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虚拟仿真课程结构化学实验教学设计与实践

2024-10-22 67 上传者：管理员

摘要：虚拟仿真教学具有展示度高、易于共享等突出优势，近年来广泛运用于教学各环节中。论述了结构化学实验的虚拟仿真教学实践过程，讨论了教学设计、实施细节和在化学专业核心素养培养中的价值。基于ORCA软件的基础量子化学计算任务，内容包括进阶模式及任务驱动的7个实验项目。调查评估结果显示，虚拟仿真实验对学生模型思维的树立、量子化学计算技术的应用、相关专业基础课的学习和化学专业素养的培养等方面均有明显的促进作用。

关键词：
实验教学
模型思维
结构化学
虚拟仿真
量子化学
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结构化学是本校化学和应用化学专业必修课，化学工程与工艺等专业的选修课，主要以量子力学为基础，联系无机化学和有机化学讨论原子和分子的化学结构，培养学生用微观结构的主要观点和有关方法，分析、解决化学复杂问题的能力[1]。在结构化学课程中，学生的困扰主要来源于2个方面，其一是公式的推导过程涉及偏微分、群论、矩阵等高计算量的复杂数学处理，仅用纸笔难以进行真实分子状态的计算，学生往往困惑于如何将教材中量子力学原理拓展到多电子原子或分子等更复杂的体系。其二是分子以及相应的波函数的三维图像较为抽象，在教材中往往以二维投影方式呈现。学生在首次接触时很难在头脑中还原其三维图像并理解相关性质。

虚拟仿真实验教学基于计算机、网络等技术的运用，是传统教学和知识获取模式的重大革新，具有高度交互性，学习资源共享性和开放性，能够突破时间、空间限制，充分发挥学生主体作用，激发学生学习兴趣[2-3]。针对结构化学学习的难点，本校于2020年开设了结构化学虚拟仿真实验课程，涵盖了量子力学和光谱学的相关内容，共计24学时。课程探索将传统的教学内容与先进的量子化学计算技术有机结合的实验教学新模式，以强化学生对量子理论理解以及在现实中的应用，激发学生的探索精神，培养学生的模型思维和创新思维。

1、课程目标与设计思路

近年来，以量子化学计算为代表的分子模拟技术在化学类专业课程中得到了广泛应用[3-7]。它不仅可以从微观角度为化学过程提供直观的信息，而且还为学生提供了构建分子模型的体验过程。构建模型本身是将理论与实验联系起来的一种直观的方法。模型思维会锻炼学生对科学研究过程的独立思考能力和创造性理解能力，使学生了解模型在科学研究中如何运作。

本课程从高阶性、创新性、挑战度等3个方面设计课程目标[8]。在高阶性方面，课程将创新工作的体验(如交叉分子束、荧光探针、储氢材料等)、理论原理的深度应用、先进的量子化学计算方法有机结合，增进学生在科学与数学方面的综合素养。同时，针对教材中典型且抽象的理论内容进行设计，注重与其他课程的结合与渗透。学生通过模型的建立及复杂体系波函数的求解，以了解量子化学处理无机、有机等分子体系的一般步骤，加深对量子化学基本理论的理解。在创新性方面，将化学学科前沿内容引入课程(如储氢材料，参见图1),这样不仅能激发学生的学习兴趣，真正认识到抽象的理论在真实科研工作中的应用，还能了解学科发展趋势，培养学生的创新意识。在挑战度方面，课程内容包含进阶模式、任务驱动的实验内容，着重对具体分子的模拟结果进行深入的分析和讨论，培养学生的“结构决定性质，性质反映结构”的化学思维方式，建立处理化学问题的一种模型思维模式。因此，与其他实验课程相比，本课程有着如下独特的知识、能力教学目标：

图1 化学前沿内容示例——储氢材料。镍原子中的充满的d轨道与氢分子的反键轨道对称性匹配，可破坏氢氢单键并对其产生化学吸附[9]

