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量子化學應(yīng)用范文第1篇

摘要：本文針對大學化學的學科特點，從四個方面探討了量子化學計算軟件在大學化學教學的應(yīng)用實例。運用形象直觀的量子化學軟件，結(jié)合多媒體教學手段，將枯燥、深奧、抽象的化學知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來，幫助學生建立形象思維，使學生進入一種喜聞樂見、生動活潑的學習氛圍，從而開拓學生思路，激發(fā)學生學習興趣。結(jié)果表明，該方法對激發(fā)學生學習化學的興趣具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程的教學方法。

關(guān)鍵詞：量子化學；密度泛函理論；計算化學；Gaussian 09

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0176-04

傳統(tǒng)的化學是一門實驗科學，它的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了幾千年的時間。發(fā)展至今，化學科學已經(jīng)成為了包含有機化學、無機化學、物理化學、生物化學、分析化學、實驗化學、理論化學、應(yīng)用化學、精細化學、材料化學等眾多子學科的中心學科。在大學化學基礎(chǔ)理論的教學中，涉及很多抽象的化學知識和概念，比如原子、分子及晶體結(jié)構(gòu)等，無法通過肉眼進行直接觀測，而且微觀結(jié)構(gòu)難以用宏觀模型進行科學的描述。傳統(tǒng)的教學模式很難滿足學生學習化學的需求，這就需要引入新型的先進教學方法和手段。上個世紀20年代開始形成了一門新的化學子學科――量子化學。量子化學是用量子力學原理研究原子、分子和晶體的電子層結(jié)構(gòu)、化學鍵理論、分子間作用力、化學反應(yīng)理論、各種光譜、波譜和電子能譜的理論，以及無機和有機化合物、生物大分子和各種功能材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的科學[1]。理論與計算化學能滲透到化學領(lǐng)域的很多方面，與其他學科交叉，并形成了很多分支學科，例如：物理化學方面，我們可以通過量子化學方法計算分子的熱力學性質(zhì)、動力學性質(zhì)、光譜性質(zhì)、固體的化學成鍵性質(zhì)等，從而形成了量子電化學、量子反應(yīng)動力學等子學科；在有機化學方面，可以通過量子化學計算預(yù)測異構(gòu)體的相對穩(wěn)定性、反應(yīng)中間體性質(zhì)、反應(yīng)機理與譜學性質(zhì)（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有機化學；在分析化學方面，可以借助于計算化學進行實驗光譜的解析等；無機化學方面，可以進行過渡金屬化合物的成鍵性質(zhì)的解析等，并形成了量子無機化學；在生物化學領(lǐng)域中，也可以通過理論計算研究生物分子活性中心結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)環(huán)境效應(yīng)、酶與底物相互作用等，并逐漸產(chǎn)生了量子生物化學。隨著計算量子化學方法與計算機科學的發(fā)展，本世紀有望在復(fù)雜體系的精確量子化學計算研究方面取得較大進展，從而更好地從微觀角度去理解和預(yù)測宏觀化學現(xiàn)象。本文通過四個教學實例，運用形象直觀的量子化學軟件，結(jié)合多媒體教學手段，將枯燥、深奧、抽象的化學知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來，幫助學生建立形象思維，使學生進入一種喜聞樂見、生動活潑的學習氛圍，從而開拓學生思路，激發(fā)學生學習興趣。結(jié)果表明，該方法對激發(fā)學生學習化學的興趣具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程的教學方法。

一、常用量子化學軟件Gaussian/GaussView簡介

Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學綜合軟件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系統(tǒng)中運行，是在半經(jīng)驗計算和從頭計算中使用最為廣泛的計算化學軟件之一。該軟件可以計算分子的能量和結(jié)構(gòu)、鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、極化率和超極化率、熱力學性質(zhì)、反應(yīng)路徑等。該軟件的量子化學計算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行，可以預(yù)測周期體系的能量，結(jié)構(gòu)和分子道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響、化學反應(yīng)機理、勢能曲面和激發(fā)能等等，因此我們可以從微觀角度去理解和預(yù)測很多宏觀的化學性質(zhì)及現(xiàn)象。Gaussian計算軟件經(jīng)常與相應(yīng)的可視化軟件GaussView連用。目前Gaussian軟件的最新版本是Gaussian 09[2]。

二、量子化學理論及軟件在大學化學教學中的應(yīng)用實例

1.分子穩(wěn)定性預(yù)測。1，3-丁二烯分子中的碳-碳單鍵能夠自由旋轉(zhuǎn)，因而理論上可以形成順式和反式異構(gòu)體。那么兩種異構(gòu)體的熱力學穩(wěn)定性如何？我們可以通過理論計算給出合理的預(yù)測。運用密度泛函理論（density functional theory，DFT），在B3LYP/6-31G*水平，我們分別優(yōu)化了順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結(jié)構(gòu)，并做了頻率分析。頻率計算無虛頻，說明所得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯均為最小點。圖1給出了B3LYP/6-31G*優(yōu)化得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結(jié)構(gòu)和相對應(yīng)的分子的能量。理論計算結(jié)果表明，相對于順式1，3丁二烯的能量，反式1，3-丁二烯的能量大約低3.55 kcal/mol，所以反式1，3丁二烯的熱力學穩(wěn)定性更強，這就解釋了為什么實驗上沒有發(fā)現(xiàn)順式-1，3丁二烯構(gòu)象的存在。

