案例教学法在研究生量子化学计算方法课程中的应用

李文佐 , 刘绍丽

(烟台大学 化学化工学院 , 山东 烟台 264005)

研究生培养作为国民教育的重要内容,其课程教学在提高研究生培养质量方面发挥至关重要的作用。然而,目前很多研究生课程教学只停留在对经典学科知识的重复讲授上,基本上是教师对知识进行单方面的教授,缺乏师生互动,更缺乏生生互动,学生缺乏主动思考,这在一定程度上阻碍了学生创新能力和创新意识的培养,与新时代创新型研究生人才培养的目标背道而驰[1]。

案例教学法又称个案研究法,是由美国哈佛大学于1780年最早使用,后被哈佛商学院应用培养高级经理和精英的教育实践。案例法已被广泛引用于本科生教学中,由于该教学法是以真实的事件和情景为依据,具有明确的教学目的,对促进教学改革和发展起到了积极作用[2-3]。近年来,在研究生课程教学中积极开展案例教学,很好地提高了教学效果。

量子化学计算方法课程属于化学一级学科中物理化学二级学科方向上的研究生专业课程,其前修课程是量子化学。量子化学计算方法课程要求研究生在掌握量子化学基础知识的基础上,学习并熟悉常见的计算方法,能够根据科研实际需要选择合适的计算方法开展研究。研究生掌握了相关知识和方法后,会极大地促进后续科研工作。量子化学计算方法内容丰富,理论性较强,同时有鲜明的实用性,有利于开展案例教学。

1 学情分析

量子化学计算方法课程开设学期在研究生一年级第二学期。修读量子化学计算方法的同学在本科期间已修读完高等数学、大学物理、无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等,大多数研究生在本科阶段也学过结构化学课程,已具备基本的化学理论知识,具有一定的数理基础。在研究生第一学期修读过量子化学、群论等课程,对量子化学的基本理论已经较为熟悉。这些知识储备为学习量子化学计算方法奠定了知识基础。此外,经过大学期间的考研历练和第一学期的研究生学习,大部分研究生已经具备扎实的专业基础、清晰的专业认知以及较好的自学能力。同时在研究生阶段,学生精力比较充沛,求知欲较强,思维很活跃,职业生涯相对明确,这些都是在量子化学计算方法学习过程中的有利因素。但不可避免地也有个别学生不喜欢所学专业,存在一定的厌学情绪,这就要求教师在开展教学时应全面考虑学生的实际情况,采取形式多样的教学方法,积极开展案例教学,以利于激发提升学生的学习兴趣,加强师生互动、生生互动,让学生喜欢上课堂。

2 积极开展案例教学

2.1 激发兴趣,引入量子化学史实案例

量子化学计算方法的发展与量子力学和量子化学的发展息息相关。量子化学的发展大致可分为两个阶段：①第一阶段是20世纪20—50年代末,其主要标志是价键理论、分子轨道理论及配位场理论等三种化学键理论的建立和发展。②第二阶段是20世纪60年代以后,主要标志是量子化学计算方法的迅速发展。随着计算机和计算技术的飞速发展,量子化学计算方法随之登上历史舞台,并得到迅猛发展。1981年诺贝尔奖授予福井谦一和霍夫曼,进一步将化学理论和化学实验结合起来。1998年诺贝尔化学奖授予Kohn和Pople,从此化学已发展成为理论和实验紧密结合的科学,化学不再是一门纯实验科学。通过这些史实案例,激发学生学习理论化学的兴趣,进而活跃课堂气氛。同时,通过讲解我国科学家在量子化学计算方法领域的贡献,可以激发学生的爱国热情。比如,厦门大学理论与计算化学研究团队长期致力于价键理论的研究,先后发展了从头算溶剂效应价键方法、价键溶剂化模型方法、价键组态相互作用方法、价键二级微扰理论等,研发的价键计算程序XMVB是国际上为数不多的从头算价键程序之一。此外,刘文剑教授团队开发了国际上第一个基于现代密度泛函理论,能准确计算分子体系基态总能量的完全相对论密度泛函程序BDF。西北大学文振翼教授团队开发了基于多组态计算的XIANCI程序。都为量子化学计算方法的发展作出了突出贡献。

2.2 学以致用,引入合适的科研案例

学习量子化学计算方法的关键是学会应用相关方法开展科学研究。在讲课中引入符合课程内容的科研案例,可以使学生直观地认识到方法的用途和重要性。因此,在课堂中引入教学案例时,要注重案例的趣味性,更要注意案例是否体现了最新的科研热点,将最新的科学研究进展、成果以及前瞻性的内容以案例的形式与相关知识点结合,以此丰富学生的知识储备,进一步拓宽学生的学术视野[2]。

比如,在讲解垂直电离势的计算时,以氯代乙烯分子为例,不同的计算方法可以给出不同的计算结果,见表1。

表1 用B3LYP和QCISD方法计算的氯代乙烯分子的垂直电离势[4]

