GaussianView 軟件在化學師范生實驗教學中的應用*

臧杰超 許銘 慈成剛

1 黔南民族師范學院化學化工學院 貴州都勻 558000 2 吉林四中 吉林吉林 132000

0 引言

實驗教學作為化學基礎教育的重要環節，在培養學生實踐操作和觀察、數據收集和處理、問題分析和解決等方面扮演了重要角色?！读x務教育化學課程標準（2022 年版）》的第一主題就是“科學探究與化學實驗”，《普通高中化學課程標準（2017年版2020 年修訂）》（簡稱《新課標》）中必修課程的第一主題也是“化學科學與實驗探究”?；瘜W師范專業學生作為中小學教師的主要來源，肩負著為國家培養人才的重要任務。如何有效發揮實驗教學優勢，成為師范生教學效果提升的關鍵問題之一。在這個研究方向，許多學者前期都進行了大量探索，提出了很多寶貴建議[1-4]。然而，在分子層面上理解和掌握化學實驗，特別是從微觀角度直接理解結構與性質的關系，一直缺少相關研究。大型科研儀器在中學化學教學的直接應用存在較大難度，先進的虛擬化模擬軟件則成為化學實驗教學的重要輔助手段之一。GaussianView 作為計算化學領域應用范圍最廣、維護時間最長的軟件之一，能夠準確、快速地模擬和預測物質的多種化學和物理性質，并能從分子層面給出定量解釋，成為化學工作者的重要工具。然而，GaussianView 軟件在中學化學實驗中的應用卻缺少深入研究。本文通過在化學實驗教學中引入GaussianView 軟件，對化學物質的微觀結構和相關性質進行可視化展示，并以乙醇的主要性質實驗為例，對師范生實驗課堂教學效果的提升進行探究。

1 GaussianView 軟件在化學實驗教學中應用的意義

1.1 GaussianView 軟件的標準化優勢

GaussianView 軟件作為可視化程序，和Gaussian 軟件（計算子程序）共同組成了Gaussian軟件程序包。自1970 年起，Gaussian 系列軟件已在化學、物理、材料和生物等領域取得了舉世矚目的成就。1998 年，軟件作者John A. Pople 獲得了諾貝爾化學獎。Gaussian系列軟件具有使用便捷、模擬速度快、圖像美觀，能夠計算單分子的幾乎所有物理、化學性質，特別是其標準化操作和標準化結果，能夠讓所有使用者的模擬結果不受時間、地點和計算機硬件的限制（計算機只影響計算時間）。這些優勢使其在中學化學實驗教學領域，可以快速、簡潔、動態地呈現化學結構、分子軌道、靜電勢、光譜等常用重要數據。特別是簡單分子的計算對計算機硬件和使用技巧的依賴程度很低，便于師范生使用和在課堂進行推廣。

1.2 改進教學模式

在競爭激烈的應試教育環境下，化學師范生為節約教學時間，提高課堂效率，通常會將《新課標》中條件復雜、時間較長的化學實驗，采用單向輸入培養方式為主的傳統教學模式，如教師課堂演示或學生觀看視頻等形式完成教學任務。盡管能夠節約教學時間，但教師一廂情愿課堂演示或讓學生觀看視頻，很容易消耗學生的學習興趣?！缎抡n標》明確指出，要注重發揮現代信息技術的作用，積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合，合理運用計算機模擬實驗，但不能完全替代真實的化學實驗。引入GaussianView 軟件作為化學實驗的重要輔助手段，通過大量微觀化學結構和電子分布的可視化呈現，有助于在保障課堂教學效率的前提下，形成豐富多彩的視覺沖擊，提高學生的學習興趣。

