計算化學軟件在高中化學教學中的應用

付婧婧　黃丹　廖奕

從化學教學實際出發，應用相關計算化學軟件輔助教學，將抽象的平面教學轉變為立體的形象教學，以提高學生的學習興趣，增強學生的創造性思維。

化學軟件輔助教學計算機應用在基礎理論化學的教學中，由于原子分子的微觀結構無法通過肉眼直接觀察，化學反應的過程也難以用宏觀模型進行形象的描述，對學生來說比較抽象，利用適當的軟件設計一些有助于學生理解和掌握化學知識的課件，會使枯燥無味的化學結構和化學反應變得生動形象，能讓學生更深入直觀地了解物質的微觀結構，理解化學的本質。

一、計算機在化學教學中的適用范圍

計算機輔助教學在化學教學中，尤其適用于理論性和抽象性較強的內容，例如原子核的組成、電子云、核外電子的運動、分子的結構、構型和構象、化學鍵的形成、離子反應和離子方程式等，適用于模擬實驗難以操作、危險性大或反應現象不明顯的內容。

二、化學教學中常用的計算化學軟件

計算化學軟件作為化學化工領域中最常用的工具，無論在科研或者教學中都擔負著重要的作用。化學教學中通常應用到下列軟件：

1.ChemDraw

ChemDraw軟件美國CambridgeSoft公司推出的一款優秀的商業化化學軟件ChemOffice中的模塊之一。ChemDraw中存貯了大量的分子結構圖形、原子軌道、分子軌道和電子云圖的圖形，在化學教學中主要用于繪制有機分子結構式及反應方程式等，ChemDraw中的實驗裝置繪制模版則是繪制反應流程及實驗儀器裝置圖的重要工具。

2.Gaussian

Gaussian程序是目前國際上最為流行的量子化學計算軟件之一，GaussView是Gaussian的圖形用戶界面，其主要功能是可以很方便而精確地作出各種原子、分子及過渡態的空間結構。和一般化學作圖軟件相比，它更加專業和精確，可以直接讓學生觀察了解各種物質的鍵長、鍵角、電子云分布等微觀結構以及分子內部的各種振動。

3.Materials Studio

Materials Studio軟件包是Accelrys公司開發的，是常用的分子設計和模擬軟件，可進行量子力學、分子力學、分子動力學計算。Materials Studio軟件包功能非常強大，主要由這樣幾個模塊組成：構造分子；優化分子結構；研究分子反應；觀察軌道和電子圖譜；研究分子動力學。

Materials Studio可以快速準確地獲得分子的構型與結構參數，通過對分子的結構進行分析，運用所得的結果來解釋或預測化學反應的性質。除此之外，也可以計算出分子的靜態性質，通過這些數據我們可以預測化學反應的位置、說明化學反應的途徑和機制、解釋分子的動力學行為等，在教學中可以達到事半功倍的效果。

（1）Materials Studio在晶體結構教學中的應用

在化學中，晶體的結構和對稱性是學生不易掌握的內容，主要原因是該部分涉及三維空間變換，單純板書式教學對學生的理解作用不大。利用Materials Studio的建模功能，可以方便地建立各種晶體的三維模型，直觀化地展示其結構和對稱性等特點。圖4是面心立方NaCl在不同視角下的晶體結構圖，我們可以直接得到NaCl的晶體結構，同時可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。

此外，點擊菜單build中的symmetry還可以得NaCl晶格的原胞。同時，Materials Studio還允許自由的創建晶體結構，只要已知空間群類型、晶體結構參數和元素類型，我們就可以任意的創建晶體。如果按下Find Symmetry選項，便可看到已找到的NaCl晶體的對稱性為FM-3M，在教學中展示這種效果，能使學生容易理解晶體的對稱性的類型。

（2）Materials Studio在電荷密度教學中的應用

在講授極性分子和非極性分子過程中，常常提到原子電荷分布情況及對物質化學性質的影響。Materials Studio中原子電荷顯示功能，使電荷分布一目了然。以Si來作為示范，在Volumetic Selection中，選擇顯示total electron density，會將場給顯現出來。這個場是電子在空間中的分布，Isosurface則是顯示出等位面。這里將電位以顏色來區別其高低，在等電位密度中做出電位高低的圖，可以讓學生清楚地了解極性。

