时间：2023-06-25 16:20:01
导语：在量子化学基础的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
【关键词】中学 化学教学 量子空间论
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）10-0154-01
（小叙）：课篇第一章节细读、研读、探透性知识点。
1.寻找研究方法 2.课题的研究内容
3.课题研究的一些成果 4.巩固建筑语录
【序言】
化学是在分子、原子层次上研究物质性质、组成、结构与变化规律的科学。化学不断地发展着，目前，人们发现和合成的物质已有几千万种，其中很多是自然界中原本不存在的；这极大地改善了人类的生存和发展条件，丰富了人们的生活。
例如：
1.纳米铜（1nm=10?9m ）具有超塑延展性，在室温下可拉长50多倍而不出现裂纹。
2.用隔水透气的高分子薄膜做的鸟笼。
3.单晶硅为信息技术和新能源开发提供了基础材料。
4.用玻璃钢制成的船体。
总之，作为实用的、富于创造性的中心学科，化学在能源、材料、医药、信息、环境和生命科学等研究领域以及工农业生产中发挥着其他学科所不能替代的重要潜质作用。近年来，“绿色化学”的提出，使更多的化学生产工艺和产品向着环境友好的方向发展，化学必将使世界变得更加绚丽光彩。
【寻找研究方法】
第一单元 走进化学世界；
1.物质的变化和性质
2.化学是一门以实验为基础的科学
3.走进化学实验室
第二、三单元 我们周围的空气与自然界的水；空气、氧气（氧气的制取）、水的组成、分子和原子、水的净化。“爱护水资源”。
第四、五单元 物质构成的奥妙、简单统计应用；原子的构成、元素、离子、化学式与化合价 ：
如何正确书写化学方程式”？利用化学方程式的简单计算？
第六、七单元 C与C的氧化物燃料及其利用；
分析：金刚石、石墨和C60 （1.CO2 的制取？ 2.CO2 与CO的区别、联系？）
应用：燃烧和灭火？燃料和热量？
环保问题：“燃料对环境的影响”
自留田地：“石油和煤的综合利用？”
第八、九单元 金属与溶液的问题；
熟记、认识：金属、金属材料、金属的化学性质；
金属资源的利用和保护、溶液的形成；
溶解度、溶质的质量分数。
第十、十一、十二单元 酸与碱 、盐与化肥 、“化学与生活”。
生活中常见的：1.酸与碱
2.酸与碱之间会发生什么反应
3.盐
4.化学肥料
人体：1.人类重要的营养物质
2.化学元素与人体健康
3.有机合成材料
学生自认化学常用仪器。学习“附录”相关记录 。
【课题的研究内容】
无机化学中量子（分子、原子）力学论
量子化学（Quantum chemistry）是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基础原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。
量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的一门基础科学。
1927年海特勒和伦敦用量子力学基础原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因，并且利用相当近似的计算方法，算出其结合能。由此，使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。
【课题研究的一些成果】
生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用，甚至可以有目的地修饰酶的结构，设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥妙，进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。
【巩固建筑语录】
化学中常见“离子反应”包括：“酸、碱、盐在水溶液中的电离”和“离子反应及其发生的条件”两部分。
无机化学中最关键的是要有实观性：基础高层次的“化学方程式”们。
其次，稀土元素中的各种化学量变、质变及各种物理、化学性反应。
再次，金属的利用、及高等积存用途。
还有，就是气体的大力层存在行式。如同：水、陆、空，人类的生活方式。
参考文献：
[1]初中九年级化学上、下册课本，人民出版社出版，2011年版。
【关键词】三聚体；构象；理论计算
众所周知，DNA分子呈现为螺旋形，所有氨基酸分子也都具有某种特定形状进行生命活动，如具有α螺旋，β层或者PPII等左旋和右旋结构等。然而，氨基酸分子正是由于具有特定的结构形式而对生命活动有特定的影响，因此研究氨基酸分子的构型构象是非常重要的。同时，分子结构也会受到不同溶剂或者分子内氢键的影响，进而稳定整个结构[1]。我们也知道，氨基酸中最小的分子是甘氨酸，其具有一个羧基和氨基，以及与亚甲基相连。然而，当每一个甘氨酸首尾相连缩水后，就会产生肽键，而肽键会直接影响和作用于生命活动。同时，不同的肽键数目也会不同程度的影响着生命体[2]。前人借助于量子化学计算研究了脯氨酸多聚体的自聚集体，并且发现其β结构形式可以作为蛋白质结构重构的阻聚剂[3]。本文采用密度泛函B3LYP方法研究了甘氨酸三聚体的构象重叠，进一步探究其可能的存在形式，为以后研究其各方面的性质提供前期基础。
1 理论方法
密度泛函DFT-B3LYP理论[4]是目前量子化学研究中常用的方法。本研究中，对甘氨酸三聚体采用6-31++G**全电子基组。为了考虑结构中的弱相互作用，所有计算都采纳了D3色散校正[5]。整个计算任务都采用GAUSSIAN 09程序包[6]，在单机上完成。
2 结果和讨论
2.1 势能面搜索及几何结构
根据结构设计，甘氨酸三聚体主链有十个原子，九个成键，两个肽键（重叠区域）。基于我们的经验，对每一个肽键，采用了三个不同的扭转二面角（分别为-60°， 60°， 180°）来搜索其势能面的最稳定结构。因此，产生了3x3=9个构象。从图1中也可以看出，由于结构链的扭转，原子之间会存在弱相互作用，因此我们采用了B3LYP-D3校正的泛函形式[5]，这种泛函较可靠、并精确预测计算的电子能。
采用可靠的B3LYP-D3泛函，并结合6-31++G**全电子基组对甘氨酸三聚体进行了结构全优化，优化结构见图1。研究结果发现：主链上C-C平均键长为1.528？，靠近左侧羧基的C-C键长较短，而靠近胺基部分的C-C键长则较长，N-C键也有类似的特征。在侧链上的C=O键长分别为1.211、1.227和1.227？。同时，两个胺基的二面角分别为176.4°和174.9°，近似于平面。此外，我们也通过比较发现，甘氨酸单体主链上O-C-C-N的二面角为-161.4°，说明在氨基酸大分子中，甘氨酸存在形式明显不同于单体的结构特征，也为以后生物大分子的实验研究提供理论参考。
2.2 相对稳定性
为了探究甘氨酸三聚体的电子特性，即从化学活性上探究化合物的稳定性，我们对甘氨酸单体、二聚体以及三聚体的HOMO和LUMO做了分析研究，并计算了它们的HOMO-LUMO能隙（H-L）。研究结果发现：三聚体的能隙为6.12 eV，其比二聚体和单体的能隙少约0.16和0.20 eV，表明甘氨酸三聚体的化学稳定性较弱，致使HOMO电子容易跃迁到LUMO轨道上。
3 结论
本文采用量子化学计算对甘氨酸三聚体的构象进行全局搜索，并讨论了它们的相对稳定性。结果发现：与甘氨酸单体相比较，三聚体主链及侧链上的键长都发生了变化，尤其是甘氨酸重叠的肽键部位。同时，通过能隙计算，我们也看到随着甘氨酸聚合度增多，则能隙变小，表明其稳定性更弱。这些研究结果将对理解氨基酸生物分子的生命活动提供一定的理论参考。
【参考文献】
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[4]Becke A D. Density-functional thermochemistry. iii. The role of exact exchange [J]. J. Chem. Phys. 1993， 98（7）： 5648-6.
关键词: 第一原理; 相互作用势; 多元合金; 合金设计
Abstract
This is a preliminary investigation of alloy design for multi-element alloys at electronic and atomic
scale. The research shows that this idea of alloy design was feasible that first calculating the properties
of matrix with different compositions by interatomic potential， secondly selecting the attempt total composition of the alloy， then calculating the carbide volume fraction by empirical formulae， until obtaining the appropriate total composition of the alloy corresponding to the desired phase structure， finally testing the design by experiment.
