吴楠楠 欧阳顺利
【摘 要】本文阐述了在结构化学课堂中运用量子化学的教学尝试。教学中利用量子化学计算方法以及运用Gaussian等相关应用软件，循序渐进得对分子结构与性质、功能的关系进行分析，从而生动直观地展示结构化学的知识。此外，在教学内容上增加一些教材中没有的学科前沿研究动态和热点，培养学生从现有课堂知识联想到认识并试图解决前沿问题的思维能力。
【关键词】量子化学；结构化学；应用软件；交叉
0 引言
结构化学教学目前存在两个方面的难题[1]。首先，结构化学中的内容比较抽象，具有极强理论性、实验性和应用性，要求学生具有较强的空间思维能力，学生因此难于理解和掌握，极大影响了学生的学习积极性和教学效果。其次，结构化学涉及面广，随着当代结构化学学科本身的迅猛发展和与相关学科的交叉，使得结构化学的教学量快速增加，而相应的教学课时量不但没有增加甚至有所减量，这就势必形成了任务多，时间不足的困难。为了解决上述两方面的问题，提高该课程教学效果，国内有一些学者开展不同程度的探索与研究。例如：整合结构化学中相关知识点，利用多媒体的方法教学的等教学改革。这些学者的探索都或多或少地影响了结构化学的教学，也取得了不少教学效果。不过，这些教学改革和方法没能根本性地解决这两方面的问题。因此，针对如何更好地解决这两方面问题，我们提出量子化学方法及相关软件应用于结构化学教学的思路。
1 量子化学与结构化学的关系
结构化学作为高等学校化学各分支学科及其它与化学交叉的各学科的一门重要专业基础课程，是利用量子力学理论及现代数学工具和现代实验方法来研究化学问题的一门学科[2]。它是理论化学的核心，从微观的角度来研究不同层面的微观结构以及其结构与物理化学等性能之间关联关系。
量子化学是化学的一个重要的分支学科。当代量子化学是随着计算机科学的快速发展利用量子力学的相关理论来研究化学问题的一门学科。量子化学发展至今， 可以根据解Schr？魻dinger方程而引入近似程度的不同分为以下几种方法：从头计算方法（ab initio calculation） 、简单分子轨道法如HMO（休克尔分子轨道法）、EHMO（扩展HMO）法等、半经验分子轨道方法、密度泛函理论、量子力学-分子力学的QM/MM组合方法等。它们在从无机小分子到生物大分子，从静态结构到动态分子动力学反应，从分子内的强弱相互作用到分子间强弱相互作用等各方面都有应用。量子化学已经涉及到化学、材料学、物理学、生命科学、医药学等众多学科。
随着计算技术的快速发展和理论上的重大突破， 量子化学软件也越来越发达，得到了广泛的应用。如Gaussian作为一款功能强大的量子化学综合软件包，是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：分子能量和结构，过渡态的能量和结构化学键以及反应能量，分子轨道，反应路径，偶极矩和多极矩，振动频率，红外和拉曼光谱，原子电荷和电势，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，用于研究诸多领域的课题。
从上述所述，我们了解了结构化学、量子化学以及量子化学相关方法和软件。因此，结构化学这门课程可以很好地利用量子化学相关方法和软件进行分析和诠释。
2 量子化学方法及相关软件应用于结构化学教学的策略
本文主要研究的是将现代量子化学科研方法及相关软件应用于结构化学教学的问题，研究的过程将本着遵循理论与实践相结合，从典型研究问题出发，探索并形成研究成果，指导结构化学学科的教学。本文采用如下几方面实现量子化学方法及相关软件应用于结构化学教学：第一方面是文献研究，通过分析文献资料，收集国内外结构化学及相关的成果资料，总结出可行的技术路线；第二方面是实验教学，让学生亲自进行一些简单地分子设计等量子化学计算方面的尝试；第三方面是调查研究，调研的主要目的是想了解学生对结构化学教学改革教学研究与设计的满意程度；第四方面是多媒体的教学方法与自主学习方法相结合，使较为抽象的知识具体化，提高学生对结构化学知识的掌握。第五方面是主题式教学和参与式学习讨论结合，使学生分析与解决问题的能力能得到相应的提高。
