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[综合交流] 求助,高中生能理解的计算化学应用实例

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发表于 2019-8-1 11:01:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 asasas 于 2019-8-4 23:08 编辑

楼主是一名高中化学老师,在开设计算化学校本选修课,课程中会主要介绍和使用Gaussian和gview软件,执行一些基本的任务类型。高中开设理论难度很大的课程最大的目的是让孩子们能感受前沿科技,热爱化学学科,所以光讲理论和做简单的计算化学实验不太能满足教学目标。想问一下在座各位大神,有没有比较经典的,计算化学参与的推动科研进程的例子,如果中间有中国科学家的贡献就最棒了,这样对培养孩子的情感价值观特别有益,另外考虑到高中孩子的认知水平,可能比较有意思的课题,或者比较有冲击力的图片和视频资源,他们会接受更快!我想加在课程内容中,丰富课程内容。先谢谢各位了~我目前找到的一个比较合适的案例是多硝基立方烷的性质探测,早在制备出多硝基立方烷之前,科学家就已经用计算化学软件计算出了相关化合物的性质,且和实验数据吻合度很好,我觉得可以搜集一下相关材料开发课程。
由于楼主刚入门,小白一只,若有说法不当,还请各位批评指教,有意见、建议、资源的请向我砸来~谢谢各位!------------------------------------------------------分割线-------------------------------------------------------------------------------------
感谢各位的讨论,看到大家在下面大段图文留言真的超级感动,热血沸腾,感谢大家为高中教育做的贡献,我会认真拜读大家提供的资料的。非常想一一回复,但是楼主的账号等级太低了,一小时之内只能回复两条,只能在帖子里再次先统一谢过,过了时间限制之后我会一一回复。-----------------------------------------------------分割线-----------------------------------------------------------------------
这里我想说一下有关于我的课程架构,我们学校每周会有一下午是上选修课的时间,计算化学选修课被安排了每周连续的两个课时,连课间,一节课可以上90分钟,一学期除去法定假日,大约可以上14到16节课,课时是比较充裕的。关于课程内容的安排我目前规划大概有4块,一部分是科学史,我想主要定性解决波函数的问题同时也是情感与价值观的培养,一部分是计算化学软件和资源的使用,感谢sob老师提醒我讲multiwfn(个人超级崇拜卢天师兄,会努力学习之后强烈推荐给学生的),我其实已经把论坛推荐给学生们啦,只是他们现在已经高二升高三,可能没有太多的时间可以上来逛~还有很重要的一部分就是用简单的计算化学实验去解释课本中他们已经熟知的一些知识点,用另外一个角度去理解化学,类似于透过偶极矩去看分子极性,环己烷椅式构象和船式构象谁更稳定之类(看了大家的帖子,还可以有更多的内容被丰富,感谢),最后一部分就是我最初帖子求助的部分,想有推动生产生活发展的计算化学实例+学科展望。
因为楼主只是在繁重的教学工作下,自学了一年计算化学,并非专业出身,课程之中会有很多问题,比如我的语言叙述可能并不科学,比如我本身可能对知识理解有误,还请大家不吝赐教~感恩!

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zsu007 + 5 谢谢楼主的好想法和实践!

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发表于 2019-8-1 13:05:44 来自手机 | 显示全部楼层
我觉得挺好的。计算化学的例子应该很多。从个人感情上,我更倾向于挑选那些计算推翻实验的那些例子

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发表于 2019-8-1 13:31:18 | 显示全部楼层
HENRY F. SCHAEFER III   Methylene: A Paradigm for Computational Quantum Chemistry. SCIENCE 231, 1100-1107 (1986).