(1) 将量子化学计算软件的使用纳入实验课程体系；

(2) 通过对比计算和实验结果，展示模型思维在现实中的作用；

(3) 为学生提供构建分子三维结构的方法，揭示分子结构与性质的关系；

(4) 训练学生在进行专业学习时遵循“学习-研究”的行为模式。

2、课程教学模式与方法

2.1 课程教学模式

图2(a) 在Linux系统中显示实验3的ORCA输入文件；(b) 在VMD图形界面显示ORCA的输出结果

结构化学虚拟仿真实验课程确立了以学为中心的教学理念，采用教师引导下学生自主探究学习的教学模式。实验项目基于结构化学课程中抽象且重要的内容设计，并对支撑学生高阶思维能力培养的教学内容进行重构。通过进阶式学习与模块化学习相结合、实验培训与虚拟仿真相结合、虚拟教学与自主学习相结合，突破时间和空间限制，加强学生对于“理论”和“实践”的双重学习体验。每个实验中，学生须结合结构化学知识，完成实验项目的原理分析，计算方法与步骤的确定，量子化学计算基本操作，以及数据的分析处理。通过这些问题导向的、挑战性的实验项目，实现学生自主学习，激发学生主观能动性。此外，在每个实验结束后，教师会提供该实验方法在学科前沿应用的实例供集体讨论。在此过程中，学生的创新能力不断加强，综合素质全面提升。近3年来，依托本课程内容申请大学生创新实验项目3项(国家级1项，省级2项),学生以第一作者发表论文3篇[10-12],其中2人分别保送至吉林大学和北京师范大学，均从事量子化学方向的研究。

2.2 量子化学计算平台及软件的使用

课程线上虚拟仿真教学依托于学习通平台和本学院的超级计算服务器集群系统(Linux系统，64位，240核英特尔至强CPU,2.0 TB内存)。教学中需安装量子化学计算软件ORCA 4.0[13-14]和VMD 1.9.3。这2个软件均可免费供教育和学术使用(见图2)。其中，VMD为构建分子模型以及计算结果展示提供了可视化界面[15]。实验前，学生要经过必要的辅导，以熟悉操作系统和软件的使用。每节实验课开始时，需要对新方法进行简短的演示，并讨论具体操作和后处理方法。此外，学生还可以通过查阅这2个软件的在线手册获得软件其他功能的使用方法。

3、课程内容与考核方式

3.1 课程内容设置

高阶教学内容才能支撑高阶思维培养的教学目标。针对具体能力培养需求，重新制定了实验项目的具体内容，并在此基础上进行知识深度和难度的拓展。此外，对所有学生来说，量子化学计算软件的使用是新生事物。因此，设计的每个实验均保持在基础水平。由此，课程包含2个介绍分子模拟背景和软件操作的讲座和7个基于量子化学计算基础任务的实验项目。其主要内容、具体教学模式和课时分配如表1所示。

第1次讲座的内容为量子化学计算的基本步骤以及不同计算方法的差异。形象地介绍结构化学理论课程中的Schrödinger方程近似求解的方法，以及如何基于波函数计算得到稳定的分子结构和性质，如偶极矩、振动光谱和核磁共振谱。第2次讲座的内容为对Linux系统和ORCA软件基本功能、命令的介绍。详细介绍各种计算化学方法及其应用。