Keywords: first principles， Interatomic potentials， Multi-element alloy， alloy design
1．引言
目前从电子、原子层次上进行材料设计是材料科学领域的学者们广泛关注的热点问题， 主要研究方法有第一性原理方法，第一性原理赝势方法，原子间相互作用势方法，分子力学 方法，分子动力学方法及蒙特卡罗方法等。其中前两种方法是在电子层次上进行材料设计的 方法，其方法的物理基础可靠，但由于计算工作量很大，因而所计算的体系受到一定的限制。 后几种方法是在原子及分子层次上的设计方法，这几种方法不考虑电子结构的影响，虽然会 损失一些精度，但大体上反映出由相互作用势所决定的晶体结构，以及由晶体结构所决定的 材料性质，且计算速度明显提高[1]。本文在多元合金的电子、原子层次的理论计算上联合使 用了第一性原理方法和原子间相互作用势方法，根据 3 种系列合金的关键问题进行理论计算 并结合其他理论计算和经验计算进行了合金设计探讨。
2．Fe-Cr-Mn-C 系亚稳奥氏体基铸造合金
Fe-Cr-Mn-C 系亚稳奥氏体基铸造合金有优异的耐磨性和高的抗冲刷腐蚀能力。其合金 设计的关键理论问题是 B 对该多元合金奥氏体体系的影响，以及对含 B 多元合金奥氏体电 子、原子层次的计算研究。通过对奥氏体合金大体系的能量计算，既可以解释 B 元素在奥 氏体中占位、分布、固溶度、与 C 的替代作用、与其他合金元素的配合对奥氏体的影响， 又可进而解释 B 对摩擦诱发马氏体相变的作用[2]。Fe-Cr-Mn-C-B 系铸造合金一般为基体（奥 氏体或马氏体）和碳硼化物组成的双相系统，其中 C 元素和 B 元素在奥氏体基体中的作用 对合金材料的性能有重要影响。C 在奥氏体中的固溶度和占位已很清楚，而 B 的固溶度和 占位还不很清楚，采用量子化学从头计算方法，通过对含 C、B 的奥氏体小团簇电子结构计 算，来研究 B 在奥氏体中的固溶度和占位情况。
团簇的选取以从奥氏体的实测晶格结构出发，从中选取奥氏体中的八面体和四面体小团 簇。并在团簇中心分别加入一个 B 或 C 原子，计算团簇的结合能，见表 1。由表 1 可见奥 氏体中 Fe4 四面体团簇的原子平均结合能略大于 Fe6 八面体的，因为八面体中存在距离较远 的三对原子，使结合能降低。B 和 C 均使四面体体积增大很多（棱长增加 34.2%），使结合 能降低，表明它们在四面体间隙存在的可能性很小，尤其是 B 更小。B 使八面体的体积增 大（棱长增加 16.2%），结合能略有升高；在体积不变时，C 使八面体的结合能略有降低， 表明 C 在奥氏体八面体间隙中的溶解度要远大于 B。
表 1 量子化学从头算合金小团簇的电子结构计算结果
采用量子化学从头计算精确处理含 B 小团簇，以半经验原子间相互作用对势处理大团
簇，研究含微量 B 元素的合金奥氏体大体系。对含微量元素小团簇进行局部精确计算，对 大团簇采用低精度的计算方法，既能反映微量元素的作用，也使电子、原子层次的计算处理 多元合金大体系成为现实。
应用量子化学从头计算方法对含 B、C 奥氏体大体系进行局部精确计算，计算结果：B 在八面体间隙中的原子平均结合能为 1.6978eV，最近键距为 0.29967nm；C 在八面体间隙中 的原子平均结合能为 1.3520eV，最近键距为 0.25780nm；每个八面体间隙 B 原子使奥氏体
Fe 团簇总结合能降低 116.91443eV，每个 C 原子使小团簇总结合能降低 0.459142eV，B 原
子对奥氏体能量的影响是 C 原子的 254.6 倍。利用量子化学从头计算方法计算了
Fe-Cr-Mn-C-B 系双原子团簇的势能，提出按势能曲线最低点与从头计算所得的势能最低值 相重合的拟合原则，得出半经验原子间相互作用对势的参数，并计算了奥氏体团簇的平均结 合能、平衡原子间距，结果与实验符合。将量子化学从头计算方法精确计算小团簇和半经验 原子间相互作用对势处理大团簇相结合，计算分析 B、C 元素在奥氏体中的间隙固溶度，得 出了 B 原子处于奥氏体的八面体间隙中时的固溶度为 0.097wt%，此时对奥氏体大体系能量 的影响贡献最大，B 在晶界和缺陷中存在对体系能量影响很小。表 2 是随含量增加合金奥 氏体的原子平均结合能的变化。
表 2奥氏体中其他元素近似不变时 B 含量变化引起的团簇原子平均能的变化
根据半经验原子间相互作用对势计算结果，B 在晶界上与 Fe 较易结合，B 在固溶体中
晶界上的存在几率很大，而且 B 在硼碳化物中的含量比率也很高，由此，可估算出奥氏体 基铁合金中 B 的加入量范围约为 0.05~1.00wt%。计算了奥氏体大团簇中 Cr、Mn、C 元素含 量固定时，B 的加入对团簇原子平均结合能的影响。随奥氏体中 B 量的增加，原子平均结 合能降低，当 B 含量增至 0.0427wt%时，原子平均结合能与纯铁奥氏体相比降低 10%，将此 时的 B 含量定义为 B 在该团簇中的极限含量，当其他元素含量改变时，B 在奥氏体中极限 含量将有所变化。随着结合能的降低，奥氏体更易摩擦诱发马氏体相变。图 1 分别是无 B 和含 B 合金磨损表面的 XRD 衍射谱。所研究开发的 Fe-Cr-Mn-C-B 系亚稳奥氏体基耐磨铸 造合金为新型耐磨材料（图 2）。
（a）合金 1
（b）合金 4
图 1 Fe-Cr-Mn-C-B 系合金摩擦表面 XRD 图
图 2 Fe-Cr-Mn-C-B 奥氏体基合金的组织(1000×)，
(a)合金 2，
(b)合金 3，
(c)合金 4
3．Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系马氏体基铸造合金
高铬铸铁是高性能的耐磨材料。以高钒作为合金强化元素加入到高铬铸铁中，有利于大 幅度提高高铬铸铁耐磨性，并提高冲击韧性。高铬铸铁一般经高温淬火得到马氏体，但高钒 高铬铸铁在高温时因强烈的氧化而不适合热处理。为此，研究高钒高铬铸铁在铸态下得到稳 定的马氏体基体而省略淬火过程具有重要的实际意义。铸态下直接得到马氏体的关键是选择 合适的化学成分。
将 Finnis-Sinclair 多体势扩展到多元合金，建立适合于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系的多元合金的
原子间 相互 作用势 函数 ；利用 第一 性原理 从头 算所得 的平 衡距离 及结 合能， 拟合
Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中与 Si 和 C 有关的对势函数；利用第一性原理赝势平面波方法 计算 Fe-Cr、Fe-V、Fe-Ni、Cr-V、Cr-Ni、Ni-V 二元合金的晶格常数、结合能及体弹性模量， 并根据计算得到的这些数据，构造 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中与 Fe、Cr、V、Ni 有关的 二元合金的 F-S 多体势函数；这样便得到了应用于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子间相 互作用势函数[3]。利用所得 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子间相互作用势函数，研究该 多元合金奥氏体基体的稳定性；并且通过金相显微镜、X-Ray 衍射仪、扫描电镜及电子探针
等分析测试设备对多元合金样品进行测试，对测试结果进行分析，与计算结果进行比较。 采用了独立于实验数据的基于第一性原理计算的晶格常数、结合能及体弹性模量构建了 原子间相互作用势函数，该方法对于目前还没有足够实验数据的合金特别是多元合金的研究 是一个很有效的方法。将 F-S 多体势扩展到多元合金，拓宽了理论的应用范围。研究结果表 明：当基体中 含 C 量大于 0.6wt%，含 Ni 量在 1.02～1.50wt%范围内时，合金奥氏体基体 较稳定。当合金中 Ni 含量从 0.8wt%至 1.6wt%逐渐增加时，合金的奥氏体基体越来越稳定；
