將專業(yè)科研軟件融合于結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)之中

劉國(guó)群，熊加斌

[摘 要] 結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)課程所支撐的、基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的畢業(yè)要求及其指標(biāo)點(diǎn)，探討了三個(gè)專業(yè)科研軟件GaussView 5.0、Gaussian 09和Diamond 3.2對(duì)于結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)的深度融合。教學(xué)實(shí)踐表明，GaussView 5.0可以幫助學(xué)生更加直觀地理解分子的立體構(gòu)型和分子點(diǎn)群對(duì)稱性，更加直觀地理解分子軌道的分布;Gaussian 09可以引領(lǐng)學(xué)生具體地理解量子力學(xué)（第一性原理）的應(yīng)用和量子化學(xué)計(jì)算處理問題的思路，引領(lǐng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和獨(dú)立開展工作的意識(shí);Diamond 3.2可以幫助學(xué)生更加直觀地理解原子晶體、分子晶體、金屬晶體、離子晶體的微觀結(jié)構(gòu)。這三個(gè)專業(yè)軟件與教學(xué)的深度融合，必將有效地促進(jìn)學(xué)生達(dá)到畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)的要求。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)化學(xué) ;專業(yè)軟件;工程教育專業(yè)認(rèn)證;教學(xué)

[作者簡(jiǎn)介] 劉國(guó)群（1977—），男，山東濟(jì)寧人，博士，中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院副教授，主要從事計(jì)算量子化學(xué)研究;熊加斌（1990—），男，河南信陽人，博士，中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院講師，主要從事配位化學(xué)研究。

[中圖分類號(hào)] G421? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）44-0158-04? ? [收稿日期] 2021-03-05

2018年6月以來，中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院的材料科學(xué)與工程專業(yè)（材料大類專業(yè)）一直在為工程教育專業(yè)認(rèn)證積極準(zhǔn)備工作。2019年，學(xué)校組織對(duì)原有本科專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行修訂。2020年5月之前，學(xué)校組織對(duì)2019年版培養(yǎng)計(jì)劃（包括應(yīng)用化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃）所涉及的課程教學(xué)大綱也進(jìn)行了修訂。這次教學(xué)大綱的修訂對(duì)標(biāo)工程教育專業(yè)認(rèn)證，相比之前的教學(xué)大綱有著非常顯著的變化。

一、結(jié)構(gòu)化學(xué)課程所支撐的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的畢業(yè)要求及指標(biāo)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是理科應(yīng)用專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要講解原子、分子的電子結(jié)構(gòu)（原子軌道和分子軌道），主要講解分子和晶體的立體結(jié)構(gòu)[1，2]。對(duì)標(biāo)工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程所支撐的理科應(yīng)用專業(yè)的畢業(yè)要求及其指標(biāo)點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

1.1 工程知識(shí)中的1-2：能夠?qū)⑽锢?、化學(xué)自然科學(xué)知識(shí)用于現(xiàn)象解釋、物理量計(jì)算。

2.2 問題分析中的2-1：能夠運(yùn)用自然科學(xué)和化學(xué)相關(guān)科學(xué)原理，識(shí)別和判斷復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié);2-2：能夠基于數(shù)學(xué)第一性原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)復(fù)雜工程問題。

3.5 使用現(xiàn)代工具中的5-2：能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)男畔①Y源、辦公軟件和繪圖工具進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖形設(shè)計(jì);5-3：能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)膬x器和專業(yè)模擬分析軟件進(jìn)行化學(xué)品檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、模擬與預(yù)測(cè)，并能夠分析其局限性。

在所支撐的上述五個(gè)指標(biāo)點(diǎn)（1-2、2-1、2-2、5-2、5-3）中，對(duì)于指標(biāo)點(diǎn)2-2、5-2和5-3的支撐都是高強(qiáng)度的，都是有鮮明特色的。

為了支撐上述三個(gè)畢業(yè)要求和五個(gè)指標(biāo)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)和基本要求包括以下幾點(diǎn)。

1.能夠闡明量子理論，能夠闡明微觀粒子的波性特征，能夠闡明微觀粒子與宏觀物體運(yùn)動(dòng)特征的差別，能夠闡明量子力學(xué)的基本原理，并用以解釋自然界中的相關(guān)現(xiàn)象。

