“基础量子化学”课程建设中若干问题的研究

杨照地，张桂玲

(哈尔滨理工大学化学与环境工程学院，哈尔滨150080)

“基础量子化学”课程建设中若干问题的研究

杨照地，张桂玲

(哈尔滨理工大学化学与环境工程学院，哈尔滨150080)

计算机的高速发展给理论化学的课程建设带来了无限契机。为了使“基础量子化学”课程成为学生们感兴趣的课程，应合理编排教学内容，增设量子化学实验，同时开展科研促进教学的模式，使之成为学校一个独具特色的理论基础课。

基础量子化学;课程建设;量子化学计算实验;科研促进教学

随着计算机技术和理论化学的飞速发展，理论计算化学的发展空前迅速，化学已经不再是单纯的实验的科学，而是理论和实验并重、并肩发展的科学。化学基本理论可以解释实验现象同时也可为实验科学家提供指导。基础量子化学就是一门重要的理论基础课程，主要为结构化学、计算化学、功能分子设计等课程和科学研究方向提供理论基础。

科技的不断发展以及高等院校教学改革的不断深入，本科生知识体系的不断变化，要求教学内容更加系统化和前沿化，科研型的教学环节和教学活动也将不断增加，而国际前沿的与计算机应用密切结合的计算化学领域和功能分子设计研究领域将是学生们的首选，因此具备基础的量子化学知识是必要的。基础量子化学未来必将成为高校的专业基础课或主干课程以及化学专业研究生的必修课。因此对它进行系统的课程建设是十分必要的。但是由于《基础量子化学》这门课程的特点，要使这门课程更具有推广性和实用性，笔者认为要在课程建设中做好以下三方面工作。

一、合理编排教学内容，让枯燥的理论知识变得简单易懂

量子化学是一门交叉学科，它需要较多的物理、数学、计算知识，对于广大学生和化学工作者来说有着一定的距离。它太抽象、深奥，全篇都是晦涩难懂的公式，大家觉得它难，因此对它失去了学习兴趣。要想让学生和化学工作者接受它，我们要重新编排理论教学内容，采用各种方法把枯燥的知识形象化具体化，变得简单易懂。

(一)增加图型描述来把抽象知识具体化

早在1976年，日本量子化学家、诺贝尔奖获得者福井谦一就写了一本名为《图解量子化学》的书，在该书中，作者为了使那些不习惯于数学式的人能够了解并掌握量子化学的本质，并且应用量子化学知识对实验结果进行解析和研究，书中应用了大量简单易懂的图形，而没有完全使用数学式解释问题［1］。虽然在当时计算机软件技术没有十分发达，但是福井谦一在该书中的图解十分形象，对读者来说浅显易懂。比如对分子轨道图形、成键轨道和反键轨道的图形表示以及前线轨道的能级图等，图形显然简单但却清楚明白。对于我们来说也是可以这样做的，并且我们可以把图做得更加漂亮，更加形象，因为我们可以借助的工具增加了(Guassview、Chemdraw、Photoshop等)。比如原子轨道和分子轨道的描述，我们可以借助Guassview软件给出，图形是三维的，非常清晰并且可以随意调节轨道正负两面的颜色以示区分。另外，我们也可以借助Gauss软件计算丁二烯分子，用Guassview软件得到前线分子轨道的分布图，可以形象地给出丁二烯1，4位HOMO和LUMO轨道处的扩展，从而说明1，4位为什么具有大的反应性。

(二)着重于如何应用量子化学处理问题，而不是公式的推导和进行复杂的计算

其实由于现代计算机的高速发展，有很多复杂乏味的计算已经不用人们去做了，都可以交给计算机来完成，因此量子化学的复杂计算已经不是问题了，问题是你怎么认识量子化学?你要用它来解决什么问题?如何用它解释实验现象等等［2］。因此在我们进行课程建设过程中，重新编排的教学内容，除了对量子化学作系统的介绍外，还要结合实例，看看量子化学是如何处理问题的。例如我们在分子轨道理论部分可以先提出这样的问题:为什么两个氢原子可以形成一个稳定的氢分子H2，而两个氦原子不能形成稳定的氦分子He2?为什么氧分子是具有顺磁性?当我们把依据原子轨道线性组合方式(LCAO－MO)得到的分子轨道的能级图给出，当我们把电子按照填充三原则填充以后，这些问题就很明确了。另外，当我们给学生讲述分子轨道与能级、轨道类型与能级间隔的时候，我们也不妨先提出如下问题:为什么染料分子中大多含有芳香环和共轭链?这样我们在告诉学生什么是基态、激发态以及轨道能级间跃迁的同时也告诉了他们物质颜色与分子结构的关系。相信这种通过解决问题的过程来让学生认识量子化学的方式会极大地增加学生们对这门课程的学习兴趣。

