結構化學課教師授課方式的思考

結構化學課教師授課方式的思考

在工程專業(yè)學生的培養(yǎng)計劃中，增加了一些科學課程，這是培養(yǎng)具有技術創(chuàng)新能力的綜合工程人才的有益嘗試。例如，近年來，輕工業(yè)大學材料工程系為學生開設了結構和化學等基礎科學課程。目前,化學領域的許多學科已經深入到了物質結構層次的研究,如在材料化學、高分子化學等學科中,人們在研究材料以及化合物宏觀性質的同時,更重視物質結構與性質之間的關系,特別是希望從分子層面揭示材料的理化性質。所以,掌握一定的結構化學的基礎知識,對于培養(yǎng)兼具研發(fā)能力的復合型工科人才是十分重要的。因為,結構化學是運用現(xiàn)代量子力學和物理學的實驗方法,從微觀角度研究原子、分子、晶體等的微觀結構以及微觀結構與性質關系的科學,它具有極強的數(shù)理抽象性,需要學生具備扎實的數(shù)學和物理基礎,同時還要掌握相當?shù)臒o機、有機化學知識,以及很多量子力學的新概念、新方法、新原理。對化工專業(yè)的學生來說,學好這門課程難度很大,許多學生在學習過程中產生了畏懼心理,這也增加了教師的授課難度,特別是對于教學經驗還不豐富的青年教師,結構化學課程難于講授的特點就更加明顯。傳統(tǒng)的教學模式僅僅是借助一些球棍模型幫助學生理解,但是由于模型有限,而且模型也很難表示抽象、復雜的空間結構,學生學習起來普遍感到困難,學生的學習興趣被抑制,教師的授課效果也不理想。結構化學課程的特點給教師教學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)在學生面前,從而激發(fā)學生的學習興趣,是提高授課質量和教學效果的關鍵所在。隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展,特別是專業(yè)化學軟件的產生,為解決上述難題提供了方便。如Chemoffice等化學圖形及辦公軟件的應用逐漸普及,而量子化學計算軟件Gaussian為結構化學的理論研究提供了方便。筆者在此簡單的介紹一下幾個常用化學軟件的特點以及在結構化學教學中的應用。1在其他量子化學計算軟件中的應用Chem3D(v11.0)是由劍橋公司(CambridgeSofCorporation)出品的Chemoffice2008軟件包中的一個組成部分,它具有界面友好,便于操作的特點。既能夠顯示分子的立體結構、鍵長、鍵角、分子軌道形狀等,同時還擁有簡單的計算功能,可以對化合物進行能量計算、結構優(yōu)化、電荷布局分析、振動頻率分析等,另外,Chem3D還可以通過接口調用其他量子化學計算軟件對分子的屬性進行更為精確的計算。作為一款專業(yè)的化學圖形軟件,Chem3D為結構化學的教學帶來了很多的便利,特別是,該軟件提供了嵌入對象的功能,可以輕松地將分子模型拷貝到PPT中,而其在授課過程中可以進行交互式操作。Gaussian09是目前國際上最為流行的量子化學計算軟件,具有計算精度高、適用范圍廣及容易操作等特點。Gaussian09計算項目主要包括計算分子的能量、反應過渡態(tài)的能量和幾何結構、振動頻率分析、鍵能與化學反應能、化學反應途徑、電荷分布,分子軌道分布等。Gaussian09的計算結果可以通過Chem3D等可視化軟件直觀地顯示出來,為結構化學抽象概念的教學提供了便利。Molden是一款免費的化學圖形軟件,能夠安裝在多種作系統(tǒng)中,具有多個量子化學計算軟件的接口,如Gaussian、GAMESS、Mopac等。Molden可以直接將打開Gaussian等的輸出文件,將計算信息可視化,如分子能量、電荷分布、振動頻率和振動模式、分子軌道分布等。特別適用于Gaussian計算結果中紅外和拉曼光譜的分析。