2.能夠闡明原子晶體、分子晶體、金屬晶體、離子晶體的晶胞結(jié)構(gòu)，能夠闡明晶體的能帶結(jié)構(gòu)理論，能夠比較深刻地理解“結(jié)構(gòu)決定性能，性能反映結(jié)構(gòu)”的思想，并用以指導(dǎo)相關(guān)化學(xué)材料制品的設(shè)計(jì)。

3.能夠闡明量子力學(xué)處理一維勢(shì)箱中的粒子的基本思路，能夠闡明量子力學(xué)處理氫原子和氦原子、處理氫分子離子和氫分子的思路。

4.能夠使用GaussView 5.0等軟件構(gòu)建分子模型，查看分子性質(zhì)，查看分子軌道輪廓圖。

5.能夠使用Gaussian 09等軟件對(duì)簡(jiǎn)單分子進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算與模擬。

6.能夠使用Diamond 3.2等軟件查看晶體的結(jié)構(gòu)。

在這六條教學(xué)目標(biāo)和基本要求中，第五條支撐上述畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)2-2，第四條、第五條、第六條支撐上述畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5-2和5-3。

因此，把上述化學(xué)專業(yè)軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)中，有利于學(xué)生對(duì)于第一性原理和數(shù)學(xué)模型應(yīng)用的理解，有利于學(xué)生利用專業(yè)軟件進(jìn)行化學(xué)品性質(zhì)的模擬與預(yù)測(cè)，優(yōu)化化學(xué)品設(shè)計(jì)方案。

二、GaussView 5.0、Gaussian 09、Diamond 3.2等軟件（程序或應(yīng)用）簡(jiǎn)介

這三個(gè)軟件都是結(jié)構(gòu)化學(xué)相關(guān)的專業(yè)科學(xué)研究軟件。GaussView 5.0主要用于構(gòu)建分子立體結(jié)構(gòu)模型，查看Gaussian 09計(jì)算結(jié)果。Gaussian 09是一款專注于量子化學(xué)計(jì)算的專門軟件。GaussView 5.0的開發(fā)初衷主要是輔助構(gòu)建Gaussian 09計(jì)算輸入文件，并且查看Gaussian 09計(jì)算結(jié)果。Diamond 3.2是一款查看晶體結(jié)構(gòu)原子排布的軟件。GaussView 5.0非常適用于查看分子的立體結(jié)構(gòu)，Diamond 3.2非常適用于查看晶體的微觀結(jié)構(gòu)，而Gaussian 09專注于分子的結(jié)構(gòu)模擬和性質(zhì)預(yù)測(cè)。在某種程度上，這三款專業(yè)軟件雖然不是為結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)專門設(shè)計(jì)開發(fā)的，但是用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)卻是順其自然、無縫對(duì)接的。

三、將GaussView 5.0、Gaussian 09、Diamond 3.2三款軟件深度融入結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)之中

1.將三款軟件融入課程教學(xué)，有利于學(xué)生使用現(xiàn)代工具，方便學(xué)生對(duì)分子、晶體結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)針對(duì)性和學(xué)習(xí)效果。分子和晶體的微觀原子排列和分子軌道輪廓圖都是肉眼無法看到的，因此要理解其幾何構(gòu)型及軌道分布，必須要借助結(jié)構(gòu)模型。傳統(tǒng)的分子、晶體結(jié)構(gòu)教具模型，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較有限，數(shù)量比較有限，攜帶也不方便。

相比較而言，現(xiàn)在大學(xué)生使用筆記本電腦已經(jīng)比較普遍。將這三款軟件安裝于學(xué)生自帶的筆記本電腦里面，非常方便于學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)分子和晶體的結(jié)構(gòu)，而不僅限于課堂教學(xué)中。GaussView 5.0和Diamond 3.2這兩款軟件都含有程序自帶的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以方便地查看各種分子和晶體的結(jié)構(gòu)，豐富學(xué)生的認(rèn)識(shí)。另外，學(xué)生也可以從互聯(lián)網(wǎng)上搜索更多的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，提高學(xué)生的信息化應(yīng)用水平。再者，這三款軟件都是全英文界面，也適宜于學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的過程中，學(xué)習(xí)專業(yè)英語。