通过与实验对比可以看出,应用B3LYP方法能够较合理地预言氯代乙烯分子的垂直电离势,OVGF方法能够精确预言氯代乙烯阳离子的垂直电离势[4]。这样的科研案例学生完全可以通过课下实践来重现,既能巩固、提高学生计算能力,同时还可以极大地激发学生学习理论计算的兴趣。

再比如,在讲解分子间弱相互作用的计算时,除了介绍最常见的弱相互作用氢键的相关计算,还把弱相互作用的最新进展如卤键、锂键、硫键、磷键、tetrel bond、triel bond等介绍给学生。比如,以ZX3(Z=B、Al,X=H、Me)和THMe3(T=Si、Ge、Sn)之间形成的triel bond为例介绍计算方法、计算程序和流程。利用Gaussian09程序在MP2/Aug-cc-pVTZ(PP)水平上优化各个单体和复合体的构型并计算振动频率,利用AIM2000程序进行AIM分析,利用WFA-SAS程序进行静电势分析,利用GAMESS程序进行能量分解等。通过具体的科研实例不仅使学生熟悉各种计算方法,更重要的是明白学以致用,为将来的科研奠定良好的基础。

在讲解相关理论时,引入案例和最新的科研进展,使学生意识到化学理论不仅能解释实验结果和事实,更能促进科学和文明的发展进步。比如,在讲解杂化轨道理论时,以大家都熟悉的铅笔芯(石墨)和钻石(金刚石)作为导入,提出问题。同样作为碳单质,性质差别却很大,根本原因在于结构不同导致的,要想明确其结构的不同,进而引入杂化轨道理论。在讲解完理论要点后,利用理论解释石墨和金刚石结构的不同点在于C原子的杂化方式不同,石墨中的C采取的是sp2杂化,而金刚石中的C采取的是sp3,使学生进一步领会结构决定性质,性质影响应用的基本思想。从石墨入手,进一步拓展到石墨烯,介绍石墨烯的发现过程,使学生感受到科研的方法可以很简单,培养学生的科研兴趣和积极性。进一步解释石墨烯的用途,同时中国人在石墨烯领域也做出了很多精彩的工作,如中国青年科学家曹原,发现了“魔角”石墨烯,发现其有很好的超导效应,当时对这项工作的评价为“可堪称第五大发明”。曹原更是在2018—2020年期间发表了关于石墨烯的高质量文章《Nature》8篇,《Science》1篇。在《自然》杂志2018年发布的年度10人榜单中,曹原被称作“石墨烯的驾驭者”。使学生从中体会到民族自豪感,更激励学生以曹原为榜样,奋发图强,在自己的科研领域也能做出自己的贡献。

再比如,在讲解前线轨道理论时,引入维生素B12(VB12)的案例。前线轨道理论除了可以解释反应能否发生,还有一个很重要的应用是指导有机合成,其中最重要也是最著名的一个例子,是VB12的合成。VB12是人体必须的一种维生素,但是人体自身不能合成,这是因为人体中VB12的来源主要存在于动物类食品中,在大多数植物类食品中是不含有VB12的,通过此例可以提醒学生,特别是素食者,平时要多注意补充VB12,当然也不能过量,最好还是平时注意荤素搭配,营养均衡。VB12是由现代有机合成之父Woodward组织了世界各国一百多位化学家,协同攻关,团队合作,历经11年,最终才完成了VB12的全合成。其中体现了团队协作的精神,使学生能从中体会到团队协作的重要性。合成VB12的过程中,不只是在合成技术上存在问题,更是存在一个用传统化学理论不能解释清楚的有机理论问题。而在当时Woodward正是利用了福井谦一提出前线轨道理论作为指导,才最终完成了VB12的合成。这对于探索生命活动的奥秘,具有很重要的现实意义。

2.3 积极探索,改革传统教学模式

传统的量子化学计算方法的教学模式是以教师讲授为主,以教师满堂灌的形式授课,这虽然有利于教师主导作用的发挥和学科知识的系统传授,但未考虑学生的差异性,满足不了具有较强求知欲和钻研精神的学生需求,不利于学生良好学习习惯的形成[2]。应用案例教学使学生成为课堂的主体,强调以学生为中心,极大地调动学生的学习积极性和参与性。在实际开展教学时还可以采用翻转课堂、第二课堂等,丰富教学手段,完善教学模式。

3 结语

通过将案例教学应用在量子化学计算方法课程教学中,无论是生动的史实案例,还是科研案例,都极大地提高了研究生的学习兴趣,学生普遍反应课堂变得更加生动有趣,学习效果明显改善。修读完量子化学计算方法的研究生在后续科研工作中能够迅速进入科研状态,正确使用各种计算方法开展量子化学计算,极大地提高了研究生的创新思维和创新能力。