1.3 滲透學科核心素養

上文提到，通過GaussianView 軟件，可以直觀、形象地呈現化學分子的結構和軌道。這將促使學生從微觀角度理解實驗現象，培養學生從分子層面學習化學知識的方式。這也符合《新課標》提出的發展學生化學學科核心素養，即“宏觀辨識與微觀探析”。此外，GaussianView 作為一款化學科研軟件，其重要的角色和功能之一就是通過建立模型，為化學理論知識與化學實驗現象之間建立一座橋梁。通過GaussianView 軟件搭建分子模型，使學生直接參與化學分子剪裁和設計，在化學實驗過程中滲透模型化概念，培養學生的設計實驗和創新實驗能力，這也符合“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養。

1.4 促進教育公平

在西南少數民族地區，化學實驗室建設與發達地區仍有較大差距，容易出現大量基礎實驗無法開展，僅能通過觀看視頻方式的現象。GaussianView軟件作為虛擬化教學技術，其載體僅為家用電腦。所有使用者均處于相同平臺，產生的也是標準化的計算結果。這為GaussianView 軟件在化學實驗教學中的普及提供了先天的優勢，也為欠發達地區化學師范生畢業后的中學化學實驗教學提供了先進技術手段，有利于促進教育教學的公平。此外，前面提到可視化軟件的使用，能夠激發學生的學習興趣，提升教學效果，這也非常有利于欠發達地區教育教學質量的提升。

2 GaussianView 軟件在化學實驗教學中的應用

2.1 GaussianView 的使用方法

以“乙醇的主要性質”實驗為例，從軟件安裝、分子建模、計算方法和結果分析等步驟簡要介紹乙醇結構、分子電荷和靜電勢等電子結構信息的制作方法。

第一步，軟件安裝。使用個人電腦安裝Gaussian 和GaussianView 軟件。安裝方法和電腦運行的最低配置可以很容易在網絡上找到，此處不再贅述。

第二步，分子建模。打開GaussianView 軟件，點擊File 菜單中New Molecule Group 項，會出現一個分子建模的空白界面。然后，點擊Gaussian-View 界面中的Element Fragment 按鈕，在元素周期表中找到C 元素的sp3雜化結構。點擊建?？瞻捉缑?，會出現一個甲烷分子結構，點擊甲烷中的一個氫原子，則會組合成一個乙烷分子結構。再點擊Element Fragment 按鈕，選擇氧元素的sp3雜化類型，點擊建模界面中乙烷分子的任意一個氫原子，將組合成一個乙醇分子。點擊主界面的保存按鈕，以C2H5OH.gjf 的默認格式保存（該文件可以在課堂上直接使用）。建模完成。

第三步，計算方法。點擊Calculate 菜單的第一個選項Gaussian Calculation Step。“乙醇的主要性質”實驗是基態的電子結構計算，無須過度使用高精度算法，本文采用B3LYP 泛函、6-31G(g,p)基組。采用PCM 模型下的乙醇溶劑，并計算振動頻率用以確定獲得結構的可靠性。計算很快會完成，用時大約10 分鐘。此時，會得到C2H5OH.chk 和C2H5OH.log 兩個結果文件。

第四步，結果分析。用GaussianView 軟件將C2H5OH.chk 轉換為C2H5OH.fchk。注意，此文件可在后期課堂教學中反復使用，無須重新計算。點擊Results 菜單的surface/contours 選項，在Cube Actions 選項中點擊New Cube，選擇Total Density，生成總密度，然后在Surface Actions中點擊New Mapped Surface，并選擇ESP，回車，得到乙醇分子的靜電勢三維分布圖。注意，計算完成后，要保存為C2H5OH.cube 文件。再者，直接點擊Results 菜單的Charge Distribution 選項中的show number，得到乙醇分子表面電荷數據。以上計算結果都可以通過GaussianView 軟件截圖功能（主界面相機按鈕）實現，也可以在課堂上現場制作。