（3）原子軌道顯示在教學中的應用

Materials Studio可以輕松地對各種原子軌道能量進行計算并獲得其空間圖像。利用Element可以調出一個元素表，可以直接選擇元素，例如乙烷，在工具列中，選取CASTEP的計算套件計算原子軌道，在Task中選擇Energy，它在計算基態能量之后，就可以分析原子軌道了。

三、結束語

使用最新的化學計算軟件，采用新穎的教學形式和教學手段，直接在屏幕上顯示三維構型，同時可以任意旋轉操作，使同學們的興趣大增，而且通過計算機輔助教學的動畫模擬，使得微觀抽象的知識點更具體形象化，便于學生理解和掌握，收到很好的教學效果。

參考文獻：

[1]王守緒.計算機技術在化學中的應用研究進展[J].化學研究與應用，2000，12（4）：119.

[2]任萃毅.介紹一個新型的化學軟件包-CS Chemoffice 2000[J].化學教學，2001，（3）：34.

[3]葉國東.量子化學軟件Gaussian應用于無機化學教學[J].廣東化工，2010，37（4）：220.

[4]閆秀芬，林生領.量子化學軟件在結構化學教學中的應用.考試周刊，2011，（70）：203.

[5]吳健.Materials Studio在結構化學教學中的一些應用[J].高校實驗室工作研究，2007，（3）：92.endprint

從化學教學實際出發，應用相關計算化學軟件輔助教學，將抽象的平面教學轉變為立體的形象教學，以提高學生的學習興趣，增強學生的創造性思維。

化學軟件輔助教學計算機應用在基礎理論化學的教學中，由于原子分子的微觀結構無法通過肉眼直接觀察，化學反應的過程也難以用宏觀模型進行形象的描述，對學生來說比較抽象，利用適當的軟件設計一些有助于學生理解和掌握化學知識的課件，會使枯燥無味的化學結構和化學反應變得生動形象，能讓學生更深入直觀地了解物質的微觀結構，理解化學的本質。

一、計算機在化學教學中的適用范圍

計算機輔助教學在化學教學中，尤其適用于理論性和抽象性較強的內容，例如原子核的組成、電子云、核外電子的運動、分子的結構、構型和構象、化學鍵的形成、離子反應和離子方程式等，適用于模擬實驗難以操作、危險性大或反應現象不明顯的內容。

二、化學教學中常用的計算化學軟件

計算化學軟件作為化學化工領域中最常用的工具，無論在科研或者教學中都擔負著重要的作用。化學教學中通常應用到下列軟件：

1.ChemDraw

ChemDraw軟件美國CambridgeSoft公司推出的一款優秀的商業化化學軟件ChemOffice中的模塊之一。ChemDraw中存貯了大量的分子結構圖形、原子軌道、分子軌道和電子云圖的圖形，在化學教學中主要用于繪制有機分子結構式及反應方程式等，ChemDraw中的實驗裝置繪制模版則是繪制反應流程及實驗儀器裝置圖的重要工具。

2.Gaussian

Gaussian程序是目前國際上最為流行的量子化學計算軟件之一，GaussView是Gaussian的圖形用戶界面，其主要功能是可以很方便而精確地作出各種原子、分子及過渡態的空間結構。和一般化學作圖軟件相比，它更加專業和精確，可以直接讓學生觀察了解各種物質的鍵長、鍵角、電子云分布等微觀結構以及分子內部的各種振動。

3.Materials Studio

Materials Studio軟件包是Accelrys公司開發的，是常用的分子設計和模擬軟件，可進行量子力學、分子力學、分子動力學計算。Materials Studio軟件包功能非常強大，主要由這樣幾個模塊組成：構造分子；優化分子結構；研究分子反應；觀察軌道和電子圖譜；研究分子動力學。

Materials Studio可以快速準確地獲得分子的構型與結構參數，通過對分子的結構進行分析，運用所得的結果來解釋或預測化學反應的性質。除此之外，也可以計算出分子的靜態性質，通過這些數據我們可以預測化學反應的位置、說明化學反應的途徑和機制、解釋分子的動力學行為等，在教學中可以達到事半功倍的效果。

