臧杰超 许铭 慈成刚

1 黔南民族师范学院化学化工学院 贵州都匀 558000 2 吉林四中 吉林吉林 132000

0 引言

实验教学作为化学基础教育的重要环节，在培养学生实践操作和观察、数据收集和处理、问题分析和解决等方面扮演了重要角色。《义务教育化学课程标准（2022 年版）》的第一主题就是“科学探究与化学实验”，《普通高中化学课程标准（2017年版2020 年修订）》（简称《新课标》）中必修课程的第一主题也是“化学科学与实验探究”。化学师范专业学生作为中小学教师的主要来源，肩负着为国家培养人才的重要任务。如何有效发挥实验教学优势，成为师范生教学效果提升的关键问题之一。在这个研究方向，许多学者前期都进行了大量探索，提出了很多宝贵建议[1-4]。然而，在分子层面上理解和掌握化学实验，特别是从微观角度直接理解结构与性质的关系，一直缺少相关研究。大型科研仪器在中学化学教学的直接应用存在较大难度，先进的虚拟化模拟软件则成为化学实验教学的重要辅助手段之一。GaussianView 作为计算化学领域应用范围最广、维护时间最长的软件之一，能够准确、快速地模拟和预测物质的多种化学和物理性质，并能从分子层面给出定量解释，成为化学工作者的重要工具。然而，GaussianView 软件在中学化学实验中的应用却缺少深入研究。本文通过在化学实验教学中引入GaussianView 软件，对化学物质的微观结构和相关性质进行可视化展示，并以乙醇的主要性质实验为例，对师范生实验课堂教学效果的提升进行探究。

1 GaussianView 软件在化学实验教学中应用的意义

1.1 GaussianView 软件的标准化优势

GaussianView 软件作为可视化程序，和Gaussian 软件（计算子程序）共同组成了Gaussian软件程序包。自1970 年起，Gaussian 系列软件已在化学、物理、材料和生物等领域取得了举世瞩目的成就。1998 年，软件作者John A. Pople 获得了诺贝尔化学奖。Gaussian系列软件具有使用便捷、模拟速度快、图像美观，能够计算单分子的几乎所有物理、化学性质，特别是其标准化操作和标准化结果，能够让所有使用者的模拟结果不受时间、地点和计算机硬件的限制（计算机只影响计算时间）。这些优势使其在中学化学实验教学领域，可以快速、简洁、动态地呈现化学结构、分子轨道、静电势、光谱等常用重要数据。特别是简单分子的计算对计算机硬件和使用技巧的依赖程度很低，便于师范生使用和在课堂进行推广。

1.2 改进教学模式

在竞争激烈的应试教育环境下，化学师范生为节约教学时间，提高课堂效率，通常会将《新课标》中条件复杂、时间较长的化学实验，采用单向输入培养方式为主的传统教学模式，如教师课堂演示或学生观看视频等形式完成教学任务。尽管能够节约教学时间，但教师一厢情愿课堂演示或让学生观看视频，很容易消耗学生的学习兴趣。《新课标》明确指出，要注重发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合，合理运用计算机模拟实验，但不能完全替代真实的化学实验。引入GaussianView 软件作为化学实验的重要辅助手段，通过大量微观化学结构和电子分布的可视化呈现，有助于在保障课堂教学效率的前提下，形成丰富多彩的视觉冲击，提高学生的学习兴趣。

1.3 渗透学科核心素养

上文提到，通过GaussianView 软件，可以直观、形象地呈现化学分子的结构和轨道。这将促使学生从微观角度理解实验现象，培养学生从分子层面学习化学知识的方式。这也符合《新课标》提出的发展学生化学学科核心素养，即“宏观辨识与微观探析”。此外，GaussianView 作为一款化学科研软件，其重要的角色和功能之一就是通过建立模型，为化学理论知识与化学实验现象之间建立一座桥梁。通过GaussianView 软件搭建分子模型，使学生直接参与化学分子剪裁和设计，在化学实验过程中渗透模型化概念，培养学生的设计实验和创新实验能力，这也符合“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

1.4 促进教育公平

在西南少数民族地区，化学实验室建设与发达地区仍有较大差距，容易出现大量基础实验无法开展，仅能通过观看视频方式的现象。GaussianView软件作为虚拟化教学技术，其载体仅为家用电脑。所有使用者均处于相同平台，产生的也是标准化的计算结果。这为GaussianView 软件在化学实验教学中的普及提供了先天的优势，也为欠发达地区化学师范生毕业后的中学化学实验教学提供了先进技术手段，有利于促进教育教学的公平。此外，前面提到可视化软件的使用，能够激发学生的学习兴趣，提升教学效果，这也非常有利于欠发达地区教育教学质量的提升。