2.2 在乙醇性質實驗中的應用

2.2.1 教材分析和考點分析

“乙醇的主要性質”實驗位 于人教版普通高中教科書化學必修第二冊第七章第三節“乙醇與乙酸”，為化學必修中第九個必做實驗。乙醇是日常生活中常見的，具有直接感官經驗的有機物。教學內容可以融入生活常見物品，如酒、醫用酒精等進行教學設計。這對引起學生關注、激發學習興趣具有一定的意義。在學習乙醇前，學生已學習過烷烴、烯烴的結構與性質關系。這為“乙醇的主要性質”實驗做了較好的前期鋪墊。通過學習，要求學生認識官能團，進一步深化“結構決定性質”的理解。這也為選擇性必修三第三章第二節“醇酚”的學習奠定了基礎。綜上，本節實驗內容在中學化學中扮演著承上啟下的重要角色。

近年，在高考理科綜合試卷中，乙醇的主要性質作為重要考點，曾多次出現在各省考題中。例如，2022 年普通高等學校招生全國統一考試（全國甲卷）理科綜合第13 題；2022 年普通高等學校招生全國統一考試（全國乙卷）理科綜合第8 題；2021年普通高等學校招生全國統一考試（全國甲卷）理科綜合第10 題；2021 年普通高等學校招生全國統一考試（全國乙卷）理科綜合第9 題。

可見，乙醇的性質實驗無論是在教學內容，還是在高考試題中，都扮演了重要角色。

2.2.2 學情分析

上面提到，學生學習該內容前，已經初步掌握了有機化合物的基礎知識和基本學習方法。本節課主要學習重點應為如何深刻理解乙醇結構和性質關系的起源。通過GaussianView 軟件，對乙醇的分子結構和電荷分布做可視化呈現，有助于加深學生對化學實驗現象的理解，增強學習興趣，提升教學效果。此外，本節課的授課對象為高一學生，心智接近成熟，能較好地理解結構和性能的關系。但要注意該階段學生的學習壓力已開始顯現。在經歷必修中前八個必做化學實驗的學習后，使用GaussianView軟件能夠呈現新穎的化學微觀世界，緩解學習壓力，促進文字類知識點在腦海中的可視化，有助于提升學生的學習興趣。

2.2.3 課堂應用

前面提到，本實驗進行前，學生已經初步具備一定的有機化學知識，但仍是第一次直接做有機化合物的性質實驗。乙醇作為有機化合物的代表，如何建立乙醇結構和性質之間的聯系成為本節課的教學重點，特別是幫助學生從分子層面建立微觀結構與宏觀現象之間的形象化鏈接。再者，乙醇的反應，包括與鈉的析氫反應和與氧氣的催化氧化反應，是學生第一次接觸有機物反應的實驗。如何通過乙醇結構解釋反應機理成為本節課的教學難點。

關于“乙醇的主要性質”的實驗教學設計已被廣泛研究，本文不再贅述，僅介紹在課堂教學活動中GaussianView 軟件的應用。在完成新課引入環節后，進入內容講解。此時，使用GaussianView軟件提前制作的結果文件，或者使用上面提到的制作方法，直接現場制作。首先，打開結果文件C2H5OH.fchk，向學生展示乙醇電荷分布。打開C2H5OH.cube，直接生成靜電勢或者展示預算制作好的結果（圖1，實際為動態可調整的三維圖形）。接下來，進行探究實驗。根據實驗現象，結合乙醇電荷分布，向學生解釋乙醇燃燒與其產物CO2和H2O 之間的關系；向學生解釋無水乙醇中羥基氧原子具有負電荷，與金屬鈉反應生產乙醇鈉和氫氣；向學生解釋乙醇的醇羥基具有額外電子，能夠在催化氧化反應中作為還原劑，給出電子，促進CuO 還原，同時醇羥基的H 原子和中心C 的H 原子離去，與CuO 的氧原子結合生成H2O。最后，通過思考、交流、總結、練習和作業布置等環節完成本節課的教學。

