李晓艳，张怀玉，孟令鹏，曾艳丽

河北师范大学化学与材料科学学院，石家庄 050024

化学是在原子、分子及分子以上层次研究物质及其变化过程的基础科学，是一门理论与实验并重、富有创造性的中心学科。按照化学类教学质量国家标准，化学类专业培养的学生应系统、扎实地掌握化学基础知识、基本理论和基本技能。原子/分子/晶体结构、化学键、物质的构效关系与性质变化规律是化学理论教学的基本内容，这些理论是结构化学课程的主要教学内容[1]。随着量子化学理论方法、计算化学软件以及计算机技术的发展，化学工作者在传统和经验性研究模式的基础上更加注重通过模拟、设计和控制合成，实现对物质功能的优化和调控[1]。计算化学逐渐和实验化学、理论化学一起，成为化学科学的三个支柱。

计算化学实验以结构化学为基础，分子模拟为工具，通过“实验、计算、理论”协同作用解决各种核心化学问题。本门课程将分子的某些微观信息以三维图像的方式表现，在分子和原子水平上利用量子化学计算手段模拟和分析分子的立体构象、获取分子相关性质的信息，使抽象概念变得直观、易于理解。通过计算化学实验这门课程的学习，可以让本科生掌握一些计算化学的理论知识和计算化学的实验技能，同时让学生学会用化学理论来解释化学事实，在应用理论的过程中加深对理论的认识，增强解决实际问题的能力。因此，国内多所高校均开设了计算化学实验课程[2-6]。多年来，河北师范大学计算量子化学研究团队在计算量子化学方法和应用、电子密度拓扑分析等方面开展研究工作，取得了一些颇具影响的成果。研究领域涉及分子间相互作用、原子簇的催化机理、化学反应机制和途径、固体吸附和储氢材料、大气中瞬变物种的结构和性质、新型化学键结构等众多方面。近年来，依托科研团队的研究特色和优势，我们将科研成果和教学研究相结合，设计了一些可以借助于计算机完成的、不受实验条件限制的计算化学实验。编写了《物理化学实验》教材[7]和《化学实验》[8]教材中的计算化学实验部分，在《大学化学》杂志上发表与计算化学实验相关的教学论文6篇[9-13]，更新了计算化学实验教学辅助软件HMO程序，使之适合本科生的教学。河北师范大学自2016年开设了计算化学实验课程，通过本门课程的学习，让本科生接受系统的计算化学实验训练，掌握运用量子化学程序和软件解决化学问题的能力，并且能够利用计算化学方法开展初步的科学研究。

2020年初突如其来的新冠疫情不仅给人们的生产生活带来了巨大的影响，也对高等院校的教学提出了更高的要求。传统课堂教学模式中的教师与学生为主客对立的关系，在授课中很难培养学生自主学习的能力，不能满足不同层次学生的个性化需求。而线上模式作为一种全新教学方式，若完全网上在线学习则缺乏教师的主导与监管，影响教学效果。在预防新冠疫情常态化的大背景下，线上线下混合教学或成为一种必然趋势，这种新的教学模式通过两种教学形式的有机结合，既能使教师起到引导和监控教学过程的主导作用，也能帮助学生重新找到自己课堂学习的主体地位，提升自身的学习积极性和创造性，目前已成为教学研究和实践的新型教学形态[13,14]。本文结合河北师范大学计算化学实验课程的教学改革实践，提出了几点行之有效的线上线下混合式教学策略，以期为同类高校的教学改革提供一些参考。

1 课程的系统设计

按照化学类教学质量国家标准要求，本门课的教学目的是让本科生接受系统的计算化学实验训练，掌握Gaussian[15]、GView[16]、Chemwindow[17]等基本量子化学软件的使用方法，并培养其运用量子化学程序和软件解决化学问题的能力，能够利用学到的计算软件和理论化学方法，开展初步的科学研究，解决一些基础的无机、有机化学中的科学问题，从而培养学生的科研思想，提高他们的科研兴趣。

