導(dǎo)語(yǔ)：計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教育的意義一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、計(jì)算機(jī)在教學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)化學(xué)的加速發(fā)展使得其對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的需求越來(lái)越迫切，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：“1）化學(xué)計(jì)算的難度越來(lái)越高，許多結(jié)構(gòu)化學(xué)和物理化學(xué)中的問(wèn)題離開了計(jì)算機(jī)便不能獲得圓滿解決；2）化工設(shè)備和工藝對(duì)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，而且對(duì)許多化工過(guò)程，人工進(jìn)行控制已經(jīng)相當(dāng)困難，需要高可靠性的控制系統(tǒng)；3）化學(xué)和化工實(shí)驗(yàn)研究的高費(fèi)用和高風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)也驅(qū)使人們探討利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)部分代替實(shí)際的化學(xué)和化工實(shí)驗(yàn)，以降低研究成本和減少風(fēng)險(xiǎn)?！币虼?，隨著各類計(jì)算和模擬軟件的開發(fā)，計(jì)算機(jī)越來(lái)越多地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究和教學(xué)中。就教學(xué)而言，首先應(yīng)該使學(xué)生明白計(jì)算機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的重要地位，其次掌握相關(guān)軟件進(jìn)行實(shí)際操作。學(xué)生需要學(xué)習(xí)并掌握以下幾個(gè)方面的技術(shù)。

1.用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算結(jié)構(gòu)化學(xué)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(shí)物粒子具有波粒二象性，這樣就涉及到實(shí)物粒子的波長(zhǎng)、質(zhì)量等計(jì)算。要完成復(fù)雜的計(jì)算需要借助計(jì)算機(jī)。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算需要借助專業(yè)軟件。目前已經(jīng)有很多功能強(qiáng)大的軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的計(jì)算。主要有：

（1）Hyperchem。美國(guó)Hypercube公司出版的分子模擬軟件，可以進(jìn)行量子化學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、分子結(jié)構(gòu)等方面的計(jì)算。該軟件的主要計(jì)算類型有單點(diǎn)能、幾何優(yōu)化、計(jì)算振動(dòng)頻率得到簡(jiǎn)正模式、過(guò)渡態(tài)尋找、分子動(dòng)力學(xué)模擬、Langevin動(dòng)力學(xué)模擬、MetropolisMonteCarlo模擬。支持的計(jì)算方法有：從頭計(jì)算、半經(jīng)驗(yàn)方法、分子力學(xué)、混合計(jì)算?？梢杂脕?lái)研究的分子特性有：同位素的相對(duì)穩(wěn)定性、生成熱、活化能、原子電荷、HOMO-LUMO能量間隔、電離勢(shì)、電子親和力等。這款軟件的優(yōu)點(diǎn)是高質(zhì)量、高靈活性和容易操作，是結(jié)構(gòu)化學(xué)必學(xué)的一款軟件。

（2）Gaussian。這是一款功能強(qiáng)大的綜合性的量子化學(xué)軟件，其最廣泛的用途是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算。其可執(zhí)行程序可在不同型號(hào)的大型計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并相應(yīng)有不同的版本。它的功能有：過(guò)渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)計(jì)算、鍵和反應(yīng)能量計(jì)算、原子電荷和電勢(shì)計(jì)算、振動(dòng)頻率計(jì)算等等，還可以預(yù)測(cè)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(qiáng)大工具。

（3）AccuModel。這是一款準(zhǔn)確簡(jiǎn)單的分子力學(xué)計(jì)算軟件，其功能有：能夠建立并演示準(zhǔn)確的分子結(jié)構(gòu)模型；提供計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)的手段；基于優(yōu)化計(jì)算對(duì)分子模型能夠進(jìn)行幾何和構(gòu)象處理；利用能量計(jì)算方法對(duì)分子進(jìn)行構(gòu)象分析等。計(jì)算在結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科中有相當(dāng)重要的意義，只有嚴(yán)密而準(zhǔn)確的計(jì)算才能得出分子、原子等實(shí)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(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算的今天，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算是不二選擇。而各種計(jì)算軟件的學(xué)習(xí)則是學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)所在，因此課堂上的學(xué)習(xí)和課下的掌握都相當(dāng)重要。

