[摘 要]該文針對農業(yè)院校不同學科發(fā)展需要，設計體現(xiàn)具有農業(yè)院校學科特色的結構化學教學內容和教學模式，培養(yǎng)學生以數(shù)據和圖形為切入點，激發(fā)學生對結構化學的學習興趣，從而深入理解分子結構性質，探究化學反應機理。同時，鼓勵學生跳出實驗室，走進數(shù)據仿真世界，玩轉分子結構及性質分析，激發(fā)學生對基礎學科學習的主動性和積極性，培養(yǎng)學生應用計算科學方法思考化學前沿科學問題的能力。通過以上研究實踐，實現(xiàn)從實驗中來到實踐中去的能力培養(yǎng)目標，充分發(fā)揮結構化學教學在培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維中的重要作用。

[關鍵詞]計算化學數(shù)據;結構化學;教學

[作者簡介]田保玲（1982—），女，山東臨沂人，博士，青島農業(yè)大學化學與藥學院講師，主要從事理論與計算化學研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）28-0302-02[收稿日期] 2019-11-21

一、引言

鑒于農業(yè)院校開設的化學類課程，一般化學課程為普通化學、分析化學、有機化學、物理化學以及相對應的實驗課程，較少開設結構化學課程。普通化學課程涉及一些相對簡單的物理化學和結構化學內容，如化學熱力學、動力學、原子和分子結構等，這些大容量、抽象復雜的內容正是大學生學習的難點。在教學中，教師經常使用隱喻、物理分子模型或多媒體方法來展示和解釋分子。學生對化學知識的理解仍處于記憶水平，難以深入理解。

近年來，隨著教學體系的改革，利用計算機化學模擬及相關可視化軟件分析，可以更具體地表達抽象的概念，使化學變化的本質和過程更生動地展現(xiàn)在學生面前，不僅可以激發(fā)學生學習化學的興趣，同時也加強了學生對化學知識的理解。在普通化學教學中，國外長期重視在普通化學課程學習中普及計算化學。世紀之交，美國大學將計算化學的內容引入普通化學教學。

因此，在結構化學教學過程中，我們也嘗試引入一些簡單易懂的計算化學內容來輔助教學。它一方面可以更新和重組結構化學的教學內容，提高教學質量和效果，另一方面也有助于學生理解抽象的概念、反應機理和解釋實驗現(xiàn)象，而且還可以很好地激發(fā)學生的學習興趣。

如何將激發(fā)學習興趣和鉆研理論知識實現(xiàn)無縫對接，計算化學的數(shù)據與圖形界面為此點亮一盞明燈。

二、提升教學質量實施方法的嘗試

（一）計算化學圖像在分子軌道章節(jié)中的應用

分子結構是研究化學反應的基礎，如何把分子結構以及分子是如何由原子形成的過程講解清楚，可以把非化學專業(yè)的學生短時間內帶入微觀世界：可視化分子和原子軌道，透視元素周期表內部的排布規(guī)律，計算化學將給出形象而全面的展示，以充分激發(fā)他們學習化學的興趣，引起他們學習的好奇心。分子軌道理論是本科生學習的難點。學生對原子軌道組合形成分子軌道、分子軌道形狀與能級分布、分子軌道對稱性等缺乏直觀認識，見圖1。

通過量子化學Gaussian09計算軟件，計算O2和N2分子等同核或CO、NO等異核雙原子分子的軌道能級圖，可以在課堂上直接用GaussView5.0軟件將學生較難理解的內容直觀地展現(xiàn)出來。如圖2所示，直接點擊相應的軌道可以直觀顯示出兩個原子軌道重疊形成分子軌道的形狀與分子軌道的對稱性，這樣不僅可以解釋分子軌道成鍵原則與電子填充原則等分子軌道理論中的重難點，還可以加深學生對分子軌道理論的理解，激發(fā)學生學習化學的興趣，從而有效提高教學質量。

（二）計算化學數(shù)據在光譜結構表征中的應用

大多數(shù)化學專業(yè)的學生都用實驗的方法測定過物質的紫外可見吸收光譜，但對紫外可見光譜的實質卻了解的并不充分。Gaussian09可以準確地預測紫外吸收的位置、強度以及相關電子躍遷的軌道，而GaussView5.0則可以直觀地顯示目標紫外吸收帶躍遷軌道的本質。

圖3為利用TD-DFT（B3LYP/6-311g）方法理論計算得到的Hoogsteen堿基對的紫外吸收光譜，包含了紫外吸收帶、強度及躍遷軌道的結果。

通過量化計算，還可以清晰地展示分子的簡諧振動模式，對于分子的不同分子振動模式，其振動模式頻率、強度及其振動吸收譜都可以通過數(shù)據和動畫的形式清晰地展現(xiàn)出來，見圖4。

通過振動模式的詳細分析，可以得到分子具體分子鍵的種類和相應的振動模式，并且，在軟件中，可以實現(xiàn)振動模式的動態(tài)視頻展示，可以給學生非常直觀的認識，讓學生對分子的振動轉動結構有全新的理解和認識。

三、結語

21世紀為大數(shù)據時代。隨著理論化學方法和計算機軟硬件技術的迅猛發(fā)展，計算化學已經在化學、化工、材料、能源、藥學設計等領域中發(fā)揮著日益重要的作用，但在反哺教學領域的研究探索相對較少?！?0后”大學生是互聯(lián)網時代的原居民，天生對計算機、數(shù)據、圖形、視頻等敏感、好奇，因此著力抓住大學生的愛好特點，對接專業(yè)知識，將有助于開啟高成效學習。對于農業(yè)院校本科生，他們接觸到的計算化學知識十分有限，有些專業(yè)并不開設結構化學課程，如果能在本課程中多引用一些計算化學的模擬研究內容或者通過計算化學的模擬研究對實驗中的一些性質或現(xiàn)象總結規(guī)律，不僅有利于開拓學生的視野，而且對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和理論與實踐相結合的研究能力也可以發(fā)揮一定的作用。

Research on Application of Computational Chemistry Data and Graphics in the Teaching

of Structural Chemistry

TIAN Bao-ling

（College of Chemistry and Pharmaceutical Sciences， Qingdao Agricultural University， Qingdao， Shandong 266109， China）