本校的计算化学实验主要利用量子化学计算软件Gaussian、HMO、图形界面软件GView、Chemwindow和电子密度拓扑分析程序AIM2000[18]进行。Gaussian是目前量子化学计算程序中简单易学、应用最广泛的量化程序；GView程序用来搭建分子初始结构、准备Gaussian程序的输入文件及分析和显示Gaussian的计算结果；经本团队改进后的HMO程序可以更方便、直观地研究共轭体系的性质、给出π轨道图形和各项物理参数，帮助学生理解结构化学课程中学过的休克尔分子轨道理论。AIM2000程序是基于电子密度拓扑分析的“分子中的原子”理论，用来分析分子中的成键情况、明确化学键的性质和强度。

我们的计算化学实验课程内容按照注重基础、紧密结合理论教学、紧跟科学前沿的原则，基于本课程组前期系列实验教学论文[9-13]，设计了6个基础实验和2个综合实验，授课学时32，详见表1。

表1 计算化学实验设计

采用量子化学计算方法来研究化学问题，建立正确的输入文件、正确的提取输出文件中的计算结果是关键。因此，课程首先安排了“应用Chemwindow 6.0分析分子的对称性”实验，利用Chemwindow 6.0的Symapps模块判断分子所属的点群。该实验能能够帮助学生强化分子点群的判据，使其能够借助Chemwindow 6.0和GView程序判断分子所属点群，并深入理解分子对称性对分子性质的影响，从而保证后期实验分子的对称性。通过“分子结构模型的构建及优化计算”实验让学生利用Gview程序来创建合理的初始结构，并采用Gaussian程序进行构型优化，得到体系的稳定构型。正确的构型是性质研究的基础和保证，也是计算研究的起点。因此该部分的教学除了教授给学生基本的操作和搭建不同类型分子的技巧外，还给学生充分的实践训练机会。在熟练掌握分子对称性和构型优化技巧的前提下，通过“乙烷分子的旋转势垒”“多原子分子的振动光谱和振动模式分析”“有机共轭分子的HMO处理”和“典型异构化反应的理论研究”掌握Gaussian程序中构型优化、能量计算、频率分析、轨道分析、过渡态搜索等功能；通过“双原子分子及阳离子、阴离子共价键结构比较”[8,9]和“乙硼烷和N2O4分子的结构与化学键讨论”[10,11]两个实验掌握AIM2000程序分析化学键性质的方法和判据。

同时，在计算化学教学过程中，重视基本概念和基础理论的教学。让学生了解量子化学从头算、密度泛函理论和微扰理论等理论方法的原理及常用基组，明确自旋多重度、开壳层、闭壳层、单点能计算、电荷密度、键鞍点等基本概念。掌握这些基本原理和概念，是正确选取计算方案的基础，也是计算结果正确的根本保证。

2 教学资源整合与平台建设

针对以上教学内容，考虑到基本概念是正确设置计算方案的基础，我们对原来线下授课所用PPT进行了改进。原来线下授课的PPT主要包括实验目的、实验原理和简单的实验步骤，详细的操作和注意事项要通过教师上机演示+板书与教授相结合的形式完成。而线上教学学生的注意力都在屏幕上，而且不同的学生其学习能力和接受能力也有差别，因此我们对原来的教学课件进行了改进，增加了相关程序实际操作的截屏、输入文件的格式具体要求及常见错误、输出文件的重要信息截屏等内容，方便学生在自学或上课过程中使用。

制作了计算化学简介讲座、Gview程序使用说明、Gaussian程序使用说明和AIM2000程序说明，帮助学生理解计算化学研究的基本概念和程序的使用。录制了各个具体实验的教学视频，并且针对各个实验的实验目的和要求，为学生准备了相关的科研文献，作为课前预习资料，提升学生的学习和科研兴趣。每个实验设置了不同程度的思考题，启发学生在完成实验报告的同时，深入思考，从更深层次理解结构化学基础课所学的内容。依托超星学习通平台，搭建了讲座、程序使用说明、教学视频、课前预习材料和课后思考题等教学模块，构建了计算化学网络课程(https://mooc1-1.chaoxing.com/course/218937413.html)。

