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基于原子级别的模拟软件在有机化学教学中的应用 　　摘要：如何形象、生动地教学是大学老师在实践教学中努力的方向。为了提高学生学习兴趣和教学效果，本文介绍了采用软件模拟进行课堂教学的方式，探索了其在有机化学教学实践中的应用。 　　关键词：模拟；教学方法；有机化学；分子结构和性质 　　中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）14-0093-02 　　实施素质教育要求我们必须在教育观念、教育思想、教育制度、教育内容、教育方法上进行创新，创新教育的过程，要充分发挥受教育者的主体性、主动性，使受教育者在教学过程中不断认识、追求探索和完善自身。在我们的教学过程中，教学方法是其中重要的一个环节，不断探索和改进教学方法是提高教育质量的重要措施。 　　教学方法对教学质量有着重要的影响作用，大学教师在教学方法上的探索是无止境的，如何形象、生动地教学是大学教师在实践教学中努力的方向。大学教师面临的是一群已经成年的大学生，有着自己独立的思想和见解，在很多方面思想已趋于成熟，这对大学教师的教学方法的改进提出了挑战和要求。本研究针对矿业工程本科有机化学课程，采用软件模拟的方法，构建立体的化学分子结构并计算性质，向学生立体、直观地展示分子结构和性质。通过这种教学方法提高学生的学习兴趣，提高教学质量。 　　一、模拟软件介绍 　　量子理论是研究微观领域最有效的工具，基于密度泛函理论的第一性原理是近年来最主要的量子理论，近十年来密度泛函理论在物理和化学上获得了广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用且成功的方法之一。Materials Studio（MS）软件是美国Accelrys公司开发的可以帮助研究者构建、显示和分析分子、固体及表面的结构模型，并研究、预测材料的相关性质，使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。 　　本论文采用MS软件中的DMol3模块[1-2]，基于密度泛函理论（DFT），是可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域，可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。 　　二、应用实践 　　（一）教学目的和内容 　　虽然授课对象专业为矿物加工专业学生，但化学对他们接受专业知识非常重要，因为在矿物加工的方法中，浮选是非常重要且应用广泛的一种方法，浮选过程中，要利用很多无机及有机药剂使矿物浮选和分离。同为工科学生，然而与化学专业的学生相比，他们虽然有一定的化学理论基础，但对化学知识的了解远不及化学专业的学生，理论基础知识和实践薄弱。采用MS软件进行模拟的方法，可以直观地观察到分子间的结构，如键长、键角等，还可以通过性质计算，获得轨道电子布居、前线轨道、原子电子态密度等。通过研究，帮助学生理解和接受化学知识，提高学习兴趣和教学质量。 　　（二）应用实例 　　为了让学生易于了解和接受DMol3模块模拟的结果，首先展示了最简单的分子和水分子、氢分子的结构，如图1所示的分子球棒模型。图1（a）为氢分子结构，（b）为水分子结构，元素符号标在原子上，虚线为键长，单位为■，弧线为夹角，这些结果是在一定的计算参数设置下获得的。通过三维模型展示，可以让学生直观地了解这两个分子的结构，获得初步的感官认识，为后面的深入学习打下基础。 　　接下来进行有机分子结构和性质教学。选择具有代表性的分子进行讲解，包括甲烷、丁烷、乙烯、乙炔、二烯烃、苯。首先介绍各种分子结构，如图2所示。由图可以清楚地看到各种分子结构中C-H和C-C键长、夹角信息，并可以观察到它们之间的差异。在这些分子中，C-C键长有如下顺序：烷烃苯烯烃炔烃，C-H键长相近，其中苯中的C-H键长比其他有机物分子略短。甲烷的C-H键之间的夹角为109度左右（这与实际非常接近）；苯环中所有的键角为120度左右；而丁烷和丁二烯碳原子之间所形成的夹角是有差异的。 　　接下来讲解前线轨道。在前线轨道理论中，能量最高的分子轨道（即最高占据轨道HOMO）和没有被电子占据的，能量最低的分子轨道（即最低未占轨道LUMO）是决定一个体系发生化学反应的关键，其他能量的分子轨道对于化学反应虽然有影响但是影响很小，可以暂时忽略，HOMO和LUMO便前线轨道。以丁烷和丁二烯作为例子，如图3所示。虽然丁烷和丁二烯有相同的碳原子数，但一??是饱和烃一个是不饱和烃，它们的HOMO和LUMO差别非常大。丁烷的HOMO主要集中的碳原子上，而丁二烯主要集中在碳-碳双键上；丁烷的LUMO主要集中在键上，而丁二烯主要集中在碳原子上。 　　分析原子的电子