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发表于 2019-8-1 18:21:50 | 显示全部楼层
本帖最后由 Graphite 于 2019-8-2 16:10 编辑

楼主好,看到这个问题,我深有感触。
我猜测这门课(这件事)可能是面向本身对化学有兴趣的学生、竞赛生、理科上有一些心得的学生。
对于这些雏凤,化学上最大的迷茫在哪里?我想,应该是高中化学抽象、简化、封闭的知识,同前沿技术、科学思维模式之间的割裂。许多中学时理科很有潜力的学生,因为这种抽象和封闭,容易以为科学不过如此——因为按照高中课程上的东西,已经可以解释,或者附会很多生活中的现象。
例如受限于知识水平,可能会认为人脑同肌肉一样,思考就是锻炼肌肉,不思考就会“硬化”。这么一说,好像对于16、7岁的青少年来说很好接受——高中生物不是讲过肌肉的运动嘛!这是一个真实的故事。

那么,怎么样引导他们?以我拙见,在于三点:好玩,有深度,成就感。
您也提到了“有意思的课题”、“有冲击力的图片和视频”。这是一个审美的概念,就要注意,我们认为的有意思的课题、美的东西,在青少年眼中可能还很遥远。例如八硝基立方烷,在化学工作者眼中,非常有意思。为什么?因为它的结构同传统化学直觉是相悖的,矛盾产生了美,而对于结构理解更深刻的化学工作者来说,“异常”的结构带来的震撼更加深刻。但是高中生未必体会到这种矛盾,因为即便对于大多数成绩好,能理解键角、稳定性的学生,很可能他们眼中这也只是一块不同寻常的乐高积木。所以我们认为的有趣、美、高大上、惊人,未必要强求,反而在别的地方寻找乐趣。(当然,能深刻感受到这种矛盾的美的学生,请务必让他深造)
常言道:好之者不如乐之者。中学生爱玩电子游戏,而真正好的电子游戏不仅画面华丽可探索的、可供人把玩琢磨的东西也非常多,并且每一步都给予成就感的反馈。又有人说,真正的自由是创造的自由,别的都只是支配的、庸俗的自由。
无疑,计算化学既是自由的,也具有一步步探索的乐趣,还不乏深度(既是知识上的,也是思维上的),这也是许多人热爱它的原因。

您不妨考虑:结合反转课堂的形式,先从一个小问题入手,一步步地让他们“闯关”、讨论,让他们自己摸索出答案,最后再告诉他们,他们完成的是某个重要科研进展的一部分。
当然,受限于技术条件和高中生的知识水平,具体操作和“关卡设置”还需要您代劳。青少年的思维非常跳跃,可以用提案、选择、表决等等方式让他们参与其中。其中穿插各种补充知识、鲜明的图片和视频等等。即使表决后的答案是错误的,也没关系,例如设计时出了大偏差,也可以借此补补基础知识;模拟不了,结构破裂了,那也可以借此讲一讲稳定性。

至于项目的选择,我倒是不太推荐八硝基立方烷。因为八硝基立方烷是个有深度但没有广度的东西,而且像八个硝基同立方烷之间发生了什么、怎么互相影响的,现在也没有直观简便的解答,对于高中生有点深过头了。
倒是计算机辅助药物设计方面有很多例子,虽然基本没有纯靠计算化学开发的先导化合物,但是QSAR方面的数据非常多,并且落实到传统化学上方便解释,容易形成量化->QSAR->生物效应的逻辑链。
TIM图片20190801180226.jpg (尤启冬,《药物化学》第七版,人卫出版社,第340页)
例如此图第(5)点,就可以设计成一个取舍、选择的问题。还提到了“向其母核共轭π......电子密度提高.....抗菌活性增强”,这里氨基是个给电子基,体积小,高中生能够直观理解,而电子密度的提高也容易用量化计算和波函数分析操作、展示出来。至于有些不方便转化的、事后诸葛亮解释成因的东西,大可以不用讲。每节课做成单元剧的形式,比如这节课就是“喹诺酮5位取代基的设计”,下节课换“托品类水解稳定性的讨论”,云云。
实际上这些话,原本也都是尽可能用低年级本科生能理解的方式写的,这样您的工作某种意义上就可以归类成重新编排逻辑+选取高中生能理解的点+计算化学展示。


谨借此抛砖引玉


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长衫我亦何为者,也在游人笑语中.

