計算化學實驗線上線下混合教學模式的探究與實踐

李曉艷，張懷玉，孟令鵬，曾艷麗

河北師范大學化學與材料科學學院，石家莊 050024

化學是在原子、分子及分子以上層次研究物質及其變化過程的基礎科學，是一門理論與實驗并重、富有創造性的中心學科。按照化學類教學質量國家標準，化學類專業培養的學生應系統、扎實地掌握化學基礎知識、基本理論和基本技能。原子/分子/晶體結構、化學鍵、物質的構效關系與性質變化規律是化學理論教學的基本內容，這些理論是結構化學課程的主要教學內容[1]。隨著量子化學理論方法、計算化學軟件以及計算機技術的發展，化學工作者在傳統和經驗性研究模式的基礎上更加注重通過模擬、設計和控制合成，實現對物質功能的優化和調控[1]。計算化學逐漸和實驗化學、理論化學一起，成為化學科學的三個支柱。

計算化學實驗以結構化學為基礎，分子模擬為工具，通過“實驗、計算、理論”協同作用解決各種核心化學問題。本門課程將分子的某些微觀信息以三維圖像的方式表現，在分子和原子水平上利用量子化學計算手段模擬和分析分子的立體構象、獲取分子相關性質的信息，使抽象概念變得直觀、易于理解。通過計算化學實驗這門課程的學習，可以讓本科生掌握一些計算化學的理論知識和計算化學的實驗技能，同時讓學生學會用化學理論來解釋化學事實，在應用理論的過程中加深對理論的認識，增強解決實際問題的能力。因此，國內多所高校均開設了計算化學實驗課程[2-6]。多年來，河北師范大學計算量子化學研究團隊在計算量子化學方法和應用、電子密度拓撲分析等方面開展研究工作，取得了一些頗具影響的成果。研究領域涉及分子間相互作用、原子簇的催化機理、化學反應機制和途徑、固體吸附和儲氫材料、大氣中瞬變物種的結構和性質、新型化學鍵結構等眾多方面。近年來，依托科研團隊的研究特色和優勢，我們將科研成果和教學研究相結合，設計了一些可以借助于計算機完成的、不受實驗條件限制的計算化學實驗。編寫了《物理化學實驗》教材[7]和《化學實驗》[8]教材中的計算化學實驗部分，在《大學化學》雜志上發表與計算化學實驗相關的教學論文6篇[9-13]，更新了計算化學實驗教學輔助軟件HMO程序，使之適合本科生的教學。河北師范大學自2016年開設了計算化學實驗課程，通過本門課程的學習，讓本科生接受系統的計算化學實驗訓練，掌握運用量子化學程序和軟件解決化學問題的能力，并且能夠利用計算化學方法開展初步的科學研究。

2020年初突如其來的新冠疫情不僅給人們的生產生活帶來了巨大的影響，也對高等院校的教學提出了更高的要求。傳統課堂教學模式中的教師與學生為主客對立的關系，在授課中很難培養學生自主學習的能力，不能滿足不同層次學生的個性化需求。而線上模式作為一種全新教學方式，若完全網上在線學習則缺乏教師的主導與監管，影響教學效果。在預防新冠疫情常態化的大背景下，線上線下混合教學或成為一種必然趨勢，這種新的教學模式通過兩種教學形式的有機結合，既能使教師起到引導和監控教學過程的主導作用，也能幫助學生重新找到自己課堂學習的主體地位，提升自身的學習積極性和創造性，目前已成為教學研究和實踐的新型教學形態[13,14]。本文結合河北師范大學計算化學實驗課程的教學改革實踐，提出了幾點行之有效的線上線下混合式教學策略，以期為同類高校的教學改革提供一些參考。

1 課程的系統設計

按照化學類教學質量國家標準要求，本門課的教學目的是讓本科生接受系統的計算化學實驗訓練，掌握Gaussian[15]、GView[16]、Chemwindow[17]等基本量子化學軟件的使用方法，并培養其運用量子化學程序和軟件解決化學問題的能力，能夠利用學到的計算軟件和理論化學方法，開展初步的科學研究，解決一些基礎的無機、有機化學中的科學問題，從而培養學生的科研思想，提高他們的科研興趣。

