计算化学软件在化学教学中的应用

天津外国语大学附属滨海外国语学校 付婧婧

随着计算机技术的飞速发展，计算机软件的应用逐步深入化学课堂。在基础理论化学教学中，由于原子分子的微观结构无法通过肉眼进行直接观察，化学反应的过程也难以用宏观模型进行形象的描述，对学生来说比较抽象难以理解掌握，因此利用适当的软件设计一些有助于学生理解和掌握化学知识的课件，让学生更深入直观地了解物质的微观结构和充满奥妙的化学世界，会使枯燥无味的化学结构和化学反应变得生动形象。

一、计算机在化学教学中的适用范围

计算机辅助教学在化学教学中，主要适用于理论性和抽象性较强的内容，如原子核组成、电子云、核外电子运动、分子结构、构型和构象、有机官能团的结构、化学键的形成、离子反应和离子方程式等。另一方面适用于实验难以操作、危险性大或反应现象不明显的内容，例如，一氧化碳还原氧化铜、溴苯制备、酯化反应等。此外，一些工业生产知识内容，如硫酸、硝酸工业制法，工业制碱法等也可制成课件进行教学。

她是不断开拓创新破解监管技术难题的带头人和实践者,她是河北食品安全检验的奠基人和排头兵。她叫王丽霞，河北省食品检验研究院院长，河北省食品安全专家指导委员会秘书长、全国环保产品标准化专家委员会委员、国家食品药品监管总局餐饮服务食品安全专家。

二、化学教学中的常用软件

计算机软件作为化学化工领域中最常用的工具，无论在科研或者教学中都担负着重要的作用。化学教学中通常应用到下列软件。

将洗净去皮的番茄捣碎，装入葡萄糖瓶或药用翻口瓶内，放入高压消毒锅内处理15～20分钟，或用笼屉蒸20～30分钟，同样能长期保存，装瓶时注意上面需留少量空隙，可靠性较好，目前城市居民大多使用这种方法制酱。

（一）PowerPoint

在化学中，晶体的结构和对称性是学生不易掌握的内容，主要原因是该部分涉及三维空间变换，单纯板书式教学对学生的理解作用不大。利用MaterialsStudio的建模功能，可以方便地建立各种晶体的三维模型，直观化的展示其结构和对称性等特点。图4是面心立方NaCl在不同视角下的晶体结构图，我们可以直接得到NaCl的晶体结构，同时可以看到NaCl是立方密排晶格(ABCABC)。此外，点击菜单build中的symmetry，还可以得NaCl晶格的原胞。同时，MaterialsStudio还允许自由的创建晶体结构，只要已知空间群类型、晶体结构参数和元素类型，我们就可以任意的创建晶体。

（二）ChemDraw

ChemDraw软件是目前国内外最流行、最受欢迎的化学绘图软件，主要用于绘制有机分子结构式及反应方程式等ChemDraw存贮了大量的分子结构图形, 有些化合物可以直接输入化合物的俗名即可获得其相应的结构。在化学的教学过程中，尝尝涉及到原子轨道、分子轨道和电子云图的绘制，而采用ChemDraw中轨道模版绘图则非常标准方便。Chemdraw软件还具有强大的编辑功能，可以通过点击相应的应用模板完成插入文字说明、注释以及各种符号、图表等操作，从而与绘制的分子结构和反应式互为补充。ChemDraw还可预测许多化合物的1H-NMR和13C-NMR谱。ChemDraw中的实验装置绘制模版则是绘制反应流程及实验仪器装置图的重要工具。

（三）Gaussian

2.Materials Studio在电荷密度教学中的应用

（四）Material Studio

与其它软件相比，Material Studio除了能绘制分子的平面结构,还能够获得分子的空间构型,可以借助Material Studio的计算功能获得分子的键长、键角、扭转角、氢键等参数。该程序包含有由实验数据构成的数据库(键长、键角、二面角等)，可以迅速构成分子体系骨架，建立起3D或2D分子结构模型。

1.MaterialsStudio在晶体结构教学中的应用

在讲授极性分子和非极性分子过程中，常常提到原子电荷分布情况及对物质化学性质的影响。以前这些只能靠教师定性地讲授，没有展示过程,学生不易理解。Materials Studio中原子电荷显示功能，使电荷分布一目了然。以Si来作为示范，在Volumetic Selection中，选择显示total electron density，会将场给显现出来。这个场是电子在空间中的分布，Isosurface则是显示出等位面。

Material Studio可以快速准确地获得分子的构型与结构参数，通过对分子的结构进行分析，运用所得的结果来解释或预测化学反应的性质。除此之外也可以计算出分子的静态性质，包括势能、势能的梯度、静电势、分子轨道能量、基态、激发态分子轨道系数，分子轨道的分布，通过这些数据我们可以预测化学反应的位置、说明化学反应的途径和机制、解释分子的动力学行为等，因此在教学中可以达到事半功倍的效果，让学生更加直观地了解分子轨道的详细情况。

PowerPoint结合专业的化学软件，能动态展示理论性和抽象性较强的内容，从抽象到直观、复杂到简单，达到感性认识和理性认识的有机结合，增强学生学习的积极行，提高教学质量和教学效果。例如在讲第二章第三节氧化还原反应的本质是电子的转移的时候，我们可以利用PowerPoint动画的效果呈现出Na原子将电子给予了Cl原子的失去电子的过程。

Gaussian程序是目前国际上最为流行的量子化学计算软件之一, 能进行一系列的半经验计算和从头计算。通过计算可以预测分子的许多性质,例如分子的结构、能量、分子轨道、热化学性质、分子光谱性质及化学反应的过渡态等。

1998年，扒锅街最大的两棵榕树还在，郁郁葱葱的，爬满了知了，许飞就从知了声中甩着手飞奔进扒锅街，边跑边喊，陈胖子，你妈拿着锅铲来了，快躲起来！

3.原子轨道显示在教学中的应用

MaterialsStudio可以轻松地对各种原子轨道能量进行计算并获得其空间图像。利用Element可以调出一个元素表，可以直接选择元素，例如乙烷，在工具列中，选取CASTEP的计算套件计算原子轨道，在Task中选择Energy，它在计算基态能量之后，就可以分析原子轨道了。

（5）专家组。完善专家选取制度，进一步细化专家选取的原则。建议针对不同级别的论证，对专家组组成人员的职称、级别的人数和比例有明确要求，各部门、行业专家的选聘比例也需要进一步明确，使选取的专家从含概的专业范围及业务水平方面都能得到考虑，提高论证管理的水平。

三、结束语

使用最新的化学计算软件，采用新颖的教学形式和教学手段，是学生以往只能靠想象去了解材料结构，现在可以直接在屏幕上显示三维构型，同时任意旋转操作，使同学们的兴趣大增，而且通过计算实例的应用，提高学生的理论水平和实践能力，收到很好的教学效果。