量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的研究

吳楠楠　歐陽順利

【摘 要】本文闡述了在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂中運(yùn)用量子化學(xué)的教學(xué)嘗試。教學(xué)中利用量子化學(xué)計(jì)算方法以及運(yùn)用Gaussian等相關(guān)應(yīng)用軟件，循序漸進(jìn)得對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、功能的關(guān)系進(jìn)行分析，從而生動(dòng)直觀地展示結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)。此外，在教學(xué)內(nèi)容上增加一些教材中沒有的學(xué)科前沿研究動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)聯(lián)想到認(rèn)識(shí)并試圖解決前沿問題的思維能力。

【關(guān)鍵詞】量子化學(xué)；結(jié)構(gòu)化學(xué)；應(yīng)用軟件；交叉

0 引言

結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)目前存在兩個(gè)方面的難題[1]。首先，結(jié)構(gòu)化學(xué)中的內(nèi)容比較抽象，具有極強(qiáng)理論性、實(shí)驗(yàn)性和應(yīng)用性，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維能力，學(xué)生因此難于理解和掌握，極大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果。其次，結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及面廣，隨著當(dāng)代結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科本身的迅猛發(fā)展和與相關(guān)學(xué)科的交叉，使得結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)量快速增加，而相應(yīng)的教學(xué)課時(shí)量不但沒有增加甚至有所減量，這就勢(shì)必形成了任務(wù)多，時(shí)間不足的困難。為了解決上述兩方面的問題，提高該課程教學(xué)效果，國(guó)內(nèi)有一些學(xué)者開展不同程度的探索與研究。例如：整合結(jié)構(gòu)化學(xué)中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，利用多媒體的方法教學(xué)的等教學(xué)改革。這些學(xué)者的探索都或多或少地影響了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)，也取得了不少教學(xué)效果。不過，這些教學(xué)改革和方法沒能根本性地解決這兩方面的問題。因此，針對(duì)如何更好地解決這兩方面問題，我們提出量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的思路。

1 量子化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的關(guān)系

結(jié)構(gòu)化學(xué)作為高等學(xué)?；瘜W(xué)各分支學(xué)科及其它與化學(xué)交叉的各學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是利用量子力學(xué)理論及現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科[2]。它是理論化學(xué)的核心，從微觀的角度來研究不同層面的微觀結(jié)構(gòu)以及其結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)等性能之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

量子化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)重要的分支學(xué)科。當(dāng)代量子化學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展利用量子力學(xué)的相關(guān)理論來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科。量子化學(xué)發(fā)展至今， 可以根據(jù)解Schr？魻dinger方程而引入近似程度的不同分為以下幾種方法：從頭計(jì)算方法（ab initio calculation） 、簡(jiǎn)單分子軌道法如HMO（休克爾分子軌道法）、EHMO（擴(kuò)展HMO）法等、半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法、密度泛函理論、量子力學(xué)-分子力學(xué)的QM/MM組合方法等。它們?cè)趶臒o機(jī)小分子到生物大分子，從靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)態(tài)分子動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，從分子內(nèi)的強(qiáng)弱相互作用到分子間強(qiáng)弱相互作用等各方面都有應(yīng)用。量子化學(xué)已經(jīng)涉及到化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等眾多學(xué)科。

隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和理論上的重大突破， 量子化學(xué)軟件也越來越發(fā)達(dá)，得到了廣泛的應(yīng)用。如Gaussian作為一款功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算使用最廣泛的量子化學(xué)軟件，可以研究：分子能量和結(jié)構(gòu)，過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量，分子軌道，反應(yīng)路徑，偶極矩和多極矩，振動(dòng)頻率，紅外和拉曼光譜，原子電荷和電勢(shì)，核磁共振，極化率和超極化率，熱力學(xué)性質(zhì)，用于研究諸多領(lǐng)域的課題。

從上述所述，我們了解了結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子化學(xué)以及量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件。因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程可以很好地利用量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件進(jìn)行分析和詮釋。

2 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的策略

本文主要研究的是將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的問題，研究的過程將本著遵循理論與實(shí)踐相結(jié)合，從典型研究問題出發(fā)，探索并形成研究成果，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)。本文采用如下幾方面實(shí)現(xiàn)量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)：第一方面是文獻(xiàn)研究，通過分析文獻(xiàn)資料，收集國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)化學(xué)及相關(guān)的成果資料，總結(jié)出可行的技術(shù)路線；第二方面是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生親自進(jìn)行一些簡(jiǎn)單地分子設(shè)計(jì)等量子化學(xué)計(jì)算方面的嘗試；第三方面是調(diào)查研究，調(diào)研的主要目的是想了解學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革教學(xué)研究與設(shè)計(jì)的滿意程度；第四方面是多媒體的教學(xué)方法與自主學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，使較為抽象的知識(shí)具體化，提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的掌握。第五方面是主題式教學(xué)和參與式學(xué)習(xí)討論結(jié)合，使學(xué)生分析與解決問題的能力能得到相應(yīng)的提高。