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发表于 2019-8-1 19:11:55 | 显示全部楼层
楼主哪个中学?好强 好羡慕。。我上高中啥都没有,老师都够呛讲清楚

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发表于 2019-8-1 20:10:38 | 显示全部楼层
武汉大学的《分子模拟实验》和山东大学的《分子模拟理论与实验》上都有些实验的例子,lz可以参考下

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发表于 2019-8-1 21:26:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 beefly 于 2019-8-1 22:28 编辑

先预测出来后合成出来有不少吧。

1,四氟化汞,汞具有罕见的+4氧化态,最早是用Huckel方法预测出来的(C.K. Jørgensen, Inorganic Complexes, Academic Press, London, 1963),之后几十年随着计算方法和计算条件的不断进步,又有大量的HF、CCSD(T)、DFT等理论级别的计算,但直到2007年才被实验合成出来(Angew. Chem. Int. Ed. 46, 8371, 2007),第一作者是同济大学的王雪峰老师。

2,氩唯一已知的化合物HArF,1999年被理论预言(发表是2000年J. Am. Chem. Soc. 122, 6289,2000),不到半年就被实验合成出来了(Nature. 406, 874, 2000)。理论文章作者来自新加坡,看名字似乎是华裔(也不排除来自南朝鲜)。这篇理论文章本来是预测HHeF的,HArF只是顺带提了一下,没想到就给做实验的人带来灵感。题外话:其实HHeF的理论计算并不专业,存在低级错误,后来被很多计算结果打脸,可是2017年在Nature Chemistry发表高压下“氦化合物Na2He”(从波函分析角度看其实并未成键,https://www.ch.imperial.ac.uk/rzepa/blog/?p=19383)文章的几个中国课题组竟然还在引那些错误结果...大家都不读文献吗?

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发表于 2019-8-1 22:20:24 | 显示全部楼层
这里面有大量漂亮图片,容易令学生产生兴趣,化学意义也比较鲜明,计算起来还又简单又快,很建议引入,或者给感兴趣的学生当课外阅读材料。我相信对结构化学感兴趣的孩子会很喜欢这部分
幻灯片:Multiwfn与波函数分析简介
http://sobereva.com/239

这里有的动画也可以引入,容易激起学生的兴趣
通过键级曲线和ELF/LOL/RDG等值面动画研究化学反应过程
http://sobereva.com/200
制作动画分析电子结构特征
http://sobereva.com/86

波函数分析是量子化学研究不可分割的重要部分,特别是能从抽象的波函数中提取能清晰解释和理解化学问题的信息,建议将这部分,以及在波函数分析方面非常强大的Multiwfn程序纳入课程。已经有一些专门的文章对此作了探讨,比如《Multiwfn在分子轨道理论教学中的应用》(广东化工, 40, 69 (2013))、《Gaussian和Multiwfn软件在结构化学教学中的应用》(首都师范大学学报(自然科学版), 33, 23 (2012))。另外Multiwfn也相当于是纯中国开发的,将这个引入,同时也简要提及一下其他国内的计算化学程序,也可以令学生认识到计算化学相关程序开发也有很多国人在努力,不是只有外国的程序能用。

顺带一提,在课上用Multiwfn看轨道的话,比用gview省事得多、快得多,还完全免费


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发表于 2019-8-1 22:59:17 | 显示全部楼层
高中生懂啥波函数呀。。。
看看这个吧 https://mtzweb.stanford.edu/urey-miller-video

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发表于 2019-8-1 23:31:48 | 显示全部楼层
即便是高中生,若是做量化计算如果连波函数是什么都一点不懂,那根本都不能正确理解自己到底在算什么。高中生虽然天生不懂波函数,但可以把他们教懂(起码是那些未来的量化苗子们,以及参加化学竞赛的对高中范畴知识学有余力的学生)。高中生完全可以不懂薛定谔方程怎么求解、不理解波函数的数学形式,但至少需要得知道有波函数这个东西,有什么基本物理意义,这样学生们对高中教材里就提到的电子云之类的概念才能正确理解到底是怎么一回事,明白单/双/三键、孤对电子、共价键/离子键之类的说法到底是化学家随便创造出来的纯虚构、经验的概念还是从理论上确实能还原出来、能解释得通的。让高中生明白在高中课本里强行给他们灌输的一些化学概念其实从理论计算角度都能从更本质层面得到解答,激起他们探究更深层问题、揭示本质的兴趣,或许比起看纳米反应器的模拟视频更有意义(更何况这种体系Gaussian根本跑不了,和现实当中的常见实验手段也没有密切联系)。

