计算化学软件在高中化学教学中的应用

从化学教学实际出发，应用相关计算化学软件辅助教学，将抽象的平面教学转变为立体的形象教学，以提高学生的学习兴趣，增强学生的创造性思维。

化学软件辅助教学计算机应用在基础理论化学的教学中，由于原子分子的微观结构无法通过肉眼直接观察，化学反应的过程也难以用宏观模型进行形象的描述，对学生来说比较抽象，利用适当的软件设计一些有助于学生理解和掌握化学知识的课件，会使枯燥无味的化学结构和化学反应变得生动形象，能让学生更深入直观地了解物质的微观结构，理解化学的本质。

一、计算机在化学教学中的适用范围

计算机辅助教学在化学教学中，尤其适用于理论性和抽象性较强的内容，例如原子核的组成、电子云、核外电子的运动、分子的结构、构型和构象、化学键的形成、离子反应和离子方程式等，适用于模拟实验难以操作、危险性大或反应现象不明显的内容。

二、化学教学中常用的计算化学软件

计算化学软件作为化学化工领域中最常用的工具，无论在科研或者教学中都担负着重要的作用。化学教学中通常应用到下列软件：

1.ChemDraw

ChemDraw软件美国CambridgeSoft公司推出的一款优秀的商业化化学软件ChemOffice中的模块之一。ChemDraw中存贮了大量的分子结构图形、原子轨道、分子轨道和电子云图的图形，在化学教学中主要用于绘制有机分子结构式及反应方程式等，ChemDraw中的实验装置绘制模版则是绘制反应流程及实验仪器装置图的重要工具。

2.Gaussian

Gaussian程序是目前国际上最为流行的量子化学计算软件之一，GaussView是Gaussian的图形用户界面，其主要功能是可以很方便而精确地作出各种原子、分子及过渡态的空间结构。和一般化学作图软件相比，它更加专业和精确，可以直接让学生观察了解各种物质的键长、键角、电子云分布等微观结构以及分子内部的各种振动。

3.Materials Studio

Materials Studio软件包是Accelrys公司开发的，是常用的分子设计和模拟软件，可进行量子力学、分子力学、分子动力学计算。Materials Studio软件包功能非常强大，主要由这样几个模块组成：构造分子；优化分子结构；研究分子反应；观察轨道和电子图谱；研究分子动力学。

Materials Studio可以快速准确地获得分子的构型与结构参数，通过对分子的结构进行分析，运用所得的结果来解释或预测化学反应的性质。除此之外，也可以计算出分子的静态性质，通过这些数据我们可以预测化学反应的位置、说明化学反应的途径和机制、解释分子的动力学行为等，在教学中可以达到事半功倍的效果。

（1）Materials Studio在晶体结构教学中的应用

在化学中，晶体的结构和对称性是学生不易掌握的内容，主要原因是该部分涉及三维空间变换，单纯板书式教学对学生的理解作用不大。利用Materials Studio的建模功能，可以方便地建立各种晶体的三维模型，直观化地展示其结构和对称性等特点。图4是面心立方NaCl在不同视角下的晶体结构图，我们可以直接得到NaCl的晶体结构，同时可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。

此外，点击菜单build中的symmetry还可以得NaCl晶格的原胞。同时，Materials Studio还允许自由的创建晶体结构，只要已知空间群类型、晶体结构参数和元素类型，我们就可以任意的创建晶体。如果按下Find Symmetry选项，便可看到已找到的NaCl晶体的对称性为FM-3M，在教学中展示这种效果，能使学生容易理解晶体的对称性的类型。

（2）Materials Studio在电荷密度教学中的应用

在讲授极性分子和非极性分子过程中，常常提到原子电荷分布情况及对物质化学性质的影响。Materials Studio中原子电荷显示功能，使电荷分布一目了然。以Si来作为示范，在Volumetic Selection中，选择显示total electron density，会将场给显现出来。这个场是电子在空间中的分布，Isosurface则是显示出等位面。这里将电位以颜色来区其高低，在等电位密度中做出电位高低的图，可以让学生清楚地了解极性。

（3）原子轨道显示在教学中的应用

Materials Studio可以轻松地对各种原子轨道能量进行计算并获得其空间图像。利用Element可以调出一个元素表，可以直接选择元素，例如乙烷，在工具列中，选取CASTEP的计算套件计算原子轨道，在Task中选择Energy，它在计算基态能量之后，就可以分析原子轨道了。

三、结束语

使用最新的化学计算软件，采用新颖的教学形式和教学手段，直接在屏幕上显示三维构型，同时可以任意旋转操作，使同学们的兴趣大增，而且通过计算机辅助教学的动画模拟，使得微观抽象的知识点更具体形象化，便于学生理解和掌握，收到很好的教学效果。

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