的方式來講授結構化學，將一些專業化學軟件如 Materials Studio、VESTA、Gaussian、Gauss View 引入結構化學教學中，在學習理論的同時，輔助計算模擬實驗，真正使其體會到學以致用，提高學生學習興趣和教師授課效果。下面將介紹計算模擬的相關內容。

1 計算模擬輔助結構化學教學內容

1.1 模擬原子、分子軌道，使微觀概念變得形象具體

原子、分子結構在結構化學教學中是重點內容，原子、分子軌道概念均由復雜的數學公式推導表達出來，如何讓學生在短時間內了解微觀世界十分困難。通過Gauss View軟件將這些抽象概念具體化、可視化，配合其理論內容激發學生的興趣，引起他們學習的好奇心。如圖1模擬O原子的電子排布、O2分子的軌道及電子分布，鍵、鍵、成鍵軌道、反鍵軌道、自旋多重度、鍵級等信息形象化的表現出來，加深對知識點的理解。

圖1：O原子和O2分子軌道及電子排布

1.2 構建分子的立體結構模型，培養學生的空間思維想象力

在分子對稱性教學中，學生對尋找非平面分子的對稱元素感到很困難，判斷分子的對稱性需要較強空間思維能力和想象能力，此外分子的空間立體結構對其性質和反應起著重要作用。通過Gauss view軟件構建復雜高對稱分子，增加學生對對稱性操作和點群等概念的理解和實際應用，通過改變原子位置等信息看對稱性的變化。

1.3 構建晶體結構及低指數晶面，認識物質世界的組成方式

自然界中的固體物質大多數都是晶體，不同物質都表現出各自獨特性質，如顏色、光澤、硬度、導電性等，晶體物質性質的外在表現主要源于內部分子的排列組成方式。晶體內部原子排列具有空間周期性和對稱性，在教學中利用Materials Studio和VESTA軟件親自動手構建三維晶體結構，有助于提高學生的空間思維能力，加深對晶體結構相關概念的理解。如圖2通過Ni晶體的信息，構建Ni的體相晶體結構，然后切面構建Ni(111)和Ni(110)晶面。

圖2：Ni晶體體相結構及Ni(111)和Ni(110)晶面結構

1.4 增加探索實驗模擬，增強理論與實踐結合的能力

結構決定性質，性質反映結構，課后增加研究模擬探索實驗，通過改變原子的位置、鍵長、鍵角等信息，認識微觀結構和宏觀性質的依賴關系。如計算H2O、HCl、CO2和CO等分子的紅外光譜和拉曼光譜，可以鞏固分子光譜知識點，明確紅外和拉曼光譜產生原理，更好地理解分子光譜對測定分子結構的重要性，從實踐反饋理論知識學習程度。

2 結語

隨著理論化學方法、計算化學軟件、計算機硬件技術的飛速發展，計算化學模擬已成為化學學科的一個新分支，在化學研究中發揮著越來越重要的作用。基于結構化學課程的重要性、特點及學生的學習興趣，本文提出將計算模擬實踐引入結構化學教學，讓學生親身實踐，利用計算機研究和解釋一些化學性質和現象。計算模擬實踐課的引入對提高結構化學教學質量具有重要意義，同時也有利于培養學生的創新思維能力，開拓學生的視野，增強理論與實踐相結合的研究能力。