交叉融合譜新篇：結(jié)構(gòu)化學(xué)牽手分子模擬

【摘 要】本文結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)與分子模擬兩門(mén)課程的教學(xué)實(shí)踐，探討了將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中引入分子模擬課程的部分內(nèi)容，從而達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。具體介紹了結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中如何與分子模擬的相關(guān)內(nèi)容緊密聯(lián)系，結(jié)合計(jì)算機(jī)上機(jī)操作，從而實(shí)現(xiàn)原子軌道、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)等內(nèi)容的可視化教學(xué)。實(shí)踐證明，將結(jié)構(gòu)化學(xué)與分子模擬課程交叉融合可以?xún)?yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)化學(xué)；分子模擬；交叉融合

中圖分類(lèi)號(hào)： O6-4；TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0171-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.078

Integrations Turn a New Page：Combining Structural Chemistry with Molecular Modeling

HAN Bo

（Faculty of materials science and chemistry， China University of Geosciences Wuhan， Wuhan 430074， Hubei Province， China）

【Abstract】This paper discusses the way to combine structural chemistry with molecular modeling to improve the quality of teaching. Here， we introduces how to connect with the related contents of molecular simulation in the teaching of structural chemistry. When the computer operations are employed， the visualizations of atomic orbits， molecular structures， and chemical reactions could be achieved to reveal the behaviors of microworld. It has been proved that the combination of structural chemistry and molecular simulation can complement each other and significantly improve teaching quality.

【Key words】Structural chemistry；Molecular modeling；Integration

結(jié)構(gòu)化學(xué)作為高等院校化學(xué)、材料等相關(guān)專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、揭示微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系方面具有非常重要的作用。通常，結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究對(duì)象是微觀粒子（原子、分子、團(tuán)簇等），其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與經(jīng)典力學(xué)有極大的差異，需要運(yùn)用抽象的量子力學(xué)來(lái)進(jìn)行描述。這就意味著學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要首先學(xué)習(xí)量子力學(xué)基礎(chǔ)理論，然后才能將其應(yīng)用于解決微觀世界的各種問(wèn)題。但是，由于實(shí)驗(yàn)手段的缺乏，無(wú)法讓學(xué)生直接“觀察”到微觀世界的各種奇異現(xiàn)象和獨(dú)特結(jié)構(gòu)。教師往往只能通過(guò)語(yǔ)言的描述，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自己的想象力來(lái)加深理解。顯然，這種方式不僅無(wú)法讓學(xué)生充分掌握各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而且會(huì)讓上課的過(guò)程比較乏味，久而久之使得學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效果大幅度下降，非常不利于教學(xué)活動(dòng)的順利展開(kāi)。

為了幫助學(xué)生學(xué)好結(jié)構(gòu)化學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量，許多教師都在探索改進(jìn)結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)方法，取得了一定的成果[1-3]。此前，筆者也曾嘗試使用引導(dǎo)啟發(fā)式教學(xué)的方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得了較好的教學(xué)效果[4]。然而，僅僅依靠引導(dǎo)啟發(fā)的方式，對(duì)教學(xué)效果的提升還比較有限，有必要繼續(xù)探索進(jìn)一步提升教學(xué)效果的方法。近幾年，筆者在講授結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的同時(shí)，開(kāi)設(shè)了“分子模擬與設(shè)計(jì)”這樣一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課。分子模擬課程主要是通過(guò)操作計(jì)算機(jī)軟件，可視化的研究原子分子層面的化學(xué)現(xiàn)象?？梢?jiàn)，該課程正好可以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程過(guò)于抽象不夠具體的問(wèn)題。另一方面，結(jié)構(gòu)化學(xué)中學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，正好可以應(yīng)用在分子模擬課程中，對(duì)大量的微觀化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋。因此，將二者結(jié)合在一起可謂優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、恰到好處。

基于上述分析，本文作者根據(jù)自己在教學(xué)實(shí)踐中的一些心得體會(huì)，提出將結(jié)構(gòu)化學(xué)與分子模擬兩門(mén)課程相結(jié)合，從而互相促進(jìn)，達(dá)到教學(xué)效果的共同提升的目的。下面將分享筆者嘗試過(guò)的幾個(gè)實(shí)際教學(xué)案例，權(quán)當(dāng)拋磚引玉，希望能引起教學(xué)同仁的一點(diǎn)關(guān)注與思考。