2.分子的紅外吸收光譜和振動模式。將一束不同波長的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對分子進行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。紅外光譜法的工作原理是由于振動能級不同，化學鍵具有不同的頻率。因此，通過理論上的頻率計算，就可以相應(yīng)地得到分子的紅外吸收光譜，并可以與實驗得到的紅外光譜進行比較。以最常見的H2O為例，基于水分子穩(wěn)定點，通過DFT理論，在B3LYP/6-31G*水平計算了H2O分子的頻率，并得到了相應(yīng)的紅外光譜圖。如圖2所示，在計算的水分子的紅外光譜圖中，一共有三個吸收峰，理論值與實驗值（括號內(nèi)的數(shù)值）是一致的。并且按照波數(shù)從小到大，分別對應(yīng)H2O分子中O-H鍵的三種振動模式，分別是剪式振動，對稱性伸縮振動，非對稱的伸縮振動模式。通過理論計算和圖形界面的動畫演示，有利于加強學生對紅外光譜的理解。

3.苯的前線分子軌道。分子軌道理論是結(jié)構(gòu)化學教學的重點和難點內(nèi)容之一。分子軌道理論是指當原子組合成分子時，原來專屬于某個原子的電子將在整個分子范圍內(nèi)運動，其軌道也不再是原來的原子軌道，而成為整個分子所共有的分子軌道。關(guān)于分子軌道的概念非常抽象，單純從理論和數(shù)學的角度學生難以理解[3，4]。如果能夠結(jié)合量子化學軟件將分子軌道圖形化，有助于學生深入理解該理論。以苯分子的分子軌道計算為例，簡單說明量子化學在結(jié)構(gòu)化學教學中的應(yīng)用。苯分子中有6個碳原子，6個π電子。這6個π電子雜化成6個π型分子軌道，其中三個成鍵軌道三個反鍵軌道。圖3是通過Gaussian 09軟件，在B3LYP/6-31G*水平計算得到苯分子的所有π型軌道，并通過GaussView可視化軟件，將這6個π軌道顯示出來。從圖3中可以看出，這6個π型分子軌道的節(jié)面數(shù)分別是0，1，2或3。這6個π型軌道共有四個能級，節(jié)面為1和2的分子軌道，分別有兩個簡并能級。

4.溶劑化顯色效應(yīng)的模擬及其機理解釋。溶劑分子能引起溶質(zhì)吸收帶的位置，強度，甚至譜線形狀的變化[5]。這種現(xiàn)象稱為溶劑化顯色現(xiàn)象。在從微觀結(jié)構(gòu)研究溶劑對噻吩類化合物結(jié)構(gòu)及性能影響方面，理論計算起著越來越重要的作用。圖4（a）展示了含時密度泛函（TD-DFT）方法計算得到的齊聚噻吩的吸收光譜圖，譜線按Lorentzian線形展開，從氣相到強極性的水溶液，聚噻吩的吸收光譜發(fā)生了紅移現(xiàn)象，與實驗現(xiàn)象一致。根據(jù)Frank-Condon原理，垂直激發(fā)通常伴隨著電荷的重新分布，因此激發(fā)過程可能會導(dǎo)致溶質(zhì)偶極矩和能量發(fā)生變化?；诖耍覀儾捎猛耆钚钥臻g自洽場方法（complete active space self-consistent field）CASSCF（12，10）/6-31G*方法分別計算了二噻吩氣相與溶液中基態(tài)和第一單重激發(fā)態(tài)的能量。如圖4（b）所示，隨著溶劑極性的增加，基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量均隨著溶劑極性增加而降低，但是激發(fā)態(tài)的能量降低的比基態(tài)的能量降低的要多一些，從而從本質(zhì)上解釋了噻吩吸收光譜發(fā)生紅移的原因[6]。

運用量子化學計算軟件Gaussian 09和可視化軟件GaussView，結(jié)合多媒體技術(shù)，將大學化學教學中抽象難懂的化學知識以一種形象、直觀、易于理解的形式呈現(xiàn)出來，有利于學生更加深入形象地理解化學知識，還能提高學習效率，對激發(fā)學生學習化學的興趣具有顯著的促M作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程教學的方法。

參考文獻：

[1]Lewars，E. Computational Chemistry-Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics，Kluwer Acadamic Publishers：New York，Boston，Dordrecht，London，Moscow，2004：1-5.

