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    量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的研究

    2014-07-02 13:26:54吳楠楠歐陽順利
    科技視界 2014年10期
    關(guān)鍵詞:應(yīng)用軟件交叉

    吳楠楠 歐陽順利

    【摘 要】本文闡述了在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂中運(yùn)用量子化學(xué)的教學(xué)嘗試。教學(xué)中利用量子化學(xué)計(jì)算方法以及運(yùn)用Gaussian等相關(guān)應(yīng)用軟件,循序漸進(jìn)得對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、功能的關(guān)系進(jìn)行分析,從而生動(dòng)直觀地展示結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)。此外,在教學(xué)內(nèi)容上增加一些教材中沒有的學(xué)科前沿研究動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)聯(lián)想到認(rèn)識(shí)并試圖解決前沿問題的思維能力。

    【關(guān)鍵詞】量子化學(xué);結(jié)構(gòu)化學(xué);應(yīng)用軟件;交叉

    0 引言

    結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)目前存在兩個(gè)方面的難題[1]。首先,結(jié)構(gòu)化學(xué)中的內(nèi)容比較抽象,具有極強(qiáng)理論性、實(shí)驗(yàn)性和應(yīng)用性,要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維能力,學(xué)生因此難于理解和掌握,極大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果。其次,結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及面廣,隨著當(dāng)代結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科本身的迅猛發(fā)展和與相關(guān)學(xué)科的交叉,使得結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)量快速增加,而相應(yīng)的教學(xué)課時(shí)量不但沒有增加甚至有所減量,這就勢(shì)必形成了任務(wù)多,時(shí)間不足的困難。為了解決上述兩方面的問題,提高該課程教學(xué)效果,國(guó)內(nèi)有一些學(xué)者開展不同程度的探索與研究。例如:整合結(jié)構(gòu)化學(xué)中相關(guān)知識(shí)點(diǎn),利用多媒體的方法教學(xué)的等教學(xué)改革。這些學(xué)者的探索都或多或少地影響了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué),也取得了不少教學(xué)效果。不過,這些教學(xué)改革和方法沒能根本性地解決這兩方面的問題。因此,針對(duì)如何更好地解決這兩方面問題,我們提出量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的思路。

    1 量子化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的關(guān)系

    結(jié)構(gòu)化學(xué)作為高等學(xué)?;瘜W(xué)各分支學(xué)科及其它與化學(xué)交叉的各學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程,是利用量子力學(xué)理論及現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科[2]。它是理論化學(xué)的核心,從微觀的角度來研究不同層面的微觀結(jié)構(gòu)以及其結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)等性能之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

    量子化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)重要的分支學(xué)科。當(dāng)代量子化學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展利用量子力學(xué)的相關(guān)理論來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科。量子化學(xué)發(fā)展至今, 可以根據(jù)解Schr?魻dinger方程而引入近似程度的不同分為以下幾種方法:從頭計(jì)算方法(ab initio calculation) 、簡(jiǎn)單分子軌道法如HMO(休克爾分子軌道法)、EHMO(擴(kuò)展HMO)法等、半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法、密度泛函理論、量子力學(xué)-分子力學(xué)的QM/MM組合方法等。它們?cè)趶臒o機(jī)小分子到生物大分子,從靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)態(tài)分子動(dòng)力學(xué)反應(yīng),從分子內(nèi)的強(qiáng)弱相互作用到分子間強(qiáng)弱相互作用等各方面都有應(yīng)用。量子化學(xué)已經(jīng)涉及到化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等眾多學(xué)科。

    隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和理論上的重大突破, 量子化學(xué)軟件也越來越發(fā)達(dá),得到了廣泛的應(yīng)用。如Gaussian作為一款功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包,是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算使用最廣泛的量子化學(xué)軟件,可以研究:分子能量和結(jié)構(gòu),過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量,分子軌道,反應(yīng)路徑,偶極矩和多極矩,振動(dòng)頻率,紅外和拉曼光譜,原子電荷和電勢(shì),核磁共振,極化率和超極化率,熱力學(xué)性質(zhì),用于研究諸多領(lǐng)域的課題。