但是，当合金中 Ni 含量达到 2.4wt%时，奥氏体基体能量却上升，稳定性反而下降（表 4），
Ni 含量 2.4wt%铸造合金的残余奥氏体量明显低于马氏体量。计算结果与 X 射线衍射结果一 致（参见图 3）。
表 4 合金奥氏体基体(Fe-7.5Cr-2.2V-Ni-1.8Si-0.9C)的晶体特性
图 3 合金 N5-N8 的铸态下 X 射线衍射图
图 4 合金(1.2Ni)的铸态组织
图 5 合金 (1.2 及 2.4 Ni)的回火硬度
实验表明，含 Ni 高 V 高 Cr 铸铁浇注后即形成马氏体加奥氏体组织（图 4），通过高温
回火残余奥氏体分解，并获得二次硬化（图 5），避免了高温淬火时的严重氧化现象，成为 具有实际应用价值的耐磨合金。
4．Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 系合金钢
多元合金高碳钢成分设计合适时，钢中存在多类型碳化物（M3C、M23C6、M7C3、 M6C 和 MC），在常规的锻轧加工和退火工艺条件下，碳化物具有超细化特征。为了开发适 应不同生产条件的多类型超细碳化物高碳合金钢，其固溶强化的 Si 元素部分以 Ni 元素替代。
因此，合理的成分设计是常规热处理工艺下获得超细碳化物高碳合金钢的关键。 利用扩充的量子化学从头计算程序计算 Fe、Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni、C 组成的双原 子团簇的电子结构数据，由于该程序只能计算包括 Mo 在内的元素周期表中前 54 号元素， 而不能计算与 W 相关的双原子团簇电子结构数据，利用第一性原理赝势平面波方法计算 W 与其它原子组成的二元合金的电子结构数据，拟合半经验原子间相互作用对势。利用半经验 原子间相互作用对势，选择八面体为中心的奥氏体晶胞模型、马氏体晶胞模型，计算奥氏体、 马氏体中各类晶胞室温、常压下的结合能信息。相对 γ-Fe 基体、α-Fe 基体而言，含有碳原 子和合金元素原子的晶胞均具有较大的结合能，起到固溶强化作用。
采用直接将第一性原理赝势平面波方法计算 W 的结果与从头计算程序计算其它原子的 结果联合使用，或考虑 CASTEP 软件计算结果与从头计算程序计算结果存在整体差异，联 合使用存在 “未校准零点”误差，将第一性原理赝势平面波方法计算 W 的结果除以修正系 数后与从头计算程序计算其它原子的结果联合使用，或考虑不含 W 元素的情况下利用从头 计算程序计算的结果，研究 Si、Ni、C 的变化对 Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 多元合金基体原 子间的结合能的影响，通过三种方法计算结果比较，采用修正系数处理的方法比较合理。得 出：合金奥氏体基体、马氏体基体原子间的结合能随着含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的增加呈 逐渐增加的趋势，随 Si 含量的增加原子间的结合能急剧上升，随 Ni 含量的增加原子间的结 合能缓慢上升，即 Si 含量的变化比 Ni 含量的变化对马氏体基体强度影响大。当 Si 或 Ni 以 外的元素含量都不变时， Si 或 Ni 的含量在 0.2%~0.6%时， Ni 含量对原子间的结合能影响 高于 Si。Si 或 Ni 的含量在 0.6%~0.8%时，转换为 Si 含量对原子间的结合能影响高于 Ni（图
6）。上述结果为合金设计时根据性能要求确定 Si、Ni 含量提供理论依据。
图 6 DM8A 合金马氏体基体原子间的结合能随含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的变化
表 5 是 3 种钢在淬火温度下的基体成分。DM8， DM8A 和 DM8B 钢的基体的 C 和合金元
素含量是用相平衡热力学和在电子、原子层次上马氏体的原子间结合能计算的。实验结果表 明原子间结合能与力学性能有对应关系，其比值是 2.3 10-4-2.5 10-4(表.6).
表 5 三种钢基体成分(wt%)
表 6 三种钢马氏体结合能和机械性能
实验研究表明，三种中合金钢退火后剩余碳化物均达到了超细化的程度（图 7）。根据
三种钢实验结果，分析碳化物超细化的原因主要是由碳化物溶解、形核的转变过程所引起的。 加热至 相变附近的温度再退火或淬火的碳化物的细化程度依赖于碳化物类型及其比 例，因此，合理的成分设计是常规热处理工艺下获得超细碳化物高碳低、中合金钢的关键。 与同类型钢比较，其抗弯强度、屈服强度、挠度和冲击韧性均明显提高。
图 7 三种钢的淬火组织
根据碳化物随温度变化的规律，并结合热力学相平衡计算，设计的多类型碳化物 DM7S
钢，成分(wt%)为：C 0.85-0.95，Mn 0.3-0.5，Si 0.3-0.50，Cr 6.0-7.0， W 2.5-3.5，V 1.0-1.5，
Mo 0.85-1.5，Ni 0.25-0.42。在常规的热处理工艺条件下，碳化物具有超细化特性（图 8）。
1080℃以上淬火，500-560℃回火时出现二次硬化效应，最高硬度接近 64HRC。
图 8 DM7S 钢 1100℃淬火显微组织（a）及其碳化物颗粒尺寸分布（b）
5. 结语
本文以第一原理计算（量子化学从头计算方法和第一性原理赝势方法）按势能曲线最低
点的拟合原则，对小团簇进行局部精确计算和对大团簇采用低精度的计算方法进行能量叠 加，以及用偏聚结构晶胞的计算用于多元合金的理论计算上。虽然其理论依据和计算精度有
待于进一步探讨，但却实现了多元合金的电子、原子层次的理论计算。针对三种多元合金材
料的不同问题采用了不同的计算方法，计算结果与某些实验结果相对应。近年来，我们采用 相平衡热力学计算、电子、原子层次上的计算以及经验公式相结合的合金设计计算，所开发 的合金已经作为高性能材料用于实际生产中[5-7]。
参考文献
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量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。它是20世纪人类文明发展的一个重大飞跃，量子力学的发展引发了一系列划时代的科学发展与技术发明，对人类社会的进步作出了重要贡献。
19世纪末，正当人们为经典物理取得的重大成就而惊叹不已的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个地发现了。德国物理学家维恩通过热辐射能谱的测量发现的热辐射定理。德国物理学家普朗克为了解释热辐射能谱提出一个大胆的假设：在热辐射的产生与吸收过程中能量是以hv为最小单位，一份一份交换的。这个能量量子化的假设不仅强调了热辐射能量的不连续性，而且与辐射能量和频率无关由振幅确定的基本概念直接相矛盾，无法纳入任何一个经典范畴。当时只有少数科学家认真研究这个问题。
著名科学家爱因斯坦经过认真思考，于1905年提出了光量子说。1916年，美国物理学家密立根发表了光电效应实验结果，验证了爱因斯坦的光量子说。
1913年，丹麦物理学家玻尔为解决卢瑟福原子行星模型的不稳定(按经典理论，原子中电子绕原子核做圆周运动要辐射能量，导致轨道半径缩小直到跌落进原子核，与正电荷中和)，提出定态假设：原子中的电子并不像行星一样可以在任意经典力学的轨道上运转，稳定轨道的作用量fpdq必须为h的整数倍(角动量量子化)，即fpdq=nk，n称之为量子数。玻尔又提出原子发光过程不是经典辐射，是电子在不同的稳定轨道态之间的不连续的跃迁过程，光的频率由轨道态之间的能量差AE=hy确定，即频率法则。这样，玻尔原子理论以它简单明晰的图像解释了氢原子分立光谱线，并以电子轨道态直观地解释了化学元素周期表，导致了72号元素铅的发现，在随后的短短十多年内引发了一系列的重大科学进展。这在物理学史上是空前的。
由于量子论的深刻内涵，以玻尔为代表的哥本哈根学派对此进行了深入的研究，他们对对应原理、矩阵力学、不相容原理、测不准关系、互补原理、量子力学的概率解释等都作出了贡献。