从量子化学科研结合结构化学教学入手的具体教改思路是通过用Gaussian等量子化学软件计算，使用GaussianView等可视化的量子化学软件，将抽象的概念变为直观的图形，激发学生学习兴趣和培养学生科研意识的有效方法。
3 量子化学方法及相关软件应用于结构化学的实例
针对学生通过传统教学学习结构化学难以较好理解和掌握这一情况， 我们尝试在结构化学教学中采用量子化学计算方法与软件来配合教学。例如：研究水分子（H2O）与二甲基亚砜（DMSO）分子间氢键作用[3]，首先用GaussView搭建H2O分子与DMSO分子模型，然后用Gaussian软件进行结构优化和频率计算，接下来用GaussView打开结果文件，得到优化后H2O分子与DMSO分子结构。这是可以做一些可视化的教学：点击展示振动（Display Vibratons）文本框中的开始（start）按钮，就可以显示所选振动模式的振动动画，点击停止（stop）按钮，可以停止分子的振动，也可以点击光谱图（spectrum）按钮，生成H2O分子和DMSO分子的拉曼以及红外光谱图。最后，我们将优化后的H2O分子和DMSO分子放在一起进一步优化，得到H2O分子和DMSO分子间氢键的结构图。在结构化学的课堂上，我们这样用量子化学软件呈现动画图像可使难于理解与掌握的知识变得生动有趣，大大增强结构化学的教学效果。此外，像水分子（H2O）与二甲基亚砜（DMSO）分子间氢键作用也是学科前沿研究热点，培养学生从现有课堂知识应用并解决前沿的能力。
总之，我们结合先辈在结构化学教学改革探索过程中的经验，对结构化学教学进行深入改革。采用当代先进的量子化学计算方法及软件来配合教学，并在教学内容中加入前言科学问题，加强教学与科研相结合，在传授基础知识的同时，注重培养学生的物理学和化学思想与方法，着力培养学生的科学素养。将现代量子化学科研方法及相关软件应用于大学结构化学教学中是解决这门学科知识点多杂与难理解的一条有效途径。
【参考文献】
[1]王丽.可视化量子计算软件在结构化学教学中应用的实践[J].新课程，2012，67.
[2]曾荣英，唐文清，冯永兰，陈志敏.结构化学教学改革的实践与探索[J].化学高等教育，2007，97：21-24.
[3]欧阳顺利，吴楠楠.拉曼光谱技术与理论化学计算对分子结构与性质的研究[M].长春：吉林大学出版社，2013.
[责任编辑：汤静]
【摘 要】本文阐述了在结构化学课堂中运用量子化学的教学尝试。教学中利用量子化学计算方法以及运用Gaussian等相关应用软件，循序渐进得对分子结构与性质、功能的关系进行分析，从而生动直观地展示结构化学的知识。此外，在教学内容上增加一些教材中没有的学科前沿研究动态和热点，培养学生从现有课堂知识联想到认识并试图解决前沿问题的思维能力。
【关键词】量子化学；结构化学；应用软件；交叉
0 引言
结构化学教学目前存在两个方面的难题[1]。首先，结构化学中的内容比较抽象，具有极强理论性、实验性和应用性，要求学生具有较强的空间思维能力，学生因此难于理解和掌握，极大影响了学生的学习积极性和教学效果。其次，结构化学涉及面广，随着当代结构化学学科本身的迅猛发展和与相关学科的交叉，使得结构化学的教学量快速增加，而相应的教学课时量不但没有增加甚至有所减量，这就势必形成了任务多，时间不足的困难。为了解决上述两方面的问题，提高该课程教学效果，国内有一些学者开展不同程度的探索与研究。例如：整合结构化学中相关知识点，利用多媒体的方法教学的等教学改革。这些学者的探索都或多或少地影响了结构化学的教学，也取得了不少教学效果。不过，这些教学改革和方法没能根本性地解决这两方面的问题。因此，针对如何更好地解决这两方面问题，我们提出量子化学方法及相关软件应用于结构化学教学的思路。
1 量子化学与结构化学的关系
结构化学作为高等学校化学各分支学科及其它与化学交叉的各学科的一门重要专业基础课程，是利用量子力学理论及现代数学工具和现代实验方法来研究化学问题的一门学科[2]。它是理论化学的核心，从微观的角度来研究不同层面的微观结构以及其结构与物理化学等性能之间关联关系。
