Gaussian软件教学引入高校化学专业第二课堂的探索与实践*

杨怡萌，李园园，吴 娅，王仲明，陈聪梅

(1 重庆第二师范学院生物与化学工程学院，重庆 400067； 2 国家超级计算深圳中心，广东 深圳 518055)

随着教学现代化手段的不断提高和化学学科内涵的发展，课堂教学模式发生了巨大的变革。然而对于课程内容抽象繁多的化学专业基础课程仍然存在难学难教的特点[1-2]。对于化学类专业，要想实现应用型、创新型、高素质人才培养的目标，单单依赖第一课堂教学是远远不够的，对学生优良科学素养的培养、科研实践能力、创新能力的提升必然要由第二课堂的教育延伸得以实现[3]。“第二课堂”是在教学大纲范围以外、由学生自愿参加的、形式多样的教学和科研活动的总称[4]。它与第一课堂一起构成完整的教学体系，是辅助第一课堂教学，并且有效提升学生科研能力和综合素质的重要途径[5]。

高校化学专业的课程中，无机化学、分析化学、物理化学、有机化学为必修专业基础课程，这类课程内容的理论性较强，机理知识抽象难懂，并且基础化学课程的开设学期通常在前三学期，是大一学生普遍反映难度较大、较为枯燥的课程[6]。另一方面，科学研究能力对化学专业学生的就业和发展至关重要，越来越多的学生主动选择参与第二课堂提升自身的综合素质[7-8]。因此，如何开设高质量的第二课堂并有效辅助第一课堂教学？如何让第二课堂在提升学生的学习兴趣和科研能力的方面发挥作用变得尤为重要。

高斯(Gaussian)是量子化学计算软件，是目前在物理有机化学领域研究中必不可少的工具，为分子结构-性质关系分析、原子/分子轨道分析、光谱分析、热力学/动力学能量分析等提供了便捷。近年，Gaussian软件在无机化学[9]、有机化学[10]、分析化学[11]、物理化学[12]等基础化学课程的创新教学改革中也扮演着重要的角色。然而，由于该类基础化学课程内容繁多，课堂教学课时紧张，把高斯软件引入第一课堂教学的形式往往不能充分发挥高斯软件的关键作用，学生自主使用该软件的能力有待进一步培养。

本文通过分析基础化学课程在课堂教学中的难点，阐述Gaussian软件引入第二课堂教学的必要性，并对Gaussian软件教学引入第二课堂的具体实施途径、实施效果以及存在的问题进行分析。

1 Gaussian软件教学引入第二课堂的必要性：

Gaussian软件是一个功能强大的量子化学计算工具，具有分子结构优化、热力学能量计算、过渡态的能量和结构分析、分子轨道能量及成分分析、原子电荷分析、红外光谱分析等功能。Gaussian 09[13]是 Gaussian系列电子结构程序的经典版本，该软件计算结果显示通常与图形图像软件Gauss view结合使用。近年来，Gaussian在有机化学、生物化学、药物合成、物理化学等领域被广泛应用，从分子水平对实验现象、反应机理进行深入的阐释，揭示分子结构-性质关系[14]。

1.1 Gaussian软件教学引入第二课堂，为第一课堂教学提供辅助作用

高校化学专业基础化学课程中，无机化学、有机化学是学生普遍反映较难的学科，难点主要在于：①涉及原子电子结构、杂化轨道这些抽象的知识点时，学生单靠课件中静态图片通过空间形象力加以理解通常比较困难；②授课课时紧张，老师很难花费大量课堂时间去反复强调一些难点知识，课堂的接受程度不佳；③学生的立体化学知识储备较少，对于立体异构、手性化合物的学习非常吃力；④有机反应机理知识繁多，对于旧键的断裂、新键的形成过程缺少动态画面加以解释；⑤光谱解析的课下练习途径比较缺乏。

Gaussian软件可以充分发挥3D结构显示及仿真模拟等优势，通过以下几个方面对第一课堂教学加以辅助：

(1)电子云模拟：有机反应机理中，在旧键断裂新键形成的过程，最重要的问题就是电子的得失或者转移，Gaussian软件可以通过对分子进行电子云模拟(如图1所示，苯酚分子的电子云分布图)，了解电荷分布情况，并且对官能团对电子云分布的影响以及影响反应选择性的成因加以理解。比如，针对苯环分子，当引入邻对位取代基或者间位取代基时，根据电荷分布的差异对亲电取代反应的定位基效应(即化学选择性)加以解释。

