《計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的運(yùn)用》教學(xué)思考與探索

庾弘朗

（韓山師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 潮州 521041）

1 課程開設(shè)理由與意義

隨著軟、硬件的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用已滲透到化學(xué)各個應(yīng)用領(lǐng)域［1-6］.輔助教學(xué)、實(shí)驗(yàn)仿真、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理、科學(xué)繪圖、微觀可視化、藥物設(shè)計(jì)、波譜模擬與圖譜解析、化學(xué)藥品管理、大型儀器自動化管理、化工過程自動化、文獻(xiàn)檢索與管理等都高度依賴計(jì)算機(jī)的幫助.特別是化學(xué)模擬已成為解決化學(xué)及材料學(xué)科領(lǐng)域?qū)嶋H問題的重要組成部分與獨(dú)立研究手段.因此駕馭計(jì)算機(jī)能力已成為衡量化學(xué)科技工作者能力的重要標(biāo)尺之一.計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的廣泛應(yīng)用極大地解放了人力勞動、延展各項(xiàng)技能與提高勞動效率.《計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的運(yùn)用》教學(xué)目標(biāo)的重點(diǎn)旨在培養(yǎng)必用軟件的實(shí)際應(yīng)用能力.如何提高教學(xué)質(zhì)量和達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，是《計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的運(yùn)用》課程教學(xué)改革重點(diǎn)與難點(diǎn).盡管國內(nèi)專家提出很多不同的教改建議與措施，但都非常強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教學(xué)［2-5］.本文結(jié)合筆者多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會，首先探討了教學(xué)內(nèi)容的選擇，然后提出教學(xué)方法、考核方式的改進(jìn)建議，最后舉例說明如何開展實(shí)踐教學(xué).

2 教學(xué)內(nèi)容與課時安排

計(jì)算機(jī)在化學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用，涉及兩大主流操作系統(tǒng)（Linux、Windows）及各種輔助類和模擬類軟件［1，5］.常用輔助類軟件主要有：①文獻(xiàn)收集與管理，這類程序可幫助用戶收集、整理、排列文獻(xiàn)，常用程序有EndNote與NoteExpress；②化學(xué)繪圖軟件，常用的有Gaussview、MedeA、Chem3D、CHem-Window與ChemDraw等；③專業(yè)繪圖與數(shù)據(jù)處理軟件類，如Origin、Excel；④計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)及文本編輯軟件：PowerPoint、word、notepad++等；⑤圖譜解析與預(yù)測類，此類軟件一般在獨(dú)立專業(yè)課程中講授.核磁數(shù)據(jù)處理軟件有Nuts，色譜及紅外、拉曼實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件有GRAMS/32等.模擬類軟件主要用于化學(xué)模擬，常用軟件主要有Gaussian09、VASP、GAMESS、HyperChem、MOPAC等.Gaussian09是最流行的量子計(jì)算綜合軟件包.計(jì)算機(jī)軟件種類眾多，如何選擇呢？

遴選與設(shè)置教學(xué)內(nèi)容應(yīng)優(yōu)先考慮下列原則.基礎(chǔ)性原則：所選內(nèi)容不可替代；實(shí)用性原則：所授內(nèi)容具有實(shí)際應(yīng)用價值；實(shí)踐性原則：有利于學(xué)生參與實(shí)踐與培養(yǎng)實(shí)際操作能力；綜合性原則：設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)活動時，應(yīng)考慮多層次、多角度、不同軟件的聯(lián)合運(yùn)用；前瞻性原則：所授內(nèi)容符合未來發(fā)展趨勢.基于上述原則，表1列出主要教學(xué)內(nèi)容及課時安排.

表1 課程主要教學(xué)內(nèi)容與課時安排

重視Gaussian09模擬軟件的教學(xué)基于以下理由.首先本科《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課程介紹了量子化學(xué)基本原理；其次，《結(jié)構(gòu)化學(xué)》教材［7-8］已將Gaussian軟件使用方法與步驟編入其中；最后，量化模擬已成為一種強(qiáng)大且獨(dú)立的科研工具，而且Gaussian09簡單易學(xué).

3 改進(jìn)教學(xué)方法與考核方式

教學(xué)上遵循由易到難、由簡到繁原則.對單個軟件首先進(jìn)行分解教學(xué)，然后再進(jìn)行綜合教學(xué)，實(shí)現(xiàn)多軟件、多任務(wù)、多目標(biāo)訓(xùn)練.全程突出實(shí)踐教學(xué)，采取“少講理論+多演示操作+多上機(jī)實(shí)踐+課后多實(shí)踐鞏固”教學(xué)模式.注重利用科研熱點(diǎn)問題設(shè)計(jì)教學(xué)素材，有利于吸引學(xué)生興趣.適當(dāng)擴(kuò)展教學(xué)時間、空間域，充分利用嗶哩嗶哩、百度上豐富的教學(xué)視頻資料，課前收集并鏈接到學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺，引導(dǎo)學(xué)生課后線上自主學(xué)習(xí).

考核方式遵循“剛?cè)岵?jì)”原則.“剛”就是重視平時考勤與課堂參與、操作能力、自學(xué)程度與作業(yè)完成情況考核，預(yù)設(shè)達(dá)標(biāo)要求，嚴(yán)格執(zhí)行.“柔”指期末考核方式（上機(jī)考核；撰寫課程學(xué)習(xí)總結(jié)，談體會；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、模擬結(jié)果文件，利用所學(xué)軟件模仿指定文獻(xiàn)中圖、表繪制與數(shù)據(jù)處理進(jìn)行多樣化，優(yōu)化組合，突出實(shí)際應(yīng)用能力考核.采取綜合總評成績=0.4×平時成績（考勤、作業(yè)、課堂實(shí)踐能力、自學(xué)量）+0.6×期末考核成績.

