“基礎(chǔ)量子化學(xué)”課程建設(shè)中若干問題的研究

楊照地，張桂玲

(哈爾濱理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150080)

“基礎(chǔ)量子化學(xué)”課程建設(shè)中若干問題的研究

楊照地，張桂玲

(哈爾濱理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150080)

計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展給理論化學(xué)的課程建設(shè)帶來了無限契機(jī)。為了使“基礎(chǔ)量子化學(xué)”課程成為學(xué)生們感興趣的課程，應(yīng)合理編排教學(xué)內(nèi)容，增設(shè)量子化學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)開展科研促進(jìn)教學(xué)的模式，使之成為學(xué)校一個(gè)獨(dú)具特色的理論基礎(chǔ)課。

基礎(chǔ)量子化學(xué);課程建設(shè);量子化學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn);科研促進(jìn)教學(xué)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和理論化學(xué)的飛速發(fā)展，理論計(jì)算化學(xué)的發(fā)展空前迅速，化學(xué)已經(jīng)不再是單純的實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，而是理論和實(shí)驗(yàn)并重、并肩發(fā)展的科學(xué)?；瘜W(xué)基本理論可以解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同時(shí)也可為實(shí)驗(yàn)科學(xué)家提供指導(dǎo)。基礎(chǔ)量子化學(xué)就是一門重要的理論基礎(chǔ)課程，主要為結(jié)構(gòu)化學(xué)、計(jì)算化學(xué)、功能分子設(shè)計(jì)等課程和科學(xué)研究方向提供理論基礎(chǔ)。

科技的不斷發(fā)展以及高等院校教學(xué)改革的不斷深入，本科生知識體系的不斷變化，要求教學(xué)內(nèi)容更加系統(tǒng)化和前沿化，科研型的教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)活動(dòng)也將不斷增加，而國際前沿的與計(jì)算機(jī)應(yīng)用密切結(jié)合的計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域和功能分子設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域?qū)⑹菍W(xué)生們的首選，因此具備基礎(chǔ)的量子化學(xué)知識是必要的?；A(chǔ)量子化學(xué)未來必將成為高校的專業(yè)基礎(chǔ)課或主干課程以及化學(xué)專業(yè)研究生的必修課。因此對它進(jìn)行系統(tǒng)的課程建設(shè)是十分必要的。但是由于《基礎(chǔ)量子化學(xué)》這門課程的特點(diǎn)，要使這門課程更具有推廣性和實(shí)用性，筆者認(rèn)為要在課程建設(shè)中做好以下三方面工作。

一、合理編排教學(xué)內(nèi)容，讓枯燥的理論知識變得簡單易懂

量子化學(xué)是一門交叉學(xué)科，它需要較多的物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算知識，對于廣大學(xué)生和化學(xué)工作者來說有著一定的距離。它太抽象、深?yuàn)W，全篇都是晦澀難懂的公式，大家覺得它難，因此對它失去了學(xué)習(xí)興趣。要想讓學(xué)生和化學(xué)工作者接受它，我們要重新編排理論教學(xué)內(nèi)容，采用各種方法把枯燥的知識形象化具體化，變得簡單易懂。

(一)增加圖型描述來把抽象知識具體化

早在1976年，日本量子化學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者福井謙一就寫了一本名為《圖解量子化學(xué)》的書，在該書中，作者為了使那些不習(xí)慣于數(shù)學(xué)式的人能夠了解并掌握量子化學(xué)的本質(zhì)，并且應(yīng)用量子化學(xué)知識對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解析和研究，書中應(yīng)用了大量簡單易懂的圖形，而沒有完全使用數(shù)學(xué)式解釋問題［1］。雖然在當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)沒有十分發(fā)達(dá)，但是福井謙一在該書中的圖解十分形象，對讀者來說淺顯易懂。比如對分子軌道圖形、成鍵軌道和反鍵軌道的圖形表示以及前線軌道的能級圖等，圖形顯然簡單但卻清楚明白。對于我們來說也是可以這樣做的，并且我們可以把圖做得更加漂亮，更加形象，因?yàn)槲覀兛梢越柚墓ぞ咴黾恿?Guassview、Chemdraw、Photoshop等)。比如原子軌道和分子軌道的描述，我們可以借助Guassview軟件給出，圖形是三維的，非常清晰并且可以隨意調(diào)節(jié)軌道正負(fù)兩面的顏色以示區(qū)分。另外，我們也可以借助Gauss軟件計(jì)算丁二烯分子，用Guassview軟件得到前線分子軌道的分布圖，可以形象地給出丁二烯1，4位HOMO和LUMO軌道處的擴(kuò)展，從而說明1，4位為什么具有大的反應(yīng)性。