2.關(guān)于這三款軟件安裝的教學(xué)注意事項(xiàng)。這三款軟件的安裝界面也是全英文，對(duì)于經(jīng)常安裝軟件（程序）的學(xué)生，安裝這三款軟件是一件比較輕松的事情（每款軟件的安裝一般可以在五分鐘之內(nèi)輕松完成）。但是，對(duì)于從來沒有或者很少在計(jì)算機(jī)上安裝過軟件的學(xué)生（這樣的學(xué)生并不在少數(shù)），這并不是一件簡(jiǎn)單的事情（每款軟件的安裝可能需要半小時(shí)，甚至是半天）。因此，在教學(xué)過程中，應(yīng)該多給不熟悉軟件安裝的學(xué)生指導(dǎo)和幫助。在軟件使用的初期階段，幫助學(xué)生克服畏難情緒，讓他們盡快進(jìn)入軟件的正常使用狀態(tài)。

在軟件安裝過程中，可能需要輸入序列號(hào)。這是軟件開發(fā)者保護(hù)軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種通用方法。因此，提醒學(xué)生在安裝軟件的過程中，要有保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的意識(shí)，提醒學(xué)生有關(guān)軟件僅用于學(xué)習(xí)目的，不用于其他用途（尤其是商業(yè)用途）。

3.教學(xué)方法。在實(shí)際教學(xué)過程中，演示法是效果最好的教學(xué)方法。采用演示方法，一步一步地在多媒體投影屏上演示每一款軟件的相關(guān)功能。將軟件使用操作過程做成演示視頻提供給學(xué)生，可以方便學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)如何使用軟件。

這三款軟件的使用，都具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。學(xué)生要想熟練使用這三款軟件，必須進(jìn)行大量的操作訓(xùn)練。為了促使學(xué)生進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練，教師需要布置相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)作業(yè)和考核。在作業(yè)內(nèi)容上，不要求統(tǒng)一，鼓勵(lì)學(xué)生隨機(jī)選取自己感興趣的分子或是晶體進(jìn)行構(gòu)建、計(jì)算、結(jié)果查看。比如，有的學(xué)生可以選取構(gòu)建甲苯分子，有的學(xué)生可以選取構(gòu)建丙醇分子，等等。這樣，大部分學(xué)生的作業(yè)都會(huì)做出自己的特色。鼓勵(lì)學(xué)生在軟件使用過程中有什么疑問和難點(diǎn)可以互相討論，也可以與教師溝通聯(lián)系。

4.使用GaussView 5.0輔助教學(xué)的實(shí)例。比如，雙氧水（H2O2）分子既不是線型分子，也不是平面型分子，而是折面型分子。雙氧水分子中有一個(gè)二重旋轉(zhuǎn)軸（C2），但是許多學(xué)生并不十分清楚二重軸的位置。采用GaussView軟件顯示雙氧水分子的結(jié)構(gòu)，并使其二重軸的方向沿著坐標(biāo)系z(mì)軸的方向（垂直于電腦顯示器平面），然后沿二重軸轉(zhuǎn)動(dòng)分子，這樣學(xué)生就可以比較容易地分辨出二重軸的方向，實(shí)際上就是兩個(gè)氧原子的中心，與兩個(gè)氫原子的中心的連線方向。

再比如，查看CH4分子和CH3Cl分子的三重軸。一般學(xué)生在接觸到甲烷分子的立體構(gòu)型時(shí)，很容易理解甲烷是個(gè)正四面體分子，但是不太容易判斷甲烷分子中有幾重對(duì)稱軸。通過GaussView軟件顯示甲烷分子的立體構(gòu)型，學(xué)生可以很方便地看到甲烷分子中的三重軸（沿每一個(gè)C-H鍵方向）和二重軸（沿每個(gè)HCH夾角的平分線方向）。類似地，學(xué)生也可以很直觀地通過這個(gè)軟件查看CH3Cl分子的三重軸（沿著C-Cl鍵方向）。

