理论化学计算软件拓宽结构化学教学

刘国魁 ，冷 霞，李云志，周广丽，田 充，夏其英

(临沂大学 化学化工学院，山东 临沂 276000)

结构化学课程是高等学校化学专业的核心课程之一，对宏观现象给予微观层次的解释补充，有助于深化化学专业学生的知识结构。随着现代科技的快速发展，结构化学的理论基础不仅限于化学领域，而且在生命科学、材料、环境科学以及药物开发与设计等领域发挥着日益重要的作用。因此，在结构化学教学中引入现代科技、新方法、新理论，为结构化学教学注入新鲜的血液，拓宽结构化学教学，对培养新世纪多思维的创新型化学人才有重要的引领作用。

结构化学是一门理论性、逻辑性、抽象性、概念性较强的学科，对学生的逻辑思维能力、空间想象能力要求高，而且涉及的公式多而复杂，需要具备一定的数理基础知识，在教学过程中普遍存在“教师难讲，学生难懂”的问题。

针对结构化学教学中存在的问题，提出了不同的改革方法，如开展多样化的教学评估方式[1]，对学生的课程考核不再仅限于闭卷考试这一单一的传统方式，通过增加小组讨论和课堂展示以及问答方式提高学习主动性，课后作业计入综合考核中督促学生及时复习巩固所学知识，设置课程论文这一项培养学生查阅文献，提出问题和解决问题的能力，多元化的考核方式提高了学生学习的主动性。在教学过程中，通过实物模型展示以及分子结构3D模型的制作和PPT演示不同结构的对称元素等方式将复杂的分子结构及其对称性直观形象的展现在学生面前[2-3]， PPT演示的相关资料可供学生反复观看学习，有效提高了学生对分子对称性相关知识的理解掌握，提高了教学效果；利用“翻转课堂”这一形式[4-5]，引导学生积极思考，化被动接受为主动探索理解，结合课堂讨论和教师解惑，可极大加强学生对所学知识的理解，但是考虑到该课程的难易程度以及翻转课堂实施前后耗时比较长，增加学生的课业负担，该种教学模式更适合作为传统教学的补充；在教学中引入现代技术，利用专业的理论化学计算软件如Gaussian[6-8]对一些简单分子的电子结构，轨道能级以及分子光谱等进行计算，使学生对电子结构，轨道形状等有了具体认识，加深对所学知识的理解。同时，理论计算实验也激发了学生学习理论化学的兴趣，可以调动学生学习的积极性，帮助学生理解贯通所学的基础知识，培养学生进行理论化学研究的兴趣和素养，有效提高教学效果。

1 理论化学计算软件进入大学化学教学的必要性

学生从中学到大学，所学的化学仅限于“表象”，大都限于化学组成和变化，对化学的认识还限于定性的理解，只知道化学变化前后化学组成发生了变化，而不理解导致组成变化的微观结构的变化，对“结构决定性质，性质反映结构”也仅限于表面层次的认识。在《结构化学》的教学过程中发现，学生虽然对于键长，键角，二面角等有了概念认识，但并不能有效的把这些概念用来描述分子，更无法通过这些参数来定义分子，进而更加无法理解化学中的“结构决定性质，性质反映结构”的内涵。产生此现象的主要原因在于学生主要通过书面教材学习化学，即使有球棍模型来做演示，很多时候老师也不能很好的强调键长，键角，二面角等概念与分子结构之间具体的关系。因此，在大学化学的教学过程中需要引进现代技术手段，探究现代化教学方法，使学生可以从真正意义上看到分子的三维结构，掌握其键长，键角，二面角等信息，真正从分子的三维结构上来理解化学。

1998年诺贝尔化学奖授予科恩和波普尔标志着化学不再是纯实验科学，理论计算和实验在化学中占有同等重要的地位，化学研究已从宏观向微观转变，同时也标志着理论化学计算软件可以像实验仪器一样来使用。随着量子力学在化学、材料、环境、药物设计等领域的成功广泛利用，理论化学计算软件也越来越多，从分析计算电子结构的量子化学软件，到原子、分子层次的分子力学模拟软件，以及计算尺度更大的介观模拟软件，这些软件的开发利用将理论基础与实际应用联系起来，在解释预测实验现象，开发设计新分子、新材料等方面有着不容忽视的作用，因此，将理论化学计算软件引入结构化学教学中，通过设计合理的理论实验，使学生切身感受到理论化学的学有所用，一个理论计算实验的完成从最初的构建模型到计算参数的设定，以及最后的结果分析，需要学生在对所学知识的融会贯通，知识的应用不是孤立的，而是相互关联的，培养学生多角度考虑问题的能力，同时，计算实验的开设是对基础知识学习的补充，可以加深学生对所学知识的理解消化，实验操作过程可以激发学生学习理论化学的兴趣，培养学生理论化学的科研意识和素养。

