一、引言

《结构化学》课程建立在量子力学理论基础之上，旨在揭示原子、分子与晶体的结构特征及其与宏观物性之间的内在联系。然而，由于课程所涵盖的薛定谔方程、分子轨道理论、点群对称性和光谱原理等内容抽象性强，传统“教师讲授、学生接受”的灌输式教学往往难以激发深层次理解，学生容易陷入被动学习，对微观理论的物理图像与实际应用价值缺乏直观感知，教学效果因而受限。近年来，计算化学领域发展迅速，其中Gaussian作为重要代表，已成为进行分子结构优化、能量计算、光谱模拟与反应路径分析等科研实践的主流工具。其出色的计算性能和直观的可视化能力，为连接理论模型与真实化学体系提供了重要桥梁。基于这一背景，本研究提出将Gaussian软件深度融入结构化学教学过程中，突破其仅作为科研工具的定位，转而将其“降维”为一种面向教学的计算实验平台。通过“做中学”的教学策略，引导学生亲手操作、实时观察并主动验证课程理论，从而增强对结构化学本质的理解，培养其综合科学素养与创新应用能力^[2]。

二、传统结构化学教学面临的主要问题

1.概念抽象，难以直观感知：波函数、电子云、分子轨道等核心概念无法直接观测，依赖二维图像呈现多维微观结构，学生难以建立空间与动态的图像理解，认知门槛高。

2.数学繁杂，物理意义缺失：教学中偏重公式推导与复杂计算，却未能充分阐释其背后的物理图像与直观含义，导致学生陷入演算细节，却难以把握本质规律。

3.理论脱离实际，学习动力不足：教学内容往往缺乏与真实化学问题或科研实践的联系，学生难以将所学知识应用于实际情境，从而产生“学而无用”的消极情绪。

4.教学方法单一，互动性与启发性不足：多数课堂仍以教师讲授为主，依赖PPT和板书，缺乏可视化模拟、探究性实验和互动环节，难以激发学生的主动思考与深入探索兴趣。

三、Gaussian辅助教学改革的实施方案与策略

本教学改革的核心思路是：“以理论为先导，以计算为手段，以可视化为突破口”。

1. 教学内容的重构与融合—将Gaussian计算案例以模块化形式系统嵌入各教学章节

结构化学教学旨在帮助学生建立从电子结构、分子轨道到化学键本质的微观理解，并以此阐释宏观物性。然而，量子力学所描述的微观行为——如能级分裂、轨道杂化与电子离域等，往往超出学生的直观经验，成为主要认知障碍。为突破这一瓶颈，本改革强调以计算化学为桥梁，衔接理论概念与微观表征：通过高精度计算与三维可视化，将抽象的量子现象转化为可交互的图像，辅助学生构建量子思维模型。以氮气分子（N₂）为例，教学可基于量子化学计算展开。首先，使用GaussView构建N₂分子模型，选用密度泛函理论（DFT）中的B3LYP泛函与6-31G(d)基组，进行几何优化与单点能计算^[3]。进而绘制分子轨道能级图，并分别可视化σ键、π键及反键轨道对应的电子云分布，清晰展现其空间构型与对称性特征。还可借助Multiwfn等波函数分析工具，绘制轨道能级填充图与电子空间分布图（图1），直观展示原子轨道沿特定方向重叠、通过对称性匹配形成化学键的过程。将数学表达与图形呈现相结合，可引导学生从电子结构层面深入理解成键机制，强化对结构化学核心内容的掌握，实现从宏观直觉到微观建模的认知跃迁^[4,5]。

图1 N₂分子轨道能级、电子排布和形状图

在分子对称性与点群的教学中，为将抽象概念转化为直观体验，可引导学生通过实际操作深化理解。具体而言，可让学生自行搭建不同几何构型的分子模型（如直线形N₂、四面体CH₄、平面型C₂H₄等），并运用Gaussian软件进行结构优化计算。随后，借助GaussView等可视化工具，对优化后的分子直接开展对称性分析。推荐使用GaussView中的“Symmetrize”（对称化）功能，该模块专用于分子对称性的检测与调整，能够动态演示对称操作、自动判定点群归属，从而直观、准确地展示对称元素与对称操作过程^[6]。具体操作如下：在GaussView中导入已完成几何优化的分子结构文件（建议使用.chk或.fchk格式，也可查看优化输出的.log或.out文件）；随后依次点击菜单栏中的Edit→Symmetrize，弹出对称性分析窗口。此时，软件将自动识别并显示该分子的点群，例如：N₂分子会标注为“Point Group:D_∞h”，CH₄分子则显示“Point Group:T_d”。学生通过直接记录所识别出的点群符号，即可系统完成从分子结构到对称性分类的认知闭环。该方法不仅显著提升学习效率，更有助于深化对对称性理论的直观理解与空间构象的想象能力。

使用Gaussian 16（或09）和GaussView 6，可以通过计算CO₂分子的振动频率进一步模拟其红外光谱（IR），从而直观理解红外选择定则、振动自由度与实测峰数之间的关系。具体流程包括：首先在GaussView中构建CO₂的初始结构，选择“Opt+Freq”计算任务，并采用诸如B3LYP/6-31G(d)的方法和基组；计算完成后，在GaussView中打开.log结果文件，通过“Results→Vibrations”查看所有振动模式的频率和红外活性，并可利用“Spectra”功能生成IR光谱图。关键步骤在于观看振动模式动画——例如通过CO₂的不对称伸缩振动可清晰观察到偶极矩变化，从而判断其红外活性。CO₂具有四个振动自由度，实际显示三个振动频率（因两个弯曲模式简并），其中仅不对称伸缩和弯曲振动具有红外强度，对称伸缩因偶极矩变化为零而无红外吸收。这一从量子化学计算到光谱可视化分析的全过程，将抽象的光谱选择定则转化为动态图像与定量结果，帮助学生深入理解光谱背后的结构与对称性原理^[7]（图2）。