本校的計算化學實驗主要利用量子化學計算軟件Gaussian、HMO、圖形界面軟件GView、Chemwindow和電子密度拓撲分析程序AIM2000[18]進行。Gaussian是目前量子化學計算程序中簡單易學、應用最廣泛的量化程序；GView程序用來搭建分子初始結構、準備Gaussian程序的輸入文件及分析和顯示Gaussian的計算結果；經本團隊改進后的HMO程序可以更方便、直觀地研究共軛體系的性質、給出π軌道圖形和各項物理參數，幫助學生理解結構化學課程中學過的休克爾分子軌道理論。AIM2000程序是基于電子密度拓撲分析的“分子中的原子”理論，用來分析分子中的成鍵情況、明確化學鍵的性質和強度。

我們的計算化學實驗課程內容按照注重基礎、緊密結合理論教學、緊跟科學前沿的原則，基于本課程組前期系列實驗教學論文[9-13]，設計了6個基礎實驗和2個綜合實驗，授課學時32，詳見表1。

表1 計算化學實驗設計

采用量子化學計算方法來研究化學問題，建立正確的輸入文件、正確的提取輸出文件中的計算結果是關鍵。因此，課程首先安排了“應用Chemwindow 6.0分析分子的對稱性”實驗，利用Chemwindow 6.0的Symapps模塊判斷分子所屬的點群。該實驗能能夠幫助學生強化分子點群的判據，使其能夠借助Chemwindow 6.0和GView程序判斷分子所屬點群，并深入理解分子對稱性對分子性質的影響，從而保證后期實驗分子的對稱性。通過“分子結構模型的構建及優化計算”實驗讓學生利用Gview程序來創建合理的初始結構，并采用Gaussian程序進行構型優化，得到體系的穩定構型。正確的構型是性質研究的基礎和保證，也是計算研究的起點。因此該部分的教學除了教授給學生基本的操作和搭建不同類型分子的技巧外，還給學生充分的實踐訓練機會。在熟練掌握分子對稱性和構型優化技巧的前提下，通過“乙烷分子的旋轉勢壘”“多原子分子的振動光譜和振動模式分析”“有機共軛分子的HMO處理”和“典型異構化反應的理論研究”掌握Gaussian程序中構型優化、能量計算、頻率分析、軌道分析、過渡態搜索等功能；通過“雙原子分子及陽離子、陰離子共價鍵結構比較”[8,9]和“乙硼烷和N2O4分子的結構與化學鍵討論”[10,11]兩個實驗掌握AIM2000程序分析化學鍵性質的方法和判據。

同時，在計算化學教學過程中，重視基本概念和基礎理論的教學。讓學生了解量子化學從頭算、密度泛函理論和微擾理論等理論方法的原理及常用基組，明確自旋多重度、開殼層、閉殼層、單點能計算、電荷密度、鍵鞍點等基本概念。掌握這些基本原理和概念，是正確選取計算方案的基礎，也是計算結果正確的根本保證。

2 教學資源整合與平臺建設

針對以上教學內容，考慮到基本概念是正確設置計算方案的基礎，我們對原來線下授課所用PPT進行了改進。原來線下授課的PPT主要包括實驗目的、實驗原理和簡單的實驗步驟，詳細的操作和注意事項要通過教師上機演示+板書與教授相結合的形式完成。而線上教學學生的注意力都在屏幕上，而且不同的學生其學習能力和接受能力也有差別，因此我們對原來的教學課件進行了改進，增加了相關程序實際操作的截屏、輸入文件的格式具體要求及常見錯誤、輸出文件的重要信息截屏等內容，方便學生在自學或上課過程中使用。

制作了計算化學簡介講座、Gview程序使用說明、Gaussian程序使用說明和AIM2000程序說明，幫助學生理解計算化學研究的基本概念和程序的使用。錄制了各個具體實驗的教學視頻，并且針對各個實驗的實驗目的和要求，為學生準備了相關的科研文獻，作為課前預習資料，提升學生的學習和科研興趣。每個實驗設置了不同程度的思考題，啟發學生在完成實驗報告的同時，深入思考，從更深層次理解結構化學基礎課所學的內容。依托超星學習通平臺，搭建了講座、程序使用說明、教學視頻、課前預習材料和課后思考題等教學模塊，構建了計算化學網絡課程(https://mooc1-1.chaoxing.com/course/218937413.html)。

