Gaussian軟件教學引入高?；瘜W專業第二課堂的探索與實踐*

楊怡萌，李園園，吳 婭，王仲明，陳聰梅

(1 重慶第二師范學院生物與化學工程學院，重慶 400067； 2 國家超級計算深圳中心，廣東 深圳 518055)

隨著教學現代化手段的不斷提高和化學學科內涵的發展，課堂教學模式發生了巨大的變革。然而對于課程內容抽象繁多的化學專業基礎課程仍然存在難學難教的特點[1-2]。對于化學類專業，要想實現應用型、創新型、高素質人才培養的目標，單單依賴第一課堂教學是遠遠不夠的，對學生優良科學素養的培養、科研實踐能力、創新能力的提升必然要由第二課堂的教育延伸得以實現[3]?！暗诙n堂”是在教學大綱范圍以外、由學生自愿參加的、形式多樣的教學和科研活動的總稱[4]。它與第一課堂一起構成完整的教學體系，是輔助第一課堂教學，并且有效提升學生科研能力和綜合素質的重要途徑[5]。

高校化學專業的課程中，無機化學、分析化學、物理化學、有機化學為必修專業基礎課程，這類課程內容的理論性較強，機理知識抽象難懂，并且基礎化學課程的開設學期通常在前三學期，是大一學生普遍反映難度較大、較為枯燥的課程[6]。另一方面，科學研究能力對化學專業學生的就業和發展至關重要，越來越多的學生主動選擇參與第二課堂提升自身的綜合素質[7-8]。因此，如何開設高質量的第二課堂并有效輔助第一課堂教學？如何讓第二課堂在提升學生的學習興趣和科研能力的方面發揮作用變得尤為重要。

高斯(Gaussian)是量子化學計算軟件，是目前在物理有機化學領域研究中必不可少的工具，為分子結構-性質關系分析、原子/分子軌道分析、光譜分析、熱力學/動力學能量分析等提供了便捷。近年，Gaussian軟件在無機化學[9]、有機化學[10]、分析化學[11]、物理化學[12]等基礎化學課程的創新教學改革中也扮演著重要的角色。然而，由于該類基礎化學課程內容繁多，課堂教學課時緊張，把高斯軟件引入第一課堂教學的形式往往不能充分發揮高斯軟件的關鍵作用，學生自主使用該軟件的能力有待進一步培養。

本文通過分析基礎化學課程在課堂教學中的難點，闡述Gaussian軟件引入第二課堂教學的必要性，并對Gaussian軟件教學引入第二課堂的具體實施途徑、實施效果以及存在的問題進行分析。

1 Gaussian軟件教學引入第二課堂的必要性：

Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學計算工具，具有分子結構優化、熱力學能量計算、過渡態的能量和結構分析、分子軌道能量及成分分析、原子電荷分析、紅外光譜分析等功能。Gaussian 09[13]是 Gaussian系列電子結構程序的經典版本，該軟件計算結果顯示通常與圖形圖像軟件Gauss view結合使用。近年來，Gaussian在有機化學、生物化學、藥物合成、物理化學等領域被廣泛應用，從分子水平對實驗現象、反應機理進行深入的闡釋，揭示分子結構-性質關系[14]。

1.1 Gaussian軟件教學引入第二課堂，為第一課堂教學提供輔助作用

高?；瘜W專業基礎化學課程中，無機化學、有機化學是學生普遍反映較難的學科，難點主要在于：①涉及原子電子結構、雜化軌道這些抽象的知識點時，學生單靠課件中靜態圖片通過空間形象力加以理解通常比較困難；②授課課時緊張，老師很難花費大量課堂時間去反復強調一些難點知識，課堂的接受程度不佳；③學生的立體化學知識儲備較少，對于立體異構、手性化合物的學習非常吃力；④有機反應機理知識繁多，對于舊鍵的斷裂、新鍵的形成過程缺少動態畫面加以解釋；⑤光譜解析的課下練習途徑比較缺乏。

Gaussian軟件可以充分發揮3D結構顯示及仿真模擬等優勢，通過以下幾個方面對第一課堂教學加以輔助：

(1)電子云模擬：有機反應機理中，在舊鍵斷裂新鍵形成的過程，最重要的問題就是電子的得失或者轉移，Gaussian軟件可以通過對分子進行電子云模擬(如圖1所示，苯酚分子的電子云分布圖)，了解電荷分布情況，并且對官能團對電子云分布的影響以及影響反應選擇性的成因加以理解。比如，針對苯環分子，當引入鄰對位取代基或者間位取代基時，根據電荷分布的差異對親電取代反應的定位基效應(即化學選擇性)加以解釋。