图2 CO₂分子频率、振动模式和IR光谱图

使用Gaussian软件，可以分别采用多种理论方法（如HF、B3LYP、MP2）和基组（如STO-3G、6-31G(d)、cc-pVDZ）对水分子（H₂O）进行几何优化和单点能计算。通过系统比较不同组合下获得的分子能量与键长等结构参数，能够直观展示不同计算方法的精度差异，帮助学生深入理解电子相关效应和基组选取对计算结果的影响，从而初步建立对计算化学基本思想的认知。具体操作中，首先利用GaussView构建分子模型并生成输入文件，随后在Gaussian计算设置中选择几何优化（Opt）任务，通过变换理论方法和基组的组合提交多个计算任务。计算完成后，可借助GaussView或直接解析输出文件，提取相应的能量和几何结构数据，整理成对比表格。基于这些数据，可引导学生探讨电子相关与基组效应的影响，并思考计算成本与精度之间的平衡关系，使抽象的计算化学概念转化为具体、可比较的数据结果，深化对理论计算方法本质的理解。

2.教学方法的改革：

采用“翻转课堂”模式：课前发布计算任务和教程视频，学生课前完成简单分子的计算。课上时间则用于讨论计算结果、分析现象、解决疑难。

项目式学习：在课程中后期，布置小型研究课题，如“探究苯酚衍生物酸性强弱的原因”、“设计并验证一个新型荧光分子的轨道能隙”等。学生以小组形式，利用Gaussian作为主要研究工具，完成从文献调研、结构设计、计算模拟到结果分析的全过程，最终提交研究报告并进行答辩。

3.教学评价体系的优化：

改变“一考定乾坤”的模式，构建多元化的考核体系：

平时作业（30%）：主要为各章节的计算练习和报告。

项目研究报告与答辩（30%）：考核团队协作、科学探究和解决问题的能力。

期末考试（40%）：侧重考察对基本概念和原理的理解，可包含对给定计算结果的分析题。

四、教学改革成效与案例分析

案例：理解“超共轭效应”

传统教学中，解释烷基碳正离子的稳定性（CH₃⁺＜CH₃CH₂⁺＜(CH₃)₂CH⁺＜(CH₃)₃C⁺）时，超共轭效应是一个教学难点，学生往往只能机械记忆。

改革后做法：要求学生分别构建CH₃⁺、CH₃CH₂⁺、(CH₃)₂CH⁺、(CH₃)₃C⁺模型，在相同计算级别下进行几何优化和能量计算（图3）。

图3 烷基碳正离子的能量

结果：学生直接得到不同碳正离子的能量排序，并从其HOMO轨道等值面图中清晰地看到，中心碳原子的空p轨道与相邻C-C/C-Hσ键的电子云发生了明显的重叠（即超共轭），且重叠程度随烷基数目增加而增大。

成效：学生不仅验证了稳定性顺序，更从电子结构层面“看见”了超共轭效应的本质，实现了从“记忆”到“理解”的飞跃。

总体成效：

通过两轮的教学实践，我们发现：

学习兴趣显著提升：学生普遍反映“结构化学变得有趣了”，就像拥有了“微观世界的显微镜”。

理论知识理解深化：抽象概念通过可视化图形和具体数据变得易于理解和记忆，期末考试中涉及机理分析和现象解释的题目得分率明显提高。

科研素养初步建立：学生掌握了基本的计算化学操作，具备了文献调研、数据分析和科学报告撰写的能力，为后续毕业设计和研究生学习打下了坚实基础。

五、总结与展望

将Gaussian软件引入结构化学教学，是将科研前沿反哺本科教学的成功尝试。它有效地解决了该课程长期以来的抽象性问题，将枯燥的理论学习转变为充满探索乐趣的发现过程，培养了学生的创新思维与实践能力。

未来的改革方向包括：

建设更加系统化的计算实验案例库和在线教程；探索与材料化学、生物化学等后续课程的交叉融合，开展更具综合性的计算研究项目；利用云计算平台，解决本地计算机硬件不足的问题，使计算教学更加普及和便捷。总之，计算化学工具的引入是结构化学教学现代化改革的必然趋势。它不仅是教学手段的更新，更是教学理念从“知识传授”向“能力培养”转变的重要体现，对培养适应新时代发展的化学人才具有重要意义。

参考文献:

[1]刘国群,熊加斌.将专业科研软件融合于结构化学的教学之中[J].教育教学论坛,2021,(44):158-161.

[2]李晓艳,张怀玉,孟令鹏,曾艳丽.计算化学实验线上线下混合教学模式的探究与实践[J].大学化学,2022(12):74-80.

[3]Alam,Mahboob.Multifaceted analysis of 3β-chloro-5α-cholestane-6-one cyanoacetic acid hydrazone:From green solid-state synthesis and structural elucidation to computational modeling and human serum albumin interactions.Arabian Journal of Chemistry(2025)

[4]韩晓刚,廖奕.Gaussian和Multiwfn软件在结构化学教学中的应用[J].首都师范大学学报(自然科学版),2012,33(5):23-26

[5]罗树常,郑鹏飞,吴其俊,刘红.Multiwfn在分子轨道理论教学中的应用[J].广东化工,2013,40(20):69-70.

[6]李艳妮,杨艳华,高树林.分子对称性教学方法探究[J].广州化工,2023,51(2):281-283.

[7]黄钦.Gaussian和GaussView在结构化学教学中的应用[J].广州化工,2012,40(10):199-200.