[出处] 教育教学论坛_2021年第44期

刘国群，熊加斌

[关键词] 结构化学 ;专业软件;工程教育专业认证;教学

[作者简介] 刘国群（1977—），男，山东济宁人，博士，中原工学院材料与化工学院副教授，主要从事计算量子化学研究;熊加斌（1990—），男，河南信阳人，博士，中原工学院材料与化工学院讲师，主要从事配位化学研究。

[中图分类号] G421    [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）44-0158-04    [收稿日期] 2021-03-05

2018年6月以来，中原工学院材料与化工学院的材料科学与工程专业（材料大类专业）一直在为工程教育专业认证积极准备工作。2019年，学校组织对原有本科专业培养计划进行修订。2020年5月之前，学校组织对2019年版培养计划（包括应用化學专业培养计划）所涉及的课程教学大纲也进行了修订。这次教学大纲的修订对标工程教育专业认证，相比之前的教学大纲有着非常显著的变化。

一、结构化学课程所支撑的应用化学专业的毕业要求及指标点

结构化学课程是理科应用专业的一门专业核心课程，主要讲解原子、分子的电子结构（原子轨道和分子轨道），主要讲解分子和晶体的立体结构[1，2]。对标工程教育专业认证要求，结构化学课程所支撑的理科应用专业的毕业要求及其指标点包括以下几点。

1.1 工程知识中的1-2：能够将物理、化学自然科学知识用于现象解释、物理量计算。

2.2 问题分析中的2-1：能够运用自然科学和化学相关科学原理，识别和判断复杂工程问题的关键环节;2-2：能够基于数学第一性原理和数学模型方法正确表达复杂工程问题。

3.5 使用现代工具中的5-2：能够选择与使用恰当的信息资源、办公软件和绘图工具进行数据计算和图形设计;5-3：能够选择与使用恰当的仪器和专业模拟分析软件进行化学品检测、数据分析、模拟与预测，并能够分析其局限性。

在所支撑的上述五个指标点（1-2、2-1、2-2、5-2、5-3）中，对于指标点2-2、5-2和5-3的支撑都是高强度的，都是有鲜明特色的。

为了支撑上述三个毕业要求和五个指标点，结构化学课程的教学目标和基本要求包括以下几点。

1.能够阐明量子理论，能够阐明微观粒子的波性特征，能够阐明微观粒子与宏观物体运动特征的差别，能够阐明量子力学的基本原理，并用以解释自然界中的相关现象。

2.能够阐明原子晶体、分子晶体、金属晶体、离子晶体的晶胞结构，能够阐明晶体的能带结构理论，能够比较深刻地理解“结构决定性能，性能反映结构”的思想，并用以指导相关化学材料制品的设计。

3.能够阐明量子力学处理一维势箱中的粒子的基本思路，能够阐明量子力学处理氢原子和氦原子、处理氢分子离子和氢分子的思路。

4.能够使用GaussView 5.0等软件构建分子模型，查看分子性质，查看分子轨道轮廓图。

5.能够使用Gaussian 09等软件对简单分子进行量子化学计算与模拟。

6.能够使用Diamond 3.2等软件查看晶体的结构。

在这六条教学目标和基本要求中，第五条支撑上述毕业要求指标点2-2，第四条、第五条、第六条支撑上述毕业要求指标点5-2和5-3。

因此，把上述化学专业软件应用于结构化学的教学中，有利于学生对于第一性原理和数学模型应用的理解，有利于学生利用专业软件进行化学品性质的模拟与预测，优化化学品设计方案。

二、GaussView 5.0、Gaussian 09、Diamond 3.2等软件（程序或应用）简介

这三个软件都是结构化学相关的专业科学研究软件。GaussView 5.0主要用于构建分子立体结构模型，查看Gaussian 09计算结果。Gaussian 09是一款专注于量子化学计算的专门软件。GaussView 5.0的开发初衷主要是辅助构建Gaussian 09计算输入文件，并且查看Gaussian 09计算结果。Diamond 3.2是一款查看晶体结构原子排布的软件。GaussView 5.0非常适用于查看分子的立体结构，Diamond 3.2非常适用于查看晶体的微观结构，而Gaussian 09专注于分子的结构模拟和性质预测。在某种程度上，这三款专业软件虽然不是为结构化学课程教学专门设计开发的，但是用于结构化学教学却是顺其自然、无缝对接的。