（1）Materials Studio在晶體結構教學中的應用

在化學中，晶體的結構和對稱性是學生不易掌握的內容，主要原因是該部分涉及三維空間變換，單純板書式教學對學生的理解作用不大。利用Materials Studio的建模功能，可以方便地建立各種晶體的三維模型，直觀化地展示其結構和對稱性等特點。圖4是面心立方NaCl在不同視角下的晶體結構圖，我們可以直接得到NaCl的晶體結構，同時可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。

此外，點擊菜單build中的symmetry還可以得NaCl晶格的原胞。同時，Materials Studio還允許自由的創建晶體結構，只要已知空間群類型、晶體結構參數和元素類型，我們就可以任意的創建晶體。如果按下Find Symmetry選項，便可看到已找到的NaCl晶體的對稱性為FM-3M，在教學中展示這種效果，能使學生容易理解晶體的對稱性的類型。

（2）Materials Studio在電荷密度教學中的應用

在講授極性分子和非極性分子過程中，常常提到原子電荷分布情況及對物質化學性質的影響。Materials Studio中原子電荷顯示功能，使電荷分布一目了然。以Si來作為示范，在Volumetic Selection中，選擇顯示total electron density，會將場給顯現出來。這個場是電子在空間中的分布，Isosurface則是顯示出等位面。這里將電位以顏色來區別其高低，在等電位密度中做出電位高低的圖，可以讓學生清楚地了解極性。

（3）原子軌道顯示在教學中的應用

Materials Studio可以輕松地對各種原子軌道能量進行計算并獲得其空間圖像。利用Element可以調出一個元素表，可以直接選擇元素，例如乙烷，在工具列中，選取CASTEP的計算套件計算原子軌道，在Task中選擇Energy，它在計算基態能量之后，就可以分析原子軌道了。

三、結束語

使用最新的化學計算軟件，采用新穎的教學形式和教學手段，直接在屏幕上顯示三維構型，同時可以任意旋轉操作，使同學們的興趣大增，而且通過計算機輔助教學的動畫模擬，使得微觀抽象的知識點更具體形象化，便于學生理解和掌握，收到很好的教學效果。

參考文獻：

[1]王守緒.計算機技術在化學中的應用研究進展[J].化學研究與應用，2000，12（4）：119.

[2]任萃毅.介紹一個新型的化學軟件包-CS Chemoffice 2000[J].化學教學，2001，（3）：34.

[3]葉國東.量子化學軟件Gaussian應用于無機化學教學[J].廣東化工，2010，37（4）：220.

[4]閆秀芬，林生領.量子化學軟件在結構化學教學中的應用.考試周刊，2011，（70）：203.

[5]吳健.Materials Studio在結構化學教學中的一些應用[J].高校實驗室工作研究，2007，（3）：92.endprint

從化學教學實際出發，應用相關計算化學軟件輔助教學，將抽象的平面教學轉變為立體的形象教學，以提高學生的學習興趣，增強學生的創造性思維。

化學軟件輔助教學計算機應用在基礎理論化學的教學中，由于原子分子的微觀結構無法通過肉眼直接觀察，化學反應的過程也難以用宏觀模型進行形象的描述，對學生來說比較抽象，利用適當的軟件設計一些有助于學生理解和掌握化學知識的課件，會使枯燥無味的化學結構和化學反應變得生動形象，能讓學生更深入直觀地了解物質的微觀結構，理解化學的本質。

一、計算機在化學教學中的適用范圍

計算機輔助教學在化學教學中，尤其適用于理論性和抽象性較強的內容，例如原子核的組成、電子云、核外電子的運動、分子的結構、構型和構象、化學鍵的形成、離子反應和離子方程式等，適用于模擬實驗難以操作、危險性大或反應現象不明顯的內容。

二、化學教學中常用的計算化學軟件

計算化學軟件作為化學化工領域中最常用的工具，無論在科研或者教學中都擔負著重要的作用。化學教學中通常應用到下列軟件：

1.ChemDraw

ChemDraw軟件美國CambridgeSoft公司推出的一款優秀的商業化化學軟件ChemOffice中的模塊之一。ChemDraw中存貯了大量的分子結構圖形、原子軌道、分子軌道和電子云圖的圖形，在化學教學中主要用于繪制有機分子結構式及反應方程式等，ChemDraw中的實驗裝置繪制模版則是繪制反應流程及實驗儀器裝置圖的重要工具。