(二)著重于如何應(yīng)用量子化學(xué)處理問題，而不是公式的推導(dǎo)和進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算

其實(shí)由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，有很多復(fù)雜乏味的計(jì)算已經(jīng)不用人們?nèi)プ隽耍伎梢越唤o計(jì)算機(jī)來完成，因此量子化學(xué)的復(fù)雜計(jì)算已經(jīng)不是問題了，問題是你怎么認(rèn)識量子化學(xué)?你要用它來解決什么問題?如何用它解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等等［2］。因此在我們進(jìn)行課程建設(shè)過程中，重新編排的教學(xué)內(nèi)容，除了對量子化學(xué)作系統(tǒng)的介紹外，還要結(jié)合實(shí)例，看看量子化學(xué)是如何處理問題的。例如我們在分子軌道理論部分可以先提出這樣的問題:為什么兩個(gè)氫原子可以形成一個(gè)穩(wěn)定的氫分子H2，而兩個(gè)氦原子不能形成穩(wěn)定的氦分子He2?為什么氧分子是具有順磁性?當(dāng)我們把依據(jù)原子軌道線性組合方式(LCAO－MO)得到的分子軌道的能級圖給出，當(dāng)我們把電子按照填充三原則填充以后，這些問題就很明確了。另外，當(dāng)我們給學(xué)生講述分子軌道與能級、軌道類型與能級間隔的時(shí)候，我們也不妨先提出如下問題:為什么染料分子中大多含有芳香環(huán)和共軛鏈?這樣我們在告訴學(xué)生什么是基態(tài)、激發(fā)態(tài)以及軌道能級間躍遷的同時(shí)也告訴了他們物質(zhì)顏色與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。相信這種通過解決問題的過程來讓學(xué)生認(rèn)識量子化學(xué)的方式會(huì)極大地增加學(xué)生們對這門課程的學(xué)習(xí)興趣。

二、增設(shè)量子化學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)量子化學(xué)和計(jì)算機(jī)結(jié)合帶來的震撼

可以說計(jì)算機(jī)給量子化學(xué)插上了翅膀。很多老師和學(xué)生都知道，薛定諤方程處理多原子分子是相當(dāng)復(fù)雜的，如果不借助于計(jì)算機(jī)，手動(dòng)幾乎是不可能完成的。但是很少人親自體驗(yàn)過如何利用計(jì)算機(jī)來研究和模擬化學(xué)問題，如何建立計(jì)算，如何分析結(jié)果。以往可能由于計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，并不普及，所以無法實(shí)現(xiàn)開設(shè)量子化學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)的想法?？墒侨缃裼?jì)算機(jī)在高校已經(jīng)達(dá)到普及，甚至每個(gè)學(xué)院都有獨(dú)立的計(jì)算機(jī)機(jī)房，這樣就為開設(shè)量子化學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)提供了必要的條件。

另外，現(xiàn)在的課程建設(shè)提倡理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，實(shí)驗(yàn)有助于對抽象理論的理解。而且從目前學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和特點(diǎn)出發(fā)考慮，學(xué)生們喜歡實(shí)驗(yàn)，喜歡應(yīng)用計(jì)算機(jī)，喜歡形象化的東西。他們不喜歡聽老師在黑板上講復(fù)雜的理論推導(dǎo)，因?yàn)樗麄冇X得學(xué)完了不知道有什么用，怎么用。

我們既然有了資源，又了解了學(xué)生的需要，我們就可以增設(shè)量子化學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)了。我們選取一些典型的，但是原子數(shù)又不是很多、計(jì)算耗時(shí)不會(huì)太長的分子，去設(shè)計(jì)以下各實(shí)驗(yàn)。

(1)甲醛單點(diǎn)能的計(jì)算;

(2)乙烯基態(tài)分子幾何的優(yōu)化;

(3)乙烯基醇異構(gòu)體頻率計(jì)算;

(4)甲醛激發(fā)態(tài)的優(yōu)化和頻率計(jì)算;

(5)模擬化學(xué)反應(yīng);