1923年4月，美国物理学家康普顿发表了X射线被电子散射所引起的频率变小现象，即康普顿效应。按经典波动理论，静止物体对波的散射不会改变频率。而爱因斯坦光量子说这是两个“粒子”碰撞的结果。光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子，使光量子说得到了实验的证明。
光不仅仅是电磁波，也是一种具有能量动量的粒子。1924年，美籍奥地利物理学家泡利发表了“不相容原理”：原子中不能有两个电子同时处于同一量子态。这一原理解释了原子中电子的壳层结构。这个原理对所有实体物质的基本粒子(通常称之为费米子，如质子、中子、夸克等)都适用，构成了量子统计力学——费米统计的基点。为解释光谱线的精细结构与反常塞曼效应，泡利建议对于原子中的电子轨道态，除了已有的与经典力学量(能量、角动量及其分量)对应的三个量子数之外应引进第四个量子数。这个量子数后来称为“自旋”，是表述基本粒子一种内在性质的物理量。
1924年，法国物理学家德布罗意提出了表达波粒二象性的爱因斯坦——德布罗意关系：E=hv，p=h/波长，将表征粒子性的物理量能量、动量与表征波性的频率、波长通过一个常数h相等。
一、引言
化学在发展的前期主要运用归纳法，因此被强调为“实验的科学”。量子力学建立起来以后，化学有了坚实的物理理论基础，原则上化学变化是可以通过计算定量地说明和预测的。1929年量子力学奠基人之一Dirac就指出:“大部分物理学和全部化学的基本规律已经完全知道了，困难只是在于运用这些规律得到的数学方程太复杂，无法求解”。尽管杰出的理论化学家如凡uling、Mulliken、Fukui等运用量子力学的概念和方法定性地处理化学问题获得丰硕而且能在一定程度上预测新实验的结果。计算机模拟在实际化学问题的研究中占据重要地位，正在发展成为一种其他方法不能代替的强有力的化学研究工具，化学理论计算软件作为商品蓬勃兴起，广泛流通。当前，理论化学计算的发展趋势是研究对象力求逼近真实的化学休系，通常是复杂的大体系;力求得到明确的定量的结论。对大体系的理论计算研究，包括发展计算方法及应用，成为理论化学的前沿研究领域。下面重点对这方面的工作做简要介绍。
二、理论化学计算方法
1.从头计算(abi赫切)法量子化学从头计算法不求助可调参数求解微观粒子体系的真实的量子力学方程。为简化间题引进三个近似:非相对论近似，Bo二一oppenhei~近似，单粒子近似或轨道近似。在上述近似下导出描写电子运动的Hartree一Fock(H一F)方程或H侧rt祀e一Fock-Rooth~(H一F一R)方程。为减少计算误差，可以针对上述三个近似作校正。从头计算法有严格的量子力学和数学理论基础，原则上可以达到任意精度。缺点是计算量太大，与体系电子数目的4一7次方成比例，难于处理较大的体系。目前，高等级H一RR方法可以计算上千个电子的体系。若包括精确的相关能计算，则只能处理100个左右电子的体系。2.密度泛函理论(DP】，)方法密度泛函理论用电子密度分布函数而不是用波函数来描述体系，对于多电子体系是极大的简化。目前密度泛函理论计算方法是依靠求解近似的Koha一Sh。方程，计算量大体与体系粒子数的3次方正比例。对于大的体系，它的计算量比从头计算(H-F-R)法要小得多而计算精度可以达到MPZ方法的水平，得到广泛的应用。目前用DFI，方法可以对100一200个原子(包含几千个价电子)的体系进行高等级的计算。局限性有两点:一是由于还不知道精确的能量密度泛函形式，计算结果的精度有限制，无法系统地提高计算的精度;二是还不能很好地严格处理与电子激发态及多重态结构有关的过程和性质。3.半经脸1子化学方法从头计算法和密度泛函理论方法被统称为第一性原理方法。半经验量子化学方法实质上是在量子力学理论框架下的擂值方法，擂值函数中的特征参数通过拟合一组标样分子的实验与计算值来确定。半经验方法的计算量比第一性原理算法小2一3个数量级，用于有机分子体系比较成功，缺点是计算误差难于估计。随着计算能力的提高，第一性原理算法不断发展，半经验方法逐步退居较次要的地位。目前仍在广泛使用的半经验方法是AMI和PM3，对F扭uenheim等提出基于紧束缚近似的半经验密度泛函理论方法，其半经验参数的普适性好，有可能发展成为一种有用的计算方法。4.相对论蚤子化学计算相对论效应对重元素化合物的结构、性能均有很大影响。包含相对论效应的严格计算要求解狄拉克方程，比非相对论计算更加困难。已经提出了Di~F沈k(一cI)方法、相对论质势方法、相对论密度泛函理论方法、相对论半经验方法等。相对论计算的计算量一般比相应的非相对论计算要大一个数量级。近年来发展了近似的相对论效应计算方法，比较重要的有三种:基于狄拉克算符Pauli展开式的微扰方法、DKH方法、ZORA方法，后两种方法更好一些。用DKH或ZORA方法，可以用比非相对论计算稍多的计算量，得到与直接求解狄拉克方程相接近的结果，可望得到广泛的应用，特别是应用到比较大的含重元素的体系中。5.分子力学和分子动力学方法分子力学方法利用分子力场确定分子体系的稳定构型，模拟分子的振动光谱，计算气相热力学函数等。分子力场是分子的经验势能函数，其中包含的参数通过拟合一组标样分子的实验与计算值确定。分子力学方法的计算量比半经验方法少2一3个数量级，可以处理成万个原子的体系。缺点是:计算结果的误差难于估计，不能用来研究过渡态结构，更不能用于讨论有化学键形成或断裂的间题。分子力学方法最大的用处是研究生物大分子(或高聚物)的构型和构象变化。分子动力学方法是在给定的分子力场下用数值方法求解多原子体系的经典力学方程，模拟体系中各原子的运动过程，现在可以模拟几千个原子组成的体系的运动。可以求得体系的热力学函数，也可以寻找分子的优势构象。分子动力学计算结果依赖于采用的分子势函数。1985年Car和P恤币neno将密度泛函方法和分子动力学方法结合起来，提出C一P方法，克服了分子动力学方法中由于使用经验势函数产生的缺点，但计算量也就增大了许多。
三、大体系的分区计算方法
1.电子可分离性理论[s]实现对很大体系的计算是当前的前沿热点。解决问题的基本思路是分区进行计算。早在1959年Mcweeny就提出电子可分离性理论:将大体系分割为若千子体系，其波函数写成子体系波函数的全反对称积，不同子体系波函数满足强正交条件。分别求解各子体系的H一F方程，就可以得到大体系的波函数及能量。Huz还昭a、Adall阳和今比ert等后来深人研究了上述方法。1992年F班ncisc。等提出了不要求子体系间波函数强正交条件的方程。上述分区处理办法虽然解决了可以计算大分子的间题，但总计算量并未减少。2.“分而治之(divids一叨d一conquer，D&C)”方法[‘，，]1991年杨伟涛在密度泛函理论的框架下提出“分而治之”的方法。将大体系分剖为若干子体系，对各子体系进行Kohn~Sham方法的密度泛函理论计算，在子体系周围添加缓冲基函数以减少基组截断误差。电荷在各子体系间的分配由电负性均衡原理确定。各子体系间的库仑及交换相关作用包含在子体系的Kohn一sham方程中。D&C方法计算盘比整体计算小得多，并且便于实现并行计算，是一种有效的计算大体系的方法。1995•年杨伟涛等将D&C方法推广到分割一阶约化密度矩阵，整体密度矩阵分解为若干个子体系密度矩阵的迭加。由子体系的F加k矩阵求得其分子轨道，在同一费米能级下构造各子密度矩阵，迭加得到总密度矩阵。用于半经验计算，处理过几千个原子的体系。3•线性比率(linear。e‘ng，o(N))算法I。]降低计算量随体系粒子数的增长速率是很关键的问题。1991年杨伟涛在提出“分而治之”算法的基础上提出实现对大体系线性比率算法的可能性。1995年，杨伟涛等在把D&c方法用于密度矩阵的基础上，实现了半经验方法的线性比率算法。1996年Kohn指出线性比率算法的物理基础是在外场中的量子力学多粒子平衡体系，其粒子具有“近视性，即一个小区域的静态性质，对于较远距离的外场变化是不敏感的。与此相联系，体系的一阶约化密度矩阵是主对角线带状矩阵。随着体系加大，矩阵带只是成比例增长，构造密度矩阵及将其对角化的计算量只是线性增加。D&C方法构造密度矩阵的计算量比较大。提出过几种效率更高的办法:Fenni算符展开法(1994)，Fe双‘算符投影法(1995)，密度矩阵优化法(1993，1996)等。线性比率算法在半经验方法框架内已得到广泛应用。例如，Scuseria等用AMI计算过2O口以)个原子的体系(1998)。用大基组作精确计算的线性比率算法还难于实现，但研究在取得进展，例如提出了库仑矩阵的高效率算法，交换矩阵的线性与准线性比率算法，FOCk矩阵的线性比率算法等。线性比率算法要对大的体系才发挥作用。从小体系计算量随粒子数3一7次方增长速率到大体系实现线性比率算法，计算量随粒子数增长的速率逐渐降低，转变点大概在1以}一500个原子之间。