    從上述所述,我們了解了結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子化學(xué)以及量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件。因此,結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程可以很好地利用量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件進(jìn)行分析和詮釋。

    2 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的策略

    本文主要研究的是將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的問題,研究的過程將本著遵循理論與實(shí)踐相結(jié)合,從典型研究問題出發(fā),探索并形成研究成果,指導(dǎo)結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)。本文采用如下幾方面實(shí)現(xiàn)量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué):第一方面是文獻(xiàn)研究,通過分析文獻(xiàn)資料,收集國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)化學(xué)及相關(guān)的成果資料,總結(jié)出可行的技術(shù)路線;第二方面是實(shí)驗(yàn)教學(xué),讓學(xué)生親自進(jìn)行一些簡(jiǎn)單地分子設(shè)計(jì)等量子化學(xué)計(jì)算方面的嘗試;第三方面是調(diào)查研究,調(diào)研的主要目的是想了解學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革教學(xué)研究與設(shè)計(jì)的滿意程度;第四方面是多媒體的教學(xué)方法與自主學(xué)習(xí)方法相結(jié)合,使較為抽象的知識(shí)具體化,提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的掌握。第五方面是主題式教學(xué)和參與式學(xué)習(xí)討論結(jié)合,使學(xué)生分析與解決問題的能力能得到相應(yīng)的提高。

    從量子化學(xué)科研結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)入手的具體教改思路是通過用Gaussian等量子化學(xué)軟件計(jì)算,使用GaussianView等可視化的量子化學(xué)軟件,將抽象的概念變?yōu)橹庇^的圖形,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生科研意識(shí)的有效方法。

    3 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的實(shí)例

    針對(duì)學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)難以較好理解和掌握這一情況, 我們嘗試在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中采用量子化學(xué)計(jì)算方法與軟件來配合教學(xué)。例如:研究水分子(H2O)與二甲基亞砜(DMSO)分子間氫鍵作用[3],首先用GaussView搭建H2O分子與DMSO分子模型,然后用Gaussian軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算,接下來用GaussView打開結(jié)果文件,得到優(yōu)化后H2O分子與DMSO分子結(jié)構(gòu)。這是可以做一些可視化的教學(xué):點(diǎn)擊展示振動(dòng)(Display Vibratons)文本框中的開始(start)按鈕,就可以顯示所選振動(dòng)模式的振動(dòng)動(dòng)畫,點(diǎn)擊停止(stop)按鈕,可以停止分子的振動(dòng),也可以點(diǎn)擊光譜圖(spectrum)按鈕,生成H2O分子和DMSO分子的拉曼以及紅外光譜圖。最后,我們將優(yōu)化后的H2O分子和DMSO分子放在一起進(jìn)一步優(yōu)化,得到H2O分子和DMSO分子間氫鍵的結(jié)構(gòu)圖。在結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂上,我們這樣用量子化學(xué)軟件呈現(xiàn)動(dòng)畫圖像可使難于理解與掌握的知識(shí)變得生動(dòng)有趣,大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)效果。此外,像水分子(H2O)與二甲基亞砜(DMSO)分子間氫鍵作用也是學(xué)科前沿研究熱點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)應(yīng)用并解決前沿的能力。

    總之,我們結(jié)合先輩在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革探索過程中的經(jīng)驗(yàn),對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)進(jìn)行深入改革。采用當(dāng)代先進(jìn)的量子化學(xué)計(jì)算方法及軟件來配合教學(xué),并在教學(xué)內(nèi)容中加入前言科學(xué)問題,加強(qiáng)教學(xué)與科研相結(jié)合,在傳授基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí),注重培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)和化學(xué)思想與方法,著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是解決這門學(xué)科知識(shí)點(diǎn)多雜與難理解的一條有效途徑。

    【參考文獻(xiàn)】

    [1]王麗.可視化量子計(jì)算軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)踐[J].新課程,2012,67.

    [2]曾榮英,唐文清,馮永蘭,陳志敏.結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].化學(xué)高等教育,2007,97:21-24.