[2]Frisch，M. J. et al.，Gaussian 09，Revision A. 02，Gaussian，Inc.，Wallingford，CT，2009.

[3]李延偉，姚金環(huán)，楊建文，申玉芬，鄒正光.量子化學計算軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（5）.

[4]劉楊先.量子化學Gaussian軟件在“燃燒學”教學中的應(yīng)用[J].課程教材改革，2012，（19）：41-42.

量子化學應(yīng)用范文第2篇

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)化學；教學改革；互動教學

結(jié)構(gòu)化學課程是我國高等學?；瘜W專業(yè)的必修課程，內(nèi)容涉及量子化學，分子對稱性，配位化學和晶體學基礎(chǔ)等部分。該課程內(nèi)容抽象，知識系統(tǒng)龐雜，數(shù)理推導(dǎo)較多，學習曲線陡峭，不少學生因此存在著畏難情緒。然而正如詩詞所言，無限風光在險峰，學好這門課程不僅有助于理解其它化學課程的內(nèi)容，也是為進一步在本專業(yè)深造打下堅實的基礎(chǔ)。[1]在當前深化本科教育教學改革的背景下，如何將結(jié)構(gòu)化學課程上好，真正做到讓老師強起來，學生忙起來，效果實起來，筆者在此對授課以來的問題和解決方法進行總結(jié)。

1重視數(shù)理，夯實基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)化學課程的一大難點在于數(shù)學推導(dǎo)較多，譬如量子化學部分完全使用數(shù)學語言描述核心知識，而對于化學專業(yè)的同學，數(shù)學一直是軟肋，于是極容易產(chǎn)生厭學和畏難情緒。[2-4]針對這個問題，很多老師采取的解決方法是淡化數(shù)學推導(dǎo)，重點介紹推導(dǎo)后的結(jié)論和意義，但我們在授課過程中，發(fā)現(xiàn)這樣的授課方式效果欠佳，因為基礎(chǔ)不牢，課程的學習只能是空中樓閣、風中沙塔，很多同學在課程結(jié)束后還是無法對物理圖像有一個正確的認識和把握。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，筆者認為與其淡化數(shù)學，不如嚴格要求，把數(shù)學學到位。偉大的思想家恩格斯說過：“任何一門科學的真正完善在于數(shù)學工具的廣泛應(yīng)用。”正是因為數(shù)學和物理的引入，才讓化學擺脫了煉金術(shù)的桎梏而成為一門科學。因此我們在授課時自始至終強調(diào)數(shù)學的重要性，在涉及數(shù)學內(nèi)容較多的章節(jié)，提前講授將要用到的數(shù)學工具并布置作業(yè)，每章節(jié)結(jié)束后將重要的公式和結(jié)論進行串講并配合習題進行強化訓練，要求所以學生每學完一個章節(jié)就做思維導(dǎo)圖及時總結(jié)復(fù)習，將重要公式進行總結(jié)歸納制作公式索引表格。盡管提升了學習的難度，但學生對于推導(dǎo)的結(jié)果和物理意義理解的更加準確和深入，記憶也更加牢固，鍛煉了學生的邏輯思維和嚴謹認真的科學態(tài)度。

2理清主線，合理增負

結(jié)構(gòu)化學課程內(nèi)容主要涉及量子化學基礎(chǔ)，分子對稱性，配位化學以及晶體學基礎(chǔ)。盡管這四個部分知識彼此之間較為獨立，但所表達的核心思想是一致的，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)也反映著結(jié)構(gòu)。目前授課內(nèi)容主要存在問題是：量子化學部分各章節(jié)之間主線不夠明確；配位化學部分和專業(yè)無機化學課程內(nèi)容有重疊；晶體學基礎(chǔ)部分，結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容介紹較多而相關(guān)的性質(zhì)介紹較少。針對這些問題，我們對課程的授課內(nèi)容進行了合理的補充和刪減。首先，對于量子化學部分，我們在授課一開始給出課程的故事主線，即量子力學的誕生背景，量子力學基本假設(shè)，簡單模型的量子力學處理方法，氫原子薛定諤方程的求解過程及解的物理意義，以及針對于多電子原子和多原子分子的近似方法。這條主線清晰明確，在每一章節(jié)開始時，我們對之前的內(nèi)容進行簡要回顧，幫助學生理清了各章節(jié)的邏輯關(guān)系，在學期末復(fù)習課時對每一個知識點進行展開復(fù)習，進行鞏固。配位化學部分，對于和無機化學有重疊的部分，我們通過翻轉(zhuǎn)課堂的方式簡要復(fù)習，同時突出結(jié)構(gòu)化學的重點，即分子軌道理論在配位化學的應(yīng)用，著重介紹了配體群軌道這個新概念，以及不同配位幾何構(gòu)型下配體群軌道和中心原子如何依據(jù)對稱性進行線性組合的方式，同時介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應(yīng)的常見機理。在此基礎(chǔ)上，我們還將科研中的一些問題引入課堂討論，如金屬氮賓體和金屬氧化物的電子結(jié)構(gòu)，讓學生通過知識解決實際科研問題，真正做到科研反哺教學。晶體學部分除了介紹基本知識以外，補充介紹了能帶理論，態(tài)密度等概念，并介紹了導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體在電子結(jié)構(gòu)上的差異，這些基礎(chǔ)知識有利于化學專業(yè)的同學在材料化學方向進行科研工作打下基礎(chǔ)。盡管課程在深度和廣度上都有所增加，但不少同學都表示感受到了挑戰(zhàn)性學習所帶來獲得感和高階樂趣。

