臧杰超 許銘 慈成剛
1 黔南民族師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 貴州都勻 558000 2 吉林四中 吉林吉林 132000
實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為化學(xué)基礎(chǔ)教育的重要環(huán)節(jié),在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作和觀察、數(shù)據(jù)收集和處理、問(wèn)題分析和解決等方面扮演了重要角色。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022 年版)》的第一主題就是“科學(xué)探究與化學(xué)實(shí)驗(yàn)”,《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020 年修訂)》(簡(jiǎn)稱(chēng)《新課標(biāo)》)中必修課程的第一主題也是“化學(xué)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)探究”。化學(xué)師范專(zhuān)業(yè)學(xué)生作為中小學(xué)教師的主要來(lái)源,肩負(fù)著為國(guó)家培養(yǎng)人才的重要任務(wù)。如何有效發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì),成為師范生教學(xué)效果提升的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在這個(gè)研究方向,許多學(xué)者前期都進(jìn)行了大量探索,提出了很多寶貴建議[1-4]。然而,在分子層面上理解和掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn),特別是從微觀角度直接理解結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系,一直缺少相關(guān)研究。大型科研儀器在中學(xué)化學(xué)教學(xué)的直接應(yīng)用存在較大難度,先進(jìn)的虛擬化模擬軟件則成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要輔助手段之一。GaussianView 作為計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣、維護(hù)時(shí)間最長(zhǎng)的軟件之一,能夠準(zhǔn)確、快速地模擬和預(yù)測(cè)物質(zhì)的多種化學(xué)和物理性質(zhì),并能從分子層面給出定量解釋?zhuān)蔀榛瘜W(xué)工作者的重要工具。然而,GaussianView 軟件在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用卻缺少深入研究。本文通過(guò)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入GaussianView 軟件,對(duì)化學(xué)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行可視化展示,并以乙醇的主要性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例,對(duì)師范生實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果的提升進(jìn)行探究。
GaussianView 軟件作為可視化程序,和Gaussian 軟件(計(jì)算子程序)共同組成了Gaussian軟件程序包。自1970 年起,Gaussian 系列軟件已在化學(xué)、物理、材料和生物等領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就。1998 年,軟件作者John A. Pople 獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。Gaussian系列軟件具有使用便捷、模擬速度快、圖像美觀,能夠計(jì)算單分子的幾乎所有物理、化學(xué)性質(zhì),特別是其標(biāo)準(zhǔn)化操作和標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果,能夠讓所有使用者的模擬結(jié)果不受時(shí)間、地點(diǎn)和計(jì)算機(jī)硬件的限制(計(jì)算機(jī)只影響計(jì)算時(shí)間)。這些優(yōu)勢(shì)使其在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域,可以快速、簡(jiǎn)潔、動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子軌道、靜電勢(shì)、光譜等常用重要數(shù)據(jù)。特別是簡(jiǎn)單分子的計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和使用技巧的依賴(lài)程度很低,便于師范生使用和在課堂進(jìn)行推廣。
在競(jìng)爭(zhēng)激烈的應(yīng)試教育環(huán)境下,化學(xué)師范生為節(jié)約教學(xué)時(shí)間,提高課堂效率,通常會(huì)將《新課標(biāo)》中條件復(fù)雜、時(shí)間較長(zhǎng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn),采用單向輸入培養(yǎng)方式為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式,如教師課堂演示或?qū)W生觀看視頻等形式完成教學(xué)任務(wù)。盡管能夠節(jié)約教學(xué)時(shí)間,但教師一廂情愿課堂演示或讓學(xué)生觀看視頻,很容易消耗學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。《新課標(biāo)》明確指出,要注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用,積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合,合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn),但不能完全替代真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。引入GaussianView 軟件作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要輔助手段,通過(guò)大量微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子分布的可視化呈現(xiàn),有助于在保障課堂教學(xué)效率的前提下,形成豐富多彩的視覺(jué)沖擊,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