    [3]歐陽順利,吳楠楠.拉曼光譜技術(shù)與理論化學(xué)計(jì)算對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究[M].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)出版社,2013.

    [責(zé)任編輯:湯靜]

    【摘 要】本文闡述了在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂中運(yùn)用量子化學(xué)的教學(xué)嘗試。教學(xué)中利用量子化學(xué)計(jì)算方法以及運(yùn)用Gaussian等相關(guān)應(yīng)用軟件,循序漸進(jìn)得對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、功能的關(guān)系進(jìn)行分析,從而生動(dòng)直觀地展示結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)。此外,在教學(xué)內(nèi)容上增加一些教材中沒有的學(xué)科前沿研究動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)聯(lián)想到認(rèn)識(shí)并試圖解決前沿問題的思維能力。

    【關(guān)鍵詞】量子化學(xué);結(jié)構(gòu)化學(xué);應(yīng)用軟件;交叉

    0 引言

    結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)目前存在兩個(gè)方面的難題[1]。首先,結(jié)構(gòu)化學(xué)中的內(nèi)容比較抽象,具有極強(qiáng)理論性、實(shí)驗(yàn)性和應(yīng)用性,要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維能力,學(xué)生因此難于理解和掌握,極大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果。其次,結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及面廣,隨著當(dāng)代結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科本身的迅猛發(fā)展和與相關(guān)學(xué)科的交叉,使得結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)量快速增加,而相應(yīng)的教學(xué)課時(shí)量不但沒有增加甚至有所減量,這就勢(shì)必形成了任務(wù)多,時(shí)間不足的困難。為了解決上述兩方面的問題,提高該課程教學(xué)效果,國(guó)內(nèi)有一些學(xué)者開展不同程度的探索與研究。例如:整合結(jié)構(gòu)化學(xué)中相關(guān)知識(shí)點(diǎn),利用多媒體的方法教學(xué)的等教學(xué)改革。這些學(xué)者的探索都或多或少地影響了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué),也取得了不少教學(xué)效果。不過,這些教學(xué)改革和方法沒能根本性地解決這兩方面的問題。因此,針對(duì)如何更好地解決這兩方面問題,我們提出量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的思路。

    1 量子化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的關(guān)系

    結(jié)構(gòu)化學(xué)作為高等學(xué)?;瘜W(xué)各分支學(xué)科及其它與化學(xué)交叉的各學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程,是利用量子力學(xué)理論及現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科[2]。它是理論化學(xué)的核心,從微觀的角度來研究不同層面的微觀結(jié)構(gòu)以及其結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)等性能之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

    量子化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)重要的分支學(xué)科。當(dāng)代量子化學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展利用量子力學(xué)的相關(guān)理論來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科。量子化學(xué)發(fā)展至今, 可以根據(jù)解Schr?魻dinger方程而引入近似程度的不同分為以下幾種方法:從頭計(jì)算方法(ab initio calculation) 、簡(jiǎn)單分子軌道法如HMO(休克爾分子軌道法)、EHMO(擴(kuò)展HMO)法等、半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法、密度泛函理論、量子力學(xué)-分子力學(xué)的QM/MM組合方法等。它們?cè)趶臒o機(jī)小分子到生物大分子,從靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)態(tài)分子動(dòng)力學(xué)反應(yīng),從分子內(nèi)的強(qiáng)弱相互作用到分子間強(qiáng)弱相互作用等各方面都有應(yīng)用。量子化學(xué)已經(jīng)涉及到化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等眾多學(xué)科。

    隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和理論上的重大突破, 量子化學(xué)軟件也越來越發(fā)達(dá),得到了廣泛的應(yīng)用。如Gaussian作為一款功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包,是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算使用最廣泛的量子化學(xué)軟件,可以研究:分子能量和結(jié)構(gòu),過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量,分子軌道,反應(yīng)路徑,偶極矩和多極矩,振動(dòng)頻率,紅外和拉曼光譜,原子電荷和電勢(shì),核磁共振,極化率和超極化率,熱力學(xué)性質(zhì),用于研究諸多領(lǐng)域的課題。