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发表于 2019-8-2 02:39:57 | 显示全部楼层
另外,在做诸如多硝基立方烷的性质探测等等特殊体系之前,建议先尽量把高中书本上已经提到的很多知识通过计算模拟的角度从更本质层面上给学生进行解读。比如书上说酸与醇反应脱水形成酯,高中书本上就说这么一个现象,解释是旧键断裂形成新键,但到底这具体怎么发生的?细节是什么?如果能让学生通过理论计算,能把这个反应过程亲自算出来,找到过渡态、跑出来IRC,再把反应过程中的键级或ELF变化描绘出来,那无疑对他们理解反应的本质、发生的电子结构的真实变化是非常有益的。

再比如,高中的化学选修教材里已经涉及了原子轨道的概念,到底书本上那些东西对不对、轨道图形都是怎么来的,肯定有学生好奇。亲自让学生算个原子体系,绘制出轨道图形、查看能量,马上就能让他们领悟真相。

还有高中书里提及了各种各样的分子结构,还标注的键长键角等等,那些数据怎么通过计算得到?书里给出的是否可靠?通过让他们做计算,就可以使之很好地明白这一点,认识到计算化学又方便又可以算得很准确。

我觉得给高中生讲计算化学的东西,不需要非得追求里面的东西得多么前沿、多么吸引眼球、非得能宣扬计算化学带给人类的深远影响之类。内容若能跟他们现有学过的知识紧密联系起来,把一些高中书里写得不具体、含糊不清、不确切的东西通过计算阐明,更有助于让他们认识到计算化学的价值和实用性、与自己并不遥远,并激发他们未来通过计算化学解决各种实际困惑的欲望。


至于“所以光讲理论和做简单的计算化学实验不太能满足教学目标”这点,我建议不宜好高骛远。毕竟这是高中,不是本科也不是研究生课程,学生基础知识浅薄,课余精力很有限,讲明白基本的程序操作、简单任务的实现方式、基本的概念我估计就已经差不多能把可支配时间占满,而且可能在此过程中会碰到各种事先未预料的困难,比如学生看不懂程序界面的英文、学生连计算机操作都玩不转(现在的小孩普遍是手机玩儿的溜,对计算机的知识却往往非常匮乏)。最糟糕的情况就是原先“不简单”的目标不仅没实现,最后连最基本、最关键的东西也没让学生弄明白,导致学生稀里糊涂,甚至还反倒对计算化学恐惧了(想当年在某知名985学校,有本科的计算化学课,多半学生上完了啥也没学会,很多学生对计算化学仍然抱有又玄又难的印象,实验报告基本都是靠抄才完成的)。给高中生开计算化学课绝不会是件容易的事,肯定也不会如一开始想象的那么顺利。

PS:http://bbs.keinsci.com/thread-5108-1-1.html是个不错的例子,有新意,实现相对容易。可以让学有余力的学生把基本东西都搞会了之后,再去尝试重复文中计算。这些计算都能顺利做完的学生,可以考虑指导他们做相对简单的研究,投国内核心期刊了。

PS2:推荐在课程中推广一下本论坛,让他们了解哪里是国内计算化学工作者最主要的专业交流平台。

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发表于 2019-8-2 07:43:44 | 显示全部楼层
这个帖子Mark一下,感谢楼主提出这个问题的讨论。

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发表于 2019-8-2 10:18:54 | 显示全部楼层
这个帖子好 ,收藏了
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发表于 2019-8-3 22:50:51 | 显示全部楼层
pyscf 发表于 2019-8-1 22:59
高中生懂啥波函数呀。。。
看看这个吧 https://mtzweb.stanford.edu/urey-miller-video

浙江高考化学其中的选修部分有物质结构,要讲到轨道

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发表于 2019-8-3 23:30:07 | 显示全部楼层
hxd_yi 发表于 2019-8-3 22:50
浙江高考化学其中的选修部分有物质结构,要讲到轨道

用人教版化学的应该都是能选这个的,不过一般选的人也不多
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