上文提到,通過(guò)GaussianView 軟件,可以直觀、形象地呈現(xiàn)化學(xué)分子的結(jié)構(gòu)和軌道。這將促使學(xué)生從微觀角度理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,培養(yǎng)學(xué)生從分子層面學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)的方式。這也符合《新課標(biāo)》提出的發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),即“宏觀辨識(shí)與微觀探析”。此外,GaussianView 作為一款化學(xué)科研軟件,其重要的角色和功能之一就是通過(guò)建立模型,為化學(xué)理論知識(shí)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間建立一座橋梁。通過(guò)GaussianView 軟件搭建分子模型,使學(xué)生直接參與化學(xué)分子剪裁和設(shè)計(jì),在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中滲透模型化概念,培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ@也符合“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。
在西南少數(shù)民族地區(qū),化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與發(fā)達(dá)地區(qū)仍有較大差距,容易出現(xiàn)大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展,僅能通過(guò)觀看視頻方式的現(xiàn)象。GaussianView軟件作為虛擬化教學(xué)技術(shù),其載體僅為家用電腦。所有使用者均處于相同平臺(tái),產(chǎn)生的也是標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算結(jié)果。這為GaussianView 軟件在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的普及提供了先天的優(yōu)勢(shì),也為欠發(fā)達(dá)地區(qū)化學(xué)師范生畢業(yè)后的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了先進(jìn)技術(shù)手段,有利于促進(jìn)教育教學(xué)的公平。此外,前面提到可視化軟件的使用,能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提升教學(xué)效果,這也非常有利于欠發(fā)達(dá)地區(qū)教育教學(xué)質(zhì)量的提升。
以“乙醇的主要性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)為例,從軟件安裝、分子建模、計(jì)算方法和結(jié)果分析等步驟簡(jiǎn)要介紹乙醇結(jié)構(gòu)、分子電荷和靜電勢(shì)等電子結(jié)構(gòu)信息的制作方法。
第一步,軟件安裝。使用個(gè)人電腦安裝Gaussian 和GaussianView 軟件。安裝方法和電腦運(yùn)行的最低配置可以很容易在網(wǎng)絡(luò)上找到,此處不再贅述。
第二步,分子建模。打開(kāi)GaussianView 軟件,點(diǎn)擊File 菜單中New Molecule Group 項(xiàng),會(huì)出現(xiàn)一個(gè)分子建模的空白界面。然后,點(diǎn)擊Gaussian-View 界面中的Element Fragment 按鈕,在元素周期表中找到C 元素的sp3雜化結(jié)構(gòu)。點(diǎn)擊建模空白界面,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)甲烷分子結(jié)構(gòu),點(diǎn)擊甲烷中的一個(gè)氫原子,則會(huì)組合成一個(gè)乙烷分子結(jié)構(gòu)。再點(diǎn)擊Element Fragment 按鈕,選擇氧元素的sp3雜化類(lèi)型,點(diǎn)擊建模界面中乙烷分子的任意一個(gè)氫原子,將組合成一個(gè)乙醇分子。點(diǎn)擊主界面的保存按鈕,以C2H5OH.gjf 的默認(rèn)格式保存(該文件可以在課堂上直接使用)。建模完成。
第三步,計(jì)算方法。點(diǎn)擊Calculate 菜單的第一個(gè)選項(xiàng)Gaussian Calculation Step。“乙醇的主要性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)是基態(tài)的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算,無(wú)須過(guò)度使用高精度算法,本文采用B3LYP 泛函、6-31G(g,p)基組。采用PCM 模型下的乙醇溶劑,并計(jì)算振動(dòng)頻率用以確定獲得結(jié)構(gòu)的可靠性。計(jì)算很快會(huì)完成,用時(shí)大約10 分鐘。此時(shí),會(huì)得到C2H5OH.chk 和C2H5OH.log 兩個(gè)結(jié)果文件。
第四步,結(jié)果分析。用GaussianView 軟件將C2H5OH.chk 轉(zhuǎn)換為C2H5OH.fchk。注意,此文件可在后期課堂教學(xué)中反復(fù)使用,無(wú)須重新計(jì)算。點(diǎn)擊Results 菜單的surface/contours 選項(xiàng),在Cube Actions 選項(xiàng)中點(diǎn)擊New Cube,選擇Total Density,生成總密度,然后在Surface Actions中點(diǎn)擊New Mapped Surface,并選擇ESP,回車(chē),得到乙醇分子的靜電勢(shì)三維分布圖。注意,計(jì)算完成后,要保存為C2H5OH.cube 文件。再者,直接點(diǎn)擊Results 菜單的Charge Distribution 選項(xiàng)中的show number,得到乙醇分子表面電荷數(shù)據(jù)。以上計(jì)算結(jié)果都可以通過(guò)GaussianView 軟件截圖功能(主界面相機(jī)按鈕)實(shí)現(xiàn),也可以在課堂上現(xiàn)場(chǎng)制作。
2.2.1 教材分析和考點(diǎn)分析