3 线上线下混合式教学策略设计

教学采用传统课堂教学与线上教学混合教学模式进行(图1)。线上教学主要采用超星学习通平台和钉钉直播相结合的方式进行。超星学习通具有强大的辅助教学功能，方便进行教学互动。钉钉直播可以师生互动、监管效果，并且其回放功能便于学生重复观看，加深印象。

图1 线上线下相结合的教学模式

课前教师发布导向式的预习方案，把本次实验所需要的背景材料、基本操作和探究式问题发给学生，让学生带着问题去预习。课堂教学教师主要讲解本次实验的关键性概念、重点、难点和常见问题，不再讲解具体的实验步骤。同时采用提问和引导的方式，开展教学互动，充分发挥教师的引导作用，同时也可以引导学生深入思考，提高教学效果。

虽然各个实验都有详细的内容讲解，但在课堂上学生实际操作程序时会出现各种各样的问题，比如输入文件的格式、分子构型搭建偏离真实体系较多造成结构错误或程序不收敛，关键词书写错误等造成计算失败等问题。授课教师会引导学生查看输出文件的出错信息，按照错误提示，结合程序手册，通过网络查阅解决问题的方法，同时结合自己的研究体系进行修正，从而培养学生解决常见计算化学实验问题，逐渐提升其科研能力。在课堂上，学生自由组成小组，一般4-5人。遇到问题，先在小组内讨论，解决不了的，再与教师讨论，从而提高学习效率。主讲教师和辅导教师通过现场手把手指导的方式，解决学生在实验操作、实验结果记录中的问题。同时在小组讨论的过程中予以指导，明确学生在讨论过程中存在的问题，使学生快速提升计算能力，积累计算经验，引导学生扩展学习思维，培养创新能力。

实验结束后，除了书写正常的实验报告外，通过设置课后思考题的方式引导学生对本次实验进行反思和经验积累。所有的学习任务均在超星学习通上提交，方便监管、督促学生的学习过程，也为后期的过程化考核准备资料。

另外，为了满足不同程度学生的学习需求，对“多原子分子的振动光谱和振动模式分析”“有机共轭分子的HMO处理”和“典型异构化反应的理论研究”三个实验我们提供了不同的研究体系供学生选择，也允许学生根据自己的兴趣自主选择研究体系和内容完成实验，从而提高学生的科研兴趣和科研能力，取得了良好的教学效果。

本门课的课程采用过程化考核方式，考核内容包括线上学习记录、上机操作水平、实验报告及期末考试四个环节。上机操作水平根据学生上课的实际表现由任课教师认定。实验报告不仅关注计算结果的正确与否，还关注数据表达是否清晰，包括数据表的设计是否合理，图形是否美观等；学生在描述数据时使用的语言是否规范、科学；分析和讨论问题时是否条理清晰、科学合理；实验报告内容是否完整等。期末考试一般安排综合性实验，给学生提供一个计算化学问题，由学生自己考虑从哪些方面进行并完成上机操作和研究报告。超星学习通为过程化考核提供了有力的平台，在日常授课过程中教师可以通过学习通平台设置任务点：包括课堂签到、视频学习、开展主题讨论和分组任务等，学习通平台会统计学生的任务点完成情况。同时，学生平时的实验报告和期末考试试卷也可以通过平台学习通提交，任课教师通过学习通平台评阅实习报告和期末试卷。学习通的成绩统计模块可以自主设置不同活动所占的权重，实现考核成绩的直接导出，方便教师使用。

