交叉融合谱新篇：结构化学牵手分子模拟

【摘 要】本文结合结构化学与分子模拟两门课程的教学实践，探讨了将二者进行有机结合，在结构化学课程中引入分子模拟课程的部分内容，从而达到提升教学质量的目的。具体介绍了结构化学教学中如何与分子模拟的相关内容紧密联系，结合计算机上机操作，从而实现原子轨道、分子结构、化学反应等内容的可视化教学。实践证明，将结构化学与分子模拟课程交叉融合可以优势互补，提高教学效果。

【关键词】结构化学；分子模拟；交叉融合

中图分类号： O6-4；TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0171-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.078

Integrations Turn a New Page：Combining Structural Chemistry with Molecular Modeling

HAN Bo

（Faculty of materials science and chemistry， China University of Geosciences Wuhan， Wuhan 430074， Hubei Province， China）

【Abstract】This paper discusses the way to combine structural chemistry with molecular modeling to improve the quality of teaching. Here， we introduces how to connect with the related contents of molecular simulation in the teaching of structural chemistry. When the computer operations are employed， the visualizations of atomic orbits， molecular structures， and chemical reactions could be achieved to reveal the behaviors of microworld. It has been proved that the combination of structural chemistry and molecular simulation can complement each other and significantly improve teaching quality.

【Key words】Structural chemistry；Molecular modeling；Integration

结构化学作为高等院校化学、材料等相关专业必修的一门专业基础课，在研究物质的微观结构、揭示微观结构与宏观性质之间的关系方面具有非常重要的作用。通常，结构化学的研究对象是微观粒子（原子、分子、团簇等），其运动规律与经典力学有极大的差异，需要运用抽象的量子力学来进行描述。这就意味着学生在学习过程中需要首先学习量子力学基础理论，然后才能将其应用于解决微观世界的各种问题。但是，由于实验手段的缺乏，无法让学生直接“观察”到微观世界的各种奇异现象和独特结构。教师往往只能通过语言的描述，引导学生通过自己的想象力来加深理解。显然，这种方式不仅无法让学生充分掌握各个知识点，而且会让上课的过程比较乏味，久而久之使得学生的学习热情和学习效果大幅度下降，非常不利于教学活动的顺利展开。

为了帮助学生学好结构化学，提高教学质量，许多教师都在探索改进结构化学的教学方法，取得了一定的成果[1-3]。此前，笔者也曾尝试使用引导启发式教学的方法，激发学生的学习兴趣，获得了较好的教学效果[4]。然而，仅仅依靠引导启发的方式，对教学效果的提升还比较有限，有必要继续探索进一步提升教学效果的方法。近几年，笔者在讲授结构化学课程的同时，开设了“分子模拟与设计”这样一门专业选修課。分子模拟课程主要是通过操作计算机软件，可视化的研究原子分子层面的化学现象。可见，该课程正好可以弥补结构化学课程过于抽象不够具体的问题。另一方面，结构化学中学习的理论知识，正好可以应用在分子模拟课程中，对大量的微观化学现象进行合理的解释。因此，将二者结合在一起可谓优势互补、恰到好处。

基于上述分析，本文作者根据自己在教学实践中的一些心得体会，提出将结构化学与分子模拟两门课程相结合，从而互相促进，达到教学效果的共同提升的目的。下面将分享笔者尝试过的几个实际教学案例，权当抛砖引玉，希望能引起教学同仁的一点关注与思考。

1 原子轨道看得见

在结构化学的教学过程中，轨道这个概念占据了很大的比重。例如，我们在降解氢原子的结构时，引出了原子轨道的概念，即描述单电子原子运动状态的波函数。通常，讲到这里，学生就会有这样一些疑问：原子轨道到底是什么？是圆形的轨道吗？是原子运动的轨迹吗？对于这些疑问，虽然在结构化学课程中也给出了自己的解释和回答，但效果却并不好。原子轨道这个说法，非常容易让学生误以为是描述原子的运动，而实际上描述的却是原子中的单电子运动状态。在结构化学的实际教学中，关于原子轨道的图形表示部分，通常需要将轨道分解为经向分布和角度分布两个部分单独讲解，然后再结合到一起组成原子轨道的图形。这种教学方式，不仅繁琐耗时，而且只能通过平面图形来展示原子轨道，无法让学生形成直观的认识，教学效果较差。对此，笔者在讲授这一部分时，通过分子模拟软件，提前计算出常见的s、p、d等原子轨道的3D图形，并在课堂上进行展示。在展示原子轨道的过程中，为学生讲解图形的意义。由于原子核和轨道都明确的展示在3D图形中，学生非常容易接受原子轨道不是原子的运动轨迹，而是在描述电子的运动状态。通过图形中的颜色，可以区分原子轨道图形的正负。进一步的，对于形状较为复杂的d轨道，可以通过旋转3D图形，让学生从各个不同角度仔细观察d轨道的形状。最后，组织学生到学校的计算机房进行实际上机操作，让原子轨道从高度抽象变成看得见摸得着。很显然，上述关于原子轨道的有益尝试也可以应用于分子轨道部分。这样学生对轨道这一部分知识的印象就极为深刻，学习热情也非常高，学习效果自然就提高了。

