在有機化學(xué)實驗中設(shè)置計算化學(xué)模塊

李田，張攀，邊磊，關(guān)玲，徐烜峰，張奇涵，王婕妤，王穎霞

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，化學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心，化學(xué)教育研究所，北京 100871

近年來，計算化學(xué)的研究伴隨著計算機軟硬件技術(shù)的進步而有了飛速發(fā)展，并逐步成為與理論化學(xué)、實驗化學(xué)并重的化學(xué)研究支柱。化學(xué)發(fā)展到今天，“Chem”已不再是單純地根據(jù)經(jīng)驗去“try”，而是依據(jù)化學(xué)基本理論、運用計算化學(xué)這一越來越強大的工具，對反應(yīng)、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行定量半定量的解釋和預(yù)測，計算化學(xué)對實驗的指導(dǎo)性已越來越強，化學(xué)已經(jīng)進入了一個嶄新的階段。當(dāng)使用“web of science”來檢索“計算化學(xué)”這個詞時，我們發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的研究論文數(shù)量增長迅速，這也正是計算化學(xué)快速發(fā)展的佐證。目前，我院本科教學(xué)中，該部分內(nèi)容主要在理論課程中講授，而計算化學(xué)作為一種工具，更多的需要在實驗實踐中運用，因此，在實驗教學(xué)中引入計算化學(xué)模塊十分必要。

1 國內(nèi)外高校計算化學(xué)實驗的開設(shè)情況調(diào)研

為了更好地進行教學(xué)設(shè)計，我們首先對國內(nèi)外高校中計算化學(xué)實驗的開設(shè)情況進行了調(diào)研。國內(nèi)調(diào)研主要來源于中國知網(wǎng)的檢索和與兄弟高校的交流，國外調(diào)研主要來源于美國化學(xué)會知名教學(xué)期刊Journal of Chemical Education的檢索，以及國外高校官網(wǎng)的查詢。調(diào)研結(jié)果顯示，在目前高校的本科教學(xué)中，計算實驗的開設(shè)主要分為以下三種類型。

1.1 獨立設(shè)課，開設(shè)專門的計算化學(xué)實驗

國內(nèi)清華大學(xué)[1]、北京師范大學(xué)[2]、武漢大學(xué)[3]、南開大學(xué)[4]、山東大學(xué)[5,6]等高校均開設(shè)有獨立的計算化學(xué)實驗課程。獨立設(shè)課的優(yōu)點在于，可以完整地介紹計算化學(xué)的內(nèi)容，系統(tǒng)地進行實驗訓(xùn)練，幫助學(xué)生獲得扎實的基礎(chǔ)。由于具有一定的系統(tǒng)性，課程通常需要在高年級來開設(shè)。

1.2 融入高年級的理論課程或?qū)嶒炚n程，作為其中的項目進行開設(shè)

在高年級理論或?qū)嶒炚n程中融入計算化學(xué)實驗，是另一種主要的開設(shè)方式。以加拿大滑鐵盧大學(xué)為例，該校將苯甲酸和苯酚衍生物氣相電離的Gibbs自由能變ΔG計算引入高年級的物理有機實驗中，幫助學(xué)生理解取代基與反應(yīng)活性之間的相互作用[7]。西班牙拉古納大學(xué)將電化學(xué)方法實現(xiàn)材料表面接枝功能化引入高年級的物理化學(xué)實驗，計算了HOMO和LUMO軌道的能量，并繪制了分子的電荷密度分布圖，幫助學(xué)生深入理解表面接枝功能化的機理和過程[8]；國外其他將計算融入高年級理論課和實驗課的實例還有很多[9–11]，我們中心也在2015年將Gaussian程序計算燃燒熱和AMBER程序模擬蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化兩個項目引入了面向大三本科生的物理化學(xué)實驗中，取得了很好的教學(xué)效果。

1.3 融入低年級的理論課程或?qū)嶒炚n程，作為其中的項目進行開設(shè)

與高年級課程中引入計算實驗有所不同，在低年級課程，尤其是實驗課程中引入計算的范例仍然很少。Journal of Chemical Education期刊中僅查到美國樹城州立大學(xué)和威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校開展相關(guān)的教學(xué)工作[12–15]。雖然目前這種模式較“小眾”，但提供了一種新的開設(shè)思路。

