分子模拟在结构化学课程中的重要应用

杨 静，杨笑春，关俊霞，贾俊芳，孟祥军



分子模拟在结构化学课程中的重要应用

杨 静，杨笑春，关俊霞，贾俊芳，孟祥军

（唐山师范学院 化学系，河北 唐山 063000）

探索了将分子模拟与结构化学有效结合的教学模式。在结构化学课程中充分发挥分子模拟计算软件的优势，有效融合，优势互补，实现可视化教学的目标，提高教学效果，从而达到提升教学质量的目的。

结构化学；分子模拟；有效融合

1 引言

结构化学课程是现代物理化学学科的重要分支，是在原子、分子水平上讨论物质的性质与几何结构和电子结构之间关系的重要课程。结构化学从量子力学规律出发，推演出一般微观粒子的运动规律、原子和分子中电子的运动状态以及化学键的本质；通过数学群论等工具，对分子的结构进行分析，探讨分子空间几何结构与其性质的关系；基于X衍射等技术，对晶体的微观几何结构进行研究，阐明晶体性质与内部周期性结构的关系。在本课程的学习中，不仅要让学生通过学习掌握结构化学的基本知识，而且要求学生能深刻理解“性质反映结构，结构决定性质”这一基本原理，从而从更高水平上理解各种化学现象。因此在学习结构化学时，既应重视对微观粒子运动所遵循的量子力学规律的理解，掌握微观现象的特点，努力将物理概念和数学表达式密切联系起来[1]，又应重视结构和性能间的联系，了解各种物质具有其特性的结构根源，了解各种结构所必然出现的性能，了解理论的实际应用，加深对事物本质的认识。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，将这些极其抽象的理论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，无法让学生直观触摸、观察到微观世界的各种特殊现象和特殊结构。教师与学生之间的教学沟通主要是用语言引导学生通过自己的想象力来理解微观世界。显然，这种方式不仅无法让学生充分理解掌握各个知识点，也无法让学生自主建立微观立体结构。随着课程的推进、难度的加大，学生的学习热情和学习效果都会大幅度下降，教学效果不理想。分子模拟作为一种计算机辅助实验技术，可以帮助学生理解结构化学中的化学原理，也可以借助分子模拟软件形象地展示原子、分子轨道性质以及分子轨道形成的动态过程等等，切实达到提升教学效果的目的[2-3]。

2 可视化教学实践

分子模拟是一种计算机辅助实验技术，以原子水平的分子模型来模拟分子的结构与行为、体系的各种物理化学性质。近年来，一般分子模拟软件所具有的功能为：建立和显示分子结构，优化分子构型，研究分子的反应性，计算显示电荷分布、分子轨道、电势图等，估计化学反应路径和机理，研究分子的动态性质，研究分子的结构—性能关系。对于分子程序来说，首先要读入结构参数控制参数，经过结构3+3+9-Q-初始化、优化、平衡化得到模拟体系的宏观性质信息。过程如图1所示。

图1 分子模拟的基本步骤

我们将分子模拟应用到结构化学课上主要有两方面的收获，分别举例说明。

2.1 结构立体化

以分子对称性内容为例。由于分子对称性是微观现象，描述对称性符号抽象繁杂，加之有些学生空间想象力不够，学习中往往出现某些困难。所以，应用分子模拟软件制作具有对称性的3D立体分子模型并结合生活中常见的植物、动物对称性现象，及人类在建筑、美术、文学中利用对称性进行的与对称元素有机结合的艺术创作，进而引伸到自然规律的对称性，再到对称性是自然界的广泛存在的自然想象，分子对称性只是其中的一种类型，符号虽然抽象，内容却很具体。可帮助学生消除畏难情绪，提高审美能力，开拓视野，激发学习兴趣和探索欲望。

通过多媒体将分子对称性的知识点精心梳理，分层剖析，设计“讲授”“思考”“演练”三中心。其中“讲授”是主要模块，以“思路分析”“实例讲解”“归纳总结”的方式引导学习。“思考”目的在于扩展学生思维，促进学生掌握本课程知识点及问题。利用分子模拟软件演示移动-旋转-反映的复合操作，实现了所讲授内容的可视化，便于学生对知识点的理解程。如图2所示。