4 线上线下混合式教学实例——以“乙硼烷和N2O4分子的结构与化学键讨论”为例

“乙硼烷和N2O4分子的结构与化学键讨论”是一个基于本课题组教学论文[10,11]设计的综合性的计算化学实验。此实验涉及到的计算过程包括：构型优化、单点计算、轨道分析和电子密度拓扑分析等过程。在实验开始之前，我们会向学生发布该实验的预习要求：复习Gaussian程序执行构型优化、单点计算、轨道分析和生成电子密度拓扑文件的方法，查阅乙硼烷和四氧化二氮分子的构型，参照无机化学教材学习和分析这两种分子的化学键类型。给出问题：如何证明B2H6中存在双电子桥式三中心键？为什么平面N2O4分子中有离域π键的存在，N-N键长反而比普通的N-N单键要长？同时引导学生，键级和键鞍点处的拓扑指标是衡量化学键强弱和性质的物理量。键鞍点处的电荷密度越小，键级越小，化学键越弱。所以要明确B2H6中桥键结构的存在需要得到该分子的分子图，讨论N2O4中的N-N键长可以通过计算Wiberg键级、分子轨道以及N-N键键鞍点处的电荷密度、拉普拉斯量、动能密度和势能密度等参量来解释。键级需要对分子进行自然键轨道分析，拓扑性质需要对研究分子进行电子密度拓扑分析。

在课堂实验中，我们会注意观察学生如何搭建分子结构、生成Gaussian的输入文件，指导有困难的学生搭建B2H6的桥式结构；观察学生在搭建模型过程中是否注意了分子的对称性，解决学生在计算过程中遇到的具体问题。让学生分组讨论B2H6中B原子采取哪种型式的杂化？B2H6中存在几类B-H键、性质如何？并分析B-H-B桥键的形成过程。分析N2O4中的π轨道个数和构成，分析N-N键的性质。引导学生采用AIM2000程序绘出图2中B2H6的分子图和N2O4分子中两个N原子间的电荷密度分布，从而理解上述提出的问题。

图2 B2H6和N2O4分子的结构与化学键

通过本次实验，学生不仅复习和掌握了实验技能，还通过自己的实验，验证、巩固和加深了对结构化学基本理论和概念的理解，学会正确处理实验数据和分析实验结果，增强了学生解决实际问题的能力。同时，此实验使得课堂气氛活跃、学生的学习兴趣得到提升、有利于学生养成严谨的科学态度和良好的科学思维习惯，为培养合格的人才打下扎实的基础，取得良好的教学效果。

5 教学效果

自2016年课程开设以来，每年均有80人以上，总数超过500名本科生学习了计算化学实验课程。从教学效果来看，学生普遍掌握了Gaussian和GView等程序的使用，能够自行开展一些初步的计算化学研究工作。我们也鼓励学生在课程学习结束后，继续与教师进行计算类的科研交流，欢迎他们加入教师的科研团队开展大学生科技创新活动和专业实习。近五年来，在本教学团队共40名同学参与完成省/校级大学生科技创新活动10项、19名非师范生完成专业实习、超过150名同学完成本科毕业论文。据统计，理论化学方向本科毕业论文和专业实习获得优秀的同学有90%以上均是学习过本门课程的。部分表现优秀学生的研究工作在SCI收录期刊或国内核心期刊发表。每年有5-10位同学考取量子化学方向的硕士研究生，在国内重点高校或本校进行深造。这些数据说明学生们通过本门课程的学习，掌握了计算化学实验技能和计算化学的基本理论，提高学生的科研能力和创新能力，增强了学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感；也说明我校的计算化学实验课程取得良好的教学效果，达到了预期的教学目标。

6 结语

计算化学实验课程是本课程组依托于自己的科研工作特色和教学实践，开设的实验类课程。在预防新冠疫情常态化的大背景下，线上线下混合的实验教学模式是一种行之有效的方法。本文对传统课堂实验教学与超星学习通、钉钉直播相结合的混合式教学模式进行了介绍。我们的教学实践表明，此模式取得了较好的授课效果，不仅实现了从“教师讲授为主”向“学生自主学习为主”的模式转变，而且培养了学生的学习兴趣和创新思维能力，从而提高了学生运用结构化学的原理和方法来分析问题解决问题的能力，增强学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感，也为高校教学改革提供了一些参考。在后期的教学中，我们还会依托自己的科研工作，努力提升和改善计算化学实验课程的内容和教学模式，实现科研和教学相长，科研反哺教学。同时利用好在线课程，不断探索提高教学质量的途径和方法。