3反客為主，多元考核

傳統(tǒng)理論課授課方式，采用幻燈片講述授課，學生被動填鴨式學習，效果較差，也不利于學生培養(yǎng)綜合能力。針對這些問題，我們開始嘗試翻轉(zhuǎn)課堂教學方法來提高學生參與性，重點培養(yǎng)學生的學習能力，表達能力，獨立思考，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，這些都是未來創(chuàng)新型人才所具有的重要特質(zhì)。翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容主要涉及三個方面，一個是結(jié)構(gòu)化學課程中難度較低的幾個章節(jié)，如雙原子分子電子結(jié)構(gòu)，分子對稱性，配位化學基礎(chǔ)知識等章節(jié)，各章節(jié)的總結(jié)復(fù)習以及研究性課題，教師提供慕課資源，書籍資料和分子建模軟件，讓所有學生統(tǒng)一準備，課堂上抽簽進行講解，在授課過程中，要求其他小組必須提問，教師在課程結(jié)束時對各小組所準備的課件進行補充點評，我們也將翻轉(zhuǎn)課堂教學納入了考核評價，提高了課程總結(jié)筆記，課堂提問，翻轉(zhuǎn)課堂課件等分數(shù)項的比例。翻轉(zhuǎn)課堂授課方式有效的活躍了課堂氣氛，提高了課堂參與度，也增強了學生的學習能力和思辨精神。

量子化學應(yīng)用范文第3篇

化學鍵是理解有機化合物結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，有機化學中最常見的是σ鍵和π鍵，借助于GAMESS－US的計算結(jié)果可清楚地從三維空間立體顯示σ鍵和π鍵的形成過程。圖1是乙烷中的兩個碳原子在最小基基組下相距不同距離時所對應(yīng)的分子軌道的圖像，從圖中可明顯看出當碳原子相距為3倍平衡鍵長(3Re)時，兩個碳原子上的sp3雜化軌道不能有效重疊成鍵;當碳原子間距離靠近為2Re時，兩個碳原子的sp3雜化軌道能夠部分重疊形成弱的σ鍵;當碳原子間距離靠近到Re時，兩個sp3雜化軌道可最大重疊形成穩(wěn)定的沿鍵軸呈圓柱形對稱的σ鍵。圖2則顯示了乙烯中兩個碳原子上的2pz軌道從相距3Re逐漸靠近到Re按“肩并肩”方式形成成鍵π和反鍵π*軌道的過程。從圖2可明顯看出，π軌道在乙烯平面上的電子云密度為零，而通過兩個位相相反的2pz軌道組合形成的反鍵π*軌道，原子間電子云密度明顯降低。

2構(gòu)象的演示

構(gòu)象是有機化學中的一個基本概念，一般是在講述烷烴的時候引入。這里以正丁烷中C2－C3單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)為例來說明如何通過量子化學計算直觀解釋構(gòu)象以及構(gòu)象間的相互轉(zhuǎn)換這些概念。圖3是正丁烷在6－31G(d)基組下繞中心C2－C3旋轉(zhuǎn)不同角度并限制性優(yōu)化得到的不同構(gòu)象的能量曲線。圖中同時給出了各典型構(gòu)象的相對能量及其立體分子結(jié)構(gòu)。從圖中所標示的分子結(jié)構(gòu)的球棍模型可以明顯看出，在二面角為180°(反交叉式)時，丁烷的兩個甲基相聚最遠，整個分子能量最低;而在二面角為60°(順交叉式)時兩個甲基的相互排斥使能量升高大約4．2kJ/mol，兩者都處于勢能曲線上的極小值點，都是較穩(wěn)定的構(gòu)象。從反交叉式轉(zhuǎn)換到順交叉式需要越過15．3kJ/mol的勢壘。而另外的全重疊式和部分重疊式構(gòu)象由于甲基相距太近，排斥能較大使得它們處于能量曲線上的極大值點，因此是不穩(wěn)定構(gòu)象。我們還可以利用頻率計算得到的各構(gòu)象相對自由能根據(jù)玻爾茲曼公式近似計算室溫下各構(gòu)象所占的比例。