    從上述所述,我們了解了結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子化學(xué)以及量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件。因此,結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程可以很好地利用量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件進(jìn)行分析和詮釋。

    2 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的策略

    本文主要研究的是將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的問題,研究的過程將本著遵循理論與實(shí)踐相結(jié)合,從典型研究問題出發(fā),探索并形成研究成果,指導(dǎo)結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)。本文采用如下幾方面實(shí)現(xiàn)量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué):第一方面是文獻(xiàn)研究,通過分析文獻(xiàn)資料,收集國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)化學(xué)及相關(guān)的成果資料,總結(jié)出可行的技術(shù)路線;第二方面是實(shí)驗(yàn)教學(xué),讓學(xué)生親自進(jìn)行一些簡(jiǎn)單地分子設(shè)計(jì)等量子化學(xué)計(jì)算方面的嘗試;第三方面是調(diào)查研究,調(diào)研的主要目的是想了解學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革教學(xué)研究與設(shè)計(jì)的滿意程度;第四方面是多媒體的教學(xué)方法與自主學(xué)習(xí)方法相結(jié)合,使較為抽象的知識(shí)具體化,提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的掌握。第五方面是主題式教學(xué)和參與式學(xué)習(xí)討論結(jié)合,使學(xué)生分析與解決問題的能力能得到相應(yīng)的提高。

    從量子化學(xué)科研結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)入手的具體教改思路是通過用Gaussian等量子化學(xué)軟件計(jì)算,使用GaussianView等可視化的量子化學(xué)軟件,將抽象的概念變?yōu)橹庇^的圖形,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生科研意識(shí)的有效方法。

    3 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的實(shí)例

    針對(duì)學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)難以較好理解和掌握這一情況, 我們嘗試在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中采用量子化學(xué)計(jì)算方法與軟件來配合教學(xué)。例如:研究水分子(H2O)與二甲基亞砜(DMSO)分子間氫鍵作用[3],首先用GaussView搭建H2O分子與DMSO分子模型,然后用Gaussian軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算,接下來用GaussView打開結(jié)果文件,得到優(yōu)化后H2O分子與DMSO分子結(jié)構(gòu)。這是可以做一些可視化的教學(xué):點(diǎn)擊展示振動(dòng)(Display Vibratons)文本框中的開始(start)按鈕,就可以顯示所選振動(dòng)模式的振動(dòng)動(dòng)畫,點(diǎn)擊停止(stop)按鈕,可以停止分子的振動(dòng),也可以點(diǎn)擊光譜圖(spectrum)按鈕,生成H2O分子和DMSO分子的拉曼以及紅外光譜圖。最后,我們將優(yōu)化后的H2O分子和DMSO分子放在一起進(jìn)一步優(yōu)化,得到H2O分子和DMSO分子間氫鍵的結(jié)構(gòu)圖。在結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂上,我們這樣用量子化學(xué)軟件呈現(xiàn)動(dòng)畫圖像可使難于理解與掌握的知識(shí)變得生動(dòng)有趣,大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)效果。此外,像水分子(H2O)與二甲基亞砜(DMSO)分子間氫鍵作用也是學(xué)科前沿研究熱點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)應(yīng)用并解決前沿的能力。

    總之,我們結(jié)合先輩在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革探索過程中的經(jīng)驗(yàn),對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)進(jìn)行深入改革。采用當(dāng)代先進(jìn)的量子化學(xué)計(jì)算方法及軟件來配合教學(xué),并在教學(xué)內(nèi)容中加入前言科學(xué)問題,加強(qiáng)教學(xué)與科研相結(jié)合,在傳授基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí),注重培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)和化學(xué)思想與方法,著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是解決這門學(xué)科知識(shí)點(diǎn)多雜與難理解的一條有效途徑。

    【參考文獻(xiàn)】

    [1]王麗.可視化量子計(jì)算軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)踐[J].新課程,2012,67.

    [2]曾榮英,唐文清,馮永蘭,陳志敏.結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].化學(xué)高等教育,2007,97:21-24.

    [3]歐陽順利,吳楠楠.拉曼光譜技術(shù)與理論化學(xué)計(jì)算對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究[M].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)出版社,2013.