图2 CH4中的映轴S4与旋转反映操作

“演练”提供了巩固和检测学生所学知识的针对性习题。每一知识点都有技巧点拨，重在培养学生分析问题的能力，掌握判断点群的思维方法。课件以分子模拟软件设计的动画形式将各类分子的对称元素与对称操作细致地展现，使常规教学手段难以体现的微观结构用多媒体技术演示出来。制作出来的3D素材课件能够引起学生注意、提供学习指导、诱发学习行为，能够完成一系列教学环节，对提高学生学习结构化学的兴趣、培养其空间想象能力有很好的效果。

同样针对电子结构难懂、空间结构难学的难题，我们也针对性地采用分子模拟计算化学软件制作了大量函数图和动画，描述原子轨道、分子轨道性质以及分子轨道的形成过程，在课件中嵌入原子、分子结构演示软件，并设计制作了大量分子、不同类型晶体的3D结构图片和动画，激发了学生的学习积极性，较成功解决了结构化学课程课堂教学的难点、重点，真正将微观世界的理论化语言主导教学的模式演化为可视化教学的模式。

2.2 应用具体化

结构化学作为一门理论课程涉及了大量以前没有接触过的知识，长期以来，结构化学以教师难讲、学生难学而著称[4]。课程涉及的基本概念多且抽象，涉及其他课程知识多，但是课堂讲述内容如果为一味的结构化学的重要理论的堆砌，学生必然对课堂产生疲倦、迷茫感。因此，将结构化学在各学科的重要应用实例与其所应用的结构化学理论联系、结合起来，既有助于理解结构化学课程中涉及的重要理论，又对结构化学学科在各个领域的重要应用有所了解，激发学生的学习热情。课堂中可以渗透讲解分子模拟的相关程序所实现的各行业的重大课题成果与结构化学基础原理之间的结合与应用。

图3 合金形状记忆源于马氏体相变及其逆转变特性

比如，在讲解结构化学，尤其是原子簇结构化学和金属有机化合物的结构化学的知识点时，向学生介绍这一类知识点涉及“形状记忆合金”等在理论、实践研究上都极其重要的课题（如图3所示），还会涉及寻找新型高效的工业催化剂等与工农业生产息息相关的应用研究课题。在天然产物的结构化学研究中，天然药物，尤其是具有抗癌活性的有效成分的研究也有可能为人类制服癌症作出重要贡献。蛋白质空间结构的研究仍然是一个既困难而又有重要理论意义和实际应用价值的课题。而这些重要的研究成果都是以原子簇结构化学和金属有机化合物结构化学的知识点为理论基础，借助于分子模拟的计算程序，利用电子计算机的高速、高效率的计算来实现的，同时也充分发挥了结构化学数据库的作用。而且这些工作对于新的半经验理论和新的结构化学理论的提出有重大的影响，而有关方法的建立则对“分子设计”的实现起着重要的作用。

3 结束语

结构化学课程是化学本科生专业的基础理论课，是他们在更深层次理解化学本质的阶梯，是今后从事研究工作的必备知识，因此结构化学课程十分重要。分子模拟通过操作计算机软件，以可视化的原子分子层面来展示化学现象，可以弥补结构化学课程过于抽象不够具体的问题，同时可扩展结构化学理论实际应用的相关知识，切实提高学生的学习热情和学习兴趣，显著提高了课堂教学效果。

[1] 吕铁铮.建构主义教学理论对结构化学教学的启示[J].教育教学论坛,2015,39:156-157.

[2] 韩波.交叉融合谱新篇:结构化学牵手分子模拟[J].科技世界,2018,(14):171-172.

[3] 王卫东.“结构化学”课程的建设与研究[J].湖北师范学院学报(自然科学版),2009,29(2):105-112.

[4] 陈惜明,徐素芳,彭宏.结构化学课件的开发与应用[J].大学化学,2005,20(3):36-38.

The Important Application of Molecular Modeling in Structural Chemistry

YANG Jing, YANG Xiao-chun, GUAN Jun-xia, JIA Jun-fang, MENG Xiang-jun

(Department of Chemistry, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

This paper explores the important role of the effective combination of molecular modeling and structured chemistry in classroom practice. In structured chemistry course, the advantages of molecular modeling software are brought into full play. Cross-integration and complementary advantages are achieved and the visual teaching is realized. The goal of learning is achieved, teaching quality is enhanced with the improving the teaching effect.

structural chemistry; molecular modeling; cross-integration

O6-4

A

1009-9115(2019)03-0104-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.03.027

唐山师范学院教改项目（2016001001）

2018-09-16

2019-03-20

杨静（1979-），女，辽宁台安人，博士，教授，研究方向为应用量子化学。

（责任编辑、校对：琚行松）