3反應(yīng)機理的演示

有機反應(yīng)機理是有機化學的重要組成部分，也可以說是理解和掌握基本有機反應(yīng)的基礎(chǔ)。但是有機反應(yīng)機理普遍較為抽象，對于剛接觸到有機反應(yīng)的學生而言顯得難以掌握。若能夠以動畫的形式來直觀化整個反應(yīng)過程，顯然有助于學生對反應(yīng)機理的理解。這里我們以有機化學里常見的雙分子親核取代(SN2)反應(yīng)和(氫遷移反應(yīng)來說明如何通過計算化學來動畫圖示整個反應(yīng)歷程。3．1SN2反應(yīng)圖4顯示的是6－31+G(d)基組下由內(nèi)稟內(nèi)坐標(IRC)方法計算得到的SN2反應(yīng)F－+CH3ClCH3F+Cl－整個反應(yīng)歷程［6］。從IRC計算得到的反應(yīng)路徑可以很直觀地闡明整個反應(yīng)過程:F－從C－Cl鍵背面進攻C原子，隨著反應(yīng)的進行，F(xiàn)－和中心C原子的距離逐漸接近;與此同時，原來的C－Cl鍵的鍵長逐漸拉長;在反應(yīng)的過渡態(tài)，C原子近似采用sp2雜化，和三個氫原子形成一個近似平面的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)－和Cl－分別位于這個平面的兩側(cè)，F(xiàn)和C以及C和Cl均是靠弱的σ鍵聯(lián)系在一起，隨后F－進一步靠近和C形成F－C鍵，Cl－離去最后形成自由的Cl－。整個反應(yīng)過程可以制作成一個動畫進行直觀演示，活化能的數(shù)據(jù)也可直接從反應(yīng)混合物和過渡態(tài)的相對能量差得到。3．2σ遷移反應(yīng)σ遷移反應(yīng)屬于周環(huán)反應(yīng)的一種，和有機化學中大多數(shù)離子型或者自由基反應(yīng)機理不同，σ遷移反應(yīng)一般是通過環(huán)狀過渡態(tài)協(xié)同完成。這里我們以1，3－戊二烯的［1，5］σ氫遷移反應(yīng)為例，說明通過量子化學計算結(jié)果所展示的整個協(xié)同反應(yīng)歷程(圖5)。從IRC計算得到的結(jié)果可以直觀重現(xiàn)整個反應(yīng)過程:甲基上的氫逐漸向端基的烯基碳原子靠近，形成一個六元環(huán)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，隨后舊的碳氫鍵逐漸斷裂、新碳氫鍵生成，最后形成產(chǎn)物。

4紅外光譜的指認

量子化學應(yīng)用范文第4篇

在重點院校中，學生素質(zhì)相對較高，數(shù)學、物理學習能力普遍較強，對結(jié)構(gòu)化學的作用與地位認識也相對較好，可能較少存在結(jié)構(gòu)化學“無用”的觀念;而在地方高校的化學專業(yè)學生中，有相當一部分學生存在認識誤區(qū)，特別是有一些不考結(jié)構(gòu)化學的考研學生和畢業(yè)后將從事中學教學的學生具有“結(jié)構(gòu)化學無用”的思想。作為教師，應(yīng)該認識到這一問題的嚴重性。通過這幾年的實踐證明提高學生認識，堅定學習信心，對消除學生學習結(jié)構(gòu)化學“無用”的觀念以及畏難的心理是很必要和有效的。因此，在開課之前必須詳細介紹該課程在整個化學中所處的地位和作用，闡明學習結(jié)構(gòu)化學的重要意義。

注重對量子化學發(fā)展史和研究結(jié)構(gòu)