量子化学是化学的一个重要的分支学科。当代量子化学是随着计算机科学的快速发展利用量子力学的相关理论来研究化学问题的一门学科。量子化学发展至今， 可以根据解Schr？魻dinger方程而引入近似程度的不同分为以下几种方法：从头计算方法（ab initio calculation） 、简单分子轨道法如HMO（休克尔分子轨道法）、EHMO（扩展HMO）法等、半经验分子轨道方法、密度泛函理论、量子力学-分子力学的QM/MM组合方法等。它们在从无机小分子到生物大分子，从静态结构到动态分子动力学反应，从分子内的强弱相互作用到分子间强弱相互作用等各方面都有应用。量子化学已经涉及到化学、材料学、物理学、生命科学、医药学等众多学科。
随着计算技术的快速发展和理论上的重大突破， 量子化学软件也越来越发达，得到了广泛的应用。如Gaussian作为一款功能强大的量子化学综合软件包，是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：分子能量和结构，过渡态的能量和结构化学键以及反应能量，分子轨道，反应路径，偶极矩和多极矩，振动频率，红外和拉曼光谱，原子电荷和电势，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，用于研究诸多领域的课题。
从上述所述，我们了解了结构化学、量子化学以及量子化学相关方法和软件。因此，结构化学这门课程可以很好地利用量子化学相关方法和软件进行分析和诠释。
2 量子化学方法及相关软件应用于结构化学教学的策略
本文主要研究的是将现代量子化学科研方法及相关软件应用于结构化学教学的问题，研究的过程将本着遵循理论与实践相结合，从典型研究问题出发，探索并形成研究成果，指导结构化学学科的教学。本文采用如下几方面实现量子化学方法及相关软件应用于结构化学教学：第一方面是文献研究，通过分析文献资料，收集国内外结构化学及相关的成果资料，总结出可行的技术路线；第二方面是实验教学，让学生亲自进行一些简单地分子设计等量子化学计算方面的尝试；第三方面是调查研究，调研的主要目的是想了解学生对结构化学教学改革教学研究与设计的满意程度；第四方面是多媒体的教学方法与自主学习方法相结合，使较为抽象的知识具体化，提高学生对结构化学知识的掌握。第五方面是主题式教学和参与式学习讨论结合，使学生分析与解决问题的能力能得到相应的提高。
从量子化学科研结合结构化学教学入手的具体教改思路是通过用Gaussian等量子化学软件计算，使用GaussianView等可视化的量子化学软件，将抽象的概念变为直观的图形，激发学生学习兴趣和培养学生科研意识的有效方法。
3 量子化学方法及相关软件应用于结构化学的实例
针对学生通过传统教学学习结构化学难以较好理解和掌握这一情况， 我们尝试在结构化学教学中采用量子化学计算方法与软件来配合教学。例如：研究水分子（H2O）与二甲基亚砜（DMSO）分子间氢键作用[3]，首先用GaussView搭建H2O分子与DMSO分子模型，然后用Gaussian软件进行结构优化和频率计算，接下来用GaussView打开结果文件，得到优化后H2O分子与DMSO分子结构。这是可以做一些可视化的教学：点击展示振动（Display Vibratons）文本框中的开始（start）按钮，就可以显示所选振动模式的振动动画，点击停止（stop）按钮，可以停止分子的振动，也可以点击光谱图（spectrum）按钮，生成H2O分子和DMSO分子的拉曼以及红外光谱图。最后，我们将优化后的H2O分子和DMSO分子放在一起进一步优化，得到H2O分子和DMSO分子间氢键的结构图。在结构化学的课堂上，我们这样用量子化学软件呈现动画图像可使难于理解与掌握的知识变得生动有趣，大大增强结构化学的教学效果。此外，像水分子（H2O）与二甲基亚砜（DMSO）分子间氢键作用也是学科前沿研究热点，培养学生从现有课堂知识应用并解决前沿的能力。
总之，我们结合先辈在结构化学教学改革探索过程中的经验，对结构化学教学进行深入改革。采用当代先进的量子化学计算方法及软件来配合教学，并在教学内容中加入前言科学问题，加强教学与科研相结合，在传授基础知识的同时，注重培养学生的物理学和化学思想与方法，着力培养学生的科学素养。将现代量子化学科研方法及相关软件应用于大学结构化学教学中是解决这门学科知识点多杂与难理解的一条有效途径。
【参考文献】
[1]王丽.可视化量子计算软件在结构化学教学中应用的实践[J].新课程，2012，67.
