結(jié)構(gòu)化學(xué)課教師授課方式的思考

結(jié)構(gòu)化學(xué)課教師授課方式的思考

在工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃中，增加了一些科學(xué)課程，這是培養(yǎng)具有技術(shù)創(chuàng)新能力的綜合工程人才的有益嘗試。例如，近年來(lái)，輕工業(yè)大學(xué)材料工程系為學(xué)生開(kāi)設(shè)了結(jié)構(gòu)和化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)課程。目前,化學(xué)領(lǐng)域的許多學(xué)科已經(jīng)深入到了物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次的研究,如在材料化學(xué)、高分子化學(xué)等學(xué)科中,人們?cè)谘芯坎牧弦约盎衔锖暧^性質(zhì)的同時(shí),更重視物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系,特別是希望從分子層面揭示材料的理化性質(zhì)。所以,掌握一定的結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),對(duì)于培養(yǎng)兼具研發(fā)能力的復(fù)合型工科人才是十分重要的。因?yàn)?結(jié)構(gòu)化學(xué)是運(yùn)用現(xiàn)代量子力學(xué)和物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法,從微觀角度研究原子、分子、晶體等的微觀結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的科學(xué),它具有極強(qiáng)的數(shù)理抽象性,需要學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ),同時(shí)還要掌握相當(dāng)?shù)臒o(wú)機(jī)、有機(jī)化學(xué)知識(shí),以及很多量子力學(xué)的新概念、新方法、新原理。對(duì)化工專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō),學(xué)好這門(mén)課程難度很大,許多學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生了畏懼心理,這也增加了教師的授課難度,特別是對(duì)于教學(xué)經(jīng)驗(yàn)還不豐富的青年教師,結(jié)構(gòu)化學(xué)課程難于講授的特點(diǎn)就更加明顯。傳統(tǒng)的教學(xué)模式僅僅是借助一些球棍模型幫助學(xué)生理解,但是由于模型有限,而且模型也很難表示抽象、復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)普遍感到困難,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被抑制,教師的授課效果也不理想。結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的特點(diǎn)給教師教學(xué)方式提出了很高的要求,如何將抽象的概念較為直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前,從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,是提高授課質(zhì)量和教學(xué)效果的關(guān)鍵所在。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,特別是專(zhuān)業(yè)化學(xué)軟件的產(chǎn)生,為解決上述難題提供了方便。如Chemoffice等化學(xué)圖形及辦公軟件的應(yīng)用逐漸普及,而量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian為結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論研究提供了方便。筆者在此簡(jiǎn)單的介紹一下幾個(gè)常用化學(xué)軟件的特點(diǎn)以及在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。1在其他量子化學(xué)計(jì)算軟件中的應(yīng)用Chem3D(v11.0)是由劍橋公司(CambridgeSofCorporation)出品的Chemoffice2008軟件包中的一個(gè)組成部分,它具有界面友好,便于操作的特點(diǎn)。既能夠顯示分子的立體結(jié)構(gòu)、鍵長(zhǎng)、鍵角、分子軌道形狀等,同時(shí)還擁有簡(jiǎn)單的計(jì)算功能,可以對(duì)化合物進(jìn)行能量計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電荷布局分析、振動(dòng)頻率分析等,另外,Chem3D還可以通過(guò)接口調(diào)用其他量子化學(xué)計(jì)算軟件對(duì)分子的屬性進(jìn)行更為精確的計(jì)算。作為一款專(zhuān)業(yè)的化學(xué)圖形軟件,Chem3D為結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)帶來(lái)了很多的便利,特別是,該軟件提供了嵌入對(duì)象的功能,可以輕松地將分子模型拷貝到PPT中,而其在授課過(guò)程中可以進(jìn)行交互式操作。Gaussian09是目前國(guó)際上最為流行的量子化學(xué)計(jì)算軟件,具有計(jì)算精度高、適用范圍廣及容易操作等特點(diǎn)。Gaussian09計(jì)算項(xiàng)目主要包括計(jì)算分子的能量、反應(yīng)過(guò)渡態(tài)的能量和幾何結(jié)構(gòu)、振動(dòng)頻率分析、鍵能與化學(xué)反應(yīng)能、化學(xué)反應(yīng)途徑、電荷分布,分子軌道分布等。Gaussian09的計(jì)算結(jié)果可以通過(guò)Chem3D等可視化軟件直觀地顯示出來(lái),為結(jié)構(gòu)化學(xué)抽象概念的教學(xué)提供了便利。Molden是一款免費(fèi)的化學(xué)圖形軟件,能夠安裝在多種作系統(tǒng)中,具有多個(gè)量子化學(xué)計(jì)算軟件的接口,如Gaussian、GAMESS、Mopac等。Molden可以直接將打開(kāi)Gaussian等的輸出文件,將計(jì)算信息可視化,如分子能量、電荷分布、振動(dòng)頻率和振動(dòng)模式、分子軌道分布等。特別適用于Gaussian計(jì)算結(jié)果中紅外和拉曼光譜的分析。