三、将GaussView 5.0、Gaussian 09、Diamond 3.2三款软件深度融入结构化学课程教学之中

1.将三款软件融入课程教学，有利于学生使用现代工具，方便学生对分子、晶体结构的学习，有利于提高学生的学习针对性和学习效果。分子和晶体的微观原子排列和分子轨道轮廓图都是肉眼无法看到的，因此要理解其几何构型及轨道分布，必须要借助结构模型。传统的分子、晶体结构教具模型，其结构相对比较有限，数量比较有限，携带也不方便。

相比较而言，现在大学生使用笔记本电脑已经比较普遍。将这三款软件安装于学生自带的笔记本电脑里面，非常方便于学生随时随地学习分子和晶体的结构，而不仅限于课堂教学中。GaussView 5.0和Diamond 3.2这两款软件都含有程序自带的结构数据库，可以方便地查看各种分子和晶体的结构，丰富学生的认识。另外，学生也可以从互联网上搜索更多的晶体结构数据库，提高学生的信息化应用水平。再者，这三款软件都是全英文界面，也适宜于学生在学习专业知识的过程中，学习专业英语。

2.关于这三款软件安装的教学注意事项。这三款软件的安装界面也是全英文，对于经常安装软件（程序）的学生，安装这三款软件是一件比较轻松的事情（每款软件的安装一般可以在五分钟之内轻松完成）。但是，对于从来没有或者很少在计算机上安装过软件的学生（这样的学生并不在少数），这并不是一件简单的事情（每款软件的安装可能需要半小时，甚至是半天）。因此，在教学过程中，应该多给不熟悉软件安装的学生指导和帮助。在软件使用的初期阶段，帮助学生克服畏难情绪，让他们尽快进入软件的正常使用状态。

在软件安装过程中，可能需要输入序列号。这是软件开发者保护软件知识产权的一种通用方法。因此，提醒学生在安装软件的过程中，要有保护知识产权的意识，提醒学生有关软件仅用于学习目的，不用于其他用途（尤其是商业用途）。

3.教学方法。在实际教学过程中，演示法是效果最好的教学方法。采用演示方法，一步一步地在多媒体投影屏上演示每一款软件的相关功能。将软件使用操作过程做成演示视频提供给学生，可以方便学生随时随地学习如何使用软件。

这三款软件的使用，都具有很强的实践性。学生要想熟练使用这三款软件，必须进行大量的操作训练。为了促使学生进行相关训练，教师需要布置相应的实训作业和考核。在作业内容上，不要求统一，鼓励学生随机选取自己感兴趣的分子或是晶体进行构建、计算、结果查看。比如，有的学生可以选取构建甲苯分子，有的学生可以选取构建丙醇分子，等等。这样，大部分学生的作业都会做出自己的特色。鼓励学生在软件使用过程中有什么疑问和难点可以互相讨论，也可以与教师沟通联系。

4.使用GaussView 5.0辅助教学的实例。比如，双氧水（H2O2）分子既不是线型分子，也不是平面型分子，而是折面型分子。双氧水分子中有一个二重旋转轴（C2），但是许多学生并不十分清楚二重轴的位置。采用GaussView软件显示双氧水分子的结构，并使其二重轴的方向沿着坐标系z轴的方向（垂直于电脑显示器平面），然后沿二重轴转动分子，这样学生就可以比较容易地分辨出二重轴的方向，实际上就是两个氧原子的中心，与两个氢原子的中心的连线方向。

再比如，查看CH4分子和CH3Cl分子的三重轴。一般学生在接触到甲烷分子的立体构型时，很容易理解甲烷是个正四面体分子，但是不太容易判断甲烷分子中有几重对称轴。通过GaussView软件显示甲烷分子的立体构型，学生可以很方便地看到甲烷分子中的三重轴（沿每一个C-H键方向）和二重轴（沿每个HCH夹角的平分线方向）。类似地，学生也可以很直观地通过这个软件查看CH3Cl分子的三重轴（沿着C-Cl键方向）。

5.使用Gaussian 09软件辅助教学的实例。对于Gaussian 09的学习，首先学生要明白进行Gaussian 09的计算，要构建好输入文件。输入文件虽然比较简单，但是有着严格的格式。初学者往往由于一点细微之处的错误，导致Gaussian 09程序运行中很快报错，跳出运行。有些学生由于一些细微的错误，独自钻研了一上午甚至一天，都无法解决问题。因此，在教学过程中，对于输入文件的每一关键部分（比如空行的使用、关键词的使用），都详细讲解。在教学过程中，向学生演示讲解，如果哪一部分出现了格式错误或者是关键词错误，程序会给出怎样的报错。学生能够成功运行程序，并得到预想的计算结果，是学生下一步学习这个软件的基础。如果程序总是报错，会对学生的学习积极性有着明显影响。