[2]曾荣英，唐文清，冯永兰，陈志敏.结构化学教学改革的实践与探索[J].化学高等教育，2007，97：21-24.
[3]欧阳顺利，吴楠楠.拉曼光谱技术与理论化学计算对分子结构与性质的研究[M].长春：吉林大学出版社，2013.
[责任编辑：汤静]
【摘 要】本文阐述了在结构化学课堂中运用量子化学的教学尝试。教学中利用量子化学计算方法以及运用Gaussian等相关应用软件，循序渐进得对分子结构与性质、功能的关系进行分析，从而生动直观地展示结构化学的知识。此外，在教学内容上增加一些教材中没有的学科前沿研究动态和热点，培养学生从现有课堂知识联想到认识并试图解决前沿问题的思维能力。
【关键词】量子化学；结构化学；应用软件；交叉
0 引言
结构化学教学目前存在两个方面的难题[1]。首先，结构化学中的内容比较抽象，具有极强理论性、实验性和应用性，要求学生具有较强的空间思维能力，学生因此难于理解和掌握，极大影响了学生的学习积极性和教学效果。其次，结构化学涉及面广，随着当代结构化学学科本身的迅猛发展和与相关学科的交叉，使得结构化学的教学量快速增加，而相应的教学课时量不但没有增加甚至有所减量，这就势必形成了任务多，时间不足的困难。为了解决上述两方面的问题，提高该课程教学效果，国内有一些学者开展不同程度的探索与研究。例如：整合结构化学中相关知识点，利用多媒体的方法教学的等教学改革。这些学者的探索都或多或少地影响了结构化学的教学，也取得了不少教学效果。不过，这些教学改革和方法没能根本性地解决这两方面的问题。因此，针对如何更好地解决这两方面问题，我们提出量子化学方法及相关软件应用于结构化学教学的思路。
1 量子化学与结构化学的关系
结构化学作为高等学校化学各分支学科及其它与化学交叉的各学科的一门重要专业基础课程，是利用量子力学理论及现代数学工具和现代实验方法来研究化学问题的一门学科[2]。它是理论化学的核心，从微观的角度来研究不同层面的微观结构以及其结构与物理化学等性能之间关联关系。
量子化学是化学的一个重要的分支学科。当代量子化学是随着计算机科学的快速发展利用量子力学的相关理论来研究化学问题的一门学科。量子化学发展至今， 可以根据解Schr？魻dinger方程而引入近似程度的不同分为以下几种方法：从头计算方法（ab initio calculation） 、简单分子轨道法如HMO（休克尔分子轨道法）、EHMO（扩展HMO）法等、半经验分子轨道方法、密度泛函理论、量子力学-分子力学的QM/MM组合方法等。它们在从无机小分子到生物大分子，从静态结构到动态分子动力学反应，从分子内的强弱相互作用到分子间强弱相互作用等各方面都有应用。量子化学已经涉及到化学、材料学、物理学、生命科学、医药学等众多学科。
随着计算技术的快速发展和理论上的重大突破， 量子化学软件也越来越发达，得到了广泛的应用。如Gaussian作为一款功能强大的量子化学综合软件包，是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：分子能量和结构，过渡态的能量和结构化学键以及反应能量，分子轨道，反应路径，偶极矩和多极矩，振动频率，红外和拉曼光谱，原子电荷和电势，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，用于研究诸多领域的课题。
