大學有機化學教學中計算化學軟件的應用

蔣艷

[摘要]隨著科技的飛速發(fā)展，許多電子產(chǎn)品在各個領域都取得了質(zhì)的飛躍，當然在教學領域水平也發(fā)生了極大轉變，在教學水平的提高和教育環(huán)境不斷提升的大前提下，從過去傳統(tǒng)的黑板到后來高端的投影儀，再到當今互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展所帶來的計算軟件，隨著我國教育體制的改革，我國在教育教學領悟取得了豐碩的成果，尤其較為突出的大學有機化學教學，為了凸顯物質(zhì)本身的客觀存在性，和物質(zhì)內(nèi)部時刻所發(fā)生的變化。本文通過對大學有機化學教學中計算化學軟件的應用領域現(xiàn)在階段存在的問題，及其計算化學軟件所帶來的便利，使教學效率得到進一步提升，最終實現(xiàn)教育體制改革所倡導的教學高效性。

[關鍵詞]計算機化學軟件；有機化學教學；教學效率

隨著互聯(lián)網(wǎng)新時代的到來，計算機給我們工作的各個領域帶來了生機的同時，也給我們的學習工作帶來了福音，因此，在大學有機化學教學中扮演重要角色的計算化學軟件凸顯出了其魅力所在，計算化學軟件可以把一串串化學元素符號不再是以前傳統(tǒng)的二維平面展示學習，替代它的是最新的三維模式，使化學元素在課堂上表現(xiàn)得栩栩如生，吸引住了當代大學生好奇的眼球，并且同時還可以更徹底理解有機物質(zhì)的內(nèi)部構造，給想象力空間感差的學生帶來了學習的興趣，提高了同學們主動學習的濃厚的興趣，從而改變同學們過去被動學習的壞習慣，再到現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力的培養(yǎng)，這種模式改變了投影儀加幻燈片的傳統(tǒng)上課模式，不但對傳統(tǒng)教學的缺陷加以彌補，而且培養(yǎng)了同學們的學習有機化學的興趣，高效的達到了大學有機化學教學的目的。

一、大學有機化學現(xiàn)階段面臨的問題

（一）同學對有機化學立體結構存在想象力欠缺問題

通過對中學有機化學的學習，我們了解了有機物中，簡單的有機分子內(nèi)部結構及其性質(zhì)，但是在大學的有機化學學習中，對有機化學中有機物的研究更趨于專業(yè)化，多元化。所以我們所接觸的有機物的內(nèi)部立體結構也變得極其變化多端，往往在復雜結構的大前提下，所伴隨發(fā)生的變化也五花八門，一種性質(zhì)微小的改變就可導致整個反應產(chǎn)物的改變，所以大部分同學對有機物內(nèi)部立體結構的學習也就產(chǎn)生了恐懼和厭倦心理，長久發(fā)展下去也就對有機化學的學習失去了信心，對于大學有機教學中所存在的這個問題，學者也進行了綜合分析，導致這一情況發(fā)生的根本原因就是同學普遍存在空間想象力欠缺的問題，為了彌補同學們普遍存在的這個問題，所以引進計算軟件的普及顯得尤為重要。

（二）傳統(tǒng)的上課模式失去了興趣

眾所周知，興趣是最好的老師，進去了大學，老師運用傳統(tǒng)的ppt講課，對于新時代的大學生也就失去了新鮮感，吸引不住大眾的眼球，導致學生接受知識很被動，被傳統(tǒng)的教學模式感到厭倦，所以同學們不能在課堂上積極的活躍起來，久而久之同學就對這種傳統(tǒng)的上課模式上課感到疲憊，也就失去了學習有機化學的興趣，而對于現(xiàn)階段的最新計算軟件的提出，對這個問題的出現(xiàn)也可以得到及時解決，不僅可以解決老師備課難的問題，更可以活躍課堂氣氛，抓住學生的眼球，使每節(jié)課都可以達到教學大綱上高效的達到目的。

（三）相對于發(fā)達城市，教學條件的落后

由于我國各個城市經(jīng)濟發(fā)展并不均衡，導致教育水平也有所差距，在沿海發(fā)達城市的教育水平相對于內(nèi)地相對較高，我國堅持科教興國，人才強國的偉大戰(zhàn)略，教育水平的決定性因素除了軟件設施之外，硬件設施更是一個難以逾越的因素，許多地區(qū)至今仍然使用傳統(tǒng)的教學儀器，無法與現(xiàn)代化教學相接軌，大大落后與當代水平，比如現(xiàn)代計算軟件的使用，給貧困地區(qū)帶來了極大困擾，利用現(xiàn)代化計算機軟件可以很大程度調(diào)動孩子的學習積極性，培養(yǎng)孩子獨立思考和解決問題的能力，在大學有機化學學習展現(xiàn)的尤為突出，通過傳統(tǒng)的教學模型已經(jīng)遠遠不能達到教學目的。