從量子化學(xué)科研結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)入手的具體教改思路是通過用Gaussian等量子化學(xué)軟件計(jì)算，使用GaussianView等可視化的量子化學(xué)軟件，將抽象的概念變?yōu)橹庇^的圖形，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生科研意識(shí)的有效方法。

3 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的實(shí)例

針對(duì)學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)難以較好理解和掌握這一情況， 我們嘗試在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中采用量子化學(xué)計(jì)算方法與軟件來配合教學(xué)。例如：研究水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用[3]，首先用GaussView搭建H2O分子與DMSO分子模型，然后用Gaussian軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算，接下來用GaussView打開結(jié)果文件，得到優(yōu)化后H2O分子與DMSO分子結(jié)構(gòu)。這是可以做一些可視化的教學(xué)：點(diǎn)擊展示振動(dòng)（Display Vibratons）文本框中的開始（start）按鈕，就可以顯示所選振動(dòng)模式的振動(dòng)動(dòng)畫，點(diǎn)擊停止（stop）按鈕，可以停止分子的振動(dòng)，也可以點(diǎn)擊光譜圖（spectrum）按鈕，生成H2O分子和DMSO分子的拉曼以及紅外光譜圖。最后，我們將優(yōu)化后的H2O分子和DMSO分子放在一起進(jìn)一步優(yōu)化，得到H2O分子和DMSO分子間氫鍵的結(jié)構(gòu)圖。在結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂上，我們這樣用量子化學(xué)軟件呈現(xiàn)動(dòng)畫圖像可使難于理解與掌握的知識(shí)變得生動(dòng)有趣，大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)效果。此外，像水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用也是學(xué)科前沿研究熱點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)應(yīng)用并解決前沿的能力。

總之，我們結(jié)合先輩在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革探索過程中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)進(jìn)行深入改革。采用當(dāng)代先進(jìn)的量子化學(xué)計(jì)算方法及軟件來配合教學(xué)，并在教學(xué)內(nèi)容中加入前言科學(xué)問題，加強(qiáng)教學(xué)與科研相結(jié)合，在傳授基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)和化學(xué)思想與方法，著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是解決這門學(xué)科知識(shí)點(diǎn)多雜與難理解的一條有效途徑。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王麗.可視化量子計(jì)算軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)踐[J].新課程，2012，67.

[2]曾榮英，唐文清，馮永蘭，陳志敏.結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].化學(xué)高等教育，2007，97：21-24.

[3]歐陽順利，吳楠楠.拉曼光譜技術(shù)與理論化學(xué)計(jì)算對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究[M].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：湯靜]

【摘 要】本文闡述了在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂中運(yùn)用量子化學(xué)的教學(xué)嘗試。教學(xué)中利用量子化學(xué)計(jì)算方法以及運(yùn)用Gaussian等相關(guān)應(yīng)用軟件，循序漸進(jìn)得對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、功能的關(guān)系進(jìn)行分析，從而生動(dòng)直觀地展示結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)。此外，在教學(xué)內(nèi)容上增加一些教材中沒有的學(xué)科前沿研究動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)聯(lián)想到認(rèn)識(shí)并試圖解決前沿問題的思維能力。

【關(guān)鍵詞】量子化學(xué)；結(jié)構(gòu)化學(xué)；應(yīng)用軟件；交叉

0 引言

結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)目前存在兩個(gè)方面的難題[1]。首先，結(jié)構(gòu)化學(xué)中的內(nèi)容比較抽象，具有極強(qiáng)理論性、實(shí)驗(yàn)性和應(yīng)用性，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維能力，學(xué)生因此難于理解和掌握，極大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果。其次，結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及面廣，隨著當(dāng)代結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科本身的迅猛發(fā)展和與相關(guān)學(xué)科的交叉，使得結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)量快速增加，而相應(yīng)的教學(xué)課時(shí)量不但沒有增加甚至有所減量，這就勢(shì)必形成了任務(wù)多，時(shí)間不足的困難。為了解決上述兩方面的問題，提高該課程教學(xué)效果，國(guó)內(nèi)有一些學(xué)者開展不同程度的探索與研究。例如：整合結(jié)構(gòu)化學(xué)中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，利用多媒體的方法教學(xué)的等教學(xué)改革。這些學(xué)者的探索都或多或少地影響了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)，也取得了不少教學(xué)效果。不過，這些教學(xué)改革和方法沒能根本性地解決這兩方面的問題。因此，針對(duì)如何更好地解決這兩方面問題，我們提出量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的思路。