从上述所述，我们了解了结构化学、量子化学以及量子化学相关方法和软件。因此，结构化学这门课程可以很好地利用量子化学相关方法和软件进行分析和诠释。
2 量子化学方法及相关软件应用于结构化学教学的策略
本文主要研究的是将现代量子化学科研方法及相关软件应用于结构化学教学的问题，研究的过程将本着遵循理论与实践相结合，从典型研究问题出发，探索并形成研究成果，指导结构化学学科的教学。本文采用如下几方面实现量子化学方法及相关软件应用于结构化学教学：第一方面是文献研究，通过分析文献资料，收集国内外结构化学及相关的成果资料，总结出可行的技术路线；第二方面是实验教学，让学生亲自进行一些简单地分子设计等量子化学计算方面的尝试；第三方面是调查研究，调研的主要目的是想了解学生对结构化学教学改革教学研究与设计的满意程度；第四方面是多媒体的教学方法与自主学习方法相结合，使较为抽象的知识具体化，提高学生对结构化学知识的掌握。第五方面是主题式教学和参与式学习讨论结合，使学生分析与解决问题的能力能得到相应的提高。
从量子化学科研结合结构化学教学入手的具体教改思路是通过用Gaussian等量子化学软件计算，使用GaussianView等可视化的量子化学软件，将抽象的概念变为直观的图形，激发学生学习兴趣和培养学生科研意识的有效方法。
3 量子化学方法及相关软件应用于结构化学的实例
针对学生通过传统教学学习结构化学难以较好理解和掌握这一情况， 我们尝试在结构化学教学中采用量子化学计算方法与软件来配合教学。例如：研究水分子（H2O）与二甲基亚砜（DMSO）分子间氢键作用[3]，首先用GaussView搭建H2O分子与DMSO分子模型，然后用Gaussian软件进行结构优化和频率计算，接下来用GaussView打开结果文件，得到优化后H2O分子与DMSO分子结构。这是可以做一些可视化的教学：点击展示振动（Display Vibratons）文本框中的开始（start）按钮，就可以显示所选振动模式的振动动画，点击停止（stop）按钮，可以停止分子的振动，也可以点击光谱图（spectrum）按钮，生成H2O分子和DMSO分子的拉曼以及红外光谱图。最后，我们将优化后的H2O分子和DMSO分子放在一起进一步优化，得到H2O分子和DMSO分子间氢键的结构图。在结构化学的课堂上，我们这样用量子化学软件呈现动画图像可使难于理解与掌握的知识变得生动有趣，大大增强结构化学的教学效果。此外，像水分子（H2O）与二甲基亚砜（DMSO）分子间氢键作用也是学科前沿研究热点，培养学生从现有课堂知识应用并解决前沿的能力。
总之，我们结合先辈在结构化学教学改革探索过程中的经验，对结构化学教学进行深入改革。采用当代先进的量子化学计算方法及软件来配合教学，并在教学内容中加入前言科学问题，加强教学与科研相结合，在传授基础知识的同时，注重培养学生的物理学和化学思想与方法，着力培养学生的科学素养。将现代量子化学科研方法及相关软件应用于大学结构化学教学中是解决这门学科知识点多杂与难理解的一条有效途径。
【参考文献】
[1]王丽.可视化量子计算软件在结构化学教学中应用的实践[J].新课程，2012，67.
[2]曾荣英，唐文清，冯永兰，陈志敏.结构化学教学改革的实践与探索[J].化学高等教育，2007，97：21-24.
[3]欧阳顺利，吴楠楠.拉曼光谱技术与理论化学计算对分子结构与性质的研究[M].长春：吉林大学出版社，2013.
[责任编辑：汤静]