7个实验中(参见图3),实验1至实验5为必做实验，其内容采用进阶式与模块化的设计。实验1旨在使学生了解量子力学研究微观结构的基本方法，掌握原子中电子运动的基本规律。从氢原子波函数径向分布函数和角度分布出发，通过角节面直观介绍原子轨道的对称性，而对称性正是原子轨道线性组合形成分子轨道的必要条件。实验2中要进行3个不同体系的分子轨道计算，分别对应于分子轨道理论，半定量Hückel分子轨道理论和晶体场理论。在此基础上，引入前线轨道的概念。学生通过此实验将深刻理解处在前线轨道中的电子是化学反应中最活泼的电子，是化学反应的核心。第3个实验中，学生将了解到红外光谱的微观来源，直观观察到每个红外吸收峰所对应的简正振动模式，而电子光谱基于前线轨道电子跃迁得到，它对应于实验中的紫外可见光谱。此实验项目可为相关专业课有机化学和仪器分析提供坚实的理论基础。实验4旨在锻炼学生的空间思维能力，学生在实验中将采用构型优化和频率分析计算构建大量分子的三维结构，并通过直接观察寻找它们的对称性。第5个实验中，学生需通过构建7种常见晶体的晶胞结构，确定其中的对称元素。并通过寻找晶面并计算其间距，对实验测定的XRD谱图进行解析和归属。在完成以上必做实验后，学生需通过学习通系统进行相互评价。实验6和实验7为选做实验，学生需从2者任选其一进行。这2个实验均源自于科技领域的前沿研究成果。为了贴合实际课时的要求，笔者将实验所用分子体系精简为碘甲烷分子亲核取代反应和乙烯光致异构化过程的量子化学计算(参见表1)。在这一过程中，学生将在教师的专业引导下，系统整合并运用前几个实验中积累的知识与技巧，结合前期课程所学知识完成实验任务。在实验完成后，学生要根据自己的计算结果进行线下讨论。

表1“结构化学实验”课程的教学内容、教学模式及课时分配

图3 课程中进阶式与模块化的实验内容设计

3.2 课程考核方式

本课程最终的考核评估不再采用以往提交实验报告的单一方式，而是由平时成绩、实验报告成绩、讨论成绩3个部分构成(见图4)。考核的重点在于充分评估“学”的效果，增加学习过程的挑战度。其中，实验报告成绩为6次实验所得分数的平均值。由于教师能够快速重现所有学生的操作及运算结果，因此可以全面把握学生的基本学习情况，有针对性地对教学内容和方法进行改进，并确保学生成绩的准确和公正。实验报告的结果与讨论成绩在总成绩中比重最大。在此部分中，学生要准确且有逻辑地描述自己的计算结果，并结合实际进行讨论。这与科研论文和科技报告的表达方式极其接近，体现了课程高阶性、创新性、挑战度的有机结合。此外，生生互评过程为学生提供了展示自我的机会，这也有利于考查学生的表达和协作等能力，根据学生参与课堂讨论的表现，得出对学生的全面的综合评价。

图4 课程成绩构成及所占比例(单位:%)

4、教学效果评价和反思

2023年春季学期课程结束时，教师向应用化学专业的89名学生发送了有关课程学习收获(Student Assessment of their Learning Gains, SALG)的调查问卷。SALG调查问卷分为3个部分，分别用于评估学生对实验中相关技术的掌握程度，课程对学生其他专业基础课的促进，以及课程对学生专业素养的影响。问卷中的主要问题和统计结果列于图5至图7。在调查问卷中，每个项目有6个选项：5-完全符合、4-符合、3-一般符合、2-不符合、1-完全不符合、0-不确定，学生需要从中选择最为符合自己想法的一项。89名学生中共有86人填写了调查问卷(N=86),问卷的结果具有统计意义。

