劉現(xiàn)林

化學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，也是社會進步和科技發(fā)展的基石，現(xiàn)在國家正需要高質(zhì)量的化學(xué)人才。而當(dāng)前，高中化學(xué)教育和教學(xué)面臨著改革和創(chuàng)新的挑戰(zhàn)，亟須改革教學(xué)手段和教學(xué)方法。利用計算機輔助工具，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率，為國家培養(yǎng)新一代化學(xué)專業(yè)人才奠定基礎(chǔ)。

一、 課程標準對信息技術(shù)的要求

《普通高中化學(xué)課程標準》(以下簡稱《新課標》)指出“要重視信息技術(shù)的應(yīng)用”。信息技術(shù)與化學(xué)在很多方面存在交叉融合，作為中心學(xué)科的化學(xué)，在材料、能源、醫(yī)療健康、環(huán)境保護等科技發(fā)展中發(fā)揮著無可取代的作用。高中化學(xué)教師要積極探索在高中化學(xué)教學(xué)與實驗中恰當(dāng)使用信息技術(shù)，特別是利用計算機模擬實驗和微觀過程，把一些實驗無法呈現(xiàn)的現(xiàn)象和微觀過程直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，成為高中化學(xué)教學(xué)的有益補充。

信息技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的恰當(dāng)使用，有利于提高教師的教學(xué)效率，有利于促進學(xué)生對化學(xué)知識的深度理解。教研組要重視化學(xué)教材信息資源平臺的建設(shè)，為各種潛力的學(xué)生和教師提供多樣的學(xué)習(xí)資源，助力中國化學(xué)教育的發(fā)展。

二、 信息技術(shù)的重要組成部分——計算化學(xué)

信息技術(shù)(information technology，縮寫IT)，是主要用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)的總稱，尤其涉及計算機技術(shù)。當(dāng)今計算化學(xué)已經(jīng)是信息技術(shù)在化學(xué)中應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)。

在化學(xué)發(fā)展的早期，化學(xué)家通過對化學(xué)實驗的歸納形成了樸素的化學(xué)理論，以至于在很長一段時間內(nèi)化學(xué)被認為是“純粹實驗的科學(xué)”。20世紀初，物理學(xué)家創(chuàng)立了量子力學(xué)。量子力學(xué)的創(chuàng)立，使得“化學(xué)變化可以通過計算定量地說明和預(yù)測”有了理論基礎(chǔ)。化學(xué)家逐步認識到實驗和理論可以協(xié)同探索分子的性質(zhì)并處理復(fù)雜的化學(xué)問題。理論計算不僅能說明已有的實驗結(jié)果，并提供實驗難以得到的化學(xué)變化過程的細節(jié)和微觀結(jié)構(gòu)信息，還能預(yù)測新的實驗結(jié)果。當(dāng)前，理論化學(xué)計算與實驗緊密結(jié)合，力求計算真實的化學(xué)體系，力求與真實實驗的結(jié)果接近。

理論計算化學(xué)致力于更好地為發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)提供依據(jù)，化學(xué)已經(jīng)逐步發(fā)展為依靠“實驗、理論和計算”三根支柱發(fā)展的學(xué)科。隨著現(xiàn)代物理學(xué)和數(shù)學(xué)的迅速發(fā)展，計算機的計算能力日益強大，研究化學(xué)過程的理論體系迅速發(fā)展，計算化學(xué)學(xué)科體系就逐步形成了。計算化學(xué)(computational chemistry)是計算機科學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科，它的主要目的是利用計算機程序計算分子的性質(zhì)，例如總能量、偶極矩、反應(yīng)活性等，解釋具體的化學(xué)問題。計算化學(xué)與材料、生命、信息科學(xué)等領(lǐng)域的融合交叉，使其在化學(xué)及相關(guān)學(xué)科中的應(yīng)用越來越廣泛。

三、 計算化學(xué)對高中化學(xué)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的影響

采用計算化學(xué)模擬及可視化軟件分析，可以將化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)與過程更形象地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，并且使抽象概念具體化，有助于學(xué)生理解反應(yīng)的機理和現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生對化學(xué)微觀過程的興趣。

在高中化學(xué)課堂上利用符合高中學(xué)生認知的、與計算化學(xué)相關(guān)的多媒體技術(shù)，動態(tài)地展示抽象的概念和相對復(fù)雜的反應(yīng)機理，增加學(xué)生的感性認識，有利于突破教學(xué)重點并解決教學(xué)難點。信息技術(shù)也因其高效、形象化和易于理解等特點，使得教學(xué)手段多樣化、靈活化。

