计算机技术对结构化学教育的意义

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一、计算机在教学中的应用

结构化学的加速发展使得其对计算机技术的需求越来越迫切，主要表现在三个方面：“1）化学计算的难度越来越高，许多结构化学和物理化学中的问题离开了计算机便不能获得圆满解决；2）化工设备和工艺对自动化的要求越来越高，而且对许多化工过程，人工进行控制已经相当困难，需要高可靠性的控制系统；3）化学和化工实验研究的高费用和高风险性质也驱使人们探讨利用计算机模拟技术部分代替实际的化学和化工实验，以降低研究成本和减少风险。”因此，随着各类计算和模拟软件的开发，计算机越来越多地应用到结构化学的研究和教学中。就教学而言，首先应该使学生明白计算机技术在结构化学中的重要地位，其次掌握相关软件进行实际操作。学生需要学习并掌握以下几个方面的技术。

1.用计算机进行结构化学计算结构化学的研究涉及到原子和分子的结构关系及性能之间的关系，而作为微观粒子的电子、原子、分子等实物粒子具有波粒二象性，这样就涉及到实物粒子的波长、质量等计算。要完成复杂的计算需要借助计算机。用计算机进行结构化学计算需要借助专业软件。目前已经有很多功能强大的软件应用于结构化学的计算。主要有：

（1）Hyperchem。美国Hypercube公司出版的分子模拟软件，可以进行量子化学、分子动力学、分子结构等方面的计算。该软件的主要计算类型有单点能、几何优化、计算振动频率得到简正模式、过渡态寻找、分子动力学模拟、Langevin动力学模拟、MetropolisMonteCarlo模拟。支持的计算方法有：从头计算、半经验方法、分子力学、混合计算。可以用来研究的分子特性有：同位素的相对稳定性、生成热、活化能、原子电荷、HOMO-LUMO能量间隔、电离势、电子亲和力等。这款软件的优点是高质量、高灵活性和容易操作，是结构化学必学的一款软件。

（2）Gaussian。这是一款功能强大的综合性的量子化学软件，其最广泛的用途是做半经验计算和从头计算。其可执行程序可在不同型号的大型计算机、超级计算机、工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。它的功能有：过渡态能量和结构计算、键和反应能量计算、原子电荷和电势计算、振动频率计算等等，还可以预测周期体系的能量、结构和分子轨道。因此，Gaussian是应用研究领域广泛的强大工具。

（3）AccuModel。这是一款准确简单的分子力学计算软件，其功能有：能够建立并演示准确的分子结构模型；提供计算结构参数和热力学参数的手段；基于优化计算对分子模型能够进行几何和构象处理；利用能量计算方法对分子进行构象分析等。计算在结构化学学科中有相当重要的意义，只有严密而准确的计算才能得出分子、原子等实体粒子的结构和功能之间的关系。在信息量大、处理困难、单靠人脑无法准确计算的今天，用计算机进行计算是不二选择。而各种计算软件的学习则是学习结构化学的基础所在，因此课堂上的学习和课下的掌握都相当重要。

2.用计算机进行结构化学过程模拟由于结构化学实验和研究的费用和风险越来越高，大规模地进行实验有时候反而得不偿失。采用计算机模拟的方法则可以减少实验费用、降低实验风险、并扩大研究的范围，从而提高研究速度和效率，以最小的成本达到最好的效果。计算机的结构化学过程模拟主要包括两个方面：仿真模拟和数值模拟。数值模拟在科学领域中更为重要。这两种过程模拟可以更好地研究结构化学的反应机理、模拟过程、并推测结果，从而获得反应参数以指导科学研究。

用计算机进行结构化学过程模拟最常用的软件ChemicalKineticsSimulator0（以下简称CKS0）是少量的、比较出色的化学动力学商业软件之一。它的主要功能有：可以在产物并不清楚的条件下使用，反应物和产物可以用代码表示；处理范围宽泛，浓度和速率数值范围可达8个数量级；除了能够处理常规均相反应之外，还可以处理诸如界面吸附、膜形成、物质交换等化学和物理过程中的动力学问题；软件的使用需要事先了解必要的反应机理、速率常数、反应条件、相关热力学常数、物质的物理状态、等信息；模拟结果以关系曲线图和数据表格形式给出。“CKS0的操作主要包括建立化学反应文件、输入化学反应机理、输入反应条件、输入模拟条件、模拟运行和显示输出模拟结果6个步骤。”CKS0以其强大的功能用于各种化学反应的模拟，如甲基丙烯酸甲酯的聚合反应模拟、五氧化二氮的热分解反应模拟、固体表面吸附过程模拟、膜形成过程模拟等。这些软件在教学过程中产生的效果是显著的，它们使得教学过程有趣、丰富、生动、活泼，一对一的教学模式使得学生学习更加主动。学生不再为复杂的计算过程而一遍一遍地伤透脑筋，也更加直观地认识到分子、原子的结构。

二、计算机技术的应用效果评价

计算机应用到结构化学的教学中有多种形式，如：计算机多媒体教学、计算机交互链接式教学、计算机题库教学等。这里重点评价计算机软件教学。与国外某些发达国家相比，我国的软件教育相对落后，软件的出版和供应相对较少，且优秀的软件都来自国外，要想教学生使用，老师首先要有丰富的使用经验和较好的外语修养。

1.计算机技术教学的效果虽然有这些困难，我国计算机技术的教学效果是值得肯定的。首先，从教材上来讲，我们已经拥有大量的软件教学课件，这些课件来自于我国化学教师与计算机工程师的共同努力。他们编写了很多教材，如《计算机在化学化工中的应用技术》等，还有大量的课件应用于课堂之上，甚至通过国际互联网获得国外的教学课件，极大地丰富和完善了我国软件教学的教材。其次，从技术资源上来讲，刚开始时使用的由国外大学或中学开发的自由软件已经不能满足结构化学快速发展的需要，我国目前使用较多的是大型商业软件，这些软件由专业公司开发，软件的性能和质量能够保障。

2.计算机技术教学的不足尽管取得了很多成果，我国的计算机技术教学还是存在很多不足。

（1）硬件的缺乏。虽然教材资源丰富，但是硬件系统跟不上也会影响教学效果，如电脑的操作系统跟不上时展。计算机技术日新月异，更新换代很快，如果不能积极地引入新型计算机会浪费掉很多优秀的教师和教材资源。

（2）应试教育的副作用明显。多年的应试教育训练使得当代大学生习惯了考试才会努力，如果一门学科不是以考试为目的的学习，则缺乏学习兴趣，导致授课效果不理想。

（3）教师的教育观念偏差。目前我国大多数高校普遍存在的一个问题是教师上课积极性差，对待学生的态度不够严格，导致很多学生上课不认真、下课不复习、操作时间短，无法掌握软件的使用要领。

总之，目前在我国，计算机技术已经应用到结构化学教学的各个方面，尤其是结构化学的应用软件教学已经取得了长足进步。虽然在教学效果上仍然存在一些问题，但是只要采取积极努力的措施，相信计算机技术会在结构化学的教学中发挥更加有力的作用。

作者：吴义芳单位：菏泽学院化学与化工系