綜合國內(nèi)外高校計算實驗的開設(shè)情況，結(jié)合我院學(xué)生基礎(chǔ)好、學(xué)習(xí)能力強的特點，我們認(rèn)為在低年級，尤其是大一年級實驗課程中開設(shè)計算模塊值得嘗試。引入計算內(nèi)容，不僅可以為學(xué)生提供更加多元化的學(xué)習(xí)體驗，而且有助于學(xué)生及早對計算建立概念，有意識地在后續(xù)學(xué)習(xí)中將計算化學(xué)作為工具來解決實際問題，同時有助于學(xué)生對抽象概念建立具象認(rèn)識，在后續(xù)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子化學(xué)等較為深奧的理論課程時，化繁為簡，達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

2 計算化學(xué)實驗的內(nèi)容設(shè)計

通過借鑒國內(nèi)外兄弟院校的優(yōu)秀經(jīng)驗，并結(jié)合目前有機化學(xué)實驗中開設(shè)的具體實驗項目，我們設(shè)計了以下三項計算內(nèi)容：(1) 通過三組分實驗中苯胺分子的性質(zhì)計算，掌握量子化學(xué)計算的一般流程；(2) 通過苯基肉桂酸合成實驗中兩個產(chǎn)物分子的計算，學(xué)習(xí)如何運用計算工具合理解釋實驗結(jié)果；(3) 通過傅-克反應(yīng)不同進攻基團的計算，掌握如何運用計算來理解反應(yīng)和過渡態(tài)，從而完成計算能力的進階。在計算項目的設(shè)計上，我們力求將計算和實驗相結(jié)合，使計算真正為解決實驗問題服務(wù)，幫助學(xué)生做到學(xué)以致用。詳細(xì)的項目設(shè)計請見圖1。

圖1 計算實驗?zāi)K的項目設(shè)計

學(xué)生通過該模塊的學(xué)習(xí)，將獲得以下幾方面的能力：

(1) 具備初步的計算化學(xué)理論背景，熟悉Gaussian和GaussView軟件的操作流程，能夠正確創(chuàng)建初始結(jié)構(gòu)、編寫輸入文件、執(zhí)行計算過程、輸出計算數(shù)據(jù)、規(guī)范表達(dá)計算結(jié)果；

(2) 學(xué)會如何針對實驗問題設(shè)計計算方案；

(3) 學(xué)會如何運用計算結(jié)果合理解釋實驗問題。

由于Gaussian程序是目前使用最為廣泛的量子化學(xué)計算軟件之一，因此，課程中我們選用Gaussian軟件來開展計算化學(xué)實驗的教學(xué)。

3 計算化學(xué)實驗的教學(xué)模式

3.1 分層次教學(xué)，滿足學(xué)生的不同需求

考慮到學(xué)生的基礎(chǔ)和興趣有所差別，我們將計算項目分為必做和選做兩部分，為學(xué)生提供充分的自由度。提高班學(xué)生要完成3個計算項目的學(xué)習(xí)，常規(guī)班學(xué)生可自由選擇學(xué)習(xí)其中1–2個，或僅僅出于興趣前來旁聽(圖2)。為學(xué)生提供自主選擇的機會，可以充分調(diào)動學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，在學(xué)習(xí)過程中遇到困難也會全力以赴，取得更好的學(xué)習(xí)效果。

圖2 選擇計算實驗?zāi)K的學(xué)生人數(shù)分布

3.2 基于Canvas平臺，以翻轉(zhuǎn)課堂的形式實現(xiàn)混合式教學(xué)

Canvas學(xué)習(xí)平臺因其強大的資源管理功能和完善的交互功能為國外多所藤校所采用。該項目中，我們也采用Canvas平臺來完成計算實驗項目的建課。同時配合騰訊會議重難點串講和微信群討論答疑來完善教學(xué)過程，最后通過追蹤學(xué)生的實驗報告、在線測驗結(jié)果和問卷反饋來綜合評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。整體的教學(xué)設(shè)計如圖3所示。

圖3 教學(xué)流程設(shè)計

講義部分共計7個章節(jié)，從計算化學(xué)是什么、能算什么、怎么算進行了詳細(xì)的介紹。講義中所有和軟件操作相關(guān)的部分均采用圖文結(jié)合的方式，力求內(nèi)容清晰明了；微課部分總計120 min，對分子模型的構(gòu)建、程序的編寫和程序的運行進行了重點演示，和講義相互配合，為學(xué)生提供多樣化的學(xué)習(xí)資源(圖4)；作業(yè)部分回歸到項目內(nèi)容本身，運用講義和微課中學(xué)到的知識對具體的實驗問題進行計算，從計算的角度做出合理解釋；項目測驗環(huán)節(jié)則以考促學(xué)，幫助學(xué)生們查漏補缺，更好的掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。