“乙醇的主要性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)位 于人教版普通高中教科書(shū)化學(xué)必修第二冊(cè)第七章第三節(jié)“乙醇與乙酸”,為化學(xué)必修中第九個(gè)必做實(shí)驗(yàn)。乙醇是日常生活中常見(jiàn)的,具有直接感官經(jīng)驗(yàn)的有機(jī)物。教學(xué)內(nèi)容可以融入生活常見(jiàn)物品,如酒、醫(yī)用酒精等進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。這對(duì)引起學(xué)生關(guān)注、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣具有一定的意義。在學(xué)習(xí)乙醇前,學(xué)生已學(xué)習(xí)過(guò)烷烴、烯烴的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系。這為“乙醇的主要性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)做了較好的前期鋪墊。通過(guò)學(xué)習(xí),要求學(xué)生認(rèn)識(shí)官能團(tuán),進(jìn)一步深化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的理解。這也為選擇性必修三第三章第二節(jié)“醇酚”的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。綜上,本節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在中學(xué)化學(xué)中扮演著承上啟下的重要角色。
近年,在高考理科綜合試卷中,乙醇的主要性質(zhì)作為重要考點(diǎn),曾多次出現(xiàn)在各省考題中。例如,2022 年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(全國(guó)甲卷)理科綜合第13 題;2022 年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(全國(guó)乙卷)理科綜合第8 題;2021年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(全國(guó)甲卷)理科綜合第10 題;2021 年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(全國(guó)乙卷)理科綜合第9 題。
可見(jiàn),乙醇的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)無(wú)論是在教學(xué)內(nèi)容,還是在高考試題中,都扮演了重要角色。
2.2.2 學(xué)情分析
上面提到,學(xué)生學(xué)習(xí)該內(nèi)容前,已經(jīng)初步掌握了有機(jī)化合物的基礎(chǔ)知識(shí)和基本學(xué)習(xí)方法。本節(jié)課主要學(xué)習(xí)重點(diǎn)應(yīng)為如何深刻理解乙醇結(jié)構(gòu)和性質(zhì)關(guān)系的起源。通過(guò)GaussianView 軟件,對(duì)乙醇的分子結(jié)構(gòu)和電荷分布做可視化呈現(xiàn),有助于加深學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解,增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣,提升教學(xué)效果。此外,本節(jié)課的授課對(duì)象為高一學(xué)生,心智接近成熟,能較好地理解結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。但要注意該階段學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力已開(kāi)始顯現(xiàn)。在經(jīng)歷必修中前八個(gè)必做化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)后,使用GaussianView軟件能夠呈現(xiàn)新穎的化學(xué)微觀世界,緩解學(xué)習(xí)壓力,促進(jìn)文字類(lèi)知識(shí)點(diǎn)在腦海中的可視化,有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
2.2.3 課堂應(yīng)用
前面提到,本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前,學(xué)生已經(jīng)初步具備一定的有機(jī)化學(xué)知識(shí),但仍是第一次直接做有機(jī)化合物的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。乙醇作為有機(jī)化合物的代表,如何建立乙醇結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的聯(lián)系成為本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn),特別是幫助學(xué)生從分子層面建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀現(xiàn)象之間的形象化鏈接。再者,乙醇的反應(yīng),包括與鈉的析氫反應(yīng)和與氧氣的催化氧化反應(yīng),是學(xué)生第一次接觸有機(jī)物反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。如何通過(guò)乙醇結(jié)構(gòu)解釋反應(yīng)機(jī)理成為本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)。
關(guān)于“乙醇的主要性質(zhì)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)已被廣泛研究,本文不再贅述,僅介紹在課堂教學(xué)活動(dòng)中GaussianView 軟件的應(yīng)用。在完成新課引入環(huán)節(jié)后,進(jìn)入內(nèi)容講解。此時(shí),使用GaussianView軟件提前制作的結(jié)果文件,或者使用上面提到的制作方法,直接現(xiàn)場(chǎng)制作。首先,打開(kāi)結(jié)果文件C2H5OH.fchk,向?qū)W生展示乙醇電荷分布。打開(kāi)C2H5OH.cube,直接生成靜電勢(shì)或者展示預(yù)算制作好的結(jié)果(圖1,實(shí)際為動(dòng)態(tài)可調(diào)整的三維圖形)。接下來(lái),進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,結(jié)合乙醇電荷分布,向?qū)W生解釋乙醇燃燒與其產(chǎn)物CO2和H2O 之間的關(guān)系;向?qū)W生解釋無(wú)水乙醇中羥基氧原子具有負(fù)電荷,與金屬鈉反應(yīng)生產(chǎn)乙醇鈉和氫氣;向?qū)W生解釋乙醇的醇羥基具有額外電子,能夠在催化氧化反應(yīng)中作為還原劑,給出電子,促進(jìn)CuO 還原,同時(shí)醇羥基的H 原子和中心C 的H 原子離去,與CuO 的氧原子結(jié)合生成H2O。最后,通過(guò)思考、交流、總結(jié)、練習(xí)和作業(yè)布置等環(huán)節(jié)完成本節(jié)課的教學(xué)。