其次，要使学生明白和了解，與GaussView软件使用不同的是，Gaussian 09软件的使用，很重要的一点就是，对所计算的体系选择合适的计算方法和计算基组。原则上，计算方法越高级，计算基组越大，计算结果精确度越高。但是实际上，计算方法越高级，计算基组越大，所需要的计算资源（比如CPU时间、内存大小、硬盘大小等）也越多，而且随着体系的增大而急剧增加。因此，选择性价比较高（所需计算资源较少，计算完成时间较短，计算结果又与实验结果符合较好）的计算方法是非常重要的。通过这个问题的讲解，学生对于量化计算有着更深一步的了解，也对学生毕业以后从事有关工作提供了一个参考（尽可能低的成本，尽可能高的产出）。

另外，在教学过程中，尽量给学生讲解程序的一些应用实例，引导加深学生对于该软件的学习。比如，在“结构化学基础”第一章“量子力学基础知识”中，学生学习了一维势箱粒子模型，学习了将这个模型应用于一维线型分子花菁染料的方法，得到了含有不同数目烯基基团的染料的吸收光谱峰的计算数值，并与实验值进行了对比，显示出与实验值的吻合。对于这些分子，在教学中向学生展示，Gaussian 09软件可以通过比较简单的输入设置，然后进行计算，得到计算的谱峰数值，并与实验值相比较，也是比较吻合的。另外，通过讲解，学生明白了一维势箱粒子模型没有考虑到染料分子的溶剂效应（对应的是气相分子的紫外可见吸收光谱，而实验上分子的吸收光谱是在溶液中测量的;染料分子所溶解的溶剂不同，其吸收光谱也是有着不同的），而在Gaussian 09计算中则可以考虑溶剂效应（通过简单设置，就可以模拟水、甲醇、乙醇、DMF、丙酮等不同溶剂的效应对吸收光谱的影响）。

比如，学生在有机化学中学到取代基效应，Gaussian 09软件可以将取代基效应清晰地、定量地计算出来。在教学过程中，可以设计一系列苯环取代物。比如单取代物，可以使用如下取代基：-F、-Cl、-Br、-I、-NH2、-NO2、-CH3、-OCH3、-N（CH3）2等。另外，苯环还可以被换成吡啶、呋喃、吡嗪等。为了使学生熟悉Gaussian 09软件的使用，这些取代基效应的计算，可以作为学生的实习作业。另外，学生还可以了解科学研究思路，为大四写作毕业论文、工作打好基础。

6.使用Diamond 3.2軟件辅助教学的实例。Diamond 3.2程序系统自身携带了一些基本的晶体结构模型，比如金刚石、金属单质金银铜、氯化钠等。比如，学生要查看金刚石的晶体结构，只要在程序中打开相应的文件，金刚石的结构便呈现在屏幕上。观察金刚石的面心立方结构、金刚石晶体单胞内的4个碳原子，通过旋转晶体结构，学生可以从不同角度查看晶体，都可以非常清晰形象地进行理解。另外，学生通过改变有关参数，还可以看到2个、4个、8个单胞以及更多单胞组成的结构，从而更好地理解晶体结构的周期重复性。

除了程序自带的一些晶体结构外，学生还可以从互联网上搜索获取到任意晶体结构的CIF文件（晶体学信息文件），然后使用Diamond 3.2程序打开、查看该晶体的具体结构。这一点对于培养学生的自主学习能力很有帮助。教师可以布置有关的实习作业，促使学生完成相关训练。比如，课程中涉及了青蒿素的晶体结构，可以引导学生在网上晶体学数据库中检索到其CIF文件，下载到自己的电脑里面，采用Diamond 3.2程序打开学习、了解。再如，学生也可以检索DNA的结构，采用Diamond 3.2程序打开，查看DNA的双螺旋结构。

四、结语

将GaussView 5.0、Gaussian 09、Diamond 3.2三款软件用于结构化学课程的教学之中，对于学生理解分子和晶体的结构、理解分子的轨道分布、培养学生的科学研究素养和创新意识，都是非常有帮助的。要使学生熟练地掌握这三款软件的使用，就需要给学生布置相关的作业和训练，解答学生的疑惑和困难，让学生有更多的机会去实习、实训。