    [責(zé)任編輯:湯靜]

    【摘 要】本文闡述了在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂中運(yùn)用量子化學(xué)的教學(xué)嘗試。教學(xué)中利用量子化學(xué)計(jì)算方法以及運(yùn)用Gaussian等相關(guān)應(yīng)用軟件,循序漸進(jìn)得對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、功能的關(guān)系進(jìn)行分析,從而生動(dòng)直觀地展示結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)。此外,在教學(xué)內(nèi)容上增加一些教材中沒有的學(xué)科前沿研究動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)聯(lián)想到認(rèn)識(shí)并試圖解決前沿問題的思維能力。

    【關(guān)鍵詞】量子化學(xué);結(jié)構(gòu)化學(xué);應(yīng)用軟件;交叉

    0 引言

    結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)目前存在兩個(gè)方面的難題[1]。首先,結(jié)構(gòu)化學(xué)中的內(nèi)容比較抽象,具有極強(qiáng)理論性、實(shí)驗(yàn)性和應(yīng)用性,要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維能力,學(xué)生因此難于理解和掌握,極大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果。其次,結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及面廣,隨著當(dāng)代結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科本身的迅猛發(fā)展和與相關(guān)學(xué)科的交叉,使得結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)量快速增加,而相應(yīng)的教學(xué)課時(shí)量不但沒有增加甚至有所減量,這就勢(shì)必形成了任務(wù)多,時(shí)間不足的困難。為了解決上述兩方面的問題,提高該課程教學(xué)效果,國(guó)內(nèi)有一些學(xué)者開展不同程度的探索與研究。例如:整合結(jié)構(gòu)化學(xué)中相關(guān)知識(shí)點(diǎn),利用多媒體的方法教學(xué)的等教學(xué)改革。這些學(xué)者的探索都或多或少地影響了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué),也取得了不少教學(xué)效果。不過,這些教學(xué)改革和方法沒能根本性地解決這兩方面的問題。因此,針對(duì)如何更好地解決這兩方面問題,我們提出量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的思路。

    1 量子化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的關(guān)系

    結(jié)構(gòu)化學(xué)作為高等學(xué)?;瘜W(xué)各分支學(xué)科及其它與化學(xué)交叉的各學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程,是利用量子力學(xué)理論及現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科[2]。它是理論化學(xué)的核心,從微觀的角度來研究不同層面的微觀結(jié)構(gòu)以及其結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)等性能之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

    量子化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)重要的分支學(xué)科。當(dāng)代量子化學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展利用量子力學(xué)的相關(guān)理論來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科。量子化學(xué)發(fā)展至今, 可以根據(jù)解Schr?魻dinger方程而引入近似程度的不同分為以下幾種方法:從頭計(jì)算方法(ab initio calculation) 、簡(jiǎn)單分子軌道法如HMO(休克爾分子軌道法)、EHMO(擴(kuò)展HMO)法等、半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法、密度泛函理論、量子力學(xué)-分子力學(xué)的QM/MM組合方法等。它們?cè)趶臒o機(jī)小分子到生物大分子,從靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)態(tài)分子動(dòng)力學(xué)反應(yīng),從分子內(nèi)的強(qiáng)弱相互作用到分子間強(qiáng)弱相互作用等各方面都有應(yīng)用。量子化學(xué)已經(jīng)涉及到化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等眾多學(xué)科。

    隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和理論上的重大突破, 量子化學(xué)軟件也越來越發(fā)達(dá),得到了廣泛的應(yīng)用。如Gaussian作為一款功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包,是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算使用最廣泛的量子化學(xué)軟件,可以研究:分子能量和結(jié)構(gòu),過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量,分子軌道,反應(yīng)路徑,偶極矩和多極矩,振動(dòng)頻率,紅外和拉曼光譜,原子電荷和電勢(shì),核磁共振,極化率和超極化率,熱力學(xué)性質(zhì),用于研究諸多領(lǐng)域的課題。

    從上述所述,我們了解了結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子化學(xué)以及量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件。因此,結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程可以很好地利用量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件進(jìn)行分析和詮釋。

