《计算机在化学中的运用》教学思考与探索

2022-01-11庾弘朗

韩山师范学院学报 2021年6期

庾弘朗

（韩山师范学院化学与环境工程学院，广东潮州 521041）

1 课程开设理由与意义

随着软、硬件的飞速发展，计算机应用已渗透到化学各个应用领域［1-6］.辅助教学、实验仿真、实验数据分析与处理、科学绘图、微观可视化、药物设计、波谱模拟与图谱解析、化学药品管理、大型仪器自动化管理、化工过程自动化、文献检索与管理等都高度依赖计算机的帮助.特别是化学模拟已成为解决化学及材料学科领域实际问题的重要组成部分与独立研究手段.因此驾驭计算机能力已成为衡量化学科技工作者能力的重要标尺之一.计算机在化学中的广泛应用极大地解放了人力劳动、延展各项技能与提高劳动效率.《计算机在化学中的运用》教学目标的重点旨在培养必用软件的实际应用能力.如何提高教学质量和达到教学目标，是《计算机在化学中的运用》课程教学改革重点与难点.尽管国内专家提出很多不同的教改建议与措施，但都非常强调实践教学［2-5］.本文结合笔者多年教学经验和体会，首先探讨了教学内容的选择，然后提出教学方法、考核方式的改进建议，最后举例说明如何开展实践教学.

2 教学内容与课时安排

计算机在化学领域的运用，涉及两大主流操作系统（Linux、Windows）及各种辅助类和模拟类软件［1，5］.常用辅助类软件主要有：①文献收集与管理，这类程序可帮助用户收集、整理、排列文献，常用程序有EndNote与NoteExpress；②化学绘图软件，常用的有Gaussview、MedeA、Chem3D、CHem-Window与ChemDraw等；③专业绘图与数据处理软件类，如Origin、Excel；④计算机辅助教学及文本编辑软件：PowerPoint、word、notepad++等；⑤图谱解析与预测类，此类软件一般在独立专业课程中讲授.核磁数据处理软件有Nuts，色谱及红外、拉曼实验数据处理软件有GRAMS/32等.模拟类软件主要用于化学模拟，常用软件主要有Gaussian09、VASP、GAMESS、HyperChem、MOPAC等.Gaussian09是最流行的量子计算综合软件包.计算机软件种类众多，如何选择呢？

遴选与设置教学内容应优先考虑下列原则.基础性原则：所选内容不可替代；实用性原则：所授内容具有实际应用价值；实践性原则：有利于学生参与实践与培养实际操作能力；综合性原则：设计教学内容与教学活动时，应考虑多层次、多角度、不同软件的联合运用；前瞻性原则：所授内容符合未来发展趋势.基于上述原则，表1列出主要教学内容及课时安排.

表1 课程主要教学内容与课时安排

重视Gaussian09模拟软件的教学基于以下理由.首先本科《结构化学》课程介绍了量子化学基本原理；其次，《结构化学》教材［7-8］已将Gaussian软件使用方法与步骤编入其中；最后，量化模拟已成为一种强大且独立的科研工具，而且Gaussian09简单易学.

3 改进教学方法与考核方式

教学上遵循由易到难、由简到繁原则.对单个软件首先进行分解教学，然后再进行综合教学，实现多软件、多任务、多目标训练.全程突出实践教学，采取“少讲理论+多演示操作+多上机实践+课后多实践巩固”教学模式.注重利用科研热点问题设计教学素材，有利于吸引学生兴趣.适当扩展教学时间、空间域，充分利用哔哩哔哩、百度上丰富的教学视频资料，课前收集并链接到学习通教学平台，引导学生课后线上自主学习.

考核方式遵循“刚柔并济”原则.“刚”就是重视平时考勤与课堂参与、操作能力、自学程度与作业完成情况考核，预设达标要求，严格执行.“柔”指期末考核方式（上机考核；撰写课程学习总结，谈体会；根据实验数据、模拟结果文件，利用所学软件模仿指定文献中图、表绘制与数据处理进行多样化，优化组合，突出实际应用能力考核.采取综合总评成绩=0.4×平时成绩（考勤、作业、课堂实践能力、自学量）+0.6×期末考核成绩.

4 方法与步骤教学实例

首先选取一篇关于太阳能电池染料分子的设计与模拟文献［9］.教师课前按照要求模仿文献与设计出全新分子，并完成所有计算工作.然后利用不同软件，模仿文献进行相关数据处理及图表绘制工作，并整理成PPT课件.课堂上，依次讲授与演示整个过程.然后再安排学生上机实践操作，重复所有操作过程.课后再布置成作业，要求在各自PC机上再次重复所有操作，要求在规定时间内提交.最后根据学生掌握情况进行后续复习巩固.所有教学环节完成后，学生自然掌握所有操作技能，达到教学目标.下面是具体操作方法与步骤.

第一步，利用GaussView设计所有分子，获得初始输入坐标，再利用Gaussian09在超算平台上进行结构优化与频率计算，比较同分异构体能量，获得基态结构（简略输入文件见图1）.然后用基态结构分别做相应阴、阳离子单点计算（见图2、图3），最后在基态结构基础上，模拟相应吸收光谱（见图4）.所有计算均在乙醇溶剂和PCM模型下进行.

图1 M1结构优化与频率计算输入文件示意图

图2 基态M1阴离子单点能计算输入文件示意图

图3 基态M1阳离子单点能计算输入文件示意图

图4 分子M1吸收光谱的模拟计算输入文件示意图

第二步，应用GaussView、Chem3D和ChemDraw软件绘制基态M1～M6的结构示意图.首先用GaussView打开优化好的结果文件（*.log），并保存后缀名为gjf类型文件.接着用CHem3D打开gif文件，调整、选定后拷贝到ChemDraw画板内，对所有分子重复上述步骤.然后进行图形编辑、添加文字或符号、选用颜色等操作，得结构示意图5.

图5 染料分子M1～M6的结构示意图

第三步，从基态log文件里，查找M1～M6分子的HOMO、LUMO能级，以及相应阴、阳离子的单点能，汇入Excel表格，截图见图6.根据各物理量之间转换关系，利用Excel软件计算功能，批量处理并获得每个基态分子对应的前线轨道能级（EHOMO、ELUMO）、能隙Egap（ELUMO-EHOMO）、垂直电离能IP（v）与电子亲合势EA（v）.最后利用word绘制成三线表，把上述处理结果按需汇集于表2.

图6 利用Excel软件处理分子M1～M6的HOMO、LUMO能级、能隙、垂直电离能与电子亲合势

表2 染料分子M1～M6的HOMO、LUMO能级、能隙、垂直电离能与电子亲合势

第四步，联合应用GaussView和ChemDraw绘制分子M1～M6前线分子轨道图.步骤为：先用GaussView打开每个分子相应formchk文件，点击results→Surfaces/contours→cube actions→new cube→选择一个轨道→new surface→右击鼠标→Edit→Image Capture，然后粘贴到word里，再截图到Chem-Draw画板进行编辑，得图7.

图7 染料分子M1～M6的前线分子轨道图

第五步，联合GaussView、Notepad++与Origin，绘制M1～M6的模拟吸收光谱图.对每个分子，先用GaussView打开其吸收光谱log文件，显示吸收光谱，然后点击Results→UV-Vis→再在光谱图上右击鼠标→Save Date→保存为文本文件→然后用Notepad打开该文件→将波长、相应摩尔吸光系数列数据拷贝到Origin中，点击折线图按钮，然后进行图形编辑与设置→截图到word，得图8.