計算機技術(shù)對結(jié)構(gòu)化學教育的意義

1、計算機技術(shù)對結(jié)構(gòu)化學教育的意義 一、計算機在教學中的應(yīng)用 結(jié)構(gòu)化學的加速發(fā)展使得其對計算機技術(shù)的需求越來越迫切，主要表現(xiàn)在三個方面：“1）化學計算的難度越來越高，許多結(jié)構(gòu)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(shè)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(jīng)相當困難，需要高可靠性的控制系統(tǒng)；3）化學和化工實驗研究的高費用和高風險性質(zhì)也驅(qū)使人們探討利用計算機模擬技術(shù)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?！币虼?，隨著各類計算和模擬軟件的開發(fā)，計算機越來越多地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學的研究和教學中。就教學而言，首先應(yīng)該使學生明白計算機技術(shù)在結(jié)構(gòu)化學

2、中的重要地位，其次掌握相關(guān)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(shù)。 1.用計算機進行結(jié)構(gòu)化學計算結(jié)構(gòu)化學的研究涉及到原子和分子的結(jié)構(gòu)關(guān)系及性能之間的關(guān)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(zhì)量等計算。要完成復(fù)雜的計算需要借助計算機。用計算機進行結(jié)構(gòu)化學計算需要借助專業(yè)軟件。目前已經(jīng)有很多功能強大的軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)等方面的計算。該軟件的主要計算類型有單點能、幾何優(yōu)化、計算振動頻率得到簡正模式、過渡態(tài)尋

3、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(jīng)驗方法、分子力學、混合計算。可以用來研究的分子特性有：同位素的相對穩(wěn)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(yōu)點是高質(zhì)量、高靈活性和容易操作，是結(jié)構(gòu)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(jīng)驗計算和從頭計算。其可執(zhí)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(yīng)有不同的版本。它的功能有：過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)計算、鍵和反應(yīng)能量計算、

4、原子電荷和電勢計算、振動頻率計算等等，還可以預(yù)測周期體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian是應(yīng)用研究領(lǐng)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(jié)構(gòu)模型；提供計算結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學參數(shù)的手段；基于優(yōu)化計算對分子模型能夠進行幾何和構(gòu)象處理；利用能量計算方法對分子進行構(gòu)象分析等。計算在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)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(jié)構(gòu)化學的基礎(chǔ)所在，因此

5、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(jié)構(gòu)化學過程模擬由于結(jié)構(gòu)化學實驗和研究的費用和風險越來越高，大規(guī)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(jié)構(gòu)化學過程模擬主要包括兩個方面：仿真模擬和數(shù)值模擬。數(shù)值模擬在科學領(lǐng)域中更為重要。這兩種過程模擬可以更好地研究結(jié)構(gòu)化學的反應(yīng)機理、模擬過程、并推測結(jié)果，從而獲得反應(yīng)參數(shù)以指導科學研究。 用計算機進行結(jié)構(gòu)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

6、的化學動力學商業(yè)軟件之一。它的主要功能有：可以在產(chǎn)物并不清楚的條件下使用，反應(yīng)物和產(chǎn)物可以用代碼表示；處理范圍寬泛，濃度和速率數(shù)值范圍可達8個數(shù)量級；除了能夠處理常規(guī)均相反應(yīng)之外，還可以處理諸如界面吸附、膜形成、物質(zhì)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(yīng)機理、速率常數(shù)、反應(yīng)條件、相關(guān)熱力學常數(shù)、物質(zhì)的物理狀態(tài)、等信息；模擬結(jié)果以關(guān)系曲線圖和數(shù)據(jù)表格形式給出?！癈KS0的操作主要包括建立化學反應(yīng)文件、輸入化學反應(yīng)機理、輸入反應(yīng)條件、輸入模擬條件、模擬運行和顯示輸出模擬結(jié)果6個步驟?！盋KS0以其強大的功能用于各種化學反應(yīng)的模擬，如甲基丙烯酸甲酯的聚合反應(yīng)模擬、五氧化

7、二氮的熱分解反應(yīng)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(chǎn)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(fù)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(jié)構(gòu)。 二、計算機技術(shù)的應(yīng)用效果評價 計算機應(yīng)用到結(jié)構(gòu)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(fā)達國家相比，我國的軟件教育相對落后，軟件的出版和供應(yīng)相對較少，且優(yōu)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(jīng)驗和較好的外語修養(yǎng)。 1.計算機技術(shù)教

8、學的效果雖然有這些困難，我國計算機技術(shù)的教學效果是值得肯定的。首先，從教材上來講，我們已經(jīng)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(yīng)用技術(shù)等，還有大量的課件應(yīng)用于課堂之上，甚至通過國際互聯(lián)網(wǎng)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(shù)資源上來講，剛開始時使用的由國外大學或中學開發(fā)的自由軟件已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)化學快速發(fā)展的需要，我國目前使用較多的是大型商業(yè)軟件，這些軟件由專業(yè)公司開發(fā)，軟件的性能和質(zhì)量能夠保障。 2.計算機技術(shù)教學的不足盡管取得了很多成果，我國的計算機技術(shù)教學還是存在很多不足。

9、（1）硬件的缺乏。雖然教材資源豐富，但是硬件系統(tǒng)跟不上也會影響教學效果，如電腦的操作系統(tǒng)跟不上時代發(fā)展。計算機技術(shù)日新月異，更新?lián)Q代很快，如果不能積極地引入新型計算機會浪費掉很多優(yōu)秀的教師和教材資源。 （2）應(yīng)試教育的副作用明顯。多年的應(yīng)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(shù)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(tài)度不夠嚴格，導致很多學生上課不認真、下課不復(fù)習、操作時間短，無法掌握軟件的使用要領(lǐng)。 總之，目前在我國，計算機技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學教學的各個方面，尤其是結(jié)構(gòu)化學的應(yīng)用軟件教學