5.使用Gaussian 09軟件輔助教學(xué)的實(shí)例。對(duì)于Gaussian 09的學(xué)習(xí)，首先學(xué)生要明白進(jìn)行Gaussian 09的計(jì)算，要構(gòu)建好輸入文件。輸入文件雖然比較簡(jiǎn)單，但是有著嚴(yán)格的格式。初學(xué)者往往由于一點(diǎn)細(xì)微之處的錯(cuò)誤，導(dǎo)致Gaussian 09程序運(yùn)行中很快報(bào)錯(cuò)，跳出運(yùn)行。有些學(xué)生由于一些細(xì)微的錯(cuò)誤，獨(dú)自鉆研了一上午甚至一天，都無法解決問題。因此，在教學(xué)過程中，對(duì)于輸入文件的每一關(guān)鍵部分（比如空行的使用、關(guān)鍵詞的使用），都詳細(xì)講解。在教學(xué)過程中，向?qū)W生演示講解，如果哪一部分出現(xiàn)了格式錯(cuò)誤或者是關(guān)鍵詞錯(cuò)誤，程序會(huì)給出怎樣的報(bào)錯(cuò)。學(xué)生能夠成功運(yùn)行程序，并得到預(yù)想的計(jì)算結(jié)果，是學(xué)生下一步學(xué)習(xí)這個(gè)軟件的基礎(chǔ)。如果程序總是報(bào)錯(cuò)，會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有著明顯影響。

其次，要使學(xué)生明白和了解，與GaussView軟件使用不同的是，Gaussian 09軟件的使用，很重要的一點(diǎn)就是，對(duì)所計(jì)算的體系選擇合適的計(jì)算方法和計(jì)算基組。原則上，計(jì)算方法越高級(jí)，計(jì)算基組越大，計(jì)算結(jié)果精確度越高。但是實(shí)際上，計(jì)算方法越高級(jí)，計(jì)算基組越大，所需要的計(jì)算資源（比如CPU時(shí)間、內(nèi)存大小、硬盤大小等）也越多，而且隨著體系的增大而急劇增加。因此，選擇性價(jià)比較高（所需計(jì)算資源較少，計(jì)算完成時(shí)間較短，計(jì)算結(jié)果又與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好）的計(jì)算方法是非常重要的。通過這個(gè)問題的講解，學(xué)生對(duì)于量化計(jì)算有著更深一步的了解，也對(duì)學(xué)生畢業(yè)以后從事有關(guān)工作提供了一個(gè)參考（盡可能低的成本，盡可能高的產(chǎn)出）。

另外，在教學(xué)過程中，盡量給學(xué)生講解程序的一些應(yīng)用實(shí)例，引導(dǎo)加深學(xué)生對(duì)于該軟件的學(xué)習(xí)。比如，在“結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)”第一章“量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)”中，學(xué)生學(xué)習(xí)了一維勢(shì)箱粒子模型，學(xué)習(xí)了將這個(gè)模型應(yīng)用于一維線型分子花菁染料的方法，得到了含有不同數(shù)目烯基基團(tuán)的染料的吸收光譜峰的計(jì)算數(shù)值，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，顯示出與實(shí)驗(yàn)值的吻合。對(duì)于這些分子，在教學(xué)中向?qū)W生展示，Gaussian 09軟件可以通過比較簡(jiǎn)單的輸入設(shè)置，然后進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算的譜峰數(shù)值，并與實(shí)驗(yàn)值相比較，也是比較吻合的。另外，通過講解，學(xué)生明白了一維勢(shì)箱粒子模型沒有考慮到染料分子的溶劑效應(yīng)（對(duì)應(yīng)的是氣相分子的紫外可見吸收光譜，而實(shí)驗(yàn)上分子的吸收光譜是在溶液中測(cè)量的;染料分子所溶解的溶劑不同，其吸收光譜也是有著不同的），而在Gaussian 09計(jì)算中則可以考慮溶劑效應(yīng)（通過簡(jiǎn)單設(shè)置，就可以模擬水、甲醇、乙醇、DMF、丙酮等不同溶劑的效應(yīng)對(duì)吸收光譜的影響）。