2 分子结构摸得到

分子的结构是结构化学的主要研究内容之一。一般说来，简单的分子结构还可以通过平面图形结合教师的讲解描述来学习。但是，当分子结构越来越复杂时，平面图形的表达方式自身的局限性就体现出来了。只能通过学生自己的空间想象力来理解分子的空间结构，这就造成了部分空间想象力较差的学生学习起来非常吃力。作者通过与学生的沟通交流，发现有较多的同学因为对分子结构的理解存在偏差，导致相应的理论知识无法很好的掌握，学习兴趣也越来越差。针对这一问题，我们尝试将分子模拟课程中的建模部分引入结构化学课堂中，让学生看见分子是如何搭建出来的。例如在讲授杂化轨道理论部分内容时，碳原子可以采用sp、sp2、sp3等多种杂化方式，其分子结构也各不相同。为了便于学生理解，作者在课堂上利用分子模拟软件的建模功能，分别构建了若干分子结构，并与上述杂化方式相对应，帮助学生理解不同杂化方式与分子结构的对应关系。这里有个小插曲，在软件中画出重叠式的乙醇分子结构时，形状与一只小狗很相似，学生们看到这个分子结构都笑了起来。以此为契机，提出让学生们思考，如何自己通过搭建分子结构来画出一些有意思的图形，学生们都踊跃发言，课堂气氛也变得很热烈。下课后，组织学生到机房进行尝试，看看能否画出自己设计的分子图形，同学们当然很有兴趣进行上机练习。这种教学方式不仅有趣，而且在不知不觉中传递出一个信息，即结构化学并不是特别高深难懂的抽象理论，而是可以看得见可以操作的模型分子。这必然会极大的减轻学生的畏难情绪，提高学习热情。

3 化学反应动起来

说道化学反应，对于化学或材料专业的学生并不陌生，通常认为化学反应就是原子重新排列形成新分子的过程。大部分学生对于化学反应的理解往往停留在较为宏观的层面，例如氢气与氧气反应生成水、酸与碱发生中和反应、乙烯加氢生成乙烷等等，只知道反应物、产物是什么分子，而对于这些反应微观过程的认识是相对匮乏的。这种重结果而轻过程的思维习惯对于激发学生的创造力是极为不利的。学生们不清楚在反应过程中原子是如何移动、旧化学键是如何断开、新键是如何形成的，当然就无法在化学过程中进行创新性思考。实际上，结构化学课程在讲授化学反应相关内容时，如果想要利用平面图形来展示化学反应的过程，必然需要教师花费大量的时间描述反应过程。这种教学方式不仅耗时较多，而且非常枯燥，根本无法达到良好的教学效果。如果一个化学反应过程能够以三维图形的方式来演示，让原子运动起来，不仅非常直观，也很容易让学生理解化学反应的微观过程是如何进行的。因此，作者利用分子模拟软件的化学反应模块，预先设置好反应物和产物结构，然后在课堂中让软件现场生成一个可以观看的3D动画。通过播放这个动画，可以清楚的看到各个原子在化学反应过程中的移动过程，明确的看到化學键的断裂和生成。在学生观看动画的过程中，教师只需要在关键点进行适当的说明就能够让学生理解整个化学反应过程了。对于资质较好的同学，甚至可以仅仅通过观看动画就能够理解相关知识点。当然，如果课后在安排学生们去机房实际上机操作一下，将一些常见的化学反应在计算机上重现出来，教学效果会更好。

上述这些初步尝试表明，将结构化学与分子模拟两门课程相结合，能够简单的实现抽象概念的具体化、可视化和可操作化。既能活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣和热情，又能加深相关知识点的理解和记忆，最终达到提高课堂教学效果的目的。需要注意的是，这种教学模式的关键是找准交叉融合的结合点，这就要求老师在上课之前要精心的备课，广泛的收集素材、准备好分子模拟的实例，最好再增加几次上机课让学生进行实际操作。当然，作者的这些探索还比较粗浅，错漏之处在所难免，望专家批评指正，不吝赐教。

【参考文献】

[1]包玉敏，许良.探讨如何备好本科生“结构化学”课程，[J].化学教育，2014，14：25.

[2]高强.在结构化学课程中贯彻启发式教学的实践与初探，[J].科技信息，2011，31：207.

[3]黄钦.Gaussian和GaussView在结构化学教学中的应用，[J].广州化工，2012，10：199.

[4]韩波.结构化学教学实践与初探，[J].科技信息，2013，25：218.