化學的科學方法的介紹任何一門學科都有其發(fā)生和發(fā)展的過程，學習知識時若不從歷史中尋找借鑒，就易把知識當成是“終極真理”而死記硬背，不求甚解。因此，在傳授知識的同時，應(yīng)該介紹量子化學發(fā)展史，學習科學家勇于探索的精神，由師生共同創(chuàng)造一種嶄新的價值理念。例如普朗克(M．Planck)的“離經(jīng)叛道”的假設(shè);德布羅意(deBroglie)波的提出是類比法的成功典范，戴維遜(C．Davisson)-革末(L．H．Germer)的因禍得福;狄拉克(Dirac)、薛定諤(E．Schrdinger)的異曲同工———薛定諤用數(shù)學形式開辟出量子力學的新體系;另外，還有一個德國物理學家海森堡提出一個矩陣力學體系，薛定諤用的是微積分形式，海森堡用的是代數(shù)形式;湯姆遜(Thomson)父子的珠聯(lián)壁合———父親發(fā)現(xiàn)了電子，兒子又證實了電子是波，父子二人在物理學方面進行接力研究，在科學史上傳為美談。還有徐光憲的巧妙規(guī)則，唐敖慶的獨辟蹊徑等［2］?？茖W的先驅(qū)是勇敢的探索者，他們常常在黑暗中摸索前進，他們的精神值得我們敬佩。學生聽到和看到這些史實，無不浮想聯(lián)翩，對優(yōu)化思維結(jié)構(gòu)，激發(fā)科學壯志都有潛移默化的作用。在傳授理論知識的同時，指導(dǎo)學生學會抽象思維和用數(shù)學工具處理問題，并運用類比、模擬的科學方法［3］，寓科學方法于教學內(nèi)容中。類比方法是提出和建立科學假說的重要方法。例如德布羅意假設(shè)是在光的波粒二象性思想啟發(fā)下，提出電子等實物微粒也具有波動性，他當時推導(dǎo)固然復(fù)雜些，從科學方法論的角度講，由光的波粒二象性到實物微粒的波粒二象性是一種類比推理。類比是利用兩個或兩類對象之間在某些方面的相似或相同，推出它們在其他方面也可能相似或相同的思維方法，是一種由特殊到特殊、由此及彼的過程。類比可以提供重要線索，啟迪思想，是發(fā)展科學知識的一種有效的試探方法。還有薛定諤受物質(zhì)波假說的啟發(fā)，引出了電子運動的波函數(shù)方程，他走的也是依賴類比的“近路”。許多化學問題的解決有賴于類比方法的使用，而類比方法的使用有可能形成簡捷的思維路徑。使學生在學習科學知識的同時，得到方法論的啟迪。在教學中應(yīng)引導(dǎo)學生追蹤量子化學發(fā)展的足跡，不失時機地揭示其中的科學方法，更清楚地了解各種知識理論的相對合理性及有待完善的地方。這樣使學生在學習過程中不僅可以獲得化學知識，而且能學習科學家嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神和大膽創(chuàng)新的進取精神。

通過改進課程教學方法培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

使用多種教學方法培養(yǎng)學生的理論思維能力與創(chuàng)新能力，是結(jié)構(gòu)化學課教學的重要目的。課堂教學是學生學習結(jié)構(gòu)化學的主要和基本的學習形式。課堂教學質(zhì)量的高低與課堂教學方法的運用有很大關(guān)系。以前我們采用的是“一言堂”的教學方式，這種教學方法壓抑了學生學習結(jié)構(gòu)化學的積極性和主動性，因此，根據(jù)教學內(nèi)容靈活地采用不同的教學方法是提高結(jié)構(gòu)化學課教學質(zhì)量的重要手段。結(jié)構(gòu)化學雖是理論性較強的學科，但與其他學科一樣，來源于對實驗現(xiàn)象的分析、思考，且要通過實踐來檢驗其結(jié)論正確與否，內(nèi)容博大精深，集科學性、思想性于一體，并具有前沿性。結(jié)構(gòu)化學教師必須重視對結(jié)構(gòu)化學教學方法的研究，針對不同教學內(nèi)容采取不同的教學方法，更好地提高教學質(zhì)量。我們采用的教學方法主要有:啟發(fā)式教學、互動式教學、討論式教學、對話式教學、模型教學和專題式教學，并布置小論文，開展學生的科技活動。如在課程討論時將學生分成幾個學習小組，針對不同主題進行討論，并在課堂上交流。把個體作業(yè)學習與大組討論交流結(jié)合起來，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。如布置“超分子結(jié)構(gòu)”為主題的小論文，許多學生通過期刊和網(wǎng)絡(luò)收集了大量與超分子結(jié)構(gòu)化學有關(guān)的信息，從不同角度撰寫了心得體會和小論文，有的學生還發(fā)表了自己的設(shè)想和見解。課程教學討論不僅豐富了學生的知識，而且也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。利用多媒體輔助教學在有限的教學時間內(nèi)運用現(xiàn)代化教學手段，可以加大信息量。我們使用幻燈片和CAI課件，通過圖、文、聲、像等手段，把抽象的理論變成具體的形象，讓學生在直觀、生動的學習中加深對理論的理解。目前，我們研制的結(jié)構(gòu)化學CAI課件已連續(xù)使用幾屆，受到學生的好評。例如講授等徑球密堆積時，無論用黑板繪圖或圓球模型展示表現(xiàn)得都不夠清楚，現(xiàn)在用多媒體課件，動態(tài)演示等徑球一層層的排列方式，效果很明顯。必修課與選修課相結(jié)合在上好必修課的同時，開設(shè)量子化學、波譜學、化學中的數(shù)學方法等選修課，理論與實踐相結(jié)合，以科學方法啟迪學生的創(chuàng)新思想。以科研促教學從專業(yè)基礎(chǔ)知識的結(jié)構(gòu)上看，結(jié)構(gòu)化學課程是基礎(chǔ)課和專業(yè)課的樞紐課程，是介于本科生學習和畢業(yè)論文之間承上啟下的課程。結(jié)構(gòu)化學課程理論性強，但實踐性也很重要，有些知識一直影響到學生的碩士、博士學位論文［4］。因此，科研進教學、教學促科研的雙向互動就顯得很重要。結(jié)構(gòu)化學教學內(nèi)容基本是20世紀的科研成果。我們發(fā)揮科研背景優(yōu)勢，在教學中不斷將當前的科研成果融入教學，以使課堂內(nèi)容具有豐富性、代表性、創(chuàng)造性和啟發(fā)性，能跟上時代前進的步伐。在開展第二課堂活動中，通過設(shè)計專題科研實驗，使學生能有更多機會加入到自身科研之中，有時間和空間從事自己有興趣的課題研究;通過使用Origin，Chemistry3D等軟件制作分子結(jié)構(gòu)及其軌道圖;利用Gaussian98以及GaussView等專業(yè)軟件開展分子設(shè)計與量子化學計算模擬實驗，幫助學生學習與理解自洽場運算原理、原子軌道、分子軌道及其能量電荷分布、熱化學性質(zhì)、簡諧振動、對稱性等相關(guān)知識。在科研過程中，學生有了正確的科研方向和學習目的，能有針對性地查閱最新資料，及時了解學科前沿，從而改變了被動學習的局面。