2 GaussianView 软件在化学实验教学中的应用

2.1 GaussianView 的使用方法

以“乙醇的主要性质”实验为例，从软件安装、分子建模、计算方法和结果分析等步骤简要介绍乙醇结构、分子电荷和静电势等电子结构信息的制作方法。

第一步，软件安装。使用个人电脑安装Gaussian 和GaussianView 软件。安装方法和电脑运行的最低配置可以很容易在网络上找到，此处不再赘述。

第二步，分子建模。打开GaussianView 软件，点击File 菜单中New Molecule Group 项，会出现一个分子建模的空白界面。然后，点击Gaussian-View 界面中的Element Fragment 按钮，在元素周期表中找到C 元素的sp3杂化结构。点击建模空白界面，会出现一个甲烷分子结构，点击甲烷中的一个氢原子，则会组合成一个乙烷分子结构。再点击Element Fragment 按钮，选择氧元素的sp3杂化类型，点击建模界面中乙烷分子的任意一个氢原子，将组合成一个乙醇分子。点击主界面的保存按钮，以C2H5OH.gjf 的默认格式保存（该文件可以在课堂上直接使用）。建模完成。

第三步，计算方法。点击Calculate 菜单的第一个选项Gaussian Calculation Step。“乙醇的主要性质”实验是基态的电子结构计算，无须过度使用高精度算法，本文采用B3LYP 泛函、6-31G(g,p)基组。采用PCM 模型下的乙醇溶剂，并计算振动频率用以确定获得结构的可靠性。计算很快会完成，用时大约10 分钟。此时，会得到C2H5OH.chk 和C2H5OH.log 两个结果文件。

第四步，结果分析。用GaussianView 软件将C2H5OH.chk 转换为C2H5OH.fchk。注意，此文件可在后期课堂教学中反复使用，无须重新计算。点击Results 菜单的surface/contours 选项，在Cube Actions 选项中点击New Cube，选择Total Density，生成总密度，然后在Surface Actions中点击New Mapped Surface，并选择ESP，回车，得到乙醇分子的静电势三维分布图。注意，计算完成后，要保存为C2H5OH.cube 文件。再者，直接点击Results 菜单的Charge Distribution 选项中的show number，得到乙醇分子表面电荷数据。以上计算结果都可以通过GaussianView 软件截图功能（主界面相机按钮）实现，也可以在课堂上现场制作。

2.2 在乙醇性质实验中的应用

2.2.1 教材分析和考点分析

“乙醇的主要性质”实验位 于人教版普通高中教科书化学必修第二册第七章第三节“乙醇与乙酸”，为化学必修中第九个必做实验。乙醇是日常生活中常见的，具有直接感官经验的有机物。教学内容可以融入生活常见物品，如酒、医用酒精等进行教学设计。这对引起学生关注、激发学习兴趣具有一定的意义。在学习乙醇前，学生已学习过烷烃、烯烃的结构与性质关系。这为“乙醇的主要性质”实验做了较好的前期铺垫。通过学习，要求学生认识官能团，进一步深化“结构决定性质”的理解。这也为选择性必修三第三章第二节“醇酚”的学习奠定了基础。综上，本节实验内容在中学化学中扮演着承上启下的重要角色。

近年，在高考理科综合试卷中，乙醇的主要性质作为重要考点，曾多次出现在各省考题中。例如，2022 年普通高等学校招生全国统一考试（全国甲卷）理科综合第13 题；2022 年普通高等学校招生全国统一考试（全国乙卷）理科综合第8 题；2021年普通高等学校招生全国统一考试（全国甲卷）理科综合第10 题；2021 年普通高等学校招生全国统一考试（全国乙卷）理科综合第9 题。

可见，乙醇的性质实验无论是在教学内容，还是在高考试题中，都扮演了重要角色。

2.2.2 学情分析

上面提到，学生学习该内容前，已经初步掌握了有机化合物的基础知识和基本学习方法。本节课主要学习重点应为如何深刻理解乙醇结构和性质关系的起源。通过GaussianView 软件，对乙醇的分子结构和电荷分布做可视化呈现，有助于加深学生对化学实验现象的理解，增强学习兴趣，提升教学效果。此外，本节课的授课对象为高一学生，心智接近成熟，能较好地理解结构和性能的关系。但要注意该阶段学生的学习压力已开始显现。在经历必修中前八个必做化学实验的学习后，使用GaussianView软件能够呈现新颖的化学微观世界，缓解学习压力，促进文字类知识点在脑海中的可视化，有助于提升学生的学习兴趣。

2.2.3 课堂应用

前面提到，本实验进行前，学生已经初步具备一定的有机化学知识，但仍是第一次直接做有机化合物的性质实验。乙醇作为有机化合物的代表，如何建立乙醇结构和性质之间的联系成为本节课的教学重点，特别是帮助学生从分子层面建立微观结构与宏观现象之间的形象化链接。再者，乙醇的反应，包括与钠的析氢反应和与氧气的催化氧化反应，是学生第一次接触有机物反应的实验。如何通过乙醇结构解释反应机理成为本节课的教学难点。