圖4 建設(shè)完成的講義和微課學(xué)習(xí)資源

以上學(xué)習(xí)資源經(jīng)由Canvas教學(xué)平臺進行有效組織。依照教學(xué)項目和學(xué)習(xí)進度，我們將學(xué)習(xí)資源分為三個部分，每部分均包含閱讀材料、學(xué)習(xí)視頻和作業(yè)環(huán)節(jié)，每周完成一個部分的學(xué)習(xí)，最后一周還會安排專門的測驗。所有作業(yè)均提交電子版，助教直接在Canvas平臺上進行批改，及時便捷，且能保證學(xué)生獲得實時反饋。建課后的Canvas平臺如圖5所示。

圖5 完成建課的Canvas教學(xué)平臺

為了給學(xué)生提供更加精細(xì)化的指導(dǎo)，每周我們特別安排助教和學(xué)生召開“面對面”的線上會議。助教通過對講義和微課的重難點進行集中講解，幫助學(xué)生梳理知識點，強化內(nèi)容理解。此外，助教還會逐一演示程序編寫和軟件使用。

受疫情影響，春季學(xué)期學(xué)生都遠(yuǎn)程在家學(xué)習(xí)，為了實現(xiàn)實時零距離的溝通，我們特別為主講教師、助教和學(xué)生建立了微信群。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到任何問題都可隨時提問，老師和助教均第一時間回復(fù)。除老師和助教全情投入外，我們也鼓勵學(xué)生之間相互交流和答疑，在討論中碰撞火花，共同進步。

“Canvas平臺線上自學(xué)+直播課重難點梳理+微信群討論答疑”以翻轉(zhuǎn)課堂的形式在疫情期間順利完成了教學(xué)開展，這也是我們基于混合式教學(xué)做出的一次成功嘗試。

此外，為了提高計算效率，使學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)體驗，幫助學(xué)生對學(xué)校的計算資源有更加全面的了解，我們申請開通了學(xué)校計算中心超算平臺的權(quán)限，學(xué)生可以遠(yuǎn)程將計算任務(wù)提交到平臺進行運算，及早接觸和熟悉前沿的平臺運算環(huán)境。

4 教學(xué)效果評價和反饋

為了進一步了解學(xué)生的在線學(xué)習(xí)效果，獲得更多的反饋建議，我們特別設(shè)計問卷進行了調(diào)研。提高班收回問卷反饋25份，回收率達(dá)89%，常規(guī)班收回問卷反饋22份，回收率達(dá)88%。問卷共設(shè)置了6個問題，內(nèi)容涵蓋計算項目難易程度、學(xué)習(xí)資源豐富程度、助教串講和答疑的效果、對前沿類拓展資源的需求、對應(yīng)用計算工具解決實際問題的認(rèn)識等。給予我們鼓勵的是，提高班和常規(guī)班學(xué)生在所有問題上均給出了超過95%的正面反饋，尤其在問題“我想把計算實驗推薦給學(xué)弟學(xué)妹，鼓勵他們來修習(xí)”中，全體同學(xué)更是100%給出了同意的觀點(圖6)。從問卷結(jié)果來看，項目取得了很好的教學(xué)效果，達(dá)到了教學(xué)預(yù)期。

圖6 計算化學(xué)模塊問卷反饋

5 教學(xué)總結(jié)與后續(xù)計劃

該項目于2020年春季學(xué)期首次開設(shè)，從學(xué)生反饋來看，計算化學(xué)實驗?zāi)K的內(nèi)容建設(shè)較為完善，實現(xiàn)了既定的教學(xué)目標(biāo)，并獲得了學(xué)生們的普遍認(rèn)可。經(jīng)過本輪教學(xué)后，我們對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和需求也有了更深入的了解，后續(xù)我們將從以下幾方面對課程做進一步完善：1) 在資源拓展和科研銜接方面做進一步努力：將整理計算化學(xué)領(lǐng)域的前沿文獻(xiàn)作為拓展資料分享給學(xué)生閱讀；2) 推薦精編教材，匯編優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源，補充推薦給學(xué)生做參考；3) 繼續(xù)豐富和完善計算項目，引入動力學(xué)計算、NBO分析等計算內(nèi)容；4) 后續(xù)開課時，將推廣開來，面向有機實驗的所有學(xué)生開設(shè)基本的計算內(nèi)容，同時繼續(xù)以分層次教學(xué)的模式為學(xué)生提供多樣化學(xué)習(xí)方案，力求將計算化學(xué)學(xué)習(xí)更加有效地貫穿于學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)中。

致謝：感謝余子迪和丁麗兩位研究生助教對本工作的支持。