四、对大体系局部的计算
对于很多大体系，性能只与其局部有关，其余部分只起到一种支撑基体的作用。在这种情况下，对体系整体进行精确计算，事倍功半;而完全忽略基体的作用，又与实际情况差距太大，计算结果不能说明间题。针对上述情况，人们提出将体系分为环境区和活性区，分区进行不同精度计算的方法。1.分区域作不同精度计算[9]最简单的比较粗略的做法是用近似的严格定域轨道(孤对、。键、二键等)堆砌出环境区的电荷分布，产生静电势，用于活性区的半经验自洽场计算。Bax-ter等(i卯6)提出se留(。e琢eonsistent卿pfield)方法。通过较小分子的计算得出分子片的密度矩阵。环境区的密度矩阵由分子片密度矩阵组合出来，用以计算环境对活性区的静电势，作自洽场计算。杨伟涛等(1998)在把D&C方法用于密度矩阵的基础上提出冻结环境分子轨道的半经验计算方法，用来研究大体系局部构型变化。Kau加阳n等(l990)提出先用较小基组对大体系作从头计算，将所得定域于环境区的分子轨道冻结，再对活性区作精确的从头计算。Morokuma等(1996)提出IMOMo方法，用模型分子代替活性区作精确从头计算，半经验地扣除模型误差。‘rt~等(1993，1996)提出局域量子化学方法，用于Hartree~FOCk计算:将环境和括性区各自的密度矩阵之和作为整个体系的起始密度矩阵，冻结环境部分，用Mcweeny提出的等幕性优化的方法，得到在环境下活性区的密度矩阵。M二等(20(犯)提出基于D&C方法的复合哈密顿方法，对精确计算的子体系用D碑哈密顿，对环境区用半经验哈密顿，两部分之间的电荷分配由电负性均衡确定。可以用半经验线性比率算法处理很大的环境。2.基体上添加外物的局部计算〔10.川对晶体中掺杂的局部进行计算，提出过多种方法，如原子簇近似、镶嵌原子簇、超晶胞法等。D~si等对镶嵌原子簇方法作了系统的研究，方法是:在杂质周围划出一个原子簇进行计算，考虑晶体环境对原子簇的作用。将体系的格林函数矩阵分割为原子簇部分Cc。、环境部分‘D。和两者相互作用部分‘cD和“。令‘DD部分与纯晶体的相同，求解格林函数矩阵方程，可以得到‘cc和Cc。以及相应的密度矩阵。固体表面吸附是另一类要求局部精确计算的间题。Head等(1996)提出的方法是:将基体表面原子的基组分为活性区及环境区，将环境区与活性区有相互作用的基函数成分吸收到活性区的基组中，冻结环境区的密度矩阵，将吸附分子的基组加人到扩充的活性区基组中去，进行精确计算。Salahub等(1998)提出计算金属表面上吸附的方法，将表面分为吸附中心、软环境区和硬环境区，冻结环境区的分子轨道，将吸附分子加到活性区作D打计算。电子在吸附区与软环境区之间可以流动，保持电负性均衡
五、量子力学/分子力学(QM/MM)方法
对于很大的分子，上述精粗结合的QM/QM方法仍然计算量太大。分子力学方法不能用于有化学键断裂或形成的研究，但在确定有机分子骨架结构方面很有成效。QM/MM方法是把大体系分为两个子体系，其一用量子力学处理，另一用分子力学处理。要解决的问题是对两个子体系边界的适当处理。当QM/MM区分界处有化学键x一Y被切开时，QM区的游离价需要饱和。提出过两类处理方法。1.等效原子法MoIDkulna等用一个氢原子模拟X一Y键中MM区的原子Y作QM计算。在作MM计算时，不考虑这个氢原子的存在。MM区边界上各Y原子间的非键作用要计算，与X原子的作用不计算。也有人用准卤素原子模拟Y原子。杨伟涛等提出准键(Pseudo-bond)方法，用一个等效边界原子BY代替Y原子并人QM区作计算。BY原子只有一个成键价电子，通过模拟具有类似X一Y键的小分子的计算选择其有效势函数参数，使得计算出的xeeBY键长、键强及对活性区的影响与X一Y键很接近。在作MM计算时，不考虑Y原子，但在计算QM/MM区的相互作用时考虑MM区其余原子与Y原子的作用。2.等效健方法凡vail等用一个严格定域的轨道(填充两个电子，由类似小分子计算得到)代替x一Y健作QM计算。高加力、Friesner等对这一方法进行改进，使计算结果更符合实际。MM计算时QM/MM区边界上的原子与MM区其余原子间的相互作用势参数要作适当调整。QM/MM方法已经得到广泛的应用，尽管还有问题没有满意地解决。显然，QM/MM方法很容易推广为QM/QM/MM方法，即对活性区和对活性区影响大的区域分别采用高精度和低精度的QM计算，对远离活性区的环境作MM计算。QM/MM方法也容易推广为QM/MD方法，QM/MD区边界以及两区的相互作用势问题采用类似的办法处理。
关键词：单元教学设计；关键；核心；重点；分子的立体构型
文章编号：1005－6629(2011)02－0005－03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
传统的教学以课时为教学时间单位，以教材的自然章、节(专题、单元)的栏目为教学内容。这样的教学重视一个个知识点的突破，以知识点的积累构建学科体系和学科观念。由于教学过程中师生过于关注知识点学习目标和任务的完成。容易产生只见树木不见森林的心理效应，忽视相关知识点学习目标和任务的内在联系，不利于学科体系和学科观念的整体构建。单元教学则强调教学目标全面性和教学内容及教学过程系统性设计，以提高课时教学效益，增进学生学科体系和学科观念的整体构建。所谓教学单元就是指一个特定主题下相关教学目标、内容、过程的集合。单元教学指教师在对课程标准、教材等教学指导性资源进行深入地解读和剖析后，根据自己对教学内容的理解以及学生的情况和特点，对教学内容进行分析、整合、重组，形成相对完整的教学主题，并以一个完整的教学主题作为一个教学单元的教学。单元教学强调从单元整体出发设计教学，突出教学目标、内容和过程的整体性、联系性和发展性。因此，单元教学应从单元教学内容着手、从单元教学目标着眼、从单元教学策略着力。“三序融合”是单元教学内容设计的关键，观念建构是单元教学目标设计的核心，学生活动是单元教学策略设计的重点。
1 “三序融合”是单元教学内容设计的关键
课堂教学是一个多元的、开放的、动态的系统，它要求将“知识的逻辑发展顺序、教材的文本呈现顺序、学生的认知心理顺序”有机地融合起来确定教学内容和教学顺序。“三序融合”是单元教学内容设计的关键。
知识的逻辑发展顺序就是学科概念产生、发展、衍变的脉络。20世纪初，路易斯的“八隅律”理论从稀有气体最外层电子构型的稳定性出发。从共用电子对角度解释了一些分子的“化学作用力”。然而。路易斯结构式不能很好地表达分子的立体结构，也不能表达比传统的单键、双键、叁键更复杂的化学键。路易斯结构式中单键、双键、叁键的实质一直到量子化学建立后才得到合理解释。这种基于基态原子轨道重叠的量子化学模型，在说明很多分子或离子的立体结构时却无能为力。为此，为了解释分子或离子的立体构型，泡林(L.Pauling)以量子力学为基础提出了杂化轨道理论。1940年希吉维克(Sidgwiek)和坡维尔(Powell)在总结实验事实的基础上提出了一种简单的理论模型。用以预测简单分子或离子的立体结构。后来发展为价层电子对互斥模型。随着大量分子或离子的立体结构实验事实的积累，人们进一步发现分子或离子的组成、价电子总数与其立体结构和化学键特征的内在联系，提出了“等电子体原理”。这种基于类比思维的方法丰富了对未知分子或离子立体结构的认知。配位键则是经典价键理论的衍变，为解释配合物结构的多样性和复杂性，杂化轨道理论又得到进一步发展。