二、計算軟件對于有機化學教學的立體模型的展示

傳統(tǒng)的有機化學教學模式，在有機分子立體結構通過教材的講解，以及實驗室所提供的曲棍模型對有機分子內(nèi)部結構了解，這種途徑使同學很難理解較為復雜有機物質(zhì)的內(nèi)部構造，無法突破有機化學教學中的重難點，這樣的教學模式僅僅處于表面的學習，很難進一步深入學習，更無法到達活學活用的教學理念，可見在有機化學的教學中，有機分子的立體結構的想象變得尤為重要，也是有機化學教學中的難點突破口，突破了物質(zhì)內(nèi)部結構以及包含的鍵和自由基的類型，可以準確判斷該物質(zhì)所發(fā)生的變化及其產(chǎn)物。因為它與物質(zhì)所發(fā)生的化學及其物理變化所發(fā)生的變化類型和結構有著密切關聯(lián)，而科技的發(fā)展，巧妙地彌補了這個缺陷，比如可以利用現(xiàn)在較為普遍的軟件chemoffice等相關化學輔助類的教學軟件，可以清楚的展示有機化學分子的立體構造，使同學透徹理解有機化學分子的本質(zhì)，我們用Gaussian03軟件研究甲烷分子結構，步驟也較為簡單：首先需要建立甲烷分子模型，之后對甲烷分子立體模型進行優(yōu)化，為了有效體現(xiàn)甲烷的立體結構，就需要改變四個c—H鍵之間的角度，將scan輸入其中，最后對整體進行調(diào)整，達到穩(wěn)定的立體結構?？梢孕蜗蟮恼故境鰜砑淄榈牧Ⅲw結構及其內(nèi)部所包含的鍵的類別。

三、對有機物的特性研究分析

對于有機物的某些潛在性質(zhì)的研究，除了觀察其發(fā)生的化學，物理反應來進行判斷，還可以運用輔助軟件進行透徹模擬，例如我們進行有機物的周圍電子的存在形式，憑借純粹的想象，想象電子的躍遷，從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，其中電子的得失，僅憑想象很難達到學習應有的效果，可以運用計算軟件幫助學生理解概念性的知識，這樣可以把抽象的概念轉化為生動形象的動畫來進行演示，可以一目了然的表達效果，不僅降低了學生學習時的難度，更緩解了老師備課時的壓力，可謂一舉兩得，通過對有機物的相對參數(shù)和物理特性分析，我們可以借助che—mortice軟件輔助完成教學任務，可以分為以下幾個步驟：首先打開chemoffice來描繪一個苯環(huán)的分子結構式，接下來通過點擊view菜單下的選項進一步計算其相對分子量，其中包含的鍵數(shù)目，從上圖我們可以一目了然地看出苯環(huán)屬于有碳碳鍵交替構成的6元環(huán)，鍵角也可以更透徹明了的看出來，從我們實驗室的實驗可以得出，苯不能使溴水或酸性KMn04褪色，這說明苯中沒有碳碳雙鍵。進來研究證明，苯環(huán)主鏈上的碳原子之間并不是由以往所認識的單鍵和雙鍵排列（凱庫勒提出），所以每兩個碳原子之間的鍵均相同，是由一個既非雙鍵也非單鍵的鍵連接。（可理解為平均化的價鍵，介于單鍵與雙鍵之間，兼具二者性質(zhì)，既可以取代，又可以加成），進而我們對苯環(huán)的研究更深入了一步。

四、演示動態(tài)情況下的反應機理

在有機化學反應中，往往伴隨著內(nèi)部能量的變化和新產(chǎn)物的產(chǎn)出，我們運用新計算軟件將其抽象的過程加以模擬化，使反應機理過程所伴隨的變化得到展現(xiàn)，使我們將其難點一網(wǎng)打盡，牢固掌握核心課程內(nèi)容，我們以一氯甲烷取代鹵素的反應為例子進行論證分析，可以使用Gaussian03軟件進行模擬，首先分別對反應物CH3CL+Rr一和對應產(chǎn)物的分子模型進行構建，使用QST2方法搜索反應物過度的中間產(chǎn)物，得出整個反應過程的發(fā)生情況，在整個反應過程中，可以看到親試劑Rr一從基態(tài)的CL一的背面逐步接近中心的碳原子，逐步形成Br—c鍵，同時中心的碳原子也發(fā)生了變化，其上部的基態(tài)氫原子也向離去基態(tài)的方向發(fā)生偏轉，當在中間過渡態(tài)時，中心碳原子呈現(xiàn)的為sp2雜化，而在同時其他三個3個基態(tài)原子與形成的直線在同一平面上，最終完全離開基態(tài)中心形成產(chǎn)物，整個取代過程展現(xiàn)的由抽象變得更形象。

五、總結

分析表明，信息量大，理論性強，空間感強等是高等化學的顯著特點，而要擺脫這一要素的困擾，我們必須借助現(xiàn)代化的條件對其進行以另外一種方式展示，根據(jù)其物質(zhì)的本質(zhì)及其屬性發(fā)生的變化也極為復雜，所以我們必須緊跟時代發(fā)展，采取一定的輔助措施，在教學活動中，緊隨科技的發(fā)展的潮流，巧妙高效的運用計算機軟件輔助教學，利用計算機軟件輔助性教學，可以極大的調(diào)動同學學習化學的熱情，使同學積極思考，探討，及時發(fā)現(xiàn)問題和處理問題，在這一過程中可以牢固的掌握相關知識，同時也培養(yǎng)了同學學習的能力，計算機走進有機化學的教學課堂，使傳統(tǒng)的教學模式得到改善，由原來的抽象化到現(xiàn)在的簡單化，與此同時積極鼓勵同學使用掌握現(xiàn)代化的計算機軟件，可以培養(yǎng)同學對有機化學微觀世界的研究，給教學質(zhì)量起到如虎添翼的益處，使同學們在今后的大學有機化學學習的當中受益匪淺。