(一)計算化學(xué)對化學(xué)反應(yīng)原理的意義

在化學(xué)反應(yīng)原理中，計算化學(xué)從基本的量子化學(xué)理論出發(fā)，利用大量的數(shù)值運算方式去探究一個系統(tǒng)的化學(xué)性質(zhì)。最常見的是，用計算化學(xué)解釋各種化學(xué)實驗現(xiàn)象，幫助化學(xué)工作者了解、分析觀察到的實驗結(jié)果。此外，計算化學(xué)對未知或觀測困難的化學(xué)系統(tǒng)可以進行預(yù)測。當(dāng)前，化學(xué)理論還在不斷地發(fā)展和完善。計算化學(xué)用于驗證、測試、修正或發(fā)展高層次的化學(xué)理論，時有發(fā)生。這些對化學(xué)人才的培養(yǎng)非常重要，對高中學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)，特別是理解化學(xué)本質(zhì)同樣重要。高中化學(xué)教學(xué)要讓學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)的基本規(guī)律，建立物質(zhì)變化的正確思維模型，了解化學(xué)能與熱能、電能等能量轉(zhuǎn)化的基本原理，能對生產(chǎn)、生活和自然界中有關(guān)的化學(xué)現(xiàn)象進行合理的解釋。

例如，針對酸堿滴定、酸堿平衡的過程，先利用儀器測出溶液的pH值，再利用軟件模擬實測曲線，學(xué)生饒有興趣地通過推理判斷滴定終點、溶液呈中性的點，利于學(xué)生自主完成知識的構(gòu)建。針對催化反應(yīng)機理，可以通過計算得出反應(yīng)物、過渡態(tài)、生成物的能量，以及不同的催化劑下此反應(yīng)路徑的反應(yīng)熱、反應(yīng)的能壘、活化能等。借助計算結(jié)果挑選合適的催化劑，同時為設(shè)計更好的催化劑提供理論依據(jù)。

[教學(xué)實例1]研究發(fā)現(xiàn)霧霾中的炭黑顆粒物可以使O2活化并產(chǎn)生對環(huán)境有不良影響的活化氧，用計算機模擬計算這一活化過程的能量變化如圖1所示。反應(yīng)過程中存在多步反應(yīng)的活化能，根據(jù)能量變化圖分析，可以得到如下結(jié)論：O2的活化是O—O鍵的斷裂與C—O鍵的形成過程，每一個O2活化放出0.29eV的能量；沒有水加入的反應(yīng)活化能為E=0.75eV，有水加入的反應(yīng)的活化能為E=0.57eV，所以水可使O2活化反應(yīng)的活化能降低0.75eV-0.57eV=0.18eV；炭黑顆?？梢曰罨疧2產(chǎn)生活化氧，而活化氧可以把SO2快速氧化成SO3，炭黑顆粒就是這個過程的催化劑。教師在帶領(lǐng)學(xué)生識圖和發(fā)掘圖像信息的過程中培養(yǎng)學(xué)生的微觀探析核心素養(yǎng)。

圖1 活化過程的能量變化模擬計算結(jié)果

(二)計算化學(xué)對結(jié)構(gòu)化學(xué)的意義

在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)中，常用的計算機軟件有Matlab、ChemOffice、Chemcraft、Gamess、diamond、Orbital Viewer、Materal Studio、Gaussian和GaussView等。只要在Gaussian09軟件中導(dǎo)入分子結(jié)構(gòu)文件，設(shè)置凈電荷、自旋多重度和選擇溶劑模型等參數(shù)，進行簡單計算后，能提供實驗觀察不到的有關(guān)分子的信息并形象具體地進行展現(xiàn)，如幾何優(yōu)化、NMR、化合物的原子、分子電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵性質(zhì)、分子間相互作用力、分子軌道和電子密度等，增加學(xué)生對理論課堂的興趣。

例如，二元化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以用作化合物分類的依據(jù)，并且可用于預(yù)測化合物的理化性質(zhì)，并根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)的數(shù)據(jù)設(shè)計新的功能材料。

[教學(xué)實例2]磷及其化合物在電池、催化等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。黑磷與石墨類似，也具有層狀結(jié)構(gòu)，見圖2。為大幅度提高鋰電池的充電速率，科學(xué)家最近研發(fā)了黑磷-石墨復(fù)合負極材料，其單層結(jié)構(gòu)俯視圖如圖3所示。貴金屬磷化物Rh2P(化學(xué)式量為237)的立方晶胞如圖4所示。

圖2 黑磷

圖3 黑磷-石墨

圖4 貴金屬磷化物Rh2P

(三)計算化學(xué)對有機化學(xué)的意義

在有機化學(xué)中，常用的計算機軟件有InDraw、KingDraw、ChemSketch、MestReNova、ChemOffice、Materal Studio、Gaussian等。除了利用計算機軟件獲得有機物分子的直觀信息之外，有機分析的重要手段之一就是檢索圖譜數(shù)據(jù)庫，但有機分析的商業(yè)數(shù)據(jù)庫一般年費用較高，不適合高中教學(xué)。為滿足高中教學(xué)的需要，高中老師可以建立簡單實用的數(shù)據(jù)庫，將搜集到的常數(shù)譜圖、操作規(guī)則、有機合成路線、應(yīng)用程序等信息存貯在其中，以備需要時檢索之用。

