Gaussian 09和GaussView软件在结构化学教学中的应用

戴国梁 钱蕙

【摘要】作为化学专业的基础课程，结构化学由于其抽象性及理论性强等特点，给教和学双方均带来了一定困难。本文作者结合自己的专业研究方向，在结构化学讲授中应用Gaussian 09和GaussView等软件对分子轨道等相关知识点进行辅助教学，使抽象的化学理论变得形象、简单，这对培养学生的形象思维能力和学习兴趣，提高本课程的教学效果有很大的帮助。

【关键词】Gaussian 软件 辅助教学 结构化学 教学方法

【基金项目】江苏省高校自然科学基金，项目编号：14KJB150024。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）33-0156-01

1.课程特点和软件简介

当今化学已进入纳米空间、皮秒时间时代，随着人们对物质微观结构认识的不断深入，结构化学的基本理论越来越广泛地应用于化学的各个领域，特别是在材料、信息、能源等领域。结构化学是研究原子、分子、晶体的结构以及结构与性质之间关系的科学。相比化学专业的其他基础课程，本课程的新概念多，数学推导多，系统性很强，故而要求学生在学习过程中既有严密的逻辑思维能力，还要有较好的空间想象力，特别是要具备有一定的数学、物理基础，才能获得较好的教学效果。与其他化学基础课程如有机，无机，分析化学等不同，本课程的学习过程中缺少相关的实验演示和操作，而其他化学类课程在理论学习的同时，均开设同步的实验课程。本课程的学习需要较多的数学、物理知识，而很多师范院校化学专业学生数理基础相对薄弱，教学过程中不得不给学生补充一些线性代数知识，造成实际讲授该课程的学时数偏少。同时，学生在学习过程中往往对一些繁琐的数学公式及其推导过程有厌倦和抵触心理，故学生对结构化学学习的积极性不高。很多同学在学习完本课程后，连一些基本的概念都无法搞清。事实上，在全国范围内，《结构化学》依然是化学专业学生普遍认为最难学的课程 [1]。

近几年来，随着计算机技术的发展和各种化学模拟软件的逐渐普及，涌现出了相当多的计算机辅助化学教学的案例，这对突破教学难点，提高课堂教学效率以及激发学生的学习兴趣等方面有积极的作用[2-4]。因此，如何提高结构化学课程的教学质量对于学生专业素质的培养至关重要。笔者结合自己的专业研究方向，将Ganssian系列软件应用到结构化学课程的教学当中，使教学内容从抽象到直观、从复杂变得简单，这增强了学生学习的积极性，提高了教学效果。

美国Ganssian公司开发的著名量子化学计算软件Gaussian09W和它的图形化界面GaussView，是一个功能强大的量子化学综合软件包。该软件可用于研究分子能量和结构、过渡态的能量和结构、化学键和反应能量、分子轨道、热力学性质和反应路径等等，是研究物质结构、反应机理等的强有力的工具。

2.应用实例：分子轨道理论和双原子分子结构

在大学结构化学的学习中，分子轨道的内容比较抽象，因而要求学生具备较强的空间思维能力和想象力。理论上，在讲授该章节内容的时候，首先必须给学生详尽介绍变分原理，求解体系最低能量的方法，进而通过求解久期方程获得分子体系的波函数，即分子轨道，并进一步探讨分子的相關性质。在讲述这部分内容的时候，如果教师只是单一地利用板书推导相关的公式，学生理解将会非常困难，学生对晦涩的公式将是一知半解，无法将此与分子的轨道联系起来，容易使学生对这部分内容失去学习兴趣。但是在 Gaussian软件的辅助教学下，可将抽象的涉及数学公式推导的教学转变为较生动形象的图像化教学，对分子的结构进行模拟和重构，把抽象的分子轨道以图像形式表示出来，促进学生直观地理解分子轨道的来历和构成，提高分子轨道理论教学的效果。教师可以告诉学生，该软件是借助数学原理和计算机的计算方法来解决化学问题，实际上就是将变分等方法程序化，通过求解薛定谔方程计算出各类分子的轨道和能量，这就大大减少了人工的计算量。比如对于氧气分子，我们首先利用Gaussian09软件很快的计算出氧原子的原子轨道图像和相应的轨道能，并由低到高排列这些原子轨道，此时可以配合教材内容，给学生解释分子成键的三原则：对称性匹配，能量相近，最大重叠，学生就可非常直观的根据以上原则，将两个氧的原子轨道自行组合得到氧气的分子轨道，并很容易的辨别成键和反键轨道，区别σ和π轨道，进而探讨一系列相关的分子性质。具体操作过程是，通过GaussView构建初始的氧气分子模型，并转换成空间坐标，并导入Gaussian09软件在课堂上现场进行构型优化，电脑很快会将氧气分子精确的几何结构输出，并告诉我们氧气的分子轨道空间分布图，以及能级水平等。运用这种教学方式，学生较好的掌握了分子轨道方法，这对提升学生的学习兴趣，加深对相关内容的理解掌握，有很大的帮助。

3.收获与体会

在实际的教学过程中，教学与科研是有机统一的。科研不仅是深化教学的手段和方法，还能够创新教学的内容。从我教学的经历中，发现学生对教师的科研经历部分是很感兴趣的，即使是比较深奥的内容，也能够认真听讲。所以教师应该紧跟学科研究的最新前沿动态，并将新的科研成果与课堂接轨，可丰富和更新学科知识内容，吸引学生在课堂上的注意力，提升课堂教学效率。在结构化学课程的教学过程中，引入化学计算软件，不仅能帮助学生更好的掌握结构化学基础知识，还能让学生及时了解学科发展的前沿，激发他们投身科研创新的兴趣，为人才的培养奠定基础。

参考文献：

[1]金燕仙，闫华，钟爱国，林彩萍，赵杰，戴国梁.《结构化学》教学方法探析[J].广州化工，2011（8）：145-146，150.

[2]黄斌，钱勇，陈碧波，朱国平.在结构化学教学中加强计算软件实践的探索[J].广东化工，2016（23）：128-129.

[3]林少凡，乔园园，张涛.计算机辅助化学教学回顾与展望[J].计算机与应用化学，1999（5）：331-333.

[4]王后雄，谭英.Gaussian 98在有机化学教学中的应用[J].大学化学，2005（2）：36-38.

作者简介：

戴国梁（1979-），男，汉族，副教授，博士。