4.1 课程学习收获调查

图5 学生对于SALG调查问卷中第一部分的反馈结果示例

图5显示，在软件操作技能方面，学生们对自己使用量子化学计算程序的能力充满信心，所有的学生均表示他们能够使用VMD,而92%的学生表示他们能够使用ORCA(选择“完全符合”和“符合”的人数比例之和，下同)。尽管在实验中只需使用ORCA中的基础操作和功能，但是仍然有2个学生认为它很难使用(选择“不符合”和“完全不符合”),这可能是由于学生第一次接触到没有可视化界面的程序的缘故。此外，大部分学生表示没有在讲座中学会ORCA的使用。任课教师已预见到了这一问题，因此在ORCA软件基本操作讲座中引入了Linux系统指令介绍。然而，这种介绍并不涉及任何后续的作业。为了避免学生由于不熟悉命令行界面引起的困扰，笔者将在今后的教学中加强培训Linux系统操作命令的练习。在分子结构方面，所有学生认为本课程提高了他们在分子结构可视化方面的能力，开始以三维的方式考虑分子的结构，并会主动关注分子三维结构对其稳定性的影响。特别是实验4中，学生在实验报告中多次自发讨论了分子结构及其能量之间的关系，这说明他们在模型思维方面有了收获。

表2“结构化学实验”课程内容与其他化学专业基础课内容的对应关系

图6 学生对于SALG调查问卷中第二部分的反馈结果示例

4.2 课程对其他专业基础课学习影响调查

本课程的教学内容与其他专业课程内容密切相关，可为一些定则、理论和技术的应用提供理论解释(见表2)。图6显示了调查中对其他专业基础课学习影响的部分结果。大部分学生表示通过本课程的学习对其他专业基础课的学习有所帮助。例如，80%的学生表示通过模拟分子的振动光谱对有机化学和仪器分析课程中红外光谱的相关内容有了更加深入的理解。这是因为计算得到的振动光谱可以提供直观的分子简正振动模式动画图像。

4.3 课程对专业素养影响的调查

图7显示，几乎所有学生都已了解结构化学在化学学科中的地位。这说明本课程是展示结构化学知识在现实世界中应用的良好途径。最后，94%的学生表示他们对学习化学的兴趣有所提高，85%以上的学生能感受到量子化学计算在他们今后的科学研究或职业生涯中的重要作用，90%的学生对“结构决定性质”这一基本化学原理有了更加深刻的认识。这也是本课程一个很大的收获。在课程开始时的非正式讨论表明，大多数学生学习结构化学课程的目的只是为了满足他们的学位要求。本课程的学习使他们的专业归属感和专业素养均有所提高。

图7 学生对于SALG调查问卷中第三部分的反馈结果示例

5、总结与展望

结构化学虚拟仿真实验课程有效利用虚拟仿真技术，通过多个进阶型、模块化的量子化学计算实验项目，使学生巩固了结构化学课程内容，熟练掌握了量子化学计算软件ORCA以及可视化软件VMD的基本操作，建立了以模型解决实际问题的创新思维，提高了结合基础理论和专业工具处理具体复杂化学问题的能力。SALG调查问卷显示，学生在量子化学理论知识的理解、分子模拟技术的应用、其他专业基础课相关内容的学习以及化学专业素养等方面均有较大的收获，学习的兴趣、潜能得到有效激发，提升了实验教学的水平和质量。另外，本课程通过虚拟仿真技术对分子结构可视化进行了教学实践，对无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、高分子化学、药物化学等基础化学中分子的相互作用和成键特征学习具有很好的辅助作用 ,可为化学类专业课程虚拟仿真实验教学案例的开发提供良好借鉴和示范。

参考文献:

[1]孙宏伟,陈兰.大学化学,2021,36(1):41-46

[2]闫蕾蕾.中阿科技论坛(中英文),2023(7):132-136

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[4]李光跃,赵硕,刘栋,等.化学教育(中英文),2022,43(2):45-50

[6]刘刚,张恒,马莹,等.化学教育(中英文),2020,41(14):42-46

[7]王溢磊,李隽.大学化学,2018,33(10):25-32

[8]马艺,侯向阳,胡满成,等.化学教育(中英文),2022,43(6):21-27

基金资助:河北省高等教育教学改革研究与实践项目(2022GJJG214);

文章来源:李光跃,刘栋,李跃华,等.虚拟仿真课程结构化学实验教学设计与实践[J].化学教育(中英文),2024,45(20):95-101.