量子化學應(yīng)用范文第5篇

在結(jié)構(gòu)化學課程教學中設(shè)置課程論文作為激勵學生學習知識和課程評價的手段。引導(dǎo)學生將課堂學習的結(jié)構(gòu)化學理論知識應(yīng)用于課程論文研究中，達到學以致用效果。論文指導(dǎo)過程中，注意學生創(chuàng)新思維模式的培育，教學的重點應(yīng)放在課程論文研究的過程上，同時注意培養(yǎng)學生的科學道德，全面提升學生的科學素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】 結(jié)構(gòu)化學 課程論文 創(chuàng)新思維

《結(jié)構(gòu)化學》是理科院?；瘜W專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)理論專業(yè)課。這門課程以嚴謹?shù)臄?shù)學邏輯推導(dǎo)為基礎(chǔ)，建立比較抽象的理論概念，學生一般感到難學難懂。因此，學生易缺乏學習的積極性，影響到教學效果。根據(jù)結(jié)構(gòu)化學教學的特點，我們在教學中，設(shè)置課程論文作為激勵學生學習知識和評價教學效果的手段。對此， 我們在教學實踐中， 在掌握學生基本學習情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)本課程的教學內(nèi)容和教學特點，設(shè)置與教學目標和教學要求相適應(yīng)的，注重理論研究和解釋實際實驗現(xiàn)象的課程論文題目，引導(dǎo)學生嘗試應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學/量子化學的理論計算結(jié)果來解釋化學實驗，深入了解分子結(jié)構(gòu)和理論性質(zhì)，揭示其內(nèi)在規(guī)律性。從而在應(yīng)用理論的過程中加深對理論知識的認識，提高學生的學習積極性，取得較好的教學效果。

1 設(shè)置課程論文的重要性

與其他化學專業(yè)課程不同，《結(jié)構(gòu)化學》的內(nèi)容主要是抽象理論，缺乏合適的配套實驗對所學理論知識進行加深、拓寬和鞏固。該門課程的對象一般是大學三年級學生，具有相當?shù)幕瘜W專業(yè)知識。設(shè)置課程論文可以讓學生在搜尋研究對象或者范圍時，對以前專業(yè)知識進行回顧和分析，思考大學一年級以來學習的知識是否存在可以采用結(jié)構(gòu)化學理論解釋的地方，引發(fā)學生對化學知識、原理和現(xiàn)象進行思考，在自由選擇題目范圍的情況下，激發(fā)學生的學習和研究興趣。在指導(dǎo)學生進行課程論文研究時，注意講述一般科學研究的方法和步驟及科學工作者所應(yīng)當具備的科學道德，全面提升學生的科學素養(yǎng)。在指導(dǎo)學生進行課程論文撰寫時，著重講授一般論文的寫作格式，培養(yǎng)學生的邏輯思維，提高學生的書面表達能力，形成一定論文寫作規(guī)范。這對于一般理工科學生尤其重要。設(shè)置的課程論文同時為四年級畢業(yè)論文研究階段所需要的邏輯思維和論文寫作打下基礎(chǔ)。

2 理論化學計算軟件的講授

讓學生進行課程論文研究，首先必須先教導(dǎo)學生使用理論化學的計算軟件，讓計算軟件成為學生進行課程論文研究的工具，所以教師本身需要對該類軟件非常熟悉，同時具備利用該類軟件進行科學研究的能力和經(jīng)驗，這對教師的教學和科研能力有較高的要求。在眾多量子化學理論計算軟件中，HyperChem比較適合一般學生使用?？梢暬浖股願W的理論計算結(jié)果形象化、直觀化進行表達，讓學生好學易懂，同時操作簡單，適合用來作為課程論文研究的計算軟件。在實際教學中，我們只需要1學時就能教會學生有關(guān)HyperChem的基本操作和應(yīng)用于簡單的理論計算。譚君［1］介紹了HyperChem軟件的一些使用操作和特點，這里不再重復(fù)敘述。

