李文佐 , 劉紹麗

(煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 , 山東 煙臺(tái) 264005)

研究生培養(yǎng)作為國(guó)民教育的重要內(nèi)容,其課程教學(xué)在提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。然而,目前很多研究生課程教學(xué)只停留在對(duì)經(jīng)典學(xué)科知識(shí)的重復(fù)講授上,基本上是教師對(duì)知識(shí)進(jìn)行單方面的教授,缺乏師生互動(dòng),更缺乏生生互動(dòng),學(xué)生缺乏主動(dòng)思考,這在一定程度上阻礙了學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng),與新時(shí)代創(chuàng)新型研究生人才培養(yǎng)的目標(biāo)背道而馳[1]。

案例教學(xué)法又稱個(gè)案研究法,是由美國(guó)哈佛大學(xué)于1780年最早使用,后被哈佛商學(xué)院應(yīng)用培養(yǎng)高級(jí)經(jīng)理和精英的教育實(shí)踐。案例法已被廣泛引用于本科生教學(xué)中,由于該教學(xué)法是以真實(shí)的事件和情景為依據(jù),具有明確的教學(xué)目的,對(duì)促進(jìn)教學(xué)改革和發(fā)展起到了積極作用[2-3]。近年來(lái),在研究生課程教學(xué)中積極開(kāi)展案例教學(xué),很好地提高了教學(xué)效果。

量子化學(xué)計(jì)算方法課程屬于化學(xué)一級(jí)學(xué)科中物理化學(xué)二級(jí)學(xué)科方向上的研究生專業(yè)課程,其前修課程是量子化學(xué)。量子化學(xué)計(jì)算方法課程要求研究生在掌握量子化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)并熟悉常見(jiàn)的計(jì)算方法,能夠根據(jù)科研實(shí)際需要選擇合適的計(jì)算方法開(kāi)展研究。研究生掌握了相關(guān)知識(shí)和方法后,會(huì)極大地促進(jìn)后續(xù)科研工作。量子化學(xué)計(jì)算方法內(nèi)容豐富,理論性較強(qiáng),同時(shí)有鮮明的實(shí)用性,有利于開(kāi)展案例教學(xué)。

1 學(xué)情分析

量子化學(xué)計(jì)算方法課程開(kāi)設(shè)學(xué)期在研究生一年級(jí)第二學(xué)期。修讀量子化學(xué)計(jì)算方法的同學(xué)在本科期間已修讀完高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等,大多數(shù)研究生在本科階段也學(xué)過(guò)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程,已具備基本的化學(xué)理論知識(shí),具有一定的數(shù)理基礎(chǔ)。在研究生第一學(xué)期修讀過(guò)量子化學(xué)、群論等課程,對(duì)量子化學(xué)的基本理論已經(jīng)較為熟悉。這些知識(shí)儲(chǔ)備為學(xué)習(xí)量子化學(xué)計(jì)算方法奠定了知識(shí)基礎(chǔ)。此外,經(jīng)過(guò)大學(xué)期間的考研歷練和第一學(xué)期的研究生學(xué)習(xí),大部分研究生已經(jīng)具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)、清晰的專業(yè)認(rèn)知以及較好的自學(xué)能力。同時(shí)在研究生階段,學(xué)生精力比較充沛,求知欲較強(qiáng),思維很活躍,職業(yè)生涯相對(duì)明確,這些都是在量子化學(xué)計(jì)算方法學(xué)習(xí)過(guò)程中的有利因素。但不可避免地也有個(gè)別學(xué)生不喜歡所學(xué)專業(yè),存在一定的厭學(xué)情緒,這就要求教師在開(kāi)展教學(xué)時(shí)應(yīng)全面考慮學(xué)生的實(shí)際情況,采取形式多樣的教學(xué)方法,積極開(kāi)展案例教學(xué),以利于激發(fā)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加強(qiáng)師生互動(dòng)、生生互動(dòng),讓學(xué)生喜歡上課堂。

2 積極開(kāi)展案例教學(xué)