图1 苯酚分子的优化结构及电荷分布

(2)立体构象的直观呈现：Gauss view作为3D结构绘制和图像显示软件，可以直接画出分子的三维立体结构图，并且可以随意转动分子以及镜像对比，为学生立体构象的学习以及费歇尔投影式的书写提供有力帮助。

(3)过渡态结构的动态分析：对于反应机理讲授，旧键断裂及新键形成过程是关键步骤，例如，在亲核取代反应SN1和SN2机理的讲授中，不同的电子效应可以造成不同的进攻方式，这是课堂授课通常需要反复强调的知识点，如果借助于过渡态理论，获得反应过渡态结构的动画图形，可以直观的帮助学生理解旧键断裂及新键形成过程以及不同体系的差异性。以Cl—离子对溴甲烷的取代反应为例(如图2所示)，该反应遵循SN2机理，在Cl-的进攻过程中发生了构型的翻转，借助于Gaussian软件获得该过程的过渡态动画结构(如图3所示)，学生可以非常快速的理解SN2机理的特点，大大提升了教学效果。

图2 溴甲烷SN2取代反应历程示意图

图3 溴甲烷SN2取代反应过渡态分析

(4)波谱模拟：红外吸收光谱和核磁共振谱是有机化学课程中波谱分析的重要掌握知识点，也是仪器分析课程的重要组成部分。这部分知识学生多数通过记忆来掌握红外光谱的吸收特征或核磁共振谱的化学位移及峰形，很难真正理解，并且这类大型仪器通常在地方高校不能完全对学生开放，因此课下也很难进行归纳总结。Gaussian软件拥有红外吸收光谱和核磁共振谱的模拟计算功能，通常可以得到与实验结果一致的谱图[15]，学生在课下进行模拟计算，分析特征峰的分布规律，为化合物的谱图解析和总结提供有效途径。

1.2 Gaussian软件教学引入第二课堂，为学生科研队伍建设提供平台。

基于Gaussian软件的量子化学计算模拟是物理有机化学研究领域的重要组成部分，在有机合成、生物医药等科学研究领域地位日渐提升，为分子构效关系分析以及反应机理细节的阐释(例如化学/区域/立体选择性成因、关键助剂对反应活性的影响分析等)提供精确的数据支撑，为实验工作者提供了诸多便捷。值得一提的是，量子化学计算模拟由于不受实验条件、实验设备的限制，对于地方高校实验资源有限的情况，开展科研工作是非常容易上手的。因此，Gaussian软件引入第二课堂，为科研队伍的建设、学生科研能力的培养都是非常有益的。

2 Gaussian软件教学引入第二课堂的实践研究

2.1 第二课堂的实施方案

Gaussian软件教学引入第二课堂，旨在提升学生学习兴趣，帮助学生加深理解课堂所学知识，培养学生的创新思维能力及实践能力。本次第二课堂实践以工作坊的形式开设，一方面有助于保障课程开设的延续性，另一方面为科研团队的建设也提供选拔平台。具体实施分为以下几个阶段：(1)宣传及报名：在基础化学课程开设学期初，由于这类软件多数同学并不熟悉，由工作坊指导老师先行开设一次科普讲座，对高斯软件在教学和科研中的作用进行讲解，并与学生进行交流，鼓励学生积极报名；(2)双向选择：确定参与人数和大一大二年级分布比例，师生进行进一步面对面交流，明确参与第二课堂的目的，记录学生的兴趣方向，依据“小型化、精细化”的原则，通过双向选择确定最终学生人数30人。(3)开展Gaussian软件教学活动：由指导老师讲授，一对一辅导软件安装、使用及数据分析。(4)科研队伍选拔：在积极参与第二课堂教学活动的学生中，指导教师给出科研方向和相关文献，要求学生以PPT汇报的形式，对学习心得和阅读文献进行讲述，最终筛选优秀者进入科研团队。(5)冲击国家竞赛：经过对优秀学生的科研能力、论文写作能力的长期培养，冲击“挑战杯”等国家级竞赛。(6)鼓励学生参与第二课堂教学任务：对于科研能力一般但是Gaussian软件学习非常好的另一部分学生，鼓励参与第二届的Gaussian软件教学中，通过角色翻转，激发学生的学习兴趣，并对学生的表达能力、综合素质提升提供锻炼的机会。

2.2 Gaussian软件教学内容设置

Gaussian软件教学活动是本次第二课堂开设的核心部分，根据基础化学课程在第一课堂的教学内容以及基于Gaussian软件展开科学研究的必备技能的梳理，第二课堂教学活动内容设置简述如下：