关于“乙醇的主要性质”的实验教学设计已被广泛研究，本文不再赘述，仅介绍在课堂教学活动中GaussianView 软件的应用。在完成新课引入环节后，进入内容讲解。此时，使用GaussianView软件提前制作的结果文件，或者使用上面提到的制作方法，直接现场制作。首先，打开结果文件C2H5OH.fchk，向学生展示乙醇电荷分布。打开C2H5OH.cube，直接生成静电势或者展示预算制作好的结果（图1，实际为动态可调整的三维图形）。接下来，进行探究实验。根据实验现象，结合乙醇电荷分布，向学生解释乙醇燃烧与其产物CO2和H2O 之间的关系；向学生解释无水乙醇中羟基氧原子具有负电荷，与金属钠反应生产乙醇钠和氢气；向学生解释乙醇的醇羟基具有额外电子，能够在催化氧化反应中作为还原剂，给出电子，促进CuO 还原，同时醇羟基的H 原子和中心C 的H 原子离去，与CuO 的氧原子结合生成H2O。最后，通过思考、交流、总结、练习和作业布置等环节完成本节课的教学。

图1 使用GaussianView 制作的乙醇结构和静电势图

3 GaussianView 软件使用的注意事项

3.1 明确GaussianView 软件的课堂角色

GaussianView 和Gaussian 软件是利用先进的现代教育技术辅助教学目标达成和教学重点、难点突破的重要教学工具。然而，中学生的心智正处于发展阶段，对于丰富多彩的图像还不具备较强的自控力，大量使用GaussianView 软件可能会过度吸引学生的注意力，影响其他教学内容。因此，在课堂中合理使用GaussianView 软件，有助于将复杂、抽象的微观化学知识，以丰富多彩的形式，可视化地呈现给学生，为主要教学目标的达成提供最优辅助。这样既提高了教学效率，也提高了学习效率，更激发了学习兴趣。

3.2 掌握学生学情，把握使用时机

高中阶段的化学基础知识涉及范围较为广泛，但不深入。学生化学微观世界基本概念的理解还浮于文字表面。例如，上面提到的静电势分布，师范生需要对这些基本概念进行深入浅出的解读，并紧密联系教学内容。此外，其他复杂概念，如分子轨道、电子云等，能够更好地解释乙醇的催化氧化性能，但该阶段学生从未学习，也很难具备进行知识迁移的能力。因此，使用GaussianView 软件时，要避免将本节课的教学目标过度迁移，造成学生学习难度和学习压力的提升，影响学习兴趣。

3.3 引入前沿成果，培养科学研究兴趣

Gaussian 和GaussianView 软件在化学、物理、材料和生物等领域的大量前沿科技成果层出不穷。截至目前，使用Gaussian 程序在Nature、Science 和Journal of the American Chemical Society 等高水平SCI 期刊上发表论文超过三万余篇（数据来自ISIWeb of Knowledge）。其中，多数研究成果能与中学化学实验教学内容直接关联。在实验课堂教学中，借助GaussianView 软件，适当引入与本节课紧密相关的前沿科技成果，有助于培养学生发现科学问题的能力，激发其科学思维。例如，笔者在Nature Communication 杂志上发表过以醇类做溶剂，进行催化合成的研究[5]，能够呼应本节课涉及的乙醇性质。文中，GaussianView软件成为反应历程研究的主要工具。这有助于促进内容枯燥、过程单一的化学实验与科学探究直接连接，也能帮助学生了解基础知识在前沿科技成果中的角色，渗透“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养，培养学生的科学研究兴趣。

3.4 提升使用能力，开拓多种软件

GaissianView软件作为化学专业的常用软件，具有很多独特优势，但并非唯一的可视化工具。师范生在使用该软件时，一方面，要提升使用能力。可视化软件的使用需要具备一定的化学理论基础知识。这需要师范生持续学习，将复杂的知识通过软件可视化地呈现给学生。另一方面，可视化软件数量众多，需要师范生根据自身知识储备和使用习惯，选取合适的软件。例如，目前常见、具备计算能力的可视化软件主要有AMS、MedeA、Molpro、COMSOL 和Gaussian 等等。这些软件风格各异，对使用者的要求也不尽相同，需要师范生根据教学任务，合理选择可视化软件。

4 结束语

本文通过在高中化学实验课程“乙醇的主要性质”中应用GaussianView 软件，将复杂化学微观结构可视化地呈现给学生，为师范生实验教学效果提升提供帮助。研究结果显示，基于教材分析、教学内容分析和学情分析，通过制作乙醇分子结构和静电势等多种可视化动态模型，一方面有助于帮助师范生突破教学难点，达成教学目标。另一方面有助于提升学生的学习兴趣，强化学生关于结构决定性质的化学微观概念。同时，本文提出了一些使用建议，包括明确软件课堂角色，掌握软件使用时间，把握学科核心素养渗透，提升使用能力和合理选择软件，以达到GaussianVew 软件应用的最优辅助效果，为师范生实验教学效果提升提供帮助。