《計算化學》課程教學大綱

《計算化學》教學大綱一、課程基本信息課程名稱計算化學ComputationalChemistry課程編碼SCC820921021開課院部理學院課程團隊計算化學（化學專業(yè)）學分2.0課內學時32講授20實驗0上機12實踐0課外學時0適用專業(yè)化學授課語言英語English先修課程高等數學（2-1）、無機化學（2-1）、高等數學（2-2）、大學物理（2-1）、無機化學（2-2）、大學物理（2-2）、有機化學（2-1）、物理化學（2-1）、有機化學（2-2）、物理化學（2-2）課程簡介（限選）計算化學是物理化學的一個分支。它基于量子化學的方法，利用計算機的計算能力來研究化學體系，尤其是微觀體系的性質。這些性質包括分子結構、軌道特點、分子間相互作用能、晶體結構、振動光譜、反應勢能面、溶劑化效應等眾多有用的信息。課程內容分為理論化學概論和實際應用兩大部分。第一部分包含量子力學簡介、分子軌道理論，Hartree-Fock以及后Hartree-Fock方法、密度泛函理論，半經驗方法，基組等理論知識。第二部分將介紹計算化學常用軟件的特點，基本使用方法、結果解讀以及相關的操作實踐，主要在計算機上完成。在前面的基礎上，介紹某些代表性且學生能夠聽懂的研究成果，進行帶有科研性質的問題解決與訓練。?Computationalchemistryisabranchofphysicalchemistry.Basedonthequantummechanicalmethods,thisprinciplewithtakingtheadvantageofthestrongcomputationalabilityofcomputers,dealswiththepropertiesofchemicalsystems,especiallythemicroscopicsystems.Thesepropertiesincludemolecularstructure,characteroforbitals,interactionenergybetweenmolecules,crystalstructure,vibrationalspectra,potentialenergysurfacesofreactions,salvationenergyandsoon,whichareveryusefulinformationforchemistry.Thiscoursecanbedividedintotwoparts,i.e.theoreticalchemistryandpracticalapplication.Thefirstpartincludestheoreticalknowledgeofabriefintroductiontoquantummechanics,molecularorbitaltheory,Hartree-Fockandpost-Hartree-Fockmethods,densityfunctionaltheory,semi-empiricalmethodandbasissets.Thesecondpartincludessomefrequentlyusedsoftwareincomputationalchemistry,emphasizingonthebasicmethodsoftheiroperation,theresultcollectionandpracticaloperations.Teachingofthispartisconductedmainlywithcomputer.Withtheabove-describedknowledge,selectedrecentlypublishedresearchresultswillbeintroduced,andtrainingofsolvingproblemshavingthecharacterofscientificresearchwillbeorganized.負責人（教師姓名）大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標序號代號課程目標OBE畢業(yè)要求指標點任務自選1M1目標1：以英語為表達和交流工具，了解通過計算化學可以為化學體系研究帶來的信息。了解領域現狀以及趨勢，使其具有在后續(xù)化學類領域研究中具有自覺使用計算化學工具的意識。是2.3,6.32M2目標2：以英語為表達和交流工具，了解以量子力學為基礎的從頭計算法與密度泛函理論的基礎知識，為后續(xù)計算化學軟件解讀提供知識基礎；也為學生后續(xù)深入學習理論化學提供基礎。