圖1 苯酚分子的優化結構及電荷分布

(2)立體構象的直觀呈現：Gauss view作為3D結構繪制和圖像顯示軟件，可以直接畫出分子的三維立體結構圖，并且可以隨意轉動分子以及鏡像對比，為學生立體構象的學習以及費歇爾投影式的書寫提供有力幫助。

(3)過渡態結構的動態分析：對于反應機理講授，舊鍵斷裂及新鍵形成過程是關鍵步驟，例如，在親核取代反應SN1和SN2機理的講授中，不同的電子效應可以造成不同的進攻方式，這是課堂授課通常需要反復強調的知識點，如果借助于過渡態理論，獲得反應過渡態結構的動畫圖形，可以直觀的幫助學生理解舊鍵斷裂及新鍵形成過程以及不同體系的差異性。以Cl—離子對溴甲烷的取代反應為例(如圖2所示)，該反應遵循SN2機理，在Cl-的進攻過程中發生了構型的翻轉，借助于Gaussian軟件獲得該過程的過渡態動畫結構(如圖3所示)，學生可以非常快速的理解SN2機理的特點，大大提升了教學效果。

圖2 溴甲烷SN2取代反應歷程示意圖

圖3 溴甲烷SN2取代反應過渡態分析

(4)波譜模擬：紅外吸收光譜和核磁共振譜是有機化學課程中波譜分析的重要掌握知識點，也是儀器分析課程的重要組成部分。這部分知識學生多數通過記憶來掌握紅外光譜的吸收特征或核磁共振譜的化學位移及峰形，很難真正理解，并且這類大型儀器通常在地方高校不能完全對學生開放，因此課下也很難進行歸納總結。Gaussian軟件擁有紅外吸收光譜和核磁共振譜的模擬計算功能，通?？梢缘玫脚c實驗結果一致的譜圖[15]，學生在課下進行模擬計算，分析特征峰的分布規律，為化合物的譜圖解析和總結提供有效途徑。

1.2 Gaussian軟件教學引入第二課堂，為學生科研隊伍建設提供平臺。

基于Gaussian軟件的量子化學計算模擬是物理有機化學研究領域的重要組成部分，在有機合成、生物醫藥等科學研究領域地位日漸提升，為分子構效關系分析以及反應機理細節的闡釋(例如化學/區域/立體選擇性成因、關鍵助劑對反應活性的影響分析等)提供精確的數據支撐，為實驗工作者提供了諸多便捷。值得一提的是，量子化學計算模擬由于不受實驗條件、實驗設備的限制，對于地方高校實驗資源有限的情況，開展科研工作是非常容易上手的。因此，Gaussian軟件引入第二課堂，為科研隊伍的建設、學生科研能力的培養都是非常有益的。

2 Gaussian軟件教學引入第二課堂的實踐研究

2.1 第二課堂的實施方案

Gaussian軟件教學引入第二課堂，旨在提升學生學習興趣，幫助學生加深理解課堂所學知識，培養學生的創新思維能力及實踐能力。本次第二課堂實踐以工作坊的形式開設，一方面有助于保障課程開設的延續性，另一方面為科研團隊的建設也提供選拔平臺。具體實施分為以下幾個階段：(1)宣傳及報名：在基礎化學課程開設學期初，由于這類軟件多數同學并不熟悉，由工作坊指導老師先行開設一次科普講座，對高斯軟件在教學和科研中的作用進行講解，并與學生進行交流，鼓勵學生積極報名；(2)雙向選擇：確定參與人數和大一大二年級分布比例，師生進行進一步面對面交流，明確參與第二課堂的目的，記錄學生的興趣方向，依據“小型化、精細化”的原則，通過雙向選擇確定最終學生人數30人。(3)開展Gaussian軟件教學活動：由指導老師講授，一對一輔導軟件安裝、使用及數據分析。(4)科研隊伍選拔：在積極參與第二課堂教學活動的學生中，指導教師給出科研方向和相關文獻，要求學生以PPT匯報的形式，對學習心得和閱讀文獻進行講述，最終篩選優秀者進入科研團隊。(5)沖擊國家競賽：經過對優秀學生的科研能力、論文寫作能力的長期培養，沖擊“挑戰杯”等國家級競賽。(6)鼓勵學生參與第二課堂教學任務：對于科研能力一般但是Gaussian軟件學習非常好的另一部分學生，鼓勵參與第二屆的Gaussian軟件教學中，通過角色翻轉，激發學生的學習興趣，并對學生的表達能力、綜合素質提升提供鍛煉的機會。

2.2 Gaussian軟件教學內容設置

Gaussian軟件教學活動是本次第二課堂開設的核心部分，根據基礎化學課程在第一課堂的教學內容以及基于Gaussian軟件展開科學研究的必備技能的梳理，第二課堂教學活動內容設置簡述如下：

