计算模拟在结构化学教学中的应用与探索

李 辉 雷博文 刘 旭 吴 阳*

（辽宁大学化学院 辽宁·沈阳 110036）

0 引言

化学是一门以实验研究为基础发展起来的理论与实践结合的学科。19世纪20年代科学家以量子力学理论为基础用数值计算方法来研究原子与分子的化学性质，由于计算条件限制，最初的计算模拟只能应用在简单的理论模型中。随着计算机技术的飞速发展，大规模的计算模拟被应用到化学领域。1998年和2013年诺贝尔化学奖分别颁给了沃尔特·库恩、约翰波·普尔2位量子化学科学家和马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特、亚利耶·瓦谢尔3位从事分子模拟的科学家，表明化学已经不再是单纯的实验科学，计算化学模拟已逐渐和实验化学、理论化学一起成为化学科学研究的三个支柱，使化学研究逐渐从宏观转向微观。

结构化学是基础化学向高等化学进步的阶梯，主要在原子、分子水平上研究物质性质与几何、电子结构之间的关系，使学生突破表象在更深层次上理解化学现象和规律，认识化学问题的本质。对于化学专业学生，继续深造从事化学领域的研究工作成为主要选择，因此，结构化学在化学学科的课程中具有重要地位。由于结构化学课程需要较多的数学和物理的知识，电子、原子结构部分理论性强并且内容抽象，与物体宏观运动规律相比，对微观粒子运动规律的理解上存在障碍。此外，分子对称性和晶体的立体结构要求学生具有较强的空间思维能力，这在一定程度上又增加了学习难度。结构化学课程的基础性、重要性以及“教师难讲，学生难学”特点，使其教学改革值得深入探讨。值得注意的是，国外大学很早就已经重视计算化学及模拟在化学课程中的学习和应用，并将其引入到普通化学的教学中。随着我国教学体制的逐步改革，许多高等院校已将计算化学模拟课程纳入化学课程中。如武汉大学将分子模拟作为化学专业的必修实验课。

学生们都喜欢形象化具体的事物，通过软件计算模拟，将抽象的概念可视化使其表达得更具体，这即增加了学生对知识的理解和吸收，也激发了学生的学习兴趣。因此，引入一些简单的计算模拟辅助结构化学的教学，有助于提高教学质量和效果，对学生理解概念、机理及解释实验现象等有很大帮助，而且还可以培养他们的创新与科研能力。作者提出，围绕结构化学教学的重点和难点，采用理论与实践相结合的方式来讲授结构化学，将一些专业化学软件如 Materials Studio、VESTA、Gaussian、Gauss View 引入结构化学教学中，在学习理论的同时，辅助计算模拟实验，真正使其体会到学以致用，提高学生学习兴趣和教师授课效果。下面将介绍计算模拟的相关内容。

1 计算模拟辅助结构化学教学内容

1.1 模拟原子、分子轨道，使微观概念变得形象具体

原子、分子结构在结构化学教学中是重点内容，原子、分子轨道概念均由复杂的数学公式推导表达出来，如何让学生在短时间内了解微观世界十分困难。通过Gauss View软件将这些抽象概念具体化、可视化，配合其理论内容激发学生的兴趣，引起他们学习的好奇心。如图1模拟O原子的电子排布、O2分子的轨道及电子分布，键、键、成键轨道、反键轨道、自旋多重度、键级等信息形象化的表现出来，加深对知识点的理解。

图1：O原子和O2分子轨道及电子排布

1.2 构建分子的立体结构模型，培养学生的空间思维想象力

在分子对称性教学中，学生对寻找非平面分子的对称元素感到很困难，判断分子的对称性需要较强空间思维能力和想象能力，此外分子的空间立体结构对其性质和反应起着重要作用。通过Gauss view软件构建复杂高对称分子，增加学生对对称性操作和点群等概念的理解和实际应用，通过改变原子位置等信息看对称性的变化。

1.3 构建晶体结构及低指数晶面，认识物质世界的组成方式

自然界中的固体物质大多数都是晶体，不同物质都表现出各自独特性质，如颜色、光泽、硬度、导电性等，晶体物质性质的外在表现主要源于内部分子的排列组成方式。晶体内部原子排列具有空间周期性和对称性，在教学中利用Materials Studio和VESTA软件亲自动手构建三维晶体结构，有助于提高学生的空间思维能力，加深对晶体结构相关概念的理解。如图2通过Ni晶体的信息，构建Ni的体相晶体结构，然后切面构建Ni(111)和Ni(110)晶面。

图2：Ni晶体体相结构及Ni(111)和Ni(110)晶面结构

1.4 增加探索实验模拟，增强理论与实践结合的能力

结构决定性质，性质反映结构，课后增加研究模拟探索实验，通过改变原子的位置、键长、键角等信息，认识微观结构和宏观性质的依赖关系。如计算H2O、HCl、CO2和CO等分子的红外光谱和拉曼光谱，可以巩固分子光谱知识点，明确红外和拉曼光谱产生原理，更好地理解分子光谱对测定分子结构的重要性，从实践反馈理论知识学习程度。

2 结语

随着理论化学方法、计算化学软件、计算机硬件技术的飞速发展，计算化学模拟已成为化学学科的一个新分支，在化学研究中发挥着越来越重要的作用。基于结构化学课程的重要性、特点及学生的学习兴趣，本文提出将计算模拟实践引入结构化学教学，让学生亲身实践，利用计算机研究和解释一些化学性质和现象。计算模拟实践课的引入对提高结构化学教学质量具有重要意义，同时也有利于培养学生的创新思维能力，开拓学生的视野，增强理论与实践相结合的研究能力。