圖1 使用GaussianView 制作的乙醇結構和靜電勢圖

3 GaussianView 軟件使用的注意事項

3.1 明確GaussianView 軟件的課堂角色

GaussianView 和Gaussian 軟件是利用先進的現代教育技術輔助教學目標達成和教學重點、難點突破的重要教學工具。然而，中學生的心智正處于發展階段，對于豐富多彩的圖像還不具備較強的自控力，大量使用GaussianView 軟件可能會過度吸引學生的注意力，影響其他教學內容。因此，在課堂中合理使用GaussianView 軟件，有助于將復雜、抽象的微觀化學知識，以豐富多彩的形式，可視化地呈現給學生，為主要教學目標的達成提供最優輔助。這樣既提高了教學效率，也提高了學習效率，更激發了學習興趣。

3.2 掌握學生學情，把握使用時機

高中階段的化學基礎知識涉及范圍較為廣泛，但不深入。學生化學微觀世界基本概念的理解還浮于文字表面。例如，上面提到的靜電勢分布，師范生需要對這些基本概念進行深入淺出的解讀，并緊密聯系教學內容。此外，其他復雜概念，如分子軌道、電子云等，能夠更好地解釋乙醇的催化氧化性能，但該階段學生從未學習，也很難具備進行知識遷移的能力。因此，使用GaussianView 軟件時，要避免將本節課的教學目標過度遷移，造成學生學習難度和學習壓力的提升，影響學習興趣。

3.3 引入前沿成果，培養科學研究興趣

Gaussian 和GaussianView 軟件在化學、物理、材料和生物等領域的大量前沿科技成果層出不窮。截至目前，使用Gaussian 程序在Nature、Science 和Journal of the American Chemical Society 等高水平SCI 期刊上發表論文超過三萬余篇（數據來自ISIWeb of Knowledge）。其中，多數研究成果能與中學化學實驗教學內容直接關聯。在實驗課堂教學中，借助GaussianView 軟件，適當引入與本節課緊密相關的前沿科技成果，有助于培養學生發現科學問題的能力，激發其科學思維。例如，筆者在Nature Communication 雜志上發表過以醇類做溶劑，進行催化合成的研究[5]，能夠呼應本節課涉及的乙醇性質。文中，GaussianView軟件成為反應歷程研究的主要工具。這有助于促進內容枯燥、過程單一的化學實驗與科學探究直接連接，也能幫助學生了解基礎知識在前沿科技成果中的角色，滲透“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養，培養學生的科學研究興趣。

3.4 提升使用能力，開拓多種軟件

GaissianView軟件作為化學專業的常用軟件，具有很多獨特優勢，但并非唯一的可視化工具。師范生在使用該軟件時，一方面，要提升使用能力?？梢暬浖氖褂眯枰邆湟欢ǖ幕瘜W理論基礎知識。這需要師范生持續學習，將復雜的知識通過軟件可視化地呈現給學生。另一方面，可視化軟件數量眾多，需要師范生根據自身知識儲備和使用習慣，選取合適的軟件。例如，目前常見、具備計算能力的可視化軟件主要有AMS、MedeA、Molpro、COMSOL 和Gaussian 等等。這些軟件風格各異，對使用者的要求也不盡相同，需要師范生根據教學任務，合理選擇可視化軟件。

4 結束語

本文通過在高中化學實驗課程“乙醇的主要性質”中應用GaussianView 軟件，將復雜化學微觀結構可視化地呈現給學生，為師范生實驗教學效果提升提供幫助。研究結果顯示，基于教材分析、教學內容分析和學情分析，通過制作乙醇分子結構和靜電勢等多種可視化動態模型，一方面有助于幫助師范生突破教學難點，達成教學目標。另一方面有助于提升學生的學習興趣，強化學生關于結構決定性質的化學微觀概念。同時，本文提出了一些使用建議，包括明確軟件課堂角色，掌握軟件使用時間，把握學科核心素養滲透，提升使用能力和合理選擇軟件，以達到GaussianVew 軟件應用的最優輔助效果，為師范生實驗教學效果提升提供幫助。