    2 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的策略

    本文主要研究的是將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的問題,研究的過程將本著遵循理論與實(shí)踐相結(jié)合,從典型研究問題出發(fā),探索并形成研究成果,指導(dǎo)結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)。本文采用如下幾方面實(shí)現(xiàn)量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué):第一方面是文獻(xiàn)研究,通過分析文獻(xiàn)資料,收集國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)化學(xué)及相關(guān)的成果資料,總結(jié)出可行的技術(shù)路線;第二方面是實(shí)驗(yàn)教學(xué),讓學(xué)生親自進(jìn)行一些簡(jiǎn)單地分子設(shè)計(jì)等量子化學(xué)計(jì)算方面的嘗試;第三方面是調(diào)查研究,調(diào)研的主要目的是想了解學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革教學(xué)研究與設(shè)計(jì)的滿意程度;第四方面是多媒體的教學(xué)方法與自主學(xué)習(xí)方法相結(jié)合,使較為抽象的知識(shí)具體化,提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的掌握。第五方面是主題式教學(xué)和參與式學(xué)習(xí)討論結(jié)合,使學(xué)生分析與解決問題的能力能得到相應(yīng)的提高。

    從量子化學(xué)科研結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)入手的具體教改思路是通過用Gaussian等量子化學(xué)軟件計(jì)算,使用GaussianView等可視化的量子化學(xué)軟件,將抽象的概念變?yōu)橹庇^的圖形,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生科研意識(shí)的有效方法。

    3 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的實(shí)例

    針對(duì)學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)難以較好理解和掌握這一情況, 我們嘗試在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中采用量子化學(xué)計(jì)算方法與軟件來配合教學(xué)。例如:研究水分子(H2O)與二甲基亞砜(DMSO)分子間氫鍵作用[3],首先用GaussView搭建H2O分子與DMSO分子模型,然后用Gaussian軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算,接下來用GaussView打開結(jié)果文件,得到優(yōu)化后H2O分子與DMSO分子結(jié)構(gòu)。這是可以做一些可視化的教學(xué):點(diǎn)擊展示振動(dòng)(Display Vibratons)文本框中的開始(start)按鈕,就可以顯示所選振動(dòng)模式的振動(dòng)動(dòng)畫,點(diǎn)擊停止(stop)按鈕,可以停止分子的振動(dòng),也可以點(diǎn)擊光譜圖(spectrum)按鈕,生成H2O分子和DMSO分子的拉曼以及紅外光譜圖。最后,我們將優(yōu)化后的H2O分子和DMSO分子放在一起進(jìn)一步優(yōu)化,得到H2O分子和DMSO分子間氫鍵的結(jié)構(gòu)圖。在結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂上,我們這樣用量子化學(xué)軟件呈現(xiàn)動(dòng)畫圖像可使難于理解與掌握的知識(shí)變得生動(dòng)有趣,大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)效果。此外,像水分子(H2O)與二甲基亞砜(DMSO)分子間氫鍵作用也是學(xué)科前沿研究熱點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)應(yīng)用并解決前沿的能力。

    總之,我們結(jié)合先輩在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革探索過程中的經(jīng)驗(yàn),對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)進(jìn)行深入改革。采用當(dāng)代先進(jìn)的量子化學(xué)計(jì)算方法及軟件來配合教學(xué),并在教學(xué)內(nèi)容中加入前言科學(xué)問題,加強(qiáng)教學(xué)與科研相結(jié)合,在傳授基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí),注重培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)和化學(xué)思想與方法,著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是解決這門學(xué)科知識(shí)點(diǎn)多雜與難理解的一條有效途徑。

    【參考文獻(xiàn)】

    [1]王麗.可視化量子計(jì)算軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)踐[J].新課程,2012,67.

    [2]曾榮英,唐文清,馮永蘭,陳志敏.結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].化學(xué)高等教育,2007,97:21-24.

    [3]歐陽順利,吳楠楠.拉曼光譜技術(shù)與理論化學(xué)計(jì)算對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究[M].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)出版社,2013.

    [責(zé)任編輯:湯靜]

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