計算機技術對結構化學教育的意義

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一、計算機在教學中的應用

結構化學的加速發展使得其對計算機技術的需求越來越迫切，主要表現在三個方面：“1）化學計算的難度越來越高，許多結構化學和物理化學中的問題離開了計算機便不能獲得圓滿解決；2）化工設備和工藝對自動化的要求越來越高，而且對許多化工過程，人工進行控制已經相當困難，需要高可靠性的控制系統；3）化學和化工實驗研究的高費用和高風險性質也驅使人們探討利用計算機模擬技術部分代替實際的化學和化工實驗，以降低研究成本和減少風險。”因此，隨著各類計算和模擬軟件的開發，計算機越來越多地應用到結構化學的研究和教學中。就教學而言，首先應該使學生明白計算機技術在結構化學中的重要地位，其次掌握相關軟件進行實際操作。學生需要學習并掌握以下幾個方面的技術。

1.用計算機進行結構化學計算結構化學的研究涉及到原子和分子的結構關系及性能之間的關系，而作為微觀粒子的電子、原子、分子等實物粒子具有波粒二象性，這樣就涉及到實物粒子的波長、質量等計算。要完成復雜的計算需要借助計算機。用計算機進行結構化學計算需要借助專業軟件。目前已經有很多功能強大的軟件應用于結構化學的計算。主要有：

（1）Hyperchem。美國Hypercube公司出版的分子模擬軟件，可以進行量子化學、分子動力學、分子結構等方面的計算。該軟件的主要計算類型有單點能、幾何優化、計算振動頻率得到簡正模式、過渡態尋找、分子動力學模擬、Langevin動力學模擬、MetropolisMonteCarlo模擬。支持的計算方法有：從頭計算、半經驗方法、分子力學、混合計算?？梢杂脕硌芯康姆肿犹匦杂校和凰氐南鄬Ψ€定性、生成熱、活化能、原子電荷、HOMO-LUMO能量間隔、電離勢、電子親和力等。這款軟件的優點是高質量、高靈活性和容易操作，是結構化學必學的一款軟件。

（2）Gaussian。這是一款功能強大的綜合性的量子化學軟件，其最廣泛的用途是做半經驗計算和從頭計算。其可執行程序可在不同型號的大型計算機、超級計算機、工作站和個人計算機上運行，并相應有不同的版本。它的功能有：過渡態能量和結構計算、鍵和反應能量計算、原子電荷和電勢計算、振動頻率計算等等，還可以預測周期體系的能量、結構和分子軌道。因此，Gaussian是應用研究領域廣泛的強大工具。

（3）AccuModel。這是一款準確簡單的分子力學計算軟件，其功能有：能夠建立并演示準確的分子結構模型；提供計算結構參數和熱力學參數的手段；基于優化計算對分子模型能夠進行幾何和構象處理；利用能量計算方法對分子進行構象分析等。計算在結構化學學科中有相當重要的意義，只有嚴密而準確的計算才能得出分子、原子等實體粒子的結構和功能之間的關系。在信息量大、處理困難、單靠人腦無法準確計算的今天，用計算機進行計算是不二選擇。而各種計算軟件的學習則是學習結構化學的基礎所在，因此課堂上的學習和課下的掌握都相當重要。

2.用計算機進行結構化學過程模擬由于結構化學實驗和研究的費用和風險越來越高，大規模地進行實驗有時候反而得不償失。采用計算機模擬的方法則可以減少實驗費用、降低實驗風險、并擴大研究的范圍，從而提高研究速度和效率，以最小的成本達到最好的效果。計算機的結構化學過程模擬主要包括兩個方面：仿真模擬和數值模擬。數值模擬在科學領域中更為重要。這兩種過程模擬可以更好地研究結構化學的反應機理、模擬過程、并推測結果，從而獲得反應參數以指導科學研究。

用計算機進行結構化學過程模擬最常用的軟件ChemicalKineticsSimulator0（以下簡稱CKS0）是少量的、比較出色的化學動力學商業軟件之一。它的主要功能有：可以在產物并不清楚的條件下使用，反應物和產物可以用代碼表示；處理范圍寬泛，濃度和速率數值范圍可達8個數量級；除了能夠處理常規均相反應之外，還可以處理諸如界面吸附、膜形成、物質交換等化學和物理過程中的動力學問題；軟件的使用需要事先了解必要的反應機理、速率常數、反應條件、相關熱力學常數、物質的物理狀態、等信息；模擬結果以關系曲線圖和數據表格形式給出?！癈KS0的操作主要包括建立化學反應文件、輸入化學反應機理、輸入反應條件、輸入模擬條件、模擬運行和顯示輸出模擬結果6個步驟?！盋KS0以其強大的功能用于各種化學反應的模擬，如甲基丙烯酸甲酯的聚合反應模擬、五氧化二氮的熱分解反應模擬、固體表面吸附過程模擬、膜形成過程模擬等。這些軟件在教學過程中產生的效果是顯著的，它們使得教學過程有趣、豐富、生動、活潑，一對一的教學模式使得學生學習更加主動。學生不再為復雜的計算過程而一遍一遍地傷透腦筋，也更加直觀地認識到分子、原子的結構。

二、計算機技術的應用效果評價

計算機應用到結構化學的教學中有多種形式，如：計算機多媒體教學、計算機交互鏈接式教學、計算機題庫教學等。這里重點評價計算機軟件教學。與國外某些發達國家相比，我國的軟件教育相對落后，軟件的出版和供應相對較少，且優秀的軟件都來自國外，要想教學生使用，老師首先要有豐富的使用經驗和較好的外語修養。

1.計算機技術教學的效果雖然有這些困難，我國計算機技術的教學效果是值得肯定的。首先，從教材上來講，我們已經擁有大量的軟件教學課件，這些課件來自于我國化學教師與計算機工程師的共同努力。他們編寫了很多教材，如《計算機在化學化工中的應用技術》等，還有大量的課件應用于課堂之上，甚至通過國際互聯網獲得國外的教學課件，極大地豐富和完善了我國軟件教學的教材。其次，從技術資源上來講，剛開始時使用的由國外大學或中學開發的自由軟件已經不能滿足結構化學快速發展的需要，我國目前使用較多的是大型商業軟件，這些軟件由專業公司開發，軟件的性能和質量能夠保障。

2.計算機技術教學的不足盡管取得了很多成果，我國的計算機技術教學還是存在很多不足。

（1）硬件的缺乏。雖然教材資源豐富，但是硬件系統跟不上也會影響教學效果，如電腦的操作系統跟不上時展。計算機技術日新月異，更新換代很快，如果不能積極地引入新型計算機會浪費掉很多優秀的教師和教材資源。

（2）應試教育的副作用明顯。多年的應試教育訓練使得當代大學生習慣了考試才會努力，如果一門學科不是以考試為目的的學習，則缺乏學習興趣，導致授課效果不理想。

（3）教師的教育觀念偏差。目前我國大多數高校普遍存在的一個問題是教師上課積極性差，對待學生的態度不夠嚴格，導致很多學生上課不認真、下課不復習、操作時間短，無法掌握軟件的使用要領。

總之，目前在我國，計算機技術已經應用到結構化學教學的各個方面，尤其是結構化學的應用軟件教學已經取得了長足進步。雖然在教學效果上仍然存在一些問題，但是只要采取積極努力的措施，相信計算機技術會在結構化學的教學中發揮更加有力的作用。

作者：吳義芳單位：菏澤學院化學與化工系