量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的研究

吳楠楠 歐陽順利

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點實驗室〈省部共建國家重點實驗室培育基地〉，內(nèi)蒙古 包頭014010）

0 引言

結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)目前存在兩個方面的難題[1]。首先，結(jié)構(gòu)化學(xué)中的內(nèi)容比較抽象,具有極強理論性、實驗性和應(yīng)用性，要求學(xué)生具有較強的空間思維能力，學(xué)生因此難于理解和掌握，極大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果。其次，結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及面廣，隨著當(dāng)代結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科本身的迅猛發(fā)展和與相關(guān)學(xué)科的交叉， 使得結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)量快速增加，而相應(yīng)的教學(xué)課時量不但沒有增加甚至有所減量，這就勢必形成了任務(wù)多，時間不足的困難。為了解決上述兩方面的問題，提高該課程教學(xué)效果,國內(nèi)有一些學(xué)者開展不同程度的探索與研究。 例如：整合結(jié)構(gòu)化學(xué)中相關(guān)知識點，利用多媒體的方法教學(xué)的等教學(xué)改革。 這些學(xué)者的探索都或多或少地影響了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)，也取得了不少教學(xué)效果。不過，這些教學(xué)改革和方法沒能根本性地解決這兩方面的問題。因此，針對如何更好地解決這兩方面問題，我們提出量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的思路。

1 量子化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的關(guān)系

結(jié)構(gòu)化學(xué)作為高等學(xué)校化學(xué)各分支學(xué)科及其它與化學(xué)交叉的各學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是利用量子力學(xué)理論及現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具和現(xiàn)代實驗方法來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科[2]。它是理論化學(xué)的核心，從微觀的角度來研究不同層面的微觀結(jié)構(gòu)以及其結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)等性能之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

量子化學(xué)是化學(xué)的一個重要的分支學(xué)科。當(dāng)代量子化學(xué)是隨著計算機科學(xué)的快速發(fā)展利用量子力學(xué)的相關(guān)理論來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科。量子化學(xué)發(fā)展至今, 可以根據(jù)解Schr?dinger 方程而引入近似程度的不同分為以下幾種方法:從頭計算方法(ab initio calculation) 、簡單分子軌道法如HMO(休克爾分子軌道法)、EHMO(擴展HMO)法等、半經(jīng)驗分子軌道方法、密度泛函理論、量子力學(xué)-分子力學(xué)的QM/MM組合方法等。 它們在從無機小分子到生物大分子，從靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動態(tài)分子動力學(xué)反應(yīng)，從分子內(nèi)的強弱相互作用到分子間強弱相互作用等各方面都有應(yīng)用。 量子化學(xué)已經(jīng)涉及到化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等眾多學(xué)科。

隨著計算技術(shù)的快速發(fā)展和理論上的重大突破, 量子化學(xué)軟件也越來越發(fā)達，得到了廣泛的應(yīng)用。 如Gaussian 作為一款功能強大的量子化學(xué)綜合軟件包，是做半經(jīng)驗計算和從頭計算使用最廣泛的量子化學(xué)軟件，可以研究：分子能量和結(jié)構(gòu)，過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量，分子軌道，反應(yīng)路徑，偶極矩和多極矩，振動頻率，紅外和拉曼光譜，原子電荷和電勢，核磁共振，極化率和超極化率，熱力學(xué)性質(zhì)，用于研究諸多領(lǐng)域的課題。

從上述所述，我們了解了結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子化學(xué)以及量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件。 因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程可以很好地利用量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件進行分析和詮釋。

2 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的策略

本文主要研究的是將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的問題， 研究的過程將本著遵循理論與實踐相結(jié)合，從典型研究問題出發(fā)，探索并形成研究成果，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)。本文采用如下幾方面實現(xiàn)量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)：第一方面是文獻研究，通過分析文獻資料，收集國內(nèi)外結(jié)構(gòu)化學(xué)及相關(guān)的成果資料，總結(jié)出可行的技術(shù)路線；第二方面是實驗教學(xué)，讓學(xué)生親自進行一些簡單地分子設(shè)計等量子化學(xué)計算方面的嘗試；第三方面是調(diào)查研究，調(diào)研的主要目的是想了解學(xué)生對結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革教學(xué)研究與設(shè)計的滿意程度；第四方面是多媒體的教學(xué)方法與自主學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，使較為抽象的知識具體化，提高學(xué)生對結(jié)構(gòu)化學(xué)知識的掌握。 第五方面是主題式教學(xué)和參與式學(xué)習(xí)討論結(jié)合，使學(xué)生分析與解決問題的能力能得到相應(yīng)的提高。

從量子化學(xué)科研結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)入手的具體教改思路是通過用Gaussian 等量子化學(xué)軟件計算，使用GaussianView 等可視化的量子化學(xué)軟件，將抽象的概念變?yōu)橹庇^的圖形，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生科研意識的有效方法。

3 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的實例

針對學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)難以較好理解和掌握這一情況， 我們嘗試在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中采用量子化學(xué)計算方法與軟件來配合教學(xué)。 例如：研究水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用[3]，首先用GaussView 搭建H2O 分子與DMSO 分子模型，然后用Gaussian 軟件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計算， 接下來用GaussView 打開結(jié)果文件，得到優(yōu)化后H2O 分子與DMSO 分子結(jié)構(gòu)。 這是可以做一些可視化的教學(xué)：點擊展示振動（Display Vibratons）文本框中的開始（start）按鈕，就可以顯示所選振動模式的振動動畫，點擊停止（stop）按鈕，可以停止分子的振動，也可以點擊光譜圖（spectrum）按鈕，生成H2O 分子和DMSO 分子的拉曼以及紅外光譜圖。 最后，我們將優(yōu)化后的H2O分子和DMSO 分子放在一起進一步優(yōu)化， 得到H2O 分子和DMSO 分子間氫鍵的結(jié)構(gòu)圖。 在結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂上，我們這樣用量子化學(xué)軟件呈現(xiàn)動畫圖像可使難于理解與掌握的知識變得生動有趣，大大增強結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)效果。 此外，像水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用也是學(xué)科前沿研究熱點，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識應(yīng)用并解決前沿的能力。

總之， 我們結(jié)合先輩在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革探索過程中的經(jīng)驗,對結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)進行深入改革。采用當(dāng)代先進的量子化學(xué)計算方法及軟件來配合教學(xué)，并在教學(xué)內(nèi)容中加入前言科學(xué)問題，加強教學(xué)與科研相結(jié)合,在傳授基礎(chǔ)知識的同時，注重培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)和化學(xué)思想與方法，著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。 將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是解決這門學(xué)科知識點多雜與難理解的一條有效途徑。

［1］王麗.可視化量子計算軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的實踐[J].新課程,2012,67.

［2］曾榮英,唐文清,馮永蘭,陳志敏.結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的實踐與探索[J].化學(xué)高等教育,2007,97：21-24.

［3］歐陽順利,吳楠楠.拉曼光譜技術(shù)與理論化學(xué)計算對分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究[M].長春：吉林大學(xué)出版社,2013.