Gaussian 09和GaussView軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

戴國(guó)梁 錢蕙

【摘要】作為化學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，結(jié)構(gòu)化學(xué)由于其抽象性及理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，給教和學(xué)雙方均帶來(lái)了一定困難。本文作者結(jié)合自己的專業(yè)研究方向，在結(jié)構(gòu)化學(xué)講授中應(yīng)用Gaussian 09和GaussView等軟件對(duì)分子軌道等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行輔助教學(xué)，使抽象的化學(xué)理論變得形象、簡(jiǎn)單，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力和學(xué)習(xí)興趣，提高本課程的教學(xué)效果有很大的幫助。

【關(guān)鍵詞】Gaussian 軟件 輔助教學(xué) 結(jié)構(gòu)化學(xué) 教學(xué)方法

【基金項(xiàng)目】江蘇省高校自然科學(xué)基金，項(xiàng)目編號(hào)：14KJB150024。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）33-0156-01

1.課程特點(diǎn)和軟件簡(jiǎn)介

當(dāng)今化學(xué)已進(jìn)入納米空間、皮秒時(shí)間時(shí)代，隨著人們對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的不斷深入，結(jié)構(gòu)化學(xué)的基本理論越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是在材料、信息、能源等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)化學(xué)是研究原子、分子、晶體的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間關(guān)系的科學(xué)。相比化學(xué)專業(yè)的其他基礎(chǔ)課程，本課程的新概念多，數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，系統(tǒng)性很強(qiáng)，故而要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中既有嚴(yán)密的邏輯思維能力，還要有較好的空間想象力，特別是要具備有一定的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)，才能獲得較好的教學(xué)效果。與其他化學(xué)基礎(chǔ)課程如有機(jī)，無(wú)機(jī)，分析化學(xué)等不同，本課程的學(xué)習(xí)過程中缺少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示和操作，而其他化學(xué)類課程在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，均開設(shè)同步的實(shí)驗(yàn)課程。本課程的學(xué)習(xí)需要較多的數(shù)學(xué)、物理知識(shí)，而很多師范院?；瘜W(xué)專業(yè)學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，教學(xué)過程中不得不給學(xué)生補(bǔ)充一些線性代數(shù)知識(shí)，造成實(shí)際講授該課程的學(xué)時(shí)數(shù)偏少。同時(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往對(duì)一些繁瑣的數(shù)學(xué)公式及其推導(dǎo)過程有厭倦和抵觸心理，故學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)的積極性不高。很多同學(xué)在學(xué)習(xí)完本課程后，連一些基本的概念都無(wú)法搞清。事實(shí)上，在全國(guó)范圍內(nèi)，《結(jié)構(gòu)化學(xué)》依然是化學(xué)專業(yè)學(xué)生普遍認(rèn)為最難學(xué)的課程 [1]。

近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和各種化學(xué)模擬軟件的逐漸普及，涌現(xiàn)出了相當(dāng)多的計(jì)算機(jī)輔助化學(xué)教學(xué)的案例，這對(duì)突破教學(xué)難點(diǎn)，提高課堂教學(xué)效率以及激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣等方面有積極的作用[2-4]。因此，如何提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量對(duì)于學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)至關(guān)重要。筆者結(jié)合自己的專業(yè)研究方向，將Ganssian系列軟件應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)當(dāng)中，使教學(xué)內(nèi)容從抽象到直觀、從復(fù)雜變得簡(jiǎn)單，這增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了教學(xué)效果。

美國(guó)Ganssian公司開發(fā)的著名量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian09W和它的圖形化界面GaussView，是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包。該軟件可用于研究分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、熱力學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)路徑等等，是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理等的強(qiáng)有力的工具。

2.應(yīng)用實(shí)例：分子軌道理論和雙原子分子結(jié)構(gòu)