2使用傳統(tǒng)的化學軟件在結構化學教育中的應用2.1實驗操作中甲烷分子的旋轉操作對稱操作和對稱元素是結構化學教學中的一個難點,對學生的空間想象能力要求特別高。利用Chem3D可以簡單形象地將分子的立體結構展現(xiàn)出來,并且利用嵌入對象,還能夠對分子的立體結構進行交互式的操作,如平移、旋轉等。比如,甲烷分子屬于Td點群,其中有4個C3軸,3個I4軸和6個σd。在具體的教學實踐中,筆者在Chem3D中構建甲烷分子的立體結構,選中所有結構,在Edit菜單中選擇“Copyas”,“Embeddedobject”,直接粘貼到PPT課件中。在教學時,按下鼠標左鍵拖動鼠標,可以實現(xiàn)對甲烷分子的旋轉操作,將C(1)-H(2)旋轉至與X軸平行的位置,并且H(3)、H(4)、H(5)三個氫原子處于YZ平面上,此時,左擊Chem3D對象下方的控制圖標,使分子繞X軸旋轉,當旋轉120度之后,分子結構重合,此時可以點擊停止旋轉的圖標。以上是一個旋轉操作的演示。通過交互式的操作分子結構,可以將C(1)-H(3)旋轉至與X軸平行,且其余H原子處于YZ平面,此時再讓分子繞X軸旋轉,當分子轉動120度之后再次重合,這是另一個旋轉操作的演示。與此類似,通過交互式操作演示對稱元素I4和σd。2.2基于chem3的軌道圖形通過對前線分子軌道的分析,預測化合物的反應性質,是結構化學的重要應用之一。但是對于分子軌道的分析需要解薛定諤方程,其過程非常復雜,在教學中并不要求學生掌握解薛定諤方程的方法,而通過直觀地展示量子化學計算的結果,讓學生了解預測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中構建(順)-1,3-丁二烯的結構,然后調用Gaussian09軟件在B3LYP/6-31G理論水平上對丁二烯的結構進行優(yōu)化,接下來將計算過程中保存的.chk文件轉換成標準格式.fchk,用Chem3D打開.fchk文件,選擇“Surface”菜單,“Choosesurface”,“Molecularorbitals”,通過選擇HOMO和LUMO軌道,分別顯示出前線軌道的形狀,分別將這兩個軌道拷貝為嵌入對象,粘貼到PPT課件中。在教學演示時,通過旋轉、平移丁二烯的結構,全方位的展示HOMO和LUMO軌道的形狀,另外,還可以通過測量Cue5c6C之間的鍵長,分析成鍵的信息,通過分析C原子的部分核電荷數(shù),預測親電加成的反應活性。2.3基于chemcd的分子振動分析線性多原子分子(如CO2)的振動光譜是結構化學教學的難點之一,通過量子化學計算軟件Gaussian和可視化軟件Molden的配合,可以輕松地將CO2的振動模式和振動頻率直觀的展現(xiàn)給學生,使學生能夠從分子層面認識紅外光譜。具體的方法是,首先,使用Chem3D構建CO2的分子結構,生成Gaussian09的輸入文件,然后運行Gaussian09對CO2分子進行結構優(yōu)化并進行振動頻率分析,接下來用Molden讀出Gaussian09的計算結果文件,選擇相應的振動頻率,觀測對應的分子振動模式,使用屏幕錄像軟件將各個頻率對應的分子振動模式錄制成avi格式的文件,在PPT課件中插入windowsmediaplayer對象,修改對象的屬性,將視頻指定為avi格式的文件,這樣在教學中,通過插件控制播放CO2分子的振動模式。這樣的動畫模式在沒有安裝Molden軟件的系統(tǒng)中也能夠運行。3將化學軟件作盤上面提到的化學軟件教學應用實例,是將圖形和圖像信息整合到多媒體教學課件中,整合后的課件不依賴于計算機系統(tǒng)的軟件環(huán)境,具有相對獨立性。這樣的整合降低了對教學計算機軟件系統(tǒng)的要求,同時又克服了實物模型教具的一些缺點。特別是大班授課時,使用實物模型教學,一是制作和攜帶不方便,二是坐在后排的學生很難看清楚,勢必會影響教學效果。通過將化學軟件應用到結構化學的教學過