(1)计算化学的魅力及Gaussian软件安装。本次教学活动重点讲授，什么是计算化学？计算化学术语有哪些？Gaussian软件有哪些功能？学习Gaussian软件可以掌握哪些技能？

(2)Gauss view软件使用。通过Gauss view对3D分子结构的绘制演示，并与2D结构图的对比，展开对Gauss view软件使用的教学，介绍并演示不同的功能模块，例如键长键角、二面角的设置，轨道能量的查看，指导学生亲自绘制不同复杂程度的分子结构。

(3)分子优化计算及电荷分析。讲述高斯软件进行分子优化时的输入文件设置要求，对计算方法及基组的概念进行简单讲解，要求学生亲自进行小分子结构的绘制、优化参数的设置，强调软件使用时容易出现的问题。在获得输出文件之后，借助于Gauss view及文本编辑器对输出结果进行分析，学会查找电荷信息，并且指导学生依据电荷分布分析电子的转移及成因。

(4)分子轨道计算及成分分析。基于优化结构，讲授分子轨道的计算方法，强调输入文件关键词和输出文件格式的设置以及获得分子轨道能量及图形的方法，为学生布置课下任务，加强练习。

(5)过渡态优化计算。以亲核取代反应为例，讲授过渡态优化计算的关键词设置，以及输出文件的动画获得方法，学会观察过渡态中旧键断裂和新键形成的过程。

(6)红外光谱和核磁共振谱图分析。演示通过Gaussian软件计算得到红外光谱和核磁共振谱图的方法，讲授计算方法和基组的选择建议，根据实验谱图和计算谱图进行对比，根据图中的特征峰进行结构解析。

3 Gaussian软件教学引入第二课堂的实施效果

经过两个学期的努力，计算化学第二课堂受到了广大师生的一致好评：(1)学生在有机化学、无机化学的学习过程中，找到了好用的工具，对于难以理解的空间立体构象、电荷分布、反应机理选择性等问题上掌握了学习方法。(2)学生在第二课堂中真正参与到教学过程中，培养了学生发现问题、解决问题的能力。(3)学生文献阅读能力全面提升。在指导教师的帮助下，学生学会了从不同途径获取文献资料的能力，并且通过小组讨论形式，对文献阅读后的总结能力也有明显提升。(4)科研实践能力得到提高。通过第二课堂中对Gaussian软件的培训，学生掌握了计算化学必备的科研工具的基本使用方法，为后续科研工作的开展提供了很大的铺垫作用，学生参与后续科研工作的热情大幅度提高。(5)学生的表达能力显著提高。由于第二学期的Gaussian 软件培训中鼓励上一届优秀学生进行教学演示，大大提升了学生的表达能力和心理素质。

4 存在的问题

经过对Gaussian软件教学引入第二课堂的实施，取得了不错成果的同时，仍然存在一些问题：(1)师资队伍缺乏。Gaussian软件学习作为第二课堂的主要教学内容，必须依靠指导老师在前期进行辅导以及课程内容的讲授，而本次第二课堂的开设都是由第一课堂老师自愿参与，时间有限，教师数量也有限，在师生比上存在不协调的问题。(2)基础理论讲授效果不佳。软件教学活动中，学生在软件操作学习上较易上手，但是当涉及部分量子化学知识讲授时，学生在理论知识的理解上仍然有些吃力。(3)活动形式不够丰富。Gaussian软件教学必须在教室内进行，因此在活动的多样性开展上受到了限制，部分学生在后期存在兴趣不高的问题。(5)经费投入不足。本次第二课堂中Gaussian软件采用Windows版本进行学习，但是对于分子量较大的结构或者过渡态，计算时长过长，可能需要Linux版本Gaussian软件运行，因此该类第二课堂的顺利开展仍需相关部门的大力支持。

5 结 语

第二课堂已经成为高校教学的重要组成部分，在提高大学生实践创新能力方面发挥了积极的作用，为应用型、创新型、高素质人才的培养奠定基础。Gaussian软件教学走进高校化学专业第二课堂，使得基础化学课程的教学得以补充，同时为学生科研能力的培养提供良好的平台。本文通过解析基础化学课程讲授中的难点和学生科研队伍建设两个角度，阐述了Gaussian软件引入第二课堂教学的必要性，并对Gaussian软件教学引入第二课堂的具体实施途径、实施效果以及存在的问题进行了分析，希望为高校化学专业第二课堂的多样性的提升以及基础化学课程的课堂教学改革提供新思路。