比如，學(xué)生在有機(jī)化學(xué)中學(xué)到取代基效應(yīng)，Gaussian 09軟件可以將取代基效應(yīng)清晰地、定量地計(jì)算出來。在教學(xué)過程中，可以設(shè)計(jì)一系列苯環(huán)取代物。比如單取代物，可以使用如下取代基：-F、-Cl、-Br、-I、-NH2、-NO2、-CH3、-OCH3、-N（CH3）2等。另外，苯環(huán)還可以被換成吡啶、呋喃、吡嗪等。為了使學(xué)生熟悉Gaussian 09軟件的使用，這些取代基效應(yīng)的計(jì)算，可以作為學(xué)生的實(shí)習(xí)作業(yè)。另外，學(xué)生還可以了解科學(xué)研究思路，為大四寫作畢業(yè)論文、工作打好基礎(chǔ)。

6.使用Diamond 3.2軟件輔助教學(xué)的實(shí)例。Diamond 3.2程序系統(tǒng)自身攜帶了一些基本的晶體結(jié)構(gòu)模型，比如金剛石、金屬單質(zhì)金銀銅、氯化鈉等。比如，學(xué)生要查看金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，只要在程序中打開相應(yīng)的文件，金剛石的結(jié)構(gòu)便呈現(xiàn)在屏幕上。觀察金剛石的面心立方結(jié)構(gòu)、金剛石晶體單胞內(nèi)的4個(gè)碳原子，通過旋轉(zhuǎn)晶體結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以從不同角度查看晶體，都可以非常清晰形象地進(jìn)行理解。另外，學(xué)生通過改變有關(guān)參數(shù)，還可以看到2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)單胞以及更多單胞組成的結(jié)構(gòu)，從而更好地理解晶體結(jié)構(gòu)的周期重復(fù)性。

除了程序自帶的一些晶體結(jié)構(gòu)外，學(xué)生還可以從互聯(lián)網(wǎng)上搜索獲取到任意晶體結(jié)構(gòu)的CIF文件（晶體學(xué)信息文件），然后使用Diamond 3.2程序打開、查看該晶體的具體結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力很有幫助。教師可以布置有關(guān)的實(shí)習(xí)作業(yè)，促使學(xué)生完成相關(guān)訓(xùn)練。比如，課程中涉及了青蒿素的晶體結(jié)構(gòu)，可以引導(dǎo)學(xué)生在網(wǎng)上晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到其CIF文件，下載到自己的電腦里面，采用Diamond 3.2程序打開學(xué)習(xí)、了解。再如，學(xué)生也可以檢索DNA的結(jié)構(gòu)，采用Diamond 3.2程序打開，查看DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

四、結(jié)語

將GaussView 5.0、Gaussian 09、Diamond 3.2三款軟件用于結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)之中，對(duì)于學(xué)生理解分子和晶體的結(jié)構(gòu)、理解分子的軌道分布、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)，都是非常有幫助的。要使學(xué)生熟練地掌握這三款軟件的使用，就需要給學(xué)生布置相關(guān)的作業(yè)和訓(xùn)練，解答學(xué)生的疑惑和困難，讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)去實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)。

參考文獻(xiàn)

[1]周公度，段連運(yùn).結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)[M].第5版.北京：北京大學(xué)出版社，2017.

[2]劉國(guó)群，米立偉.氫分子的能量核間距曲線[J].教育教學(xué)論壇，2017（10）.

Integrating Professional Scientific Research Software into the Teaching of Structural Chemistry Course

LIU Guo-qun， XIONG Jia-bin

（School of Materials and Chemical Engineering， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou， Henan 450007， China）

Abstract： Combined with the graduation requirements and index points of applied chemistry supported by the Structural Chemistry course and based on engineering education professional certification， this paper discussed the deep integration of three pieces of professional research software： GaussView 5.0， Gaussian 09 and Diamond 3.2 for Structural Chemistry course teaching. Teaching practice showed that GaussView 5.0 could help students more intuitively understand the molecular stereo configuration， molecular point group symmetry， and the distribution of molecular orbital; Gaussian 09 could lead students to understand the application of quantum mechanics （first principle） and the thought of quantum chemistry calculation processing problems， enlightening students sense of innovation and independent work; and Diamond 3.2 could help students understand the microstructure of atomic crystal， molecular crystal， metal crystal and ionic crystal more intuitively. The deep integration of the three pieces of professional software and teaching would effectively promote students to meet the requirements of graduation index points.

Key words： Structural Chemistry; professional software; engineering education professional certification; teaching