计算化学数据及图形应用于“结构化学”教学模式探究

[摘 要]该文针对农业院校不同学科发展需要，设计体现具有农业院校学科特色的结构化学教学内容和教学模式，培养学生以数据和图形为切入点，激发学生对结构化学的学习兴趣，从而深入理解分子结构性质，探究化学反应机理。同时，鼓励学生跳出实验室，走进数据仿真世界，玩转分子结构及性质分析，激发学生对基础学科学习的主动性和积极性，培养学生应用计算科学方法思考化学前沿科学问题的能力。通过以上研究实践，实现从实验中来到实践中去的能力培养目标，充分发挥结构化学教学在培养学生创新思维中的重要作用。

[关键词]计算化学数据;结构化学;教学

[作者简介]田保玲（1982—），女，山东临沂人，博士，青岛农业大学化学与药学院讲师，主要从事理论与计算化学研究。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）28-0302-02[收稿日期] 2019-11-21

一、引言

鉴于农业院校开设的化学类课程，一般化学课程为普通化学、分析化学、有机化学、物理化学以及相对应的实验课程，较少开设结构化学课程。普通化学课程涉及一些相对简单的物理化学和结构化学内容，如化学热力学、动力学、原子和分子结构等，这些大容量、抽象复杂的内容正是大学生学习的难点。在教学中，教师经常使用隐喻、物理分子模型或多媒体方法来展示和解释分子。学生对化学知识的理解仍处于记忆水平，难以深入理解。

近年来，随着教学体系的改革，利用计算机化学模拟及相关可视化软件分析，可以更具体地表达抽象的概念，使化学变化的本质和过程更生动地展现在学生面前，不仅可以激发学生学习化学的兴趣，同时也加强了学生对化学知识的理解。在普通化学教学中，国外长期重视在普通化学课程学习中普及计算化学。世纪之交，美国大学将计算化学的内容引入普通化学教学。

因此，在结构化学教学过程中，我们也尝试引入一些简单易懂的计算化学内容来辅助教学。它一方面可以更新和重组结构化学的教学内容，提高教学质量和效果，另一方面也有助于学生理解抽象的概念、反应机理和解释实验现象，而且还可以很好地激发学生的学习兴趣。

如何将激发学习兴趣和钻研理论知识实现无缝对接，计算化学的数据与图形界面为此点亮一盏明灯。

二、提升教学质量实施方法的尝试

（一）计算化学图像在分子轨道章节中的应用

分子结构是研究化学反应的基础，如何把分子结构以及分子是如何由原子形成的过程讲解清楚，可以把非化学专业的学生短时间内带入微观世界：可视化分子和原子轨道，透视元素周期表内部的排布规律，计算化学将给出形象而全面的展示，以充分激发他们学习化学的兴趣，引起他们学习的好奇心。分子轨道理论是本科生学习的难点。学生对原子轨道组合形成分子轨道、分子轨道形状与能级分布、分子轨道对称性等缺乏直观认识，见图1。

通过量子化学Gaussian09计算软件，计算O2和N2分子等同核或CO、NO等异核双原子分子的轨道能级图，可以在课堂上直接用GaussView5.0软件将学生较难理解的内容直观地展现出来。如图2所示，直接点击相应的轨道可以直观显示出两个原子轨道重叠形成分子轨道的形状与分子轨道的对称性，这样不仅可以解释分子轨道成键原则与电子填充原则等分子轨道理论中的重难点，还可以加深学生对分子轨道理论的理解，激发学生学习化学的兴趣，从而有效提高教学质量。

（二）计算化学数据在光谱结构表征中的应用

大多数化学专业的学生都用实验的方法测定过物质的紫外可见吸收光谱，但对紫外可见光谱的实质却了解的并不充分。Gaussian09可以准确地预测紫外吸收的位置、强度以及相关电子跃迁的轨道，而GaussView5.0则可以直观地显示目标紫外吸收带跃迁轨道的本质。

图3为利用TD-DFT（B3LYP/6-311g）方法理论计算得到的Hoogsteen碱基对的紫外吸收光谱，包含了紫外吸收带、强度及跃迁轨道的结果。

通过量化计算，还可以清晰地展示分子的简谐振动模式，对于分子的不同分子振动模式，其振动模式频率、强度及其振动吸收谱都可以通过数据和动画的形式清晰地展现出来，见图4。

通过振动模式的详细分析，可以得到分子具体分子键的种类和相应的振动模式，并且，在软件中，可以实现振动模式的动态视频展示，可以给学生非常直观的认识，让学生对分子的振动转动结构有全新的理解和认识。

三、结语

21世纪为大数据时代。随着理论化学方法和计算机软硬件技术的迅猛发展，计算化学已经在化学、化工、材料、能源、药学设计等领域中发挥着日益重要的作用，但在反哺教學领域的研究探索相对较少。“00后”大学生是互联网时代的原居民，天生对计算机、数据、图形、视频等敏感、好奇，因此着力抓住大学生的爱好特点，对接专业知识，将有助于开启高成效学习。对于农业院校本科生，他们接触到的计算化学知识十分有限，有些专业并不开设结构化学课程，如果能在本课程中多引用一些计算化学的模拟研究内容或者通过计算化学的模拟研究对实验中的一些性质或现象总结规律，不仅有利于开拓学生的视野，而且对培养学生的创新思维能力和理论与实践相结合的研究能力也可以发挥一定的作用。

Research on Application of Computational Chemistry Data and Graphics in the Teaching

of Structural Chemistry

TIAN Bao-ling

（College of Chemistry and Pharmaceutical Sciences， Qingdao Agricultural University， Qingdao， Shandong 266109， China）