(6)模擬溶液中的體系。

這些實(shí)驗(yàn)既能讓學(xué)生們了解量子化學(xué)的本領(lǐng)，學(xué)會(huì)應(yīng)用量子化學(xué)理論知識解決問題的手段，又簡單易懂，操作簡單，而且可以極大地發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

三、科研促進(jìn)教學(xué)，將學(xué)到的理論應(yīng)用于研究

目前，科研型教學(xué)模式在高校是非常盛行的?，F(xiàn)在各個(gè)高校的人才模式發(fā)生了變化，具有博士學(xué)位的年輕教師越來越多，也就是說在某一領(lǐng)域具有固定的科研方向，具有獨(dú)立的科研能力并且科研水平處于國內(nèi)乃至國際領(lǐng)先的青年教師越來越多。他們不僅有好的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技能，還能把握科技前沿。發(fā)揮出他們的優(yōu)勢既可以鍛煉青年教師，也可以提升學(xué)生對某一領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和研究興趣。

那么在基礎(chǔ)量子化學(xué)課程建設(shè)中，如何開展科研型的教學(xué)模式呢?

(一)開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的方式

對于一些對理論學(xué)習(xí)和量子化學(xué)計(jì)算非常感興趣的學(xué)生，可以結(jié)合相關(guān)教師的科研方向，以教師和學(xué)生共同商討的方式給出研究的內(nèi)容和方案。然后學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，完成一個(gè)課題的研究，寫出研究報(bào)告。在我們學(xué)院，從事量子化學(xué)方向科學(xué)研究工作的就有四位教師，均為博士，其中兩位為教授、博導(dǎo)。科研方向有小分子反應(yīng)機(jī)理的研究、導(dǎo)電高分子材料的理論研究、雙光子吸收材料的分子設(shè)計(jì)和理論研究以及晶體缺陷的檢測和理論研究。這些研究方向都是屬于國際前沿的科學(xué)研究領(lǐng)域。對于教師來說，在自己的科研領(lǐng)域內(nèi)開展這種創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，有助于他們從學(xué)生那里得到更多的奇思妙想和創(chuàng)新性的啟發(fā)，也有助于他們發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)適合于進(jìn)一步深造的學(xué)生。

(二)開展科研訓(xùn)練的教學(xué)環(huán)節(jié)

對于大多數(shù)的學(xué)生來說，他們不了解科學(xué)研究的過程，總是覺得很難，甚至有些神秘、高不可攀，因此他們在心里對科學(xué)研究敬而遠(yuǎn)之。我們教師恰恰可以利用這樣的心理，開展科研訓(xùn)練的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)一些簡單的，又能體現(xiàn)科學(xué)研究過程的量子化學(xué)小課題，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)把學(xué)到的理論知識用于實(shí)際解決問題上來，從而把理論與實(shí)踐相結(jié)合，既讓學(xué)生和科學(xué)研究有了親密接觸，又加固了理論學(xué)習(xí)的內(nèi)容，一舉兩得。

［1］葉鐵林，周宏力.《圖解量子化學(xué)》評介［J］.化學(xué)通報(bào)，1983，(6):64.

［2］王德民，葉學(xué)其.神奇的預(yù)測——趣談量子化學(xué)［M］.長沙:湖南教育出版社，2001.

The Investigation of Some Problems for the Curriculum Construction of“Fundamental quantum chemistry”

YANG Zhao-di，ZHANG Gui-ling
(Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

There are many chances for the curriculum construction of theoretical chemistry with the fast developing of computer technology.In order to make“Fundamental quantum chemistry”a unique theoretically fundamental curriculum and to let the students be interested in it，we should reasonably lay out the teaching contents，add the quantum chemistry computing experiments curricula and develop teaching pattern of scientific researches.

fundamental quantum chemistry;curriculum construction;quantum chemistry computing experiments;teaching pattern of scientific researches

G642.421

A

1001－7836(2010)02－0073－02

(責(zé)任編輯:孫大力)

2009－12－16

哈爾濱理工大學(xué)教學(xué)研究課題(P20080048)

楊照地(1978－)，女，內(nèi)蒙古召烏達(dá)盟人，副教授，博士，從事材料化學(xué)方面的理論研究;張桂玲(1969－)，女，教授，博士生導(dǎo)師，博士，從事導(dǎo)電高分子材料的理論研究。