2.Gaussian

Gaussian程序是目前國際上最為流行的量子化學計算軟件之一，GaussView是Gaussian的圖形用戶界面，其主要功能是可以很方便而精確地作出各種原子、分子及過渡態的空間結構。和一般化學作圖軟件相比，它更加專業和精確，可以直接讓學生觀察了解各種物質的鍵長、鍵角、電子云分布等微觀結構以及分子內部的各種振動。

3.Materials Studio

Materials Studio軟件包是Accelrys公司開發的，是常用的分子設計和模擬軟件，可進行量子力學、分子力學、分子動力學計算。Materials Studio軟件包功能非常強大，主要由這樣幾個模塊組成：構造分子；優化分子結構；研究分子反應；觀察軌道和電子圖譜；研究分子動力學。

Materials Studio可以快速準確地獲得分子的構型與結構參數，通過對分子的結構進行分析，運用所得的結果來解釋或預測化學反應的性質。除此之外，也可以計算出分子的靜態性質，通過這些數據我們可以預測化學反應的位置、說明化學反應的途徑和機制、解釋分子的動力學行為等，在教學中可以達到事半功倍的效果。

（1）Materials Studio在晶體結構教學中的應用

在化學中，晶體的結構和對稱性是學生不易掌握的內容，主要原因是該部分涉及三維空間變換，單純板書式教學對學生的理解作用不大。利用Materials Studio的建模功能，可以方便地建立各種晶體的三維模型，直觀化地展示其結構和對稱性等特點。圖4是面心立方NaCl在不同視角下的晶體結構圖，我們可以直接得到NaCl的晶體結構，同時可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。

此外，點擊菜單build中的symmetry還可以得NaCl晶格的原胞。同時，Materials Studio還允許自由的創建晶體結構，只要已知空間群類型、晶體結構參數和元素類型，我們就可以任意的創建晶體。如果按下Find Symmetry選項，便可看到已找到的NaCl晶體的對稱性為FM-3M，在教學中展示這種效果，能使學生容易理解晶體的對稱性的類型。

（2）Materials Studio在電荷密度教學中的應用

在講授極性分子和非極性分子過程中，常常提到原子電荷分布情況及對物質化學性質的影響。Materials Studio中原子電荷顯示功能，使電荷分布一目了然。以Si來作為示范，在Volumetic Selection中，選擇顯示total electron density，會將場給顯現出來。這個場是電子在空間中的分布，Isosurface則是顯示出等位面。這里將電位以顏色來區別其高低，在等電位密度中做出電位高低的圖，可以讓學生清楚地了解極性。

（3）原子軌道顯示在教學中的應用

Materials Studio可以輕松地對各種原子軌道能量進行計算并獲得其空間圖像。利用Element可以調出一個元素表，可以直接選擇元素，例如乙烷，在工具列中，選取CASTEP的計算套件計算原子軌道，在Task中選擇Energy，它在計算基態能量之后，就可以分析原子軌道了。

三、結束語

使用最新的化學計算軟件，采用新穎的教學形式和教學手段，直接在屏幕上顯示三維構型，同時可以任意旋轉操作，使同學們的興趣大增，而且通過計算機輔助教學的動畫模擬，使得微觀抽象的知識點更具體形象化，便于學生理解和掌握，收到很好的教學效果。

參考文獻：

[1]王守緒.計算機技術在化學中的應用研究進展[J].化學研究與應用，2000，12（4）：119.

[2]任萃毅.介紹一個新型的化學軟件包-CS Chemoffice 2000[J].化學教學，2001，（3）：34.

[3]葉國東.量子化學軟件Gaussian應用于無機化學教學[J].廣東化工，2010，37（4）：220.

[4]閆秀芬，林生領.量子化學軟件在結構化學教學中的應用.考試周刊，2011，（70）：203.

[5]吳健.Materials Studio在結構化學教學中的一些應用[J].高校實驗室工作研究，2007，（3）：92.endprint