材的文本呈现顺序就是教学内容以不同栏目、顺序的叙述和表达方式。“分子的立体结构”是人教版《物质结构与性质》第二章“分子结构与性质”第二节教学内容，承接第一节“共价键”之后，后续第三节是“分子的性质”。教材上本节首先引导学生重温一些常见分子的结构和立体模型，并用“资料卡片”栏目丰富拓展学生对多原子分子立体结构的认识，感受“分子世界是如此形形”。在“科学视野”栏目提出“分子的立体构型是怎样测定的”，随后通过具体实例重点介绍了“价层电子对互斥理论”预测分子立体构型的基本概念、一般步骤。在“杂化轨道理论简介’’中，由经典价键理论说明甲烷的化学键与甲烷实际立体构型的矛盾，激发认知冲突，介绍杂化轨道理论的要点以及常见杂化轨道的类型与分子立体构型的关系。在“配合物理论简介”中，主要通过实验让学生感受配合物的存在和形成，通过具体实例认识配位键、配离子、配合物概念。而“等电子体原理”，则安排在第一节“共价键”之中。总体而言，这些物态化的教学内容之间缺乏内在的心理联系线索。照本宣科，难以与学生的认知心理相协同。
学生的认知心理顺序就是基于学生生活经验、学习经历以及与之思维水平和认知风格相适应的学习路径。在《化学1》和《有机化学》的学习中，学生已初步认识了一些常见分子的立体构型。在第一节“共价键”学习中，在从原子轨道重叠的角度分析氯化氢分子的形成时，学生能联想到水分子、氨分子的形成过程，产生与其立体构型不符的认知冲突，进而产生从基态碳原子的电子排布无法说明一个碳原子为什么能结合四个氢原子，更不能说明甲烷的正四面体立体构型的困惑。这些冲突和困惑正是杂化轨道理论引入的契机。在对比甲烷分子、氨分子、水分子的中心原子杂化方式与它们键角差异时，学生已接纳“相同的电子对斥力相同”、“不同的电子对斥力不同”、“孤电子对比成键电子对斥力大”等观念，这些都是“价层电子对互斥理论”的精髓。
学生探究欲的激发和知识的内在逻辑生长，是确定单元教学内容和顺序的根本依据。“认识共价分子结构的多样性和复杂性，能根据有关理论判断简单分子或离子的构型，能说明简单配合物的成键情况”是《高中化学课程标准》所要求的。结合课程标准和“三序融合”的教学内容设计思想，确定本单元教学内容和顺序为“杂化轨道理论简介”、“价层电子对理论”、“等电子体原理”、“配合物理论简介”。
2 观念建构是单元教学目标设计的核心
教学目标是指通过教师设计的有组织、有计划的教学活动，对学生身心发展变化的期望，是学习者通过教学后应该表现出来的可见行为的具体明确的表述。传统的教学目标设计关注课时目标的设计，往往过于重视知识和技能这些有形的、显性的目标范畴，不利于学生方法性、观念性这些高层次目标的实现。建构主义学习理论认为，学习是学生主动地将原有经验和新信息进行对比、分析、批判、选择和重建知识结构的过程，是观念(概念)的发展或改变，而不是新信息的简单积累。教学是为了促进学生从旧观念向新观念转变，教师的任务则是选择能有效促使学生发生观念转变的教学策略。所谓观念就是人们对事物概括性的、根本性的认识，它建立在知识、技能和方法层面，又是在这些层面上的凝炼和升华，对学生身心发展变化起着决定性和持久性的影响。因此，单元教学目标设计应重视教学目标的整体性、全面性，观念建构是单元教学目标设计的核心。
“分子的立体结构”教学单元要帮助学生建构哪些观念呢?
首先，理论的提出源于事实，并随着人们对事实的不断认识而发展、完善。在实际教学中，发现有些学生总是纠结于怎么知道碳原子采用了什么样的杂化方式?其实。杂化轨道理论的提出是基于对分子或离子立体构型的解释，人们并不能由此理论预知中心原子的杂化方式进而推演分子或离子的实际立体构型。分子或离子的立体构型是物质本身的固有性质，它只能通过实验的方法测知。从路易斯的“八隅律”理论到基态
原子轨道重叠的量子化学模型。再到以量子力学为基础的杂化轨道理论以及配位键理论。反映了人们对分子的“化学作用力”由现象到本质、由简单到复杂、由片面到全面不断深化的认识过程。
其次，理论模型是基于经验事实的概括，它不能反映事实的全部。“价层电子对互斥模型”作为一种简单的理论模型，用以预测简单分子或离子的立体结构，仅是在有限范围内具有正确性。实际教学中，有学生不自觉地将此模型迁移到多中心分子或离子甚至配合物中，反映了教学中学生对要领的内涵和外延理解不准确。“等电子体原理”的本质是一种类比思维，类比是推理的一种重要方式，是人们认识新事物或做出新发现的重要思维形式。但类比的结果是否正确，还需要经过实践检验。初学时，学生利用“等电子体原理”以二氧化碳的立体构型为原型判断二氧化硅的立体构型导致错误的结论，反映了理论被“泛化”的倾向。在教学的整个过程中，教师必须引导学生正确地面对“理论的有用性和理论的局限性”双重属性，这是一个具有化学学科特性和科学教育共性的普遍意义的问题。
3 学生活动是单元教学策略设计的重点
所谓教学策略，就是为了实现教学目标，完成教学任务所采用的方法、步骤、媒体和组织形式等教学措施构成的综合性方案。它是实施教学活动的基本依据，是教学设计的中心环节。学生是学习的主体，教学目的是把课程内容转化为学习主体的主体意识和主体能力，教学的整个过程就是为了学生主体性的发展和增强。因此，要把促进学生主动学习、自主学习作为教学策略设计的重点。这就要求把调动学生的内驱力放在首位，重在诱发学生的学习动机，激发浓厚的学习兴趣，形成积极的学习态度和良好的学习习惯；教师要关注教学过程的问题化，从学生的经验、生活出发，创设一定的问题情境，引导学生发现、分析、解决问题，为学生的自主发展提供时间和空间：要关注教学过程的活动化，通过组织多形式、多层次的课堂讨论、交流、辨论、竞赛、操作、演示等丰富多样的亲历活动来充实教学过程。
例如，在“杂化轨道理论简介”中可以H2O、NH3、CH4为例，从基态原子的原子轨道重叠角度形成的键角与分子的实际键角差异，产生认知冲突，设计以下问题：
(1)按基态原子原子轨道重叠的方式和角度，H2O、NH3分子的键角应为多少?为什么与H2O、NH3分子的实际键角有差异?
(2)按基态原子轨道的电子排布。1个碳原子能结合多少个氢原子?为什么1个碳原子能结合4个氢原子形成CH4分子?为什么CH4分子是正四体空间构型?
学生在强烈的动机和兴趣驱动下，较好地理解杂化轨道理论提出的缘由、要点和类型。
在“价层电子互斥理论”教学过程中进行诱导启发：为什么中心原子同为sp3杂化的CH4、NH3、H2O分子中的键角却不相同?
通过讨论、分析、比较，使学生感悟：分子中的键角或分子的几何构型主要取决于中心原子的价电子层中各电子对问的相互排斥作用。这些电子对在中心原子周围按尽可能互相远离的位置排布，以使彼此间的排斥能最小。还可以通过“气球游戏”，让学生在实践活动中得到启迪：当物体所占空间因素相同时，它们彼此趋向均匀分布；较大物体会“挤占”较小物体的空间。从生活中的实例类比，体会价层电子对互斥模型的合理内涵。
在“等电子体原理”的教学中。启发学生思考：我们已知CH4、NH3、H2O、BF3、BeCl2分子的空间构型分别为正四体形、三角锥形、折线形、正三角形、直线形，与这些分子空间构型相同的分子还哪些?为什么这些分子的空间构型相同?学生在寻找这些分子的过程中，水到渠成地归纳概括出：相同价电子总数且相同原子数的两个或两个以上的分子或离子，具有相同的结构特征(立体结构、化学键类型)。
从教学内容上讲，单元教学设计不再拘泥于教材固有章节顺序，改变以课本为中心，依据对课程标准的分析和学生的需要以及学科内在逻辑，统筹重组和整合优化教学内容体系；从教学目标上讲，单元教学设计在关注知识、技能目标的同时，更重视思想、观念这些高层次目标的达成；从教学策略上讲，单元教学设计更强调促进学生主动学习、自主学习的活动。如果说，课时教学设计侧重在微观层面完成具体的教学任务，那么。单元教学设计则在宏观层面完成一个主题的教学任务，因而更突出教学设计的整体性、联系性和发展性。
参考文献：
[1]王磊，黄燕宁，单元教学设计的实践与反思――以“氧化还原反应”教学单元为例[J].中学化学教学参考，2009(3)：9.