二、增设量子化学计算实验，体验量子化学和计算机结合带来的震撼

可以说计算机给量子化学插上了翅膀。很多老师和学生都知道，薛定谔方程处理多原子分子是相当复杂的，如果不借助于计算机，手动几乎是不可能完成的。但是很少人亲自体验过如何利用计算机来研究和模拟化学问题，如何建立计算，如何分析结果。以往可能由于计算机价格昂贵，并不普及，所以无法实现开设量子化学计算实验的想法。可是如今计算机在高校已经达到普及，甚至每个学院都有独立的计算机机房，这样就为开设量子化学计算实验提供了必要的条件。

另外，现在的课程建设提倡理论与实践相结合的方式，实验有助于对抽象理论的理解。而且从目前学生的学习兴趣和特点出发考虑，学生们喜欢实验，喜欢应用计算机，喜欢形象化的东西。他们不喜欢听老师在黑板上讲复杂的理论推导，因为他们觉得学完了不知道有什么用，怎么用。

我们既然有了资源，又了解了学生的需要，我们就可以增设量子化学计算实验了。我们选取一些典型的，但是原子数又不是很多、计算耗时不会太长的分子，去设计以下各实验。

(1)甲醛单点能的计算;

(2)乙烯基态分子几何的优化;

(3)乙烯基醇异构体频率计算;

(4)甲醛激发态的优化和频率计算;

(5)模拟化学反应;

(6)模拟溶液中的体系。

这些实验既能让学生们了解量子化学的本领，学会应用量子化学理论知识解决问题的手段，又简单易懂，操作简单，而且可以极大地发挥学生的积极性和主动性。

三、科研促进教学，将学到的理论应用于研究

目前，科研型教学模式在高校是非常盛行的。现在各个高校的人才模式发生了变化，具有博士学位的年轻教师越来越多，也就是说在某一领域具有固定的科研方向，具有独立的科研能力并且科研水平处于国内乃至国际领先的青年教师越来越多。他们不仅有好的理论基础和实验技能，还能把握科技前沿。发挥出他们的优势既可以锻炼青年教师，也可以提升学生对某一领域的学习和研究兴趣。

那么在基础量子化学课程建设中，如何开展科研型的教学模式呢?

(一)开展创新性实验的方式

对于一些对理论学习和量子化学计算非常感兴趣的学生，可以结合相关教师的科研方向，以教师和学生共同商讨的方式给出研究的内容和方案。然后学生在教师的指导下，完成一个课题的研究，写出研究报告。在我们学院，从事量子化学方向科学研究工作的就有四位教师，均为博士，其中两位为教授、博导。科研方向有小分子反应机理的研究、导电高分子材料的理论研究、双光子吸收材料的分子设计和理论研究以及晶体缺陷的检测和理论研究。这些研究方向都是属于国际前沿的科学研究领域。对于教师来说，在自己的科研领域内开展这种创新性的实验，有助于他们从学生那里得到更多的奇思妙想和创新性的启发，也有助于他们发现和培养适合于进一步深造的学生。

(二)开展科研训练的教学环节

对于大多数的学生来说，他们不了解科学研究的过程，总是觉得很难，甚至有些神秘、高不可攀，因此他们在心里对科学研究敬而远之。我们教师恰恰可以利用这样的心理，开展科研训练的环节，设计一些简单的，又能体现科学研究过程的量子化学小课题，让学生有机会把学到的理论知识用于实际解决问题上来，从而把理论与实践相结合，既让学生和科学研究有了亲密接触，又加固了理论学习的内容，一举两得。

［1］叶铁林，周宏力.《图解量子化学》评介［J］.化学通报，1983，(6):64.

［2］王德民，叶学其.神奇的预测——趣谈量子化学［M］.长沙:湖南教育出版社，2001.

The Investigation of Some Problems for the Curriculum Construction of“Fundamental quantum chemistry”

YANG Zhao-di，ZHANG Gui-ling
(Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

There are many chances for the curriculum construction of theoretical chemistry with the fast developing of computer technology.In order to make“Fundamental quantum chemistry”a unique theoretically fundamental curriculum and to let the students be interested in it，we should reasonably lay out the teaching contents，add the quantum chemistry computing experiments curricula and develop teaching pattern of scientific researches.

fundamental quantum chemistry;curriculum construction;quantum chemistry computing experiments;teaching pattern of scientific researches

G642.421

A

1001－7836(2010)02－0073－02

(责任编辑:孙大力)

2009－12－16

哈尔滨理工大学教学研究课题(P20080048)

杨照地(1978－)，女，内蒙古召乌达盟人，副教授，博士，从事材料化学方面的理论研究;张桂玲(1969－)，女，教授，博士生导师，博士，从事导电高分子材料的理论研究。