1 原子軌道看得見(jiàn)

在結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，軌道這個(gè)概念占據(jù)了很大的比重。例如，我們?cè)诮到鈿湓拥慕Y(jié)構(gòu)時(shí)，引出了原子軌道的概念，即描述單電子原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)。通常，講到這里，學(xué)生就會(huì)有這樣一些疑問(wèn)：原子軌道到底是什么？是圓形的軌道嗎？是原子運(yùn)動(dòng)的軌跡嗎？對(duì)于這些疑問(wèn)，雖然在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中也給出了自己的解釋和回答，但效果卻并不好。原子軌道這個(gè)說(shuō)法，非常容易讓學(xué)生誤以為是描述原子的運(yùn)動(dòng)，而實(shí)際上描述的卻是原子中的單電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)化學(xué)的實(shí)際教學(xué)中，關(guān)于原子軌道的圖形表示部分，通常需要將軌道分解為經(jīng)向分布和角度分布兩個(gè)部分單獨(dú)講解，然后再結(jié)合到一起組成原子軌道的圖形。這種教學(xué)方式，不僅繁瑣耗時(shí)，而且只能通過(guò)平面圖形來(lái)展示原子軌道，無(wú)法讓學(xué)生形成直觀的認(rèn)識(shí)，教學(xué)效果較差。對(duì)此，筆者在講授這一部分時(shí)，通過(guò)分子模擬軟件，提前計(jì)算出常見(jiàn)的s、p、d等原子軌道的3D圖形，并在課堂上進(jìn)行展示。在展示原子軌道的過(guò)程中，為學(xué)生講解圖形的意義。由于原子核和軌道都明確的展示在3D圖形中，學(xué)生非常容易接受原子軌道不是原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，而是在描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)圖形中的顏色，可以區(qū)分原子軌道圖形的正負(fù)。進(jìn)一步的，對(duì)于形狀較為復(fù)雜的d軌道，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)3D圖形，讓學(xué)生從各個(gè)不同角度仔細(xì)觀察d軌道的形狀。最后，組織學(xué)生到學(xué)校的計(jì)算機(jī)房進(jìn)行實(shí)際上機(jī)操作，讓原子軌道從高度抽象變成看得見(jiàn)摸得著。很顯然，上述關(guān)于原子軌道的有益嘗試也可以應(yīng)用于分子軌道部分。這樣學(xué)生對(duì)軌道這一部分知識(shí)的印象就極為深刻，學(xué)習(xí)熱情也非常高，學(xué)習(xí)效果自然就提高了。

2 分子結(jié)構(gòu)摸得到

分子的結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一。一般說(shuō)來(lái)，簡(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)還可以通過(guò)平面圖形結(jié)合教師的講解描述來(lái)學(xué)習(xí)。但是，當(dāng)分子結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜時(shí)，平面圖形的表達(dá)方式自身的局限性就體現(xiàn)出來(lái)了。只能通過(guò)學(xué)生自己的空間想象力來(lái)理解分子的空間結(jié)構(gòu)，這就造成了部分空間想象力較差的學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)非常吃力。作者通過(guò)與學(xué)生的溝通交流，發(fā)現(xiàn)有較多的同學(xué)因?yàn)閷?duì)分子結(jié)構(gòu)的理解存在偏差，導(dǎo)致相應(yīng)的理論知識(shí)無(wú)法很好的掌握，學(xué)習(xí)興趣也越來(lái)越差。針對(duì)這一問(wèn)題，我們嘗試將分子模擬課程中的建模部分引入結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂中，讓學(xué)生看見(jiàn)分子是如何搭建出來(lái)的。例如在講授雜化軌道理論部分內(nèi)容時(shí)，碳原子可以采用sp、sp2、sp3等多種雜化方式，其分子結(jié)構(gòu)也各不相同。為了便于學(xué)生理解，作者在課堂上利用分子模擬軟件的建模功能，分別構(gòu)建了若干分子結(jié)構(gòu)，并與上述雜化方式相對(duì)應(yīng)，幫助學(xué)生理解不同雜化方式與分子結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這里有個(gè)小插曲，在軟件中畫(huà)出重疊式的乙醇分子結(jié)構(gòu)時(shí)，形狀與一只小狗很相似，學(xué)生們看到這個(gè)分子結(jié)構(gòu)都笑了起來(lái)。以此為契機(jī)，提出讓學(xué)生們思考，如何自己通過(guò)搭建分子結(jié)構(gòu)來(lái)畫(huà)出一些有意思的圖形，學(xué)生們都踴躍發(fā)言，課堂氣氛也變得很熱烈。下課后，組織學(xué)生到機(jī)房進(jìn)行嘗試，看看能否畫(huà)出自己設(shè)計(jì)的分子圖形，同學(xué)們當(dāng)然很有興趣進(jìn)行上機(jī)練習(xí)。這種教學(xué)方式不僅有趣，而且在不知不覺(jué)中傳遞出一個(gè)信息，即結(jié)構(gòu)化學(xué)并不是特別高深難懂的抽象理論，而是可以看得見(jiàn)可以操作的模型分子。這必然會(huì)極大的減輕學(xué)生的畏難情緒，提高學(xué)習(xí)熱情。