圖1 使用GaussianView 制作的乙醇結(jié)構(gòu)和靜電勢(shì)圖
GaussianView 和Gaussian 軟件是利用先進(jìn)的現(xiàn)代教育技術(shù)輔助教學(xué)目標(biāo)達(dá)成和教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)突破的重要教學(xué)工具。然而,中學(xué)生的心智正處于發(fā)展階段,對(duì)于豐富多彩的圖像還不具備較強(qiáng)的自控力,大量使用GaussianView 軟件可能會(huì)過(guò)度吸引學(xué)生的注意力,影響其他教學(xué)內(nèi)容。因此,在課堂中合理使用GaussianView 軟件,有助于將復(fù)雜、抽象的微觀化學(xué)知識(shí),以豐富多彩的形式,可視化地呈現(xiàn)給學(xué)生,為主要教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成提供最優(yōu)輔助。這樣既提高了教學(xué)效率,也提高了學(xué)習(xí)效率,更激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。
高中階段的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)涉及范圍較為廣泛,但不深入。學(xué)生化學(xué)微觀世界基本概念的理解還浮于文字表面。例如,上面提到的靜電勢(shì)分布,師范生需要對(duì)這些基本概念進(jìn)行深入淺出的解讀,并緊密聯(lián)系教學(xué)內(nèi)容。此外,其他復(fù)雜概念,如分子軌道、電子云等,能夠更好地解釋乙醇的催化氧化性能,但該階段學(xué)生從未學(xué)習(xí),也很難具備進(jìn)行知識(shí)遷移的能力。因此,使用GaussianView 軟件時(shí),要避免將本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)過(guò)度遷移,造成學(xué)生學(xué)習(xí)難度和學(xué)習(xí)壓力的提升,影響學(xué)習(xí)興趣。
Gaussian 和GaussianView 軟件在化學(xué)、物理、材料和生物等領(lǐng)域的大量前沿科技成果層出不窮。截至目前,使用Gaussian 程序在Nature、Science 和Journal of the American Chemical Society 等高水平SCI 期刊上發(fā)表論文超過(guò)三萬(wàn)余篇(數(shù)據(jù)來(lái)自ISIWeb of Knowledge)。其中,多數(shù)研究成果能與中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容直接關(guān)聯(lián)。在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中,借助GaussianView 軟件,適當(dāng)引入與本節(jié)課緊密相關(guān)的前沿科技成果,有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題的能力,激發(fā)其科學(xué)思維。例如,筆者在Nature Communication 雜志上發(fā)表過(guò)以醇類(lèi)做溶劑,進(jìn)行催化合成的研究[5],能夠呼應(yīng)本節(jié)課涉及的乙醇性質(zhì)。文中,GaussianView軟件成為反應(yīng)歷程研究的主要工具。這有助于促進(jìn)內(nèi)容枯燥、過(guò)程單一的化學(xué)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)探究直接連接,也能幫助學(xué)生了解基礎(chǔ)知識(shí)在前沿科技成果中的角色,滲透“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究興趣。
GaissianView軟件作為化學(xué)專(zhuān)業(yè)的常用軟件,具有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì),但并非唯一的可視化工具。師范生在使用該軟件時(shí),一方面,要提升使用能力。可視化軟件的使用需要具備一定的化學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)。這需要師范生持續(xù)學(xué)習(xí),將復(fù)雜的知識(shí)通過(guò)軟件可視化地呈現(xiàn)給學(xué)生。另一方面,可視化軟件數(shù)量眾多,需要師范生根據(jù)自身知識(shí)儲(chǔ)備和使用習(xí)慣,選取合適的軟件。例如,目前常見(jiàn)、具備計(jì)算能力的可視化軟件主要有AMS、MedeA、Molpro、COMSOL 和Gaussian 等等。這些軟件風(fēng)格各異,對(duì)使用者的要求也不盡相同,需要師范生根據(jù)教學(xué)任務(wù),合理選擇可視化軟件。
本文通過(guò)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程“乙醇的主要性質(zhì)”中應(yīng)用GaussianView 軟件,將復(fù)雜化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)可視化地呈現(xiàn)給學(xué)生,為師范生實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提升提供幫助。研究結(jié)果顯示,基于教材分析、教學(xué)內(nèi)容分析和學(xué)情分析,通過(guò)制作乙醇分子結(jié)構(gòu)和靜電勢(shì)等多種可視化動(dòng)態(tài)模型,一方面有助于幫助師范生突破教學(xué)難點(diǎn),達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。另一方面有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,強(qiáng)化學(xué)生關(guān)于結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)微觀概念。同時(shí),本文提出了一些使用建議,包括明確軟件課堂角色,掌握軟件使用時(shí)間,把握學(xué)科核心素養(yǎng)滲透,提升使用能力和合理選擇軟件,以達(dá)到GaussianVew 軟件應(yīng)用的最優(yōu)輔助效果,為師范生實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提升提供幫助。