2.1 激發(fā)興趣,引入量子化學(xué)史實(shí)案例

量子化學(xué)計(jì)算方法的發(fā)展與量子力學(xué)和量子化學(xué)的發(fā)展息息相關(guān)。量子化學(xué)的發(fā)展大致可分為兩個(gè)階段：①第一階段是20世紀(jì)20—50年代末,其主要標(biāo)志是價(jià)鍵理論、分子軌道理論及配位場(chǎng)理論等三種化學(xué)鍵理論的建立和發(fā)展。②第二階段是20世紀(jì)60年代以后,主要標(biāo)志是量子化學(xué)計(jì)算方法的迅速發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展,量子化學(xué)計(jì)算方法隨之登上歷史舞臺(tái),并得到迅猛發(fā)展。1981年諾貝爾獎(jiǎng)授予福井謙一和霍夫曼,進(jìn)一步將化學(xué)理論和化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)。1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Kohn和Pople,從此化學(xué)已發(fā)展成為理論和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的科學(xué),化學(xué)不再是一門(mén)純實(shí)驗(yàn)科學(xué)。通過(guò)這些史實(shí)案例,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論化學(xué)的興趣,進(jìn)而活躍課堂氣氛。同時(shí),通過(guò)講解我國(guó)科學(xué)家在量子化學(xué)計(jì)算方法領(lǐng)域的貢獻(xiàn),可以激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情。比如,廈門(mén)大學(xué)理論與計(jì)算化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于價(jià)鍵理論的研究,先后發(fā)展了從頭算溶劑效應(yīng)價(jià)鍵方法、價(jià)鍵溶劑化模型方法、價(jià)鍵組態(tài)相互作用方法、價(jià)鍵二級(jí)微擾理論等,研發(fā)的價(jià)鍵計(jì)算程序XMVB是國(guó)際上為數(shù)不多的從頭算價(jià)鍵程序之一。此外,劉文劍教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了國(guó)際上第一個(gè)基于現(xiàn)代密度泛函理論,能準(zhǔn)確計(jì)算分子體系基態(tài)總能量的完全相對(duì)論密度泛函程序BDF。西北大學(xué)文振翼教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于多組態(tài)計(jì)算的XIANCI程序。都為量子化學(xué)計(jì)算方法的發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。

2.2 學(xué)以致用,引入合適的科研案例

學(xué)習(xí)量子化學(xué)計(jì)算方法的關(guān)鍵是學(xué)會(huì)應(yīng)用相關(guān)方法開(kāi)展科學(xué)研究。在講課中引入符合課程內(nèi)容的科研案例,可以使學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到方法的用途和重要性。因此,在課堂中引入教學(xué)案例時(shí),要注重案例的趣味性,更要注意案例是否體現(xiàn)了最新的科研熱點(diǎn),將最新的科學(xué)研究進(jìn)展、成果以及前瞻性的內(nèi)容以案例的形式與相關(guān)知識(shí)點(diǎn)結(jié)合,以此豐富學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備,進(jìn)一步拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野[2]。

比如,在講解垂直電離勢(shì)的計(jì)算時(shí),以氯代乙烯分子為例,不同的計(jì)算方法可以給出不同的計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表1。

表1 用B3LYP和QCISD方法計(jì)算的氯代乙烯分子的垂直電離勢(shì)[4]

通過(guò)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出,應(yīng)用B3LYP方法能夠較合理地預(yù)言氯代乙烯分子的垂直電離勢(shì),OVGF方法能夠精確預(yù)言氯代乙烯陽(yáng)離子的垂直電離勢(shì)[4]。這樣的科研案例學(xué)生完全可以通過(guò)課下實(shí)踐來(lái)重現(xiàn),既能鞏固、提高學(xué)生計(jì)算能力,同時(shí)還可以極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論計(jì)算的興趣。

再比如,在講解分子間弱相互作用的計(jì)算時(shí),除了介紹最常見(jiàn)的弱相互作用氫鍵的相關(guān)計(jì)算,還把弱相互作用的最新進(jìn)展如鹵鍵、鋰鍵、硫鍵、磷鍵、tetrel bond、triel bond等介紹給學(xué)生。比如,以ZX3(Z=B、Al,X=H、Me)和THMe3(T=Si、Ge、Sn)之間形成的triel bond為例介紹計(jì)算方法、計(jì)算程序和流程。利用Gaussian09程序在MP2/Aug-cc-pVTZ(PP)水平上優(yōu)化各個(gè)單體和復(fù)合體的構(gòu)型并計(jì)算振動(dòng)頻率,利用AIM2000程序進(jìn)行AIM分析,利用WFA-SAS程序進(jìn)行靜電勢(shì)分析,利用GAMESS程序進(jìn)行能量分解等。通過(guò)具體的科研實(shí)例不僅使學(xué)生熟悉各種計(jì)算方法,更重要的是明白學(xué)以致用,為將來(lái)的科研奠定良好的基礎(chǔ)。