1 量子化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的關(guān)系

結(jié)構(gòu)化學(xué)作為高等學(xué)?；瘜W(xué)各分支學(xué)科及其它與化學(xué)交叉的各學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是利用量子力學(xué)理論及現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科[2]。它是理論化學(xué)的核心，從微觀的角度來研究不同層面的微觀結(jié)構(gòu)以及其結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)等性能之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

量子化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)重要的分支學(xué)科。當(dāng)代量子化學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展利用量子力學(xué)的相關(guān)理論來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科。量子化學(xué)發(fā)展至今， 可以根據(jù)解Schr？魻dinger方程而引入近似程度的不同分為以下幾種方法：從頭計(jì)算方法（ab initio calculation） 、簡(jiǎn)單分子軌道法如HMO（休克爾分子軌道法）、EHMO（擴(kuò)展HMO）法等、半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法、密度泛函理論、量子力學(xué)-分子力學(xué)的QM/MM組合方法等。它們?cè)趶臒o機(jī)小分子到生物大分子，從靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)態(tài)分子動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，從分子內(nèi)的強(qiáng)弱相互作用到分子間強(qiáng)弱相互作用等各方面都有應(yīng)用。量子化學(xué)已經(jīng)涉及到化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等眾多學(xué)科。

隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和理論上的重大突破， 量子化學(xué)軟件也越來越發(fā)達(dá)，得到了廣泛的應(yīng)用。如Gaussian作為一款功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算使用最廣泛的量子化學(xué)軟件，可以研究：分子能量和結(jié)構(gòu)，過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量，分子軌道，反應(yīng)路徑，偶極矩和多極矩，振動(dòng)頻率，紅外和拉曼光譜，原子電荷和電勢(shì)，核磁共振，極化率和超極化率，熱力學(xué)性質(zhì)，用于研究諸多領(lǐng)域的課題。

從上述所述，我們了解了結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子化學(xué)以及量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件。因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程可以很好地利用量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件進(jìn)行分析和詮釋。

2 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的策略

本文主要研究的是將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的問題，研究的過程將本著遵循理論與實(shí)踐相結(jié)合，從典型研究問題出發(fā)，探索并形成研究成果，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)。本文采用如下幾方面實(shí)現(xiàn)量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)：第一方面是文獻(xiàn)研究，通過分析文獻(xiàn)資料，收集國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)化學(xué)及相關(guān)的成果資料，總結(jié)出可行的技術(shù)路線；第二方面是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生親自進(jìn)行一些簡(jiǎn)單地分子設(shè)計(jì)等量子化學(xué)計(jì)算方面的嘗試；第三方面是調(diào)查研究，調(diào)研的主要目的是想了解學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革教學(xué)研究與設(shè)計(jì)的滿意程度；第四方面是多媒體的教學(xué)方法與自主學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，使較為抽象的知識(shí)具體化，提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的掌握。第五方面是主題式教學(xué)和參與式學(xué)習(xí)討論結(jié)合，使學(xué)生分析與解決問題的能力能得到相應(yīng)的提高。

從量子化學(xué)科研結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)入手的具體教改思路是通過用Gaussian等量子化學(xué)軟件計(jì)算，使用GaussianView等可視化的量子化學(xué)軟件，將抽象的概念變?yōu)橹庇^的圖形，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生科研意識(shí)的有效方法。

3 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的實(shí)例

針對(duì)學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)難以較好理解和掌握這一情況， 我們嘗試在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中采用量子化學(xué)計(jì)算方法與軟件來配合教學(xué)。例如：研究水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用[3]，首先用GaussView搭建H2O分子與DMSO分子模型，然后用Gaussian軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算，接下來用GaussView打開結(jié)果文件，得到優(yōu)化后H2O分子與DMSO分子結(jié)構(gòu)。這是可以做一些可視化的教學(xué)：點(diǎn)擊展示振動(dòng)（Display Vibratons）文本框中的開始（start）按鈕，就可以顯示所選振動(dòng)模式的振動(dòng)動(dòng)畫，點(diǎn)擊停止（stop）按鈕，可以停止分子的振動(dòng)，也可以點(diǎn)擊光譜圖（spectrum）按鈕，生成H2O分子和DMSO分子的拉曼以及紅外光譜圖。最后，我們將優(yōu)化后的H2O分子和DMSO分子放在一起進(jìn)一步優(yōu)化，得到H2O分子和DMSO分子間氫鍵的結(jié)構(gòu)圖。在結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂上，我們這樣用量子化學(xué)軟件呈現(xiàn)動(dòng)畫圖像可使難于理解與掌握的知識(shí)變得生動(dòng)有趣，大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)效果。此外，像水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用也是學(xué)科前沿研究熱點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)應(yīng)用并解決前沿的能力。