3 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)起來(lái)

說(shuō)道化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于化學(xué)或材料專(zhuān)業(yè)的學(xué)生并不陌生，通常認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)就是原子重新排列形成新分子的過(guò)程。大部分學(xué)生對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的理解往往停留在較為宏觀的層面，例如氫氣與氧氣反應(yīng)生成水、酸與堿發(fā)生中和反應(yīng)、乙烯加氫生成乙烷等等，只知道反應(yīng)物、產(chǎn)物是什么分子，而對(duì)于這些反應(yīng)微觀過(guò)程的認(rèn)識(shí)是相對(duì)匱乏的。這種重結(jié)果而輕過(guò)程的思維習(xí)慣對(duì)于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力是極為不利的。學(xué)生們不清楚在反應(yīng)過(guò)程中原子是如何移動(dòng)、舊化學(xué)鍵是如何斷開(kāi)、新鍵是如何形成的，當(dāng)然就無(wú)法在化學(xué)過(guò)程中進(jìn)行創(chuàng)新性思考。實(shí)際上，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程在講授化學(xué)反應(yīng)相關(guān)內(nèi)容時(shí)，如果想要利用平面圖形來(lái)展示化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，必然需要教師花費(fèi)大量的時(shí)間描述反應(yīng)過(guò)程。這種教學(xué)方式不僅耗時(shí)較多，而且非?？菰?，根本無(wú)法達(dá)到良好的教學(xué)效果。如果一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程能夠以三維圖形的方式來(lái)演示，讓原子運(yùn)動(dòng)起來(lái)，不僅非常直觀，也很容易讓學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程是如何進(jìn)行的。因此，作者利用分子模擬軟件的化學(xué)反應(yīng)模塊，預(yù)先設(shè)置好反應(yīng)物和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，然后在課堂中讓軟件現(xiàn)場(chǎng)生成一個(gè)可以觀看的3D動(dòng)畫(huà)。通過(guò)播放這個(gè)動(dòng)畫(huà)，可以清楚的看到各個(gè)原子在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的移動(dòng)過(guò)程，明確的看到化學(xué)鍵的斷裂和生成。在學(xué)生觀看動(dòng)畫(huà)的過(guò)程中，教師只需要在關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼f(shuō)明就能夠讓學(xué)生理解整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程了。對(duì)于資質(zhì)較好的同學(xué)，甚至可以?xún)H僅通過(guò)觀看動(dòng)畫(huà)就能夠理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。當(dāng)然，如果課后在安排學(xué)生們?nèi)C(jī)房實(shí)際上機(jī)操作一下，將一些常見(jiàn)的化學(xué)反應(yīng)在計(jì)算機(jī)上重現(xiàn)出來(lái)，教學(xué)效果會(huì)更好。

上述這些初步嘗試表明，將結(jié)構(gòu)化學(xué)與分子模擬兩門(mén)課程相結(jié)合，能夠簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)抽象概念的具體化、可視化和可操作化。既能活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，又能加深相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，最終達(dá)到提高課堂教學(xué)效果的目的。需要注意的是，這種教學(xué)模式的關(guān)鍵是找準(zhǔn)交叉融合的結(jié)合點(diǎn)，這就要求老師在上課之前要精心的備課，廣泛的收集素材、準(zhǔn)備好分子模擬的實(shí)例，最好再增加幾次上機(jī)課讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作。當(dāng)然，作者的這些探索還比較粗淺，錯(cuò)漏之處在所難免，望專(zhuān)家批評(píng)指正，不吝賜教。

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