是5.1,6.33M3目標3：通過課程的實踐，掌握一些與計算化學相關的軟件操作，程序運行結果解讀，信息提煉能力，培育認識和發(fā)現問題的能力和以及使用英語組織研究結果的能力。是5.1,6.3三、課程內容序號章節(jié)號標題課程內容/重難點支撐課程目標課內學時教學方式課外學時課外環(huán)節(jié)10緒論0.1重新認識化學學科特點；計算機發(fā)展對化學學科的意義；0.2計算化學應用成果示例，計算化學能解決的化學問題；0.3本課程涵蓋范圍，本課程的學習方法和基本要求M1,M2,M30.5講授0自學21.1量子理論誕生紫外災難與Plank的能量量子化假設；光電效應、Einstein的光子理論與光的波粒二象性；Bohr原子模型；deBroglie的物質波模型；M1,M20.5講授0自學31.2量子力學建立定態(tài)薛定諤方程的建立思路；量子力學基本假定；波函數及其意義；薛定諤方程的地位；算符與本征值的概念；薛定諤方程的算符表示法；M1,M20.5講授0自學41.3氫原子的薛定諤方程解及其結論氫原子的薛定諤方程表達式；直角坐標與內坐標；方程解的介紹以及量子數；類氫離子波函數；徑向函數；角度函數；球諧函數；空間函數；自旋函數；旋軌函數；M1,M20.5講授0自學51.4多電子系統(tǒng)的薛定諤方程原子單位的定義；原子單位表示法下的多電子系統(tǒng)薛定諤方程；多電子系統(tǒng)薛定諤方程的困難所在；變分法基本原理；M1,M21講授0自學61.5分子軌道理論的三個基本近似非相對論近似；Born-Oppenheimer近似；單電子近似；各基本近似下薛定諤方程的變化。M1,M21講授0自學72.1Hartree方法背景簡介；SCF的概念以及Hartree思路；Hartree積假定；Hartree方法的結果以及主要問題；M1,M20.5講授0自學82.2Hartree-Fock方程的建立Slater行列式及其特點；Slater行列式條件下的變分法求解薛定諤方程思路；H-F方程的推導；單電子算符、雙電子算符、庫倫算符、交換算符、Fock算符；H-F方程特點介紹M1,M20.5講授0自學92.3Hartree-Fock-Roothan方程MO-LACO假定；基函數的概念；Hartree-Fock-Roothan方程的不同表達法；庫倫積分，交換積分，重疊積分，單電子積分，雙電子積分，密度矩陣；H-F-R方程的自洽場迭代求法。M1,M20.5講授0自學103基函數類氫離子波函數的來源；徑向函數、球諧函數的特征；類氫離子波函數作為基函數的優(yōu)缺點；STO表達式，指數特征；STO對類氫離子波函數的改造；單zeta、雙zeta以及多zeta的含義；STO的優(yōu)缺點；多中心積分問題的來源；GTO表達式，指數特征；GTO的笛卡爾坐標表達；GTO乘積定理；多中心積分向單中心積分的轉化；GTO的優(yōu)缺點；收縮GTO的概念；分裂價基、極化基、彌散基；贗勢基組；平面波基組；上述基組的優(yōu)點、缺點、常用對象。M1,M21.5講授0自學114.1Post-HF方法電子相關；電子相關能；Hartree-Fock方法的局限性；組態(tài)、組態(tài)相互作用、FCI；CIS、CID、CISD方法；Moller-Plosset方法；耦合簇理論；Post-HF方法計算量與精確度的大致排序；常用術語；M1,M20.5講授0自學124.2半經驗方法半經驗方法的基本特征；半經驗方法基本分類；價電子近似的含義；HMO與EHMO法簡介；其它方法簡介；半經驗方法使用注意事項；M1,M20.5講授0自學134.3密度泛函理論Hartree-Fock和postHartree-Fock方法的問題；Thomas-Fermi自由電子氣模型；Hohenberg-Kohn二定理；Kohn-Sham對策與方程；交換和相關泛函；常用交換與相關泛函分類。M1,M22講授0自學145.1構建分子坐標計算化學軟件總覽，基本特點簡介；分子坐標的直角坐標與內坐標表達方式；分子構建基本方法分類；分子構建分類演示；觀看案例后，上機練習不同類型的分子構建以達到熟練，特別是微調分子精細結構；M1,M34講授，上機0自學155.2Gaussian使用方法簡介軟件安裝；文件類型；輸入文件編輯方法；文件內部格式以及運行方法；輸出文件基本組成；能量、電荷、振動頻率等信息的查詢方式；記錄點文件的利用；根據指定案例進行上機練習不同類型的輸入文件編輯和任務運行；M1,M34講授，上機0自學165.3二體相互作用能研究示例二體相互作用的在化學中的意義；二體相互作用能，自由能；分子結構設計；系列輸入文件編輯；輸出結果整理方法與計算方法；基組重疊誤差；基組重疊誤差校正方法；根據指定案例進行上機練習。