在大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，分子軌道的內(nèi)容比較抽象，因而要求學(xué)生具備較強(qiáng)的空間思維能力和想象力。理論上，在講授該章節(jié)內(nèi)容的時(shí)候，首先必須給學(xué)生詳盡介紹變分原理，求解體系最低能量的方法，進(jìn)而通過求解久期方程獲得分子體系的波函數(shù)，即分子軌道，并進(jìn)一步探討分子的相關(guān)性質(zhì)。在講述這部分內(nèi)容的時(shí)候，如果教師只是單一地利用板書推導(dǎo)相關(guān)的公式，學(xué)生理解將會(huì)非常困難，學(xué)生對(duì)晦澀的公式將是一知半解，無(wú)法將此與分子的軌道聯(lián)系起來(lái)，容易使學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容失去學(xué)習(xí)興趣。但是在 Gaussian軟件的輔助教學(xué)下，可將抽象的涉及數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^生動(dòng)形象的圖像化教學(xué)，對(duì)分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和重構(gòu)，把抽象的分子軌道以圖像形式表示出來(lái)，促進(jìn)學(xué)生直觀地理解分子軌道的來(lái)歷和構(gòu)成，提高分子軌道理論教學(xué)的效果。教師可以告訴學(xué)生，該軟件是借助數(shù)學(xué)原理和計(jì)算機(jī)的計(jì)算方法來(lái)解決化學(xué)問題，實(shí)際上就是將變分等方法程序化，通過求解薛定諤方程計(jì)算出各類分子的軌道和能量，這就大大減少了人工的計(jì)算量。比如對(duì)于氧氣分子，我們首先利用Gaussian09軟件很快的計(jì)算出氧原子的原子軌道圖像和相應(yīng)的軌道能，并由低到高排列這些原子軌道，此時(shí)可以配合教材內(nèi)容，給學(xué)生解釋分子成鍵的三原則：對(duì)稱性匹配，能量相近，最大重疊，學(xué)生就可非常直觀的根據(jù)以上原則，將兩個(gè)氧的原子軌道自行組合得到氧氣的分子軌道，并很容易的辨別成鍵和反鍵軌道，區(qū)別σ和π軌道，進(jìn)而探討一系列相關(guān)的分子性質(zhì)。具體操作過程是，通過GaussView構(gòu)建初始的氧氣分子模型，并轉(zhuǎn)換成空間坐標(biāo)，并導(dǎo)入Gaussian09軟件在課堂上現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化，電腦很快會(huì)將氧氣分子精確的幾何結(jié)構(gòu)輸出，并告訴我們氧氣的分子軌道空間分布圖，以及能級(jí)水平等。運(yùn)用這種教學(xué)方式，學(xué)生較好的掌握了分子軌道方法，這對(duì)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解掌握，有很大的幫助。

3.收獲與體會(huì)

在實(shí)際的教學(xué)過程中，教學(xué)與科研是有機(jī)統(tǒng)一的?？蒲胁粌H是深化教學(xué)的手段和方法，還能夠創(chuàng)新教學(xué)的內(nèi)容。從我教學(xué)的經(jīng)歷中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)教師的科研經(jīng)歷部分是很感興趣的，即使是比較深?yuàn)W的內(nèi)容，也能夠認(rèn)真聽講。所以教師應(yīng)該緊跟學(xué)科研究的最新前沿動(dòng)態(tài)，并將新的科研成果與課堂接軌，可豐富和更新學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，吸引學(xué)生在課堂上的注意力，提升課堂教學(xué)效率。在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)過程中，引入化學(xué)計(jì)算軟件，不僅能幫助學(xué)生更好的掌握結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，還能讓學(xué)生及時(shí)了解學(xué)科發(fā)展的前沿，激發(fā)他們投身科研創(chuàng)新的興趣，為人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]金燕仙，閆華，鐘愛國(guó)，林彩萍，趙杰，戴國(guó)梁.《結(jié)構(gòu)化學(xué)》教學(xué)方法探析[J].廣州化工，2011（8）：145-146，150.

[2]黃斌，錢勇，陳碧波，朱國(guó)平.在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)計(jì)算軟件實(shí)踐的探索[J].廣東化工，2016（23）：128-129.

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作者簡(jiǎn)介：

戴國(guó)梁（1979-），男，漢族，副教授，博士。