2使用傳統(tǒng)的化學(xué)軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教育中的應(yīng)用2.1實(shí)驗(yàn)操作中甲烷分子的旋轉(zhuǎn)操作對(duì)稱(chēng)操作和對(duì)稱(chēng)元素是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn),對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求特別高。利用Chem3D可以簡(jiǎn)單形象地將分子的立體結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來(lái),并且利用嵌入對(duì)象,還能夠?qū)Ψ肿拥牧Ⅲw結(jié)構(gòu)進(jìn)行交互式的操作,如平移、旋轉(zhuǎn)等。比如,甲烷分子屬于Td點(diǎn)群,其中有4個(gè)C3軸,3個(gè)I4軸和6個(gè)σd。在具體的教學(xué)實(shí)踐中,筆者在Chem3D中構(gòu)建甲烷分子的立體結(jié)構(gòu),選中所有結(jié)構(gòu),在Edit菜單中選擇“Copyas”,“Embeddedobject”,直接粘貼到PPT課件中。在教學(xué)時(shí),按下鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)鼠標(biāo),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷分子的旋轉(zhuǎn)操作,將C(1)-H(2)旋轉(zhuǎn)至與X軸平行的位置,并且H(3)、H(4)、H(5)三個(gè)氫原子處于YZ平面上,此時(shí),左擊Chem3D對(duì)象下方的控制圖標(biāo),使分子繞X軸旋轉(zhuǎn),當(dāng)旋轉(zhuǎn)120度之后,分子結(jié)構(gòu)重合,此時(shí)可以點(diǎn)擊停止旋轉(zhuǎn)的圖標(biāo)。以上是一個(gè)旋轉(zhuǎn)操作的演示。通過(guò)交互式的操作分子結(jié)構(gòu),可以將C(1)-H(3)旋轉(zhuǎn)至與X軸平行,且其余H原子處于YZ平面,此時(shí)再讓分子繞X軸旋轉(zhuǎn),當(dāng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)120度之后再次重合,這是另一個(gè)旋轉(zhuǎn)操作的演示。與此類(lèi)似,通過(guò)交互式操作演示對(duì)稱(chēng)元素I4和σd。2.2基于chem3的軌道圖形通過(guò)對(duì)前線(xiàn)分子軌道的分析,預(yù)測(cè)化合物的反應(yīng)性質(zhì),是結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要應(yīng)用之一。但是對(duì)于分子軌道的分析需要解薛定諤方程,其過(guò)程非常復(fù)雜,在教學(xué)中并不要求學(xué)生掌握解薛定諤方程的方法,而通過(guò)直觀地展示量子化學(xué)計(jì)算的結(jié)果,讓學(xué)生了解預(yù)測(cè)化合物屬性的方法是非常重要的。以丁二烯HOMO、LUMO的軌道圖形為例,筆者首先在Chem3D中構(gòu)建(順)-1,3-丁二烯的結(jié)構(gòu),然后調(diào)用Gaussian09軟件在B3LYP/6-31G理論水平上對(duì)丁二烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,接下來(lái)將計(jì)算過(guò)程中保存的.chk文件轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式.fchk,用Chem3D打開(kāi).fchk文件,選擇“Surface”菜單,“Choosesurface”,“Molecularorbitals”,通過(guò)選擇HOMO和LUMO軌道,分別顯示出前線(xiàn)軌道的形狀,分別將這兩個(gè)軌道拷貝為嵌入對(duì)象,粘貼到PPT課件中。在教學(xué)演示時(shí),通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移丁二烯的結(jié)構(gòu),全方位的展示HOMO和LUMO軌道的形狀,另外,還可以通過(guò)測(cè)量Cue5c6C之間的鍵長(zhǎng),分析成鍵的信息,通過(guò)分析C原子的部分核電荷數(shù),預(yù)測(cè)親電加成的反應(yīng)活性。2.3基于chemcd的分子振動(dòng)分析線(xiàn)性多原子分子(如CO2)的振動(dòng)光譜是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)之一,通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian和可視化軟件Molden的配合,可以輕松地將CO2的振動(dòng)模式和振動(dòng)頻率直觀的展現(xiàn)給學(xué)生,使學(xué)生能夠從分子層面認(rèn)識(shí)紅外光譜。具體的方法是,首先,使用Chem3D構(gòu)建CO2的分子結(jié)構(gòu),生成Gaussian09的輸入文件,然后運(yùn)行Gaussian09對(duì)CO2分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并進(jìn)行振動(dòng)頻率分析,接下來(lái)用Molden讀出Gaussian09的計(jì)算結(jié)果文件,選擇相應(yīng)的振動(dòng)頻率,觀測(cè)對(duì)應(yīng)的分子振動(dòng)模式,使用屏幕錄像軟件將各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的分子振動(dòng)模式錄制成avi格式的文件,在PPT課件中插入windowsmediaplayer對(duì)象,修改對(duì)象的屬性,將視頻指定為avi格式的文件,這樣在教學(xué)中,通過(guò)插件控制播放CO2分子的振動(dòng)模式。這樣的動(dòng)畫(huà)模式在沒(méi)有安裝Molden軟件的系統(tǒng)中也能夠運(yùn)行。3將化學(xué)軟件作盤(pán)上面提到的化學(xué)軟件教學(xué)應(yīng)用實(shí)例,是將圖形和圖像信息整合到多媒體教學(xué)課件中,整合后的課件不依賴(lài)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件環(huán)境,具有相對(duì)獨(dú)立性。這樣的整合降低了對(duì)教學(xué)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的要求,同時(shí)又克服了實(shí)物模型教具的一些缺點(diǎn)。特別是大班授課時(shí),使用實(shí)物模型教學(xué),一是制作和攜帶不方便,二是坐在后排的學(xué)生很難看清楚,勢(shì)必會(huì)影響教學(xué)效果。通過(guò)將化學(xué)軟件應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)過(guò)