例如，網(wǎng)上有一些免費譜圖網(wǎng)站，我們可以根據(jù)需要選擇符合高中教學(xué)需要的圖譜(IR、MS、Gas、NMR、UV、Ion Clustering Data...)，建立高中標準譜圖庫；學(xué)生參考這個數(shù)據(jù)庫根據(jù)分子量、官能團和化學(xué)鍵等結(jié)構(gòu)信息就可以判斷物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)。有機分子的立體幾何構(gòu)型是高中有機化學(xué)教學(xué)的難點，也是重點。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，有機分子的化學(xué)行為更多取決于分子的三維幾何構(gòu)型。如何根據(jù)結(jié)構(gòu)式，在頭腦中構(gòu)建出分子的正確立體構(gòu)型，對學(xué)生來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，而通過計算模擬可以輕松解決這個問題。比如環(huán)己烷的兩種構(gòu)象如圖5、圖6所示，采用Chemoffice軟件不僅可以快速模擬出分子的立體構(gòu)型，而且還可以對立體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，查看構(gòu)型時，可以通過鼠標隨意地對分子進行平移和反轉(zhuǎn)。

圖5 船式構(gòu)象

圖6 椅式構(gòu)象

[教學(xué)實例3]在人教版(2019版)有機化學(xué)基礎(chǔ)第二章第三節(jié)芳香烴中，教材從苯的結(jié)構(gòu)著手研究苯。根據(jù)苯的分子式C6H6，與飽和烴相比，少了8個H，不飽和程度很大，理論上苯應(yīng)該與乙烯等不飽和烴具有相似的化學(xué)性質(zhì)。但是，實驗表明苯不能使酸性KMnO4溶液和溴水褪色，不具有碳碳雙鍵的結(jié)構(gòu)，這給學(xué)生造成了認知沖突，激發(fā)學(xué)生探究苯的結(jié)構(gòu)的興趣。然后在chem3D軟件中模擬展示苯的立體構(gòu)型，呈平面正六邊形，由此啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生用雜化理論解釋苯的結(jié)構(gòu)。進一步運用Gaussian軟件優(yōu)化乙烷、乙烯和苯中的碳碳鍵長分別為153pm、133pm和139pm，說明苯中碳碳鍵介于單、雙鍵之間。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，苯的特殊結(jié)構(gòu)也就決定了苯兼有飽和烴與不飽和烴的性質(zhì)，這樣完善和升華了烴的知識。在chemdraw軟件中還可以快速預(yù)測各種有機化合物的1H-NMR譜圖，很好地滿足了高中化學(xué)教學(xué)的要求。如苯的1H-NMR模擬譜圖如圖7所示，H原子的化學(xué)位移為7.34，說明苯中所有H原子等價。直觀的數(shù)據(jù)使學(xué)生從微觀角度對苯結(jié)構(gòu)的認識更加清晰，有利于培養(yǎng)學(xué)生觀察能力和邏輯思維能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識和微觀探析的核心素養(yǎng)。

圖7 苯的1H-NMR模擬譜圖

(四)計算化學(xué)對實驗化學(xué)的意義

在實驗化學(xué)中，化學(xué)反應(yīng)在微觀層面進行且比較抽象，僅依靠實物模型和比喻等傳統(tǒng)的教學(xué)方法進行教學(xué)，學(xué)生對化學(xué)知識抽象原理的深入理解往往存在困難。通過計算化學(xué)的模擬，不僅能從分子及原子水平解釋問題，還可以從理論高度總結(jié)物質(zhì)在實驗中所表現(xiàn)的性質(zhì)或?qū)嶒灛F(xiàn)象的特定規(guī)律，這些規(guī)律又可以指導(dǎo)新的實驗并預(yù)測實驗結(jié)果。從某種程度上說，化學(xué)問題上升到了哲學(xué)高度。

圖8 NO2和SO2反應(yīng)的微觀示意圖

四、 反思

信息技術(shù)使傳統(tǒng)的高中化學(xué)教學(xué)發(fā)生了深刻的變革。數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)解析、分子設(shè)計、信號分析、有機合成、模擬實驗等諸多方面的應(yīng)用，使得高中教師和學(xué)生已經(jīng)成為信息技術(shù)的受益者。在高中教學(xué)中，無論是晦澀難懂的理論講解還是實驗教學(xué)，信息技術(shù)的應(yīng)用都取得了事半功倍的教學(xué)效果，加深了學(xué)生對抽象知識的理解，提升了學(xué)生的核心素養(yǎng)。教師在基礎(chǔ)課程的講解過程中，將計算化學(xué)與基礎(chǔ)化學(xué)學(xué)科教學(xué)相結(jié)合，發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，必將促進課堂教學(xué)有效性的進一步提高。