3 線上線下混合式教學策略設計

教學采用傳統課堂教學與線上教學混合教學模式進行(圖1)。線上教學主要采用超星學習通平臺和釘釘直播相結合的方式進行。超星學習通具有強大的輔助教學功能，方便進行教學互動。釘釘直播可以師生互動、監管效果，并且其回放功能便于學生重復觀看，加深印象。

圖1 線上線下相結合的教學模式

課前教師發布導向式的預習方案，把本次實驗所需要的背景材料、基本操作和探究式問題發給學生，讓學生帶著問題去預習。課堂教學教師主要講解本次實驗的關鍵性概念、重點、難點和常見問題，不再講解具體的實驗步驟。同時采用提問和引導的方式，開展教學互動，充分發揮教師的引導作用，同時也可以引導學生深入思考，提高教學效果。

雖然各個實驗都有詳細的內容講解，但在課堂上學生實際操作程序時會出現各種各樣的問題，比如輸入文件的格式、分子構型搭建偏離真實體系較多造成結構錯誤或程序不收斂，關鍵詞書寫錯誤等造成計算失敗等問題。授課教師會引導學生查看輸出文件的出錯信息，按照錯誤提示，結合程序手冊，通過網絡查閱解決問題的方法，同時結合自己的研究體系進行修正，從而培養學生解決常見計算化學實驗問題，逐漸提升其科研能力。在課堂上，學生自由組成小組，一般4-5人。遇到問題，先在小組內討論，解決不了的，再與教師討論，從而提高學習效率。主講教師和輔導教師通過現場手把手指導的方式，解決學生在實驗操作、實驗結果記錄中的問題。同時在小組討論的過程中予以指導，明確學生在討論過程中存在的問題，使學生快速提升計算能力，積累計算經驗，引導學生擴展學習思維，培養創新能力。

實驗結束后，除了書寫正常的實驗報告外，通過設置課后思考題的方式引導學生對本次實驗進行反思和經驗積累。所有的學習任務均在超星學習通上提交，方便監管、督促學生的學習過程，也為后期的過程化考核準備資料。

另外，為了滿足不同程度學生的學習需求，對“多原子分子的振動光譜和振動模式分析”“有機共軛分子的HMO處理”和“典型異構化反應的理論研究”三個實驗我們提供了不同的研究體系供學生選擇，也允許學生根據自己的興趣自主選擇研究體系和內容完成實驗，從而提高學生的科研興趣和科研能力，取得了良好的教學效果。

本門課的課程采用過程化考核方式，考核內容包括線上學習記錄、上機操作水平、實驗報告及期末考試四個環節。上機操作水平根據學生上課的實際表現由任課教師認定。實驗報告不僅關注計算結果的正確與否，還關注數據表達是否清晰，包括數據表的設計是否合理，圖形是否美觀等；學生在描述數據時使用的語言是否規范、科學；分析和討論問題時是否條理清晰、科學合理；實驗報告內容是否完整等。期末考試一般安排綜合性實驗，給學生提供一個計算化學問題，由學生自己考慮從哪些方面進行并完成上機操作和研究報告。超星學習通為過程化考核提供了有力的平臺，在日常授課過程中教師可以通過學習通平臺設置任務點：包括課堂簽到、視頻學習、開展主題討論和分組任務等，學習通平臺會統計學生的任務點完成情況。同時，學生平時的實驗報告和期末考試試卷也可以通過平臺學習通提交，任課教師通過學習通平臺評閱實習報告和期末試卷。學習通的成績統計模塊可以自主設置不同活動所占的權重，實現考核成績的直接導出，方便教師使用。