[2]何彩霞，化学学科观建构是单元教学的核心――“物质的分类”单元教学的思考[J].化学教育，2009(2)：7.
目前，在化学界对理论与实验关系的讨论由来已久，有些强调理论，有些强调实验。这些观点都具有片面性，不利于教学和科研，也不利于学科的全面发展。本文试图从化学发展史及其发展趋势的角度探讨一下化学理论与实验的关系及对化学教育的作用。
一、化学理论与化学实验的辩证关系
(一)从化学发展史看化学理论与实验1.近代化学。从人类利用火起是人类应用化学的萌芽。随着人类社会生活的发展，出现一些冶金技术和医药化学，也有一些代表性著作，但在古代、中古时代的化学以生产经验的积累、整理为主，未能成为科学，只是在17世纪后期到19世纪末，化学在大量实验的基础上建立起初步的理论，从而发展为实验科学。这段时间为近代化学发展史，化学以实验为主。近代化学奠基人波义耳、拉瓦锡、道尔顿等从不同的角度和方面阐述了化学理论与实验的关系。在他们的一生工作中与实验密不可分。波义耳认为:人之所能效力于世界，莫过于勤在试验上作功夫，他在大量化学实验的基础上提出了元素的定义，为研究物质的组成指出了明确的方向，从而使化学发展到一个新的阶段。化学由此被确立为科学(恩格斯语)。从波义耳、拉瓦锡、道尔顿等近代化学奠基人的工作中可以看出，在化学发展的近代史阶段，化学理论是对大量化学实验工作的总结和概括，其理论对新的实验给予了指导。其发展模式应是实验一理论一实验……，二者相互联系，交替式促进发展。在近代化学史阶段，化学以实验为主，是一门实验科学。2.现代化学。进入20世纪以来，随着工业生产的突飞猛进，化学理论与实验水平有了显著提高，随着化学动力学、化学热力学、化学统计热力学、量子化学等理论的建立、发展和完善，化学发展为一个新的更高阶段，即现代化学。在现代化学发展阶段，实验技术、手段等不断提高、更新。许多高新尖技术如无线电电子技术、真空技术、高能技术、高温技术、高压技术、激光技术、低温超导技术、计算机技术等被应用于化学实验中，人类对化学各个方面的认识得到了加强，固有的理论被完善和加强，新的理论被建立。现代化学的发展，距今已近百年。1916年相对论建立，1926年量子力学建立，改变了人类的时空观。现代化学基本理论逐步形成和建立。60年以后，借助计算机科学技术的进步，不仅量子化学、结构化学得到迅速发展和广泛应用，而且化学科学正在走向分子设计新方向。分子反应动力学以及态一态化学的发展，正在分子水平的微观程度上对化学科学的核心问题一化学反应的本质作深入的揭示。化学研究的范围已扩展到宇宙空间，人类社会、微观世界的各个领域，几乎无处没有化学，形成了众多的交叉边缘学科。从现代化学的发展史看，化学理论与化学实验的关系更为复杂，更为密切。人类从更精密、更准确的化学实验中建立起新的化学理论，而理论又反过来指导新的实验。实验与理论相结合，实验在检验理论的同时，又促使人们提出更新的理论。这一理论是对前一理论的补充、完善或者部分否定。现代化学发展阶段，理论与实验已不再如近代化学发展阶段交替式促进，其发展模式以如下方式进行:（图略）化学理论与实验的关系已是密不可分，二者是共同促进的过程。
(二)从21世纪化学的发展趋势看化学理论与实验21世纪将是化学科学全面发展的世纪。化学理论、实验和应用都将获得巨大成果。化学科学的发展，不仅将在更深层次揭示化学反应，物质结构与性能的关系，.72而且将在揭示和解决许多自然的、社会的、精神的实际问题如生命科学中的化学问题、环境中的化学问题、人类认识和思维的物质基础及其化学过程中发挥巨大作用和作出贡献。化学学科的发展，将在继续分化的同时，更重要的趋势是走向综合。一方面化学的四大学科无机、有机、分析、物化的内部在分化、综合、交叉、渗透发展中将模糊界限;另一方面化学将与物理学、生命科学、材料科学、环境科学、信息科学以及自然科学其它学科乃至人文和社会科学等众多学科相互交叉、渗透、融合和相互促进，形成更大的更多的综合趋势。化学科学的发明与创造被应用的周期将迅速缩短，化学与化工、材料、能源、环境、农业、军工等产业密切结合。化学理论的独立性将增强，实验技术会迅速提高。人们在大量实验的基础上建立起新的化学理论的同时，将利用更多更新的高精尖实验技术乃至人们自身的思维实验加以验证。实验与理论的关系将更加密不可分。
二、化学理论与实验的关系对教学的启示
(一)更新教育思想明确培养目标现代化学教育是一个向多样化、综合化、个性化、终身教育等立体发展的过程，应摈弃专业划分过窄、知识面分割过细的观念，摈弃单纯传授具体知识的观念，摈弃单一的教师讲学生听的教学方法，强调综合性和整体性的素质教育，强调分析、解决问题能力和创新精神的培养，强调发挥学生的积极性和主动性，强调双向式教学，使学生具有自我开拓和获得知识的能力。
沪教版化学九（上）“纯净物中元素之间的质量关系”是在学生学习了用元素概念定性地表示物质组成的基础上，进一步从定量的角度来学习和研究物质的组成。本节课的难点是让学生建立和理解元素在物质（化合物）中的质量分数的概念，引领学生从微观粒子的数量与质量的角度，推算出组成宏观物质中各元素质量关系，也是帮助学生理解化学学科中“宏观-微观-符号”这三重表征的极好素材。
“纯净物中元素之间的质量关系”一节内容较为抽象与深奥，且远离学生的生活经验和感性知识，这给教学带来了一定的困难。为较好地突破教学中的这一难点，帮助学生用定量的观点去学习化学，教师在教学中可通过观察、想象、模型化等方法，化虚无抽象为形象直观，逐步引领学生从定性到定量，初步理解物质的组成。同时通过类比推理，学生的抽象思维能力和定量计算能力也能有所提高。
二、教学片断
环节一：问题情景。
【投影】尿素是农业上常用的一种氮肥。小强看到某化肥标签如下：
试帮助小强回答下列问题：
（1）尿素含氮量的含义。
（2）尿素中的含氮量是如何计算出来的？
学生活动：思考、讨论。
环节二：定比定律介绍。
【阅读】法国化学家普鲁斯特发现定比定律的化学史。
【讲解】每一种化合物都有固定的组成，且组成化合物的各成分元素的质量比是一定的，这一规律称为定比定律，又称定组成定律。
学生活动：阅读、思考。
环节三：水中氢、氧元素质量比。
【活动】指导学生用下面的模型搭出水分子结构，再拼出1个水分子中氢、氧原子质量比的示意图。
【讲解】水中氢、氧原子个数比n（H）：n（O）=2：1，1个水分子中所有的氢原子和氧原子的质量之比，即是水中氢元素和氧元素的质量之比。
1个水分子中氢原子和氧原子的质量比=
【讲解】原子的质量都很小，计算时使用相对原子质量。
【总结】化合物中各元素质量比=该元素原子的相对原子质量×原子个数之比。
【巩固】计算下列物质中原子个数比、各元素的质量比：（1）氨气（NH3）；（2）尿素〔CO（NH2）2〕。环节四：水中氢元素的质量分数。
【活动】用模型拼出氢元素质量在水中占的质量比例（质量分数）。
【讲解】一个水分子中所有的氢原子的质量与这个水分子的质量之比，即是水中氢元素的质量分数。
1个水分子中氢原子所占的质量分数=
【讲解】分子和原子的质量都很小，计算时使用相对分子质量和相对原子质量。
环节五：拓展应用。
【情景再现】尿素是农业上常用的一种氮肥。小强同学看到某化肥广告如下：
请你运用本节课所学知识判断这袋尿素样品是纯净物还是混合物？
學生活动：
通过计算，纯尿素的含氮量为46.7%。而样品中氮元素的质量分数为43.5%，低于纯尿素中氮元素质量分数，故为混合物。
【课堂小结】结合所学内容，从知识、方法、规范、学科观念谈一谈这节课的收获。
三、教学反思
