計(jì)算模擬在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與探索

李 輝 雷博文 劉 旭 吳 陽(yáng)*

（遼寧大學(xué)化學(xué)院 遼寧·沈陽(yáng) 110036）

0 引言

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的理論與實(shí)踐結(jié)合的學(xué)科。19世紀(jì)20年代科學(xué)家以量子力學(xué)理論為基礎(chǔ)用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)研究原子與分子的化學(xué)性質(zhì)，由于計(jì)算條件限制，最初的計(jì)算模擬只能應(yīng)用在簡(jiǎn)單的理論模型中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，大規(guī)模的計(jì)算模擬被應(yīng)用到化學(xué)領(lǐng)域。1998年和2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)分別頒給了沃爾特·庫(kù)恩、約翰波·普爾2位量子化學(xué)科學(xué)家和馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特、亞利耶·瓦謝爾3位從事分子模擬的科學(xué)家，表明化學(xué)已經(jīng)不再是單純的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，計(jì)算化學(xué)模擬已逐漸和實(shí)驗(yàn)化學(xué)、理論化學(xué)一起成為化學(xué)科學(xué)研究的三個(gè)支柱，使化學(xué)研究逐漸從宏觀轉(zhuǎn)向微觀。

結(jié)構(gòu)化學(xué)是基礎(chǔ)化學(xué)向高等化學(xué)進(jìn)步的階梯，主要在原子、分子水平上研究物質(zhì)性質(zhì)與幾何、電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，使學(xué)生突破表象在更深層次上理解化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，認(rèn)識(shí)化學(xué)問(wèn)題的本質(zhì)。對(duì)于化學(xué)專業(yè)學(xué)生，繼續(xù)深造從事化學(xué)領(lǐng)域的研究工作成為主要選擇，因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)在化學(xué)學(xué)科的課程中具有重要地位。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)課程需要較多的數(shù)學(xué)和物理的知識(shí)，電子、原子結(jié)構(gòu)部分理論性強(qiáng)并且內(nèi)容抽象，與物體宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律相比，對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解上存在障礙。此外，分子對(duì)稱性和晶體的立體結(jié)構(gòu)要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維能力，這在一定程度上又增加了學(xué)習(xí)難度。結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的基礎(chǔ)性、重要性以及“教師難講，學(xué)生難學(xué)”特點(diǎn)，使其教學(xué)改革值得深入探討。值得注意的是，國(guó)外大學(xué)很早就已經(jīng)重視計(jì)算化學(xué)及模擬在化學(xué)課程中的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，并將其引入到普通化學(xué)的教學(xué)中。隨著我國(guó)教學(xué)體制的逐步改革，許多高等院校已將計(jì)算化學(xué)模擬課程納入化學(xué)課程中。如武漢大學(xué)將分子模擬作為化學(xué)專業(yè)的必修實(shí)驗(yàn)課。

學(xué)生們都喜歡形象化具體的事物，通過(guò)軟件計(jì)算模擬，將抽象的概念可視化使其表達(dá)得更具體，這即增加了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和吸收，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，引入一些簡(jiǎn)單的計(jì)算模擬輔助結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)，有助于提高教學(xué)質(zhì)量和效果，對(duì)學(xué)生理解概念、機(jī)理及解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等有很大幫助，而且還可以培養(yǎng)他們的創(chuàng)新與科研能力。作者提出，圍繞結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式來(lái)講授結(jié)構(gòu)化學(xué)，將一些專業(yè)化學(xué)軟件如 Materials Studio、VESTA、Gaussian、Gauss View 引入結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中，在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，輔助計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)，真正使其體會(huì)到學(xué)以致用，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教師授課效果。下面將介紹計(jì)算模擬的相關(guān)內(nèi)容。

1 計(jì)算模擬輔助結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容

1.1 模擬原子、分子軌道，使微觀概念變得形象具體

原子、分子結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是重點(diǎn)內(nèi)容，原子、分子軌道概念均由復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)表達(dá)出來(lái)，如何讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)了解微觀世界十分困難。通過(guò)Gauss View軟件將這些抽象概念具體化、可視化，配合其理論內(nèi)容激發(fā)學(xué)生的興趣，引起他們學(xué)習(xí)的好奇心。如圖1模擬O原子的電子排布、O2分子的軌道及電子分布，鍵、鍵、成鍵軌道、反鍵軌道、自旋多重度、鍵級(jí)等信息形象化的表現(xiàn)出來(lái)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

圖1：O原子和O2分子軌道及電子排布

1.2 構(gòu)建分子的立體結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)學(xué)生的空間思維想象力

在分子對(duì)稱性教學(xué)中，學(xué)生對(duì)尋找非平面分子的對(duì)稱元素感到很困難，判斷分子的對(duì)稱性需要較強(qiáng)空間思維能力和想象能力，此外分子的空間立體結(jié)構(gòu)對(duì)其性質(zhì)和反應(yīng)起著重要作用。通過(guò)Gauss view軟件構(gòu)建復(fù)雜高對(duì)稱分子，增加學(xué)生對(duì)對(duì)稱性操作和點(diǎn)群等概念的理解和實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)改變?cè)游恢玫刃畔⒖磳?duì)稱性的變化。

1.3 構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)及低指數(shù)晶面，認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的組成方式

自然界中的固體物質(zhì)大多數(shù)都是晶體，不同物質(zhì)都表現(xiàn)出各自獨(dú)特性質(zhì)，如顏色、光澤、硬度、導(dǎo)電性等，晶體物質(zhì)性質(zhì)的外在表現(xiàn)主要源于內(nèi)部分子的排列組成方式。晶體內(nèi)部原子排列具有空間周期性和對(duì)稱性，在教學(xué)中利用Materials Studio和VESTA軟件親自動(dòng)手構(gòu)建三維晶體結(jié)構(gòu)，有助于提高學(xué)生的空間思維能力，加深對(duì)晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)概念的理解。如圖2通過(guò)Ni晶體的信息，構(gòu)建Ni的體相晶體結(jié)構(gòu)，然后切面構(gòu)建Ni(111)和Ni(110)晶面。

圖2：Ni晶體體相結(jié)構(gòu)及Ni(111)和Ni(110)晶面結(jié)構(gòu)

1.4 增加探索實(shí)驗(yàn)?zāi)M，增強(qiáng)理論與實(shí)踐結(jié)合的能力

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)，課后增加研究模擬探索實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變?cè)拥奈恢谩㈡I長(zhǎng)、鍵角等信息，認(rèn)識(shí)微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)的依賴關(guān)系。如計(jì)算H2O、HCl、CO2和CO等分子的紅外光譜和拉曼光譜，可以鞏固分子光譜知識(shí)點(diǎn)，明確紅外和拉曼光譜產(chǎn)生原理，更好地理解分子光譜對(duì)測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的重要性，從實(shí)踐反饋理論知識(shí)學(xué)習(xí)程度。

2 結(jié)語(yǔ)

隨著理論化學(xué)方法、計(jì)算化學(xué)軟件、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算化學(xué)模擬已成為化學(xué)學(xué)科的一個(gè)新分支，在化學(xué)研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。基于結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的重要性、特點(diǎn)及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，本文提出將計(jì)算模擬實(shí)踐引入結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)，讓學(xué)生親身實(shí)踐，利用計(jì)算機(jī)研究和解釋一些化學(xué)性質(zhì)和現(xiàn)象。計(jì)算模擬實(shí)踐課的引入對(duì)提高結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)質(zhì)量具有重要意義，同時(shí)也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，開(kāi)拓學(xué)生的視野，增強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究能力。