4 線上線下混合式教學實例——以“乙硼烷和N2O4分子的結構與化學鍵討論”為例

“乙硼烷和N2O4分子的結構與化學鍵討論”是一個基于本課題組教學論文[10,11]設計的綜合性的計算化學實驗。此實驗涉及到的計算過程包括：構型優化、單點計算、軌道分析和電子密度拓撲分析等過程。在實驗開始之前，我們會向學生發布該實驗的預習要求：復習Gaussian程序執行構型優化、單點計算、軌道分析和生成電子密度拓撲文件的方法，查閱乙硼烷和四氧化二氮分子的構型，參照無機化學教材學習和分析這兩種分子的化學鍵類型。給出問題：如何證明B2H6中存在雙電子橋式三中心鍵？為什么平面N2O4分子中有離域π鍵的存在，N-N鍵長反而比普通的N-N單鍵要長？同時引導學生，鍵級和鍵鞍點處的拓撲指標是衡量化學鍵強弱和性質的物理量。鍵鞍點處的電荷密度越小，鍵級越小，化學鍵越弱。所以要明確B2H6中橋鍵結構的存在需要得到該分子的分子圖，討論N2O4中的N-N鍵長可以通過計算Wiberg鍵級、分子軌道以及N-N鍵鍵鞍點處的電荷密度、拉普拉斯量、動能密度和勢能密度等參量來解釋。鍵級需要對分子進行自然鍵軌道分析，拓撲性質需要對研究分子進行電子密度拓撲分析。

在課堂實驗中，我們會注意觀察學生如何搭建分子結構、生成Gaussian的輸入文件，指導有困難的學生搭建B2H6的橋式結構；觀察學生在搭建模型過程中是否注意了分子的對稱性，解決學生在計算過程中遇到的具體問題。讓學生分組討論B2H6中B原子采取哪種型式的雜化？B2H6中存在幾類B-H鍵、性質如何？并分析B-H-B橋鍵的形成過程。分析N2O4中的π軌道個數和構成，分析N-N鍵的性質。引導學生采用AIM2000程序繪出圖2中B2H6的分子圖和N2O4分子中兩個N原子間的電荷密度分布，從而理解上述提出的問題。

圖2 B2H6和N2O4分子的結構與化學鍵

通過本次實驗，學生不僅復習和掌握了實驗技能，還通過自己的實驗，驗證、鞏固和加深了對結構化學基本理論和概念的理解，學會正確處理實驗數據和分析實驗結果，增強了學生解決實際問題的能力。同時，此實驗使得課堂氣氛活躍、學生的學習興趣得到提升、有利于學生養成嚴謹的科學態度和良好的科學思維習慣，為培養合格的人才打下扎實的基礎，取得良好的教學效果。

5 教學效果

自2016年課程開設以來，每年均有80人以上，總數超過500名本科生學習了計算化學實驗課程。從教學效果來看，學生普遍掌握了Gaussian和GView等程序的使用，能夠自行開展一些初步的計算化學研究工作。我們也鼓勵學生在課程學習結束后，繼續與教師進行計算類的科研交流，歡迎他們加入教師的科研團隊開展大學生科技創新活動和專業實習。近五年來，在本教學團隊共40名同學參與完成省/校級大學生科技創新活動10項、19名非師范生完成專業實習、超過150名同學完成本科畢業論文。據統計，理論化學方向本科畢業論文和專業實習獲得優秀的同學有90%以上均是學習過本門課程的。部分表現優秀學生的研究工作在SCI收錄期刊或國內核心期刊發表。每年有5-10位同學考取量子化學方向的碩士研究生，在國內重點高?；虮拘＿M行深造。這些數據說明學生們通過本門課程的學習，掌握了計算化學實驗技能和計算化學的基本理論，提高學生的科研能力和創新能力，增強了學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感；也說明我校的計算化學實驗課程取得良好的教學效果，達到了預期的教學目標。

6 結語

計算化學實驗課程是本課程組依托于自己的科研工作特色和教學實踐，開設的實驗類課程。在預防新冠疫情常態化的大背景下，線上線下混合的實驗教學模式是一種行之有效的方法。本文對傳統課堂實驗教學與超星學習通、釘釘直播相結合的混合式教學模式進行了介紹。我們的教學實踐表明，此模式取得了較好的授課效果，不僅實現了從“教師講授為主”向“學生自主學習為主”的模式轉變，而且培養了學生的學習興趣和創新思維能力，從而提高了學生運用結構化學的原理和方法來分析問題解決問題的能力，增強學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感，也為高校教學改革提供了一些參考。在后期的教學中，我們還會依托自己的科研工作，努力提升和改善計算化學實驗課程的內容和教學模式，實現科研和教學相長，科研反哺教學。同時利用好在線課程，不斷探索提高教學質量的途徑和方法。