从宏观到微观，从定性到定量，是化学教学中的一大难点。本节课将宏观计算演变成微观模型的演示，从而化抽象为直观，进一步提高学生对物质的微粒观、元素观的认识。
1.合理设置教学台阶。本节教学内容是初中化学计算的开始，设计时以学生熟悉的化学肥料（尿素）为素材，以问题链作为主线，同时以组成相对简单的水为例，用球棍模型让学生体验水分子与氢原子和氧原子的关系。通过模型，学生总结出水分子中氢、氧原子质量比和氢原子在水分子中占的质量比例，然后通过类比、归纳等方法得出氢、氧元素质量比和水中氢元素的质量分数。教学以生活经验为基础，拾级而上，降低学习的难度。
【关键词】 Chem3D；有机化学；教学
Chem3D是英国剑桥软件公司（CambridgeSoft Corporation）所编写的Chemoffice 化学办公软件的一个组成部分，其界面友好，便于操作，可以显示分子的立体结构、键长、键角、分子轨道形状等，同时还具有简单的量子化学计算功能，可以对有机分子进行能量、电荷分布、红外和拉曼光谱、核磁性质、反应动力学等的计算与模拟。作为一款专业的化学图形软件，Chem3D可以为化学教育工作者［1］，特别是有机化学教师在教学工作中带来很多便利。下面简单介绍笔者在有机化学［2-3］教学过程中利用Chem3D软件的实践和体会。
1 在构象教学中的应用
环己烷的构象是有机化学教学中的一个难点，在传统的教学过程中总是占用大量的时间，但是教学效果也并不理想。利用Chem3D可以简单形象的把环己烷的两种经典的构象椅式和船式［图1(a)， (b)］展现出来，为教学提供很多便利。
在授课时，可以事先在制作的PPT中插入超级链接，然后就可以方便地把已经制作好的图形文件打开。如图1(e)所示，点击鼠标左键，可以使模型任意地旋转，让学生从不同的角度观察分子模型，从而可以清楚地辨认出e键和a键的位置以及它们的特点。还可以用鼠标选定任意的两个氢原子，软件则自动测出两者之间的距离，从而很方便地说明椅式构象没有空间张力，而船式构象存在较大的空间张力。并且通过软件的Model Display选项，可以控制图形显示或不显示氢原子，便于学生分辨出船式和椅式构象。
一般学生通过教材中的图1(c)、1(d)很难想象的出它们就是图1(a)、(b)所表示的分子构象，但是通过Chem3D的图像旋转功能可以很清楚地把图1(e)旋转为1(g)，图1(f)旋转为1(h)。通过观察图1(g)和1(h)中的分子构象特征，很容易发现前者的氢处于对位交叉式，而后者的氢处于重叠式。这也说明了椅式构象的扭转张力小，能量低，船式构象的扭转张力大，能量高。这样的授课方式对于一些空间想象能力不够好的学生起到一个很好的辅助理解作用。
在讲取代环己烷的构象分析时，同样可以利用Chem3D来建立模型，观察分子的立体结构以及空间张力。另外，还可以利用Chem3D自带的量子化学计算程序，快速地计算出取代基分别位于e键和a键时分子的能量，比较分子能量的大小就可以很容易地判断出当取代基位于e键时的构象是优势构象。这样通过3D模型和理论计算两种方法证明了教材中给出的结论。
2 在立体化学教学中的应用
立体化学是有机化学的重要组成部分，在有机化学中占有非常重要的地位。立体化学也是有机化学教学中的重点和难点，它需要学生有很强的空间想象能力。由于学生缺乏对分子结构的直观认识，难于在头脑中产生分子结构的立体几何形象，所以有相当一部分学生感到立体化学的学习较难，并产生畏惧情绪，从而影响了对整个有机化学的学习［4］。立体化学教学中有两个难点：Fisher投影式和构型的标记（R/S构型标记法）。由立体结构投影到Fisher投影式，学生一般都可以理解，但是由Fisher投影式转换为立体结构式就显得比较困难。利用Chem3D可以很好地解决这一难题，并使教学过程简单、形象化。
如图2(a)、(b)所示D， L乳酸的立体结构。在教学的过程中首先打开制作好的模型文件，然后用鼠标拖动D乳酸或L乳酸，使其任意的旋转，并使两者尽量重合，但是不管怎样转动或平移两者均无法重合，从而生动形象地演示了手性现象，加深学生对手性概念的理解。旋转分子的立体模型，使其碳链位于竖直方向，即COOH基团位于碳链的上方，CH3位于下方，并使其向投影屏的后方伸展，如图2(a)、(b)所示，这样从学生的视线方向来看，其投影式即为图2(c)、(d)，也就是该分子的Fisher投影式。通过这样一种教学方式，使学生直观地掌握了Fisher投影式的概念，投影方法及还原方法。同样在后续章节中讲授比较复杂的Fisher投影式时，如酒石酸分子、葡萄糖分子，也可以用该方法，使其投影式的立体结构清晰地展现在学生面前。在讲授另外一难点R/S构型判断时，可以首先建立3D模型，然后旋转，使H原子远离学生的视线，再让学生判断其他原子或基团大小，从而较为容易的判断分子是R还是S构型。这样利用Chem3D中分子模型可以任意旋转来帮助初学者，使其学习变得相对容易，并增加其学习兴趣。
另外在讲授无手性碳原子的手性分子时，也可以把Chem3D引入教学。如图3(a)所示，学生一般难以通过教材中的两个结构式想象出这两个分子是实物与镜像的关系且不能相互重合。但是通过Chem3D，构建出两个分子的3D模型［图3(b)］，并任意地旋转、平移，学生就可以很直观地判断出它们之间是不可能重合的，从而可以在更深层次上理解“手性”及手性分子的含义。
3 在反应机理教学中的应用
有机化学的反应机理一般较为复杂，步骤多，涉及到电子效应、立体效应等诸多因素，初学者往往难以准确的理解和掌握。如在乙烯与Br2的亲电加成反应机理中，反应首先生成溴钅翁离子［图4(a)所示］，然后Br-离子再从反面进攻C原子，最终生成反式的加成产物。针对这种机理，很多学生容易产生疑问： Br-离子为什么从反面而不从正面进攻？实际上，这种机理是由空间位阻所决定的，但是从教材中的结构式很难看到空间位阻的影响，所以就给教师的讲解造成了较大的困难。如果利用Chem3D 的Display Model 功能中Space Filling选项，将结构式［图4(b)］转换为比例模型［图4(c)］就可以清楚地给学生展示空间位阻的概念，上面的问题也就迎刃而解。
从图4(c)中可以直观的看出，由于Br原子的体积较大，几乎占据了C原子上方所有的空间，所以Br－离子不可能从同一侧来接近C原子，只可能沿空间位阻较小的反方向进攻，所以最终形成反式的加成产物。
4 总结
Chem3D 在有机化学教学中的应用远不止本文所讲，例如还可以利用该软件显示共轭体系中的离域大兀键；在讲述波谱分析时利用其计算功能可以显示红外光谱、一维核磁共振谱以及对应的谱图解析；在讲反应机制时，可以通过Calculation菜单计算反应历程，然后可以将整个反应过程动态地显示出来。在以往的教学过程中，教师是利用实物模型（如球棍模型）进行授课。但是现在随着高校地扩招，学生人数地增多，大多高校采用大班授课，如果还用模型教学，一是制作携带不方便，二是坐在后排的学生很难观察清楚，势必严重影响教学效果。所以教师适当地学习一些计算机知识和专业软件操作技巧，并成功应用在教学中，则可以达到事半功倍的效果，从而促进有机化学的教学。同时，还可以使学生较早接触到专业的科研工具，培养其科研兴趣。
参考文献
［1］ 顾云兰. CS Chem3D 和Gaussian 98 在结构化学教学中的应用［J］. 临沂师范学院学报，2005，27 (6)：102 104.
［2］ 吕以仙，陆阳. 有机化学［M］. 第7版. 北京:人民卫生出版社， 2008: 1881.
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