M1,M35講授，上機0自學176.1單點能計算、結構優(yōu)化、頻率分析介紹相關關鍵字、選項、文件編輯以及結果解讀。M1,M31講授，上機0自學186.2關于過渡態(tài)搜尋過渡態(tài)的意義；過渡態(tài)在勢能面中的特征；關鍵字與選項；相關結果解讀。M1,M31講授，上機0自學196.3其它任務簡介NBO電荷分析；激發(fā)態(tài)計算；溶劑化效應；核磁共振；上機自己練習某些簡單案例。M1,M31講授，上機0自學207.1使用計算化學工具進行科研的建議與示例一些科研案例介紹M1,M31講授0自學217.2關于密度泛函理論方法中的泛函選擇泛函的選項，選擇思路。M1,M31講授0自學227.3負責案例研究入門根據指定或自設的簡單科研課題，系統(tǒng)性地設計研究內容，完成運行，解讀和報告撰寫。M1,M34講授0自學四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細節(jié)總評占比1指定上機任務完成情況1.考察學生是否能夠按照指定案例獨立完成跟蹤性練習任務。2.考察學生是否能夠根據指定運行任務完成所需上機操作。3.考察學生是否能夠熟練、有效獲取關鍵信息，并完成簡單化學性質研究題目，撰寫簡單的模擬報告。50%2大作業(yè)考察學生是否能根據課堂學習、教材、文獻或其它科技資料提煉選定前沿課題所對應的化學問題，并設計并執(zhí)行計算化學研究方案，撰寫研究報告，得到初步結論，提出自己的見解。30%3考勤隨機點名、刷卡點名、課代表點名、提問等10%4課堂表現隨機或通過課堂小測方式檢查學生上課精力投入情況、回答問題情況；是否有明顯擾亂課堂秩序、不服從任課教師組織行為10%五、評分細則序號課程目標考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1指定上機任務完成情況50%A-能獨立、準確完成指定上機任務;B-對大部分上機任務能獨立完成，有少量錯誤;C-對部分上機任務能獨立完成，結果基本正確;D對大部分上機任務無法能獨立、準確完成.2M1大作業(yè)30%A-能對某些前沿問題提煉出計算化學解決方案，并執(zhí)行方案，形成一份系統(tǒng)性報告;B-能對某些前沿問題提煉出計算化學初步解決方案，并執(zhí)行方案，形成較系統(tǒng)性的報告;C-完成一定量與前沿問題有關的研究步驟，獲得一定模擬結果，獲得簡單報告;D-基本不能或僅僅完成少量與前沿問題有關的研究步驟.3M1考勤10%A-全勤;B-缺勤1-2節(jié);C-缺勤3-4節(jié);D-缺勤5-10節(jié)；遲到、早退累計2節(jié)次計1節(jié)缺勤；缺勤次數累計11節(jié)或以上的，課程總評認定為不及格。4M1課堂表現10%A-精神狀態(tài)飽滿，回答問題準確且無明顯違反課堂紀律;B-精神狀態(tài)良好，問題回答較好或針對小測問題作答部分正確且無明顯違反課堂紀律;C-精神狀態(tài)一般，問題回答一般或針對小測問題作答部分正確且無明顯違反課堂紀律;D-精神狀態(tài)較差，回答問題有誤或針對小測問題無法作答或有明顯違反課堂紀律的記錄；明顯違反紀律擾亂教師和其他學生課程秩序，情況嚴重的當做一次或多次缺勤處理。5M2指定上機任務完成情況50%A-能獨立、準確完成指定上機任務;B-對大部分上機任務能獨立完成，有少量錯誤;C-對部分上機任務能獨立完成，結果基本正確;D對大部分上機任務無法能獨立、準確完成.6M2大作業(yè)30%A-能對某些前沿問題提煉出計算化學解決方案，并執(zhí)行方案，形成一份系統(tǒng)性報告;B-能對某些前沿問題提煉出計算化學初步解決方案，并執(zhí)行方案，形成較系統(tǒng)性的報告;C-完成一定量與前沿問題有關的研究步驟，獲得一定模擬結果，獲得簡單報告;D-基本不能或僅僅完成少量與前沿問題有關的研究步驟.7M2考勤10%A-全勤;B-缺勤1-2節(jié);C-缺勤3-4節(jié);D-缺勤5-10節(jié)；遲到、早退累計2節(jié)次計1節(jié)缺勤；缺勤次數累計11節(jié)或以上的，課程總評認定為不及格。8M2課堂表現10%A-精神狀態(tài)飽滿，回答問題準確且無明顯違反課堂紀律;B-精神狀態(tài)良好，問題回答較好或針對小測問題作答部分正確且無明顯違反課堂紀律;C-精神狀態(tài)一般，問題回答一般或針對小測問題作答部分正確且無明顯違反課堂紀律;D-精神狀態(tài)較差，回答問題有誤或針對小測問題無法作答或有明顯違反課堂紀律的記錄；明