在講解相關(guān)理論時(shí),引入案例和最新的科研進(jìn)展,使學(xué)生意識(shí)到化學(xué)理論不僅能解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果和事實(shí),更能促進(jìn)科學(xué)和文明的發(fā)展進(jìn)步。比如,在講解雜化軌道理論時(shí),以大家都熟悉的鉛筆芯(石墨)和鉆石(金剛石)作為導(dǎo)入,提出問(wèn)題。同樣作為碳單質(zhì),性質(zhì)差別卻很大,根本原因在于結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的,要想明確其結(jié)構(gòu)的不同,進(jìn)而引入雜化軌道理論。在講解完理論要點(diǎn)后,利用理論解釋石墨和金剛石結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)在于C原子的雜化方式不同,石墨中的C采取的是sp2雜化,而金剛石中的C采取的是sp3,使學(xué)生進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),性質(zhì)影響應(yīng)用的基本思想。從石墨入手,進(jìn)一步拓展到石墨烯,介紹石墨烯的發(fā)現(xiàn)過(guò)程,使學(xué)生感受到科研的方法可以很簡(jiǎn)單,培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和積極性。進(jìn)一步解釋石墨烯的用途,同時(shí)中國(guó)人在石墨烯領(lǐng)域也做出了很多精彩的工作,如中國(guó)青年科學(xué)家曹原,發(fā)現(xiàn)了“魔角”石墨烯,發(fā)現(xiàn)其有很好的超導(dǎo)效應(yīng),當(dāng)時(shí)對(duì)這項(xiàng)工作的評(píng)價(jià)為“可堪稱第五大發(fā)明”。曹原更是在2018—2020年期間發(fā)表了關(guān)于石墨烯的高質(zhì)量文章《Nature》8篇,《Science》1篇。在《自然》雜志2018年發(fā)布的年度10人榜單中,曹原被稱作“石墨烯的駕馭者”。使學(xué)生從中體會(huì)到民族自豪感,更激勵(lì)學(xué)生以曹原為榜樣,奮發(fā)圖強(qiáng),在自己的科研領(lǐng)域也能做出自己的貢獻(xiàn)。

再比如,在講解前線軌道理論時(shí),引入維生素B12(VB12)的案例。前線軌道理論除了可以解釋反應(yīng)能否發(fā)生,還有一個(gè)很重要的應(yīng)用是指導(dǎo)有機(jī)合成,其中最重要也是最著名的一個(gè)例子,是VB12的合成。VB12是人體必須的一種維生素,但是人體自身不能合成,這是因?yàn)槿梭w中VB12的來(lái)源主要存在于動(dòng)物類食品中,在大多數(shù)植物類食品中是不含有VB12的,通過(guò)此例可以提醒學(xué)生,特別是素食者,平時(shí)要多注意補(bǔ)充VB12,當(dāng)然也不能過(guò)量,最好還是平時(shí)注意葷素搭配,營(yíng)養(yǎng)均衡。VB12是由現(xiàn)代有機(jī)合成之父Woodward組織了世界各國(guó)一百多位化學(xué)家,協(xié)同攻關(guān),團(tuán)隊(duì)合作,歷經(jīng)11年,最終才完成了VB12的全合成。其中體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神,使學(xué)生能從中體會(huì)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性。合成VB12的過(guò)程中,不只是在合成技術(shù)上存在問(wèn)題,更是存在一個(gè)用傳統(tǒng)化學(xué)理論不能解釋清楚的有機(jī)理論問(wèn)題。而在當(dāng)時(shí)Woodward正是利用了福井謙一提出前線軌道理論作為指導(dǎo),才最終完成了VB12的合成。這對(duì)于探索生命活動(dòng)的奧秘,具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.3 積極探索,改革傳統(tǒng)教學(xué)模式

傳統(tǒng)的量子化學(xué)計(jì)算方法的教學(xué)模式是以教師講授為主,以教師滿堂灌的形式授課,這雖然有利于教師主導(dǎo)作用的發(fā)揮和學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)傳授,但未考慮學(xué)生的差異性,滿足不了具有較強(qiáng)求知欲和鉆研精神的學(xué)生需求,不利于學(xué)生良好學(xué)習(xí)習(xí)慣的形成[2]。應(yīng)用案例教學(xué)使學(xué)生成為課堂的主體,強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心,極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與性。在實(shí)際開(kāi)展教學(xué)時(shí)還可以采用翻轉(zhuǎn)課堂、第二課堂等,豐富教學(xué)手段,完善教學(xué)模式。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將案例教學(xué)應(yīng)用在量子化學(xué)計(jì)算方法課程教學(xué)中,無(wú)論是生動(dòng)的史實(shí)案例,還是科研案例,都極大地提高了研究生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生普遍反應(yīng)課堂變得更加生動(dòng)有趣,學(xué)習(xí)效果明顯改善。修讀完量子化學(xué)計(jì)算方法的研究生在后續(xù)科研工作中能夠迅速進(jìn)入科研狀態(tài),正確使用各種計(jì)算方法開(kāi)展量子化學(xué)計(jì)算,極大地提高了研究生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。