4 方法與步驟教學(xué)實(shí)例

首先選取一篇關(guān)于太陽能電池染料分子的設(shè)計(jì)與模擬文獻(xiàn)［9］.教師課前按照要求模仿文獻(xiàn)與設(shè)計(jì)出全新分子，并完成所有計(jì)算工作.然后利用不同軟件，模仿文獻(xiàn)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理及圖表繪制工作，并整理成PPT課件.課堂上，依次講授與演示整個過程.然后再安排學(xué)生上機(jī)實(shí)踐操作，重復(fù)所有操作過程.課后再布置成作業(yè)，要求在各自PC機(jī)上再次重復(fù)所有操作，要求在規(guī)定時間內(nèi)提交.最后根據(jù)學(xué)生掌握情況進(jìn)行后續(xù)復(fù)習(xí)鞏固.所有教學(xué)環(huán)節(jié)完成后，學(xué)生自然掌握所有操作技能，達(dá)到教學(xué)目標(biāo).下面是具體操作方法與步驟.

第一步，利用GaussView設(shè)計(jì)所有分子，獲得初始輸入坐標(biāo)，再利用Gaussian09在超算平臺上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與頻率計(jì)算，比較同分異構(gòu)體能量，獲得基態(tài)結(jié)構(gòu)（簡略輸入文件見圖1）.然后用基態(tài)結(jié)構(gòu)分別做相應(yīng)陰、陽離子單點(diǎn)計(jì)算（見圖2、圖3），最后在基態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，模擬相應(yīng)吸收光譜（見圖4）.所有計(jì)算均在乙醇溶劑和PCM模型下進(jìn)行.

圖1 M1結(jié)構(gòu)優(yōu)化與頻率計(jì)算輸入文件示意圖

圖2 基態(tài)M1陰離子單點(diǎn)能計(jì)算輸入文件示意圖

圖3 基態(tài)M1陽離子單點(diǎn)能計(jì)算輸入文件示意圖

圖4 分子M1吸收光譜的模擬計(jì)算輸入文件示意圖

第二步，應(yīng)用GaussView、Chem3D和ChemDraw軟件繪制基態(tài)M1～M6的結(jié)構(gòu)示意圖.首先用GaussView打開優(yōu)化好的結(jié)果文件（*.log），并保存后綴名為gjf類型文件.接著用CHem3D打開gif文件，調(diào)整、選定后拷貝到ChemDraw畫板內(nèi)，對所有分子重復(fù)上述步驟.然后進(jìn)行圖形編輯、添加文字或符號、選用顏色等操作，得結(jié)構(gòu)示意圖5.

圖5 染料分子M1～M6的結(jié)構(gòu)示意圖

第三步，從基態(tài)log文件里，查找M1～M6分子的HOMO、LUMO能級，以及相應(yīng)陰、陽離子的單點(diǎn)能，匯入Excel表格，截圖見圖6.根據(jù)各物理量之間轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用Excel軟件計(jì)算功能，批量處理并獲得每個基態(tài)分子對應(yīng)的前線軌道能級（EHOMO、ELUMO）、能隙Egap（ELUMO-EHOMO）、垂直電離能IP（v）與電子親合勢EA（v）.最后利用word繪制成三線表，把上述處理結(jié)果按需匯集于表2.

圖6 利用Excel軟件處理分子M1～M6的HOMO、LUMO能級、能隙、垂直電離能與電子親合勢

表2 染料分子M1～M6的HOMO、LUMO能級、能隙、垂直電離能與電子親合勢

第四步，聯(lián)合應(yīng)用GaussView和ChemDraw繪制分子M1～M6前線分子軌道圖.步驟為：先用GaussView打開每個分子相應(yīng)formchk文件，點(diǎn)擊results→Surfaces/contours→cube actions→new cube→選擇一個軌道→new surface→右擊鼠標(biāo)→Edit→Image Capture，然后粘貼到word里，再截圖到Chem-Draw畫板進(jìn)行編輯，得圖7.

圖7 染料分子M1～M6的前線分子軌道圖

第五步，聯(lián)合GaussView、Notepad++與Origin，繪制M1～M6的模擬吸收光譜圖.對每個分子，先用GaussView打開其吸收光譜log文件，顯示吸收光譜，然后點(diǎn)擊Results→UV-Vis→再在光譜圖上右擊鼠標(biāo)→Save Date→保存為文本文件→然后用Notepad打開該文件→將波長、相應(yīng)摩爾吸光系數(shù)列數(shù)據(jù)拷貝到Origin中，點(diǎn)擊折線圖按鈕，然后進(jìn)行圖形編輯與設(shè)置→截圖到word，得圖8.

圖8 染料分子M1～M6的吸收光譜圖

5 結(jié)語

多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，只有深刻領(lǐng)悟課程開設(shè)價值與意義，提高思想認(rèn)識水平，想方設(shè)法驅(qū)動學(xué)生完成多目標(biāo)、多任務(wù)、多技能的實(shí)踐操作，才能有效提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的綜合應(yīng)用能力.