3 科學研究思維和步驟的指導(dǎo)

授之以魚不若授之以漁，所以我們在課堂上，教導(dǎo)學生一般的科學研究思維和步驟。課堂上以苯環(huán)上親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律作為計算例子，采用Hyperchem軟件計算各原子電荷并解釋定位規(guī)律的實驗現(xiàn)象。眾所周知，苯環(huán)上的取代基分為鄰對位定位基和間位定位基兩類。這里選擇了氨基和甲醛基分別作為鄰對位定位基和間位定位基兩類代表，通過計算其量子化學指數(shù)，討論其計算結(jié)果，從理論上解釋定位效應(yīng)。

首先分析影響親電反應(yīng)的因素。一般認為碳原子的電子云密度是主要因素，所以我們可以通過計算苯環(huán)上的碳原子電荷來解析親電反應(yīng)規(guī)律。

在Hyperchem構(gòu)造并以PM3分別計算氨基苯和苯甲醛，按display中的labels，選定charge項，在分子中顯示各碳原子的電荷分布。

電荷分布顯示氨基苯上鄰位和對位的C原子帶負電荷，分別為-0.191和-0.169，均大于間位C原子電荷（-0.05），所以對于氨基苯來說，親電基團會首先進攻鄰位和對位。而在苯甲醛的情況恰好相反，間位C原子電荷為最負，為-0.119。親電基團會首先進攻間位。根據(jù)上述計算結(jié)果和討論，應(yīng)用原子電荷的規(guī)律變化很好地解釋了親電取代定位規(guī)則。

轉(zhuǎn)貼于 　　4 擬定結(jié)構(gòu)化學計算題目

自由選擇題目范圍，可以激發(fā)學生的學習和研究興趣，教學中，我們設(shè)定以下方向（題目）：

① 藥物分子的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系

通過對分子的結(jié)構(gòu)計算，討論結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系，尋找分子活性中心和主要影響活性的因素。

② 化學反應(yīng)原理與規(guī)律解釋

以理論方法計算和解釋常見化學反應(yīng)的產(chǎn)物與規(guī)律，如丁二烯的加成反應(yīng)。

③ 分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

計算出分子的量化指數(shù)，尋找量化指數(shù)與分子性質(zhì)的關(guān)系，如HOMO、LUMO與顏色的關(guān)系。

④ 光譜的移動

研究分子結(jié)構(gòu)與光譜移動的關(guān)系，如分子中的鍵長的變化直接影響紅外吸收峰的移動。

⑤ 分子的結(jié)構(gòu)/構(gòu)型/構(gòu)象

以理論方法研究分子的結(jié)構(gòu)、具體構(gòu)型和構(gòu)象。

⑥ 分子間的相互作用

分子間的作用一般為氫鍵和范德華作用，與化合鍵作用相比，屬于弱作用，是生物大分子主要相互作用。

5 論文指導(dǎo)與創(chuàng)新思維模式的培育

創(chuàng)新思維的特征是求同與求異的統(tǒng)一、發(fā)散與收斂思維的統(tǒng)一、敏銳的直覺與理論思維的統(tǒng)一。課程論文布置下去以后，學生在對課題的思考會有許多新的問題和新的想法，我們要鼓勵學生在對新的問題進行創(chuàng)新思維。安排課程討論，將學生的想法在課堂上討論，尊重學生的新想法，引導(dǎo)學生將課堂學習的結(jié)構(gòu)化學理論知識應(yīng)用于課程論文研究中。

具有獨立思考判斷能力是學生創(chuàng)新思維模式的主要表現(xiàn)。傳統(tǒng)教師講、學生聽的缺乏互動的教學模式已表現(xiàn)出許多弊端，影響了學生獨立思考和動手的素質(zhì)及其能力的形成。學生自己選題，成為培養(yǎng)學生獨立思考判斷能力跨出的第一步，也是重要的一步。獨立開展課程論文研究，進一步培養(yǎng)學生獨立思考判斷能力。因此，教學的重點應(yīng)放在課程論文研究的過程上，而非結(jié)論。教會學生從抽象的數(shù)理推導(dǎo)中評選出適合個體所需的條件。同時，學生只有具備獨立的思考判斷能力和獲取知識的能力，才能在終身教育過程中面對日新月異的世界，不斷實現(xiàn)知識的更新［2］。

【參考文獻】

1 譚君. HyperChem 在結(jié)構(gòu)化學教學中的應(yīng)用. 重慶教育學院學報，2004，17(6):20～22.