總之，我們結(jié)合先輩在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革探索過程中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)進(jìn)行深入改革。采用當(dāng)代先進(jìn)的量子化學(xué)計(jì)算方法及軟件來配合教學(xué)，并在教學(xué)內(nèi)容中加入前言科學(xué)問題，加強(qiáng)教學(xué)與科研相結(jié)合，在傳授基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)和化學(xué)思想與方法，著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是解決這門學(xué)科知識(shí)點(diǎn)多雜與難理解的一條有效途徑。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王麗.可視化量子計(jì)算軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)踐[J].新課程，2012，67.

[2]曾榮英，唐文清，馮永蘭，陳志敏.結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].化學(xué)高等教育，2007，97：21-24.

[3]歐陽順利，吳楠楠.拉曼光譜技術(shù)與理論化學(xué)計(jì)算對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究[M].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：湯靜]

【摘 要】本文闡述了在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂中運(yùn)用量子化學(xué)的教學(xué)嘗試。教學(xué)中利用量子化學(xué)計(jì)算方法以及運(yùn)用Gaussian等相關(guān)應(yīng)用軟件，循序漸進(jìn)得對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、功能的關(guān)系進(jìn)行分析，從而生動(dòng)直觀地展示結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)。此外，在教學(xué)內(nèi)容上增加一些教材中沒有的學(xué)科前沿研究動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)聯(lián)想到認(rèn)識(shí)并試圖解決前沿問題的思維能力。

【關(guān)鍵詞】量子化學(xué)；結(jié)構(gòu)化學(xué)；應(yīng)用軟件；交叉

0 引言

結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)目前存在兩個(gè)方面的難題[1]。首先，結(jié)構(gòu)化學(xué)中的內(nèi)容比較抽象，具有極強(qiáng)理論性、實(shí)驗(yàn)性和應(yīng)用性，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維能力，學(xué)生因此難于理解和掌握，極大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果。其次，結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及面廣，隨著當(dāng)代結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科本身的迅猛發(fā)展和與相關(guān)學(xué)科的交叉，使得結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)量快速增加，而相應(yīng)的教學(xué)課時(shí)量不但沒有增加甚至有所減量，這就勢(shì)必形成了任務(wù)多，時(shí)間不足的困難。為了解決上述兩方面的問題，提高該課程教學(xué)效果，國(guó)內(nèi)有一些學(xué)者開展不同程度的探索與研究。例如：整合結(jié)構(gòu)化學(xué)中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，利用多媒體的方法教學(xué)的等教學(xué)改革。這些學(xué)者的探索都或多或少地影響了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)，也取得了不少教學(xué)效果。不過，這些教學(xué)改革和方法沒能根本性地解決這兩方面的問題。因此，針對(duì)如何更好地解決這兩方面問題，我們提出量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的思路。

1 量子化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的關(guān)系

結(jié)構(gòu)化學(xué)作為高等學(xué)?；瘜W(xué)各分支學(xué)科及其它與化學(xué)交叉的各學(xué)科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是利用量子力學(xué)理論及現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科[2]。它是理論化學(xué)的核心，從微觀的角度來研究不同層面的微觀結(jié)構(gòu)以及其結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)等性能之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

量子化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)重要的分支學(xué)科。當(dāng)代量子化學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展利用量子力學(xué)的相關(guān)理論來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科。量子化學(xué)發(fā)展至今， 可以根據(jù)解Schr？魻dinger方程而引入近似程度的不同分為以下幾種方法：從頭計(jì)算方法（ab initio calculation） 、簡(jiǎn)單分子軌道法如HMO（休克爾分子軌道法）、EHMO（擴(kuò)展HMO）法等、半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法、密度泛函理論、量子力學(xué)-分子力學(xué)的QM/MM組合方法等。它們?cè)趶臒o機(jī)小分子到生物大分子，從靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)態(tài)分子動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，從分子內(nèi)的強(qiáng)弱相互作用到分子間強(qiáng)弱相互作用等各方面都有應(yīng)用。量子化學(xué)已經(jīng)涉及到化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等眾多學(xué)科。

隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和理論上的重大突破， 量子化學(xué)軟件也越來越發(fā)達(dá)，得到了廣泛的應(yīng)用。如Gaussian作為一款功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算使用最廣泛的量子化學(xué)軟件，可以研究：分子能量和結(jié)構(gòu)，過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量，分子軌道，反應(yīng)路徑，偶極矩和多極矩，振動(dòng)頻率，紅外和拉曼光譜，原子電荷和電勢(shì)，核磁共振，極化率和超極化率，熱力學(xué)性質(zhì)，用于研究諸多領(lǐng)域的課題。

從上述所述，我們了解了結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子化學(xué)以及量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件。因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程可以很好地利用量子化學(xué)相關(guān)方法和軟件進(jìn)行分析和詮釋。

2 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的策略

本文主要研究的是將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的問題，研究的過程將本著遵循理論與實(shí)踐相結(jié)合，從典型研究問題出發(fā)，探索并形成研究成果，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)。本文采用如下幾方面實(shí)現(xiàn)量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)：第一方面是文獻(xiàn)研究，通過分析文獻(xiàn)資料，收集國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)化學(xué)及相關(guān)的成果資料，總結(jié)出可行的技術(shù)路線；第二方面是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生親自進(jìn)行一些簡(jiǎn)單地分子設(shè)計(jì)等量子化學(xué)計(jì)算方面的嘗試；第三方面是調(diào)查研究，調(diào)研的主要目的是想了解學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革教學(xué)研究與設(shè)計(jì)的滿意程度；第四方面是多媒體的教學(xué)方法與自主學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，使較為抽象的知識(shí)具體化，提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的掌握。第五方面是主題式教學(xué)和參與式學(xué)習(xí)討論結(jié)合，使學(xué)生分析與解決問題的能力能得到相應(yīng)的提高。

從量子化學(xué)科研結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)入手的具體教改思路是通過用Gaussian等量子化學(xué)軟件計(jì)算，使用GaussianView等可視化的量子化學(xué)軟件，將抽象的概念變?yōu)橹庇^的圖形，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生科研意識(shí)的有效方法。

3 量子化學(xué)方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的實(shí)例

針對(duì)學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)難以較好理解和掌握這一情況， 我們嘗試在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中采用量子化學(xué)計(jì)算方法與軟件來配合教學(xué)。例如：研究水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用[3]，首先用GaussView搭建H2O分子與DMSO分子模型，然后用Gaussian軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率計(jì)算，接下來用GaussView打開結(jié)果文件，得到優(yōu)化后H2O分子與DMSO分子結(jié)構(gòu)。這是可以做一些可視化的教學(xué)：點(diǎn)擊展示振動(dòng)（Display Vibratons）文本框中的開始（start）按鈕，就可以顯示所選振動(dòng)模式的振動(dòng)動(dòng)畫，點(diǎn)擊停止（stop）按鈕，可以停止分子的振動(dòng)，也可以點(diǎn)擊光譜圖（spectrum）按鈕，生成H2O分子和DMSO分子的拉曼以及紅外光譜圖。最后，我們將優(yōu)化后的H2O分子和DMSO分子放在一起進(jìn)一步優(yōu)化，得到H2O分子和DMSO分子間氫鍵的結(jié)構(gòu)圖。在結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂上，我們這樣用量子化學(xué)軟件呈現(xiàn)動(dòng)畫圖像可使難于理解與掌握的知識(shí)變得生動(dòng)有趣，大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)效果。此外，像水分子（H2O）與二甲基亞砜（DMSO）分子間氫鍵作用也是學(xué)科前沿研究熱點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有課堂知識(shí)應(yīng)用并解決前沿的能力。

總之，我們結(jié)合先輩在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革探索過程中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)進(jìn)行深入改革。采用當(dāng)代先進(jìn)的量子化學(xué)計(jì)算方法及軟件來配合教學(xué)，并在教學(xué)內(nèi)容中加入前言科學(xué)問題，加強(qiáng)教學(xué)與科研相結(jié)合，在傳授基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)和化學(xué)思想與方法，著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。將現(xiàn)代量子化學(xué)科研方法及相關(guān)軟件應(yīng)用于大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是解決這門學(xué)科知識(shí)點(diǎn)多雜與難理解的一條有效途徑。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王麗.可視化量子計(jì)算軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)踐[J].新課程，2012，67.

[2]曾榮英，唐文清，馮永蘭，陳志敏.結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].化學(xué)高等教育，2007，97：21-24.

[3]歐陽順利，吳楠楠.拉曼光譜技術(shù)與理論化學(xué)計(jì)算對(duì)分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究[M].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：湯靜]