(1)計算化學的魅力及Gaussian軟件安裝。本次教學活動重點講授，什么是計算化學？計算化學術語有哪些？Gaussian軟件有哪些功能？學習Gaussian軟件可以掌握哪些技能？

(2)Gauss view軟件使用。通過Gauss view對3D分子結構的繪制演示，并與2D結構圖的對比，展開對Gauss view軟件使用的教學，介紹并演示不同的功能模塊，例如鍵長鍵角、二面角的設置，軌道能量的查看，指導學生親自繪制不同復雜程度的分子結構。

(3)分子優化計算及電荷分析。講述高斯軟件進行分子優化時的輸入文件設置要求，對計算方法及基組的概念進行簡單講解，要求學生親自進行小分子結構的繪制、優化參數的設置，強調軟件使用時容易出現的問題。在獲得輸出文件之后，借助于Gauss view及文本編輯器對輸出結果進行分析，學會查找電荷信息，并且指導學生依據電荷分布分析電子的轉移及成因。

(4)分子軌道計算及成分分析。基于優化結構，講授分子軌道的計算方法，強調輸入文件關鍵詞和輸出文件格式的設置以及獲得分子軌道能量及圖形的方法，為學生布置課下任務，加強練習。

(5)過渡態優化計算。以親核取代反應為例，講授過渡態優化計算的關鍵詞設置，以及輸出文件的動畫獲得方法，學會觀察過渡態中舊鍵斷裂和新鍵形成的過程。

(6)紅外光譜和核磁共振譜圖分析。演示通過Gaussian軟件計算得到紅外光譜和核磁共振譜圖的方法，講授計算方法和基組的選擇建議，根據實驗譜圖和計算譜圖進行對比，根據圖中的特征峰進行結構解析。

3 Gaussian軟件教學引入第二課堂的實施效果

經過兩個學期的努力，計算化學第二課堂受到了廣大師生的一致好評：(1)學生在有機化學、無機化學的學習過程中，找到了好用的工具，對于難以理解的空間立體構象、電荷分布、反應機理選擇性等問題上掌握了學習方法。(2)學生在第二課堂中真正參與到教學過程中，培養了學生發現問題、解決問題的能力。(3)學生文獻閱讀能力全面提升。在指導教師的幫助下，學生學會了從不同途徑獲取文獻資料的能力，并且通過小組討論形式，對文獻閱讀后的總結能力也有明顯提升。(4)科研實踐能力得到提高。通過第二課堂中對Gaussian軟件的培訓，學生掌握了計算化學必備的科研工具的基本使用方法，為后續科研工作的開展提供了很大的鋪墊作用，學生參與后續科研工作的熱情大幅度提高。(5)學生的表達能力顯著提高。由于第二學期的Gaussian 軟件培訓中鼓勵上一屆優秀學生進行教學演示，大大提升了學生的表達能力和心理素質。

4 存在的問題

經過對Gaussian軟件教學引入第二課堂的實施，取得了不錯成果的同時，仍然存在一些問題：(1)師資隊伍缺乏。Gaussian軟件學習作為第二課堂的主要教學內容，必須依靠指導老師在前期進行輔導以及課程內容的講授，而本次第二課堂的開設都是由第一課堂老師自愿參與，時間有限，教師數量也有限，在師生比上存在不協調的問題。(2)基礎理論講授效果不佳。軟件教學活動中，學生在軟件操作學習上較易上手，但是當涉及部分量子化學知識講授時，學生在理論知識的理解上仍然有些吃力。(3)活動形式不夠豐富。Gaussian軟件教學必須在教室內進行，因此在活動的多樣性開展上受到了限制，部分學生在后期存在興趣不高的問題。(5)經費投入不足。本次第二課堂中Gaussian軟件采用Windows版本進行學習，但是對于分子量較大的結構或者過渡態，計算時長過長，可能需要Linux版本Gaussian軟件運行，因此該類第二課堂的順利開展仍需相關部門的大力支持。

5 結 語

第二課堂已經成為高校教學的重要組成部分，在提高大學生實踐創新能力方面發揮了積極的作用，為應用型、創新型、高素質人才的培養奠定基礎。Gaussian軟件教學走進高校化學專業第二課堂，使得基礎化學課程的教學得以補充，同時為學生科研能力的培養提供良好的平臺。本文通過解析基礎化學課程講授中的難點和學生科研隊伍建設兩個角度，闡述了Gaussian軟件引入第二課堂教學的必要性，并對Gaussian軟件教學引入第二課堂的具體實施途徑、實施效果以及存在的問題進行了分析，希望為高?；瘜W專業第二課堂的多樣性的提升以及基礎化學課程的課堂教學改革提供新思路。