2.用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)過(guò)程模擬由于結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高，大規(guī)模地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有時(shí)候反而得不償失。采用計(jì)算機(jī)模擬的方法則可以減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用、降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、并擴(kuò)大研究的范圍，從而提高研究速度和效率，以最小的成本達(dá)到最好的效果。計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)化學(xué)過(guò)程模擬主要包括兩個(gè)方面：仿真模擬和數(shù)值模擬。數(shù)值模擬在科學(xué)領(lǐng)域中更為重要。這兩種過(guò)程模擬可以更好地研究結(jié)構(gòu)化學(xué)的反應(yīng)機(jī)理、模擬過(guò)程、并推測(cè)結(jié)果，從而獲得反應(yīng)參數(shù)以指導(dǎo)科學(xué)研究。

用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)過(guò)程模擬最常用的軟件ChemicalKineticsSimulator0（以下簡(jiǎn)稱CKS0）是少量的、比較出色的化學(xué)動(dòng)力學(xué)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(dá)8個(gè)數(shù)量級(jí)；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(xué)和物理過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；軟件的使用需要事先了解必要的反應(yīng)機(jī)理、速率常數(shù)、反應(yīng)條件、相關(guān)熱力學(xué)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(xué)反應(yīng)文件、輸入化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、輸入反應(yīng)條件、輸入模擬條件、模擬運(yùn)行和顯示輸出模擬結(jié)果6個(gè)步驟?！盋KS0以其強(qiáng)大的功能用于各種化學(xué)反應(yīng)的模擬，如甲基丙烯酸甲酯的聚合反應(yīng)模擬、五氧化二氮的熱分解反應(yīng)模擬、固體表面吸附過(guò)程模擬、膜形成過(guò)程模擬等。這些軟件在教學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的效果是顯著的，它們使得教學(xué)過(guò)程有趣、豐富、生動(dòng)、活潑，一對(duì)一的教學(xué)模式使得學(xué)生學(xué)習(xí)更加主動(dòng)。學(xué)生不再為復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程而一遍一遍地傷透腦筋，也更加直觀地認(rèn)識(shí)到分子、原子的結(jié)構(gòu)。

二、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

計(jì)算機(jī)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)中有多種形式，如：計(jì)算機(jī)多媒體教學(xué)、計(jì)算機(jī)交互鏈接式教學(xué)、計(jì)算機(jī)題庫(kù)教學(xué)等。這里重點(diǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)軟件教學(xué)。與國(guó)外某些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的軟件教育相對(duì)落后，軟件的出版和供應(yīng)相對(duì)較少，且優(yōu)秀的軟件都來(lái)自國(guó)外，要想教學(xué)生使用，老師首先要有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)和較好的外語(yǔ)修養(yǎng)。

1.計(jì)算機(jī)技術(shù)教學(xué)的效果雖然有這些困難，我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的教學(xué)效果是值得肯定的。首先，從教材上來(lái)講，我們已經(jīng)擁有大量的軟件教學(xué)課件，這些課件來(lái)自于我國(guó)化學(xué)教師與計(jì)算機(jī)工程師的共同努力。他們編寫了很多教材，如《計(jì)算機(jī)在化學(xué)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(guò)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)獲得國(guó)外的教學(xué)課件，極大地豐富和完善了我國(guó)軟件教學(xué)的教材。其次，從技術(shù)資源上來(lái)講，剛開始時(shí)使用的由國(guó)外大學(xué)或中學(xué)開發(fā)的自由軟件已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)化學(xué)快速發(fā)展的需要，我國(guó)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(jì)算機(jī)技術(shù)教學(xué)的不足盡管取得了很多成果，我國(guó)的計(jì)算機(jī)技術(shù)教學(xué)還是存在很多不足。

（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(huì)影響教學(xué)效果，如電腦的操作系統(tǒng)跟不上時(shí)展。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)會(huì)浪費(fèi)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(xùn)練使得當(dāng)代大學(xué)生習(xí)慣了考試才會(huì)努力，如果一門學(xué)科不是以考試為目的的學(xué)習(xí)，則缺乏學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致授課效果不理想。

（3）教師的教育觀念偏差。目前我國(guó)大多數(shù)高校普遍存在的一個(gè)問(wèn)題是教師上課積極性差，對(duì)待學(xué)生的態(tài)度不夠嚴(yán)格，導(dǎo)致很多學(xué)生上課不認(rèn)真、下課不復(fù)習(xí)、操作時(shí)間短，無(wú)法掌握軟件的使用要領(lǐng)。

總之，目前在我國(guó)，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的各個(gè)方面，尤其是結(jié)構(gòu)化學(xué)的應(yīng)用軟件教學(xué)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。雖然在教學(xué)效果上仍然存在一些問(wèn)題，但是只要采取積極努力的措施，相信計(jì)算機(jī)技術(shù)會(huì)在結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)中發(fā)揮更加有力的作用。

作者：吳義芳單位：菏澤學(xué)院化學(xué)與化工系