2 理论化学计算软件进入大学教育的优势

理论化学计算软件进入大学教育最大的一个优势在于经济方便，与传统的实验室进行的化学实验相比，理论化学计算软件进入大学课堂所需成本低，有计算机的地方就可以实现，目前已有的免费计算软件完全可以满足大学化学教学的实现，因而不需要额外购买类似于实验室开展化学实验所需的其他仪器设备、药品，也不需要实验后续的废液废物的回收处理等，是环境友好型实验。其次，在教学中引入理论化学计算软件，是新世纪计算机技术发展的产物，符合现代化教学方法的理念，现如今，多媒体技术被广泛应用于大学课堂，能用多媒体的地方就可以用理论化学计算软件来操作，对于一些比较复杂的计算实验，可以借助操作演示来实现，学生通过在实验中自己构建三维分子结构，有助于对分子空间结构、对称性等的理解。此外，目前大多数大学生自己有配备的电脑，学生在课堂实验结束之后，也可以自己在课后练习(教师可以提供实验相关的教程和实验操作视频)，对一些复杂的演示实验，教师可以制作相应的实验教程，感兴趣或者有志于在理论化学方向深入探究的同学可以在课后实践，加深巩固所学知识的同时，对培养化学领域的优秀人才有深远意义。

3 理论化学计算实验设计的思考

考虑到课堂的时效性，设计一些典型体系的简单、耗时短的计算实验是开展大学化学计算实验的基础，同时实验的设计需要紧扣结构化学教学大纲的要求，在重点难点章节中引入计算实验，有效提高结构化学教学效果。

作为一个专业性量子化学计算软件，Gaussian和Gaussview软件已被成功引入理论化学实验教学中，浙江师范大学滕波涛等人[6]利用Gaussian 03软件设计实验计算分子轨道能级和形状，河北大学张春芳等人[7]利用Gaussian 09软件开展了乙酸乙酯碱性水解机理的理论研究实验，这些成功的教学案例表明在大学化学教学过程中引入Gaussian软件，设计合理的理论计算实验是切实可行的，丰富了传统的结构化学教学，也为学生打开了一扇崭新的结构化学之门。笔者认为，针对与经典理论截然不同的量子化学理论中的重点、难点内容，如对量子力学基础知识和波函数的理解，以及利用量子力学解决分子相关的问题，可以设计如下计算实验：(1)计算典型的多原子分子H2O2的电子结构，得到键长、键角、二面角等信息，分析分子轨道图形和能级，使学生了解波函数求解过程的同时，对分子轨道理论有了具体、定量的认识；(2)计算典型的CO、NO异核分子的几何结构，电子结构，直观观察分子的不同振动方式。

在计算软件中，Materials Studio软件是一款界面友好、容易操作的可视化软件，是初学者入门计算化学的基础计算软件之一。山东大学苑世领教授[9]已应用该软件开设分子模拟课程，成功在本科生化学教学中实践。针对结构化学课程中的晶体部分内容，可以考虑设计如下实验：(1)金属以及晶体的构建、相应晶格参数的设置、以及不同晶面的切面结构；(2)SiO2晶体和准晶体的构建，以及相应参数的设置和不同晶面的剖面结构。此外，作为对结构化学教学的拓展补充，考虑利用Materials Studio软件设计分子动力学模拟实验，与处理电子的量子化学理论相比，分子力学理论以原子为基本粒子，遵循经典力学运动规律，更容易被接受理解，而且分子力学综合利用了结构化学中的量子力学基本原理和物理化学中的统计热力学知识，有助于学生对不同学科知识的融会贯通，培养学生的创新意识，也拓宽了学生的认知，分子模拟更加直观易懂的特点也易激发、培养学生对理论化学研究的兴趣。

4 总结

结构化学是化学专业教学中的一门主干学科，由于其自身理论性、逻辑性、抽象性强的特点，历来是教与学中的较难课程。针对结构化学教学改革，本文提出将理论计算软件引入结构化学课程教学，通过设计合理多样的理论计算实验辅助结构化学课堂教学，基于对增加理论计算实验教学的必要性、优势和意义的分析，以及对目前引入计算实验教学实践案例的研究，可见，结构化学基础理论教学与理论计算实验的结合是结构化学教学改革的一个趋势，使抽象的理论具体化，有助于激发学生对晦涩难懂的结构化学的学习兴趣，降低教与学的难度，注重了对不同学科知识的融会贯通，从而提高结构化学的教学效果。此外，随着理论计算化学在生物、材料、环境以及药物设计等不同领域的广泛应用，在紧扣结构化学教学大纲的重点、难点的基础上，增加有特色的新型理论计算实验的设计是未来理论实验教学中的一个发展趋势，对培养具有广泛知识背景、多思维角度、创新思维的新时代高水平化学人才有重要意义。