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篇1

論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無疑將從更高的理論起點來認(rèn)識微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門學(xué)科，經(jīng)過化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實驗結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學(xué)方法進(jìn)行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計算機(jī)時少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計算方法以及計算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設(shè)計路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了計算。由理論計算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識和計算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計算一直是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學(xué)的方法對這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程新.[學(xué)位論文].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學(xué)報,1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學(xué)學(xué)報,1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學(xué)院學(xué)報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學(xué)學(xué)報,1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

篇2

【關(guān)鍵詞】中學(xué) 化學(xué)教學(xué) 量子空間論

【中圖分類號】G633.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0154-01

（小敘）：課篇第一章節(jié)細(xì)讀、研讀、探透性知識點。

1.尋找研究方法 2.課題的研究內(nèi)容

3.課題研究的一些成果 4.鞏固建筑語錄

【序言】

化學(xué)是在分子、原子層次上研究物質(zhì)性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的科學(xué)?；瘜W(xué)不斷地發(fā)展著，目前，人們發(fā)現(xiàn)和合成的物質(zhì)已有幾千萬種，其中很多是自然界中原本不存在的；這極大地改善了人類的生存和發(fā)展條件，豐富了人們的生活。

例如：

1.納米銅（1nm=10?9m ）具有超塑延展性，在室溫下可拉長50多倍而不出現(xiàn)裂紋。

2.用隔水透氣的高分子薄膜做的鳥籠。

3.單晶硅為信息技術(shù)和新能源開發(fā)提供了基礎(chǔ)材料。

4.用玻璃鋼制成的船體。

總之，作為實用的、富于創(chuàng)造性的中心學(xué)科，化學(xué)在能源、材料、醫(yī)藥、信息、環(huán)境和生命科學(xué)等研究領(lǐng)域以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著其他學(xué)科所不能替代的重要潛質(zhì)作用。近年來，“綠色化學(xué)”的提出，使更多的化學(xué)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品向著環(huán)境友好的方向發(fā)展，化學(xué)必將使世界變得更加絢麗光彩。

【尋找研究方法】

第一單元 走進(jìn)化學(xué)世界；

1.物質(zhì)的變化和性質(zhì)

2.化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)

3.走進(jìn)化學(xué)實驗室

第二、三單元 我們周圍的空氣與自然界的水；空氣、氧氣（氧氣的制?。⑺慕M成、分子和原子、水的凈化?！皭圩o(hù)水資源”。

第四、五單元 物質(zhì)構(gòu)成的奧妙、簡單統(tǒng)計應(yīng)用；原子的構(gòu)成、元素、離子、化學(xué)式與化合價 ：

如何正確書寫化學(xué)方程式”？利用化學(xué)方程式的簡單計算？

第六、七單元 C與C的氧化物燃料及其利用；

分析：金剛石、石墨和C60 （1.CO2 的制取？ 2.CO2 與CO的區(qū)別、聯(lián)系？）

應(yīng)用：燃燒和滅火？燃料和熱量？

環(huán)保問題：“燃料對環(huán)境的影響”

自留田地：“石油和煤的綜合利用？”

第八、九單元 金屬與溶液的問題；

熟記、認(rèn)識：金屬、金屬材料、金屬的化學(xué)性質(zhì)；

金屬資源的利用和保護(hù)、溶液的形成；

溶解度、溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

第十、十一、十二單元 酸與堿 、鹽與化肥 、“化學(xué)與生活”。

生活中常見的：1.酸與堿

2.酸與堿之間會發(fā)生什么反應(yīng)

3.鹽

4.化學(xué)肥料

人體：1.人類重要的營養(yǎng)物質(zhì)

2.化學(xué)元素與人體健康

3.有機(jī)合成材料

學(xué)生自認(rèn)化學(xué)常用儀器。學(xué)習(xí)“附錄”相關(guān)記錄 。

【課題的研究內(nèi)容】

無機(jī)化學(xué)中量子（分子、原子）力學(xué)論

量子化學(xué)（Quantum chemistry）是理論化學(xué)的一個分支學(xué)科，是應(yīng)用量子力學(xué)的基礎(chǔ)原理和方法研究化學(xué)問題的一門基礎(chǔ)科學(xué)。研究范圍包括穩(wěn)定和不穩(wěn)定分子的結(jié)構(gòu)、性能及其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應(yīng)等問題。

量子化學(xué)是理論化學(xué)的一個分支學(xué)科，是應(yīng)用量子力學(xué)的基本原理和方法，研究化學(xué)問題的一門基礎(chǔ)科學(xué)。

1927年海特勒和倫敦用量子力學(xué)基礎(chǔ)原理討論氫分子結(jié)構(gòu)問題，說明了兩個氫原子能夠結(jié)合成一個穩(wěn)定的氫分子的原因，并且利用相當(dāng)近似的計算方法，算出其結(jié)合能。由此，使人們認(rèn)識到可以用量子力學(xué)原理討論分子結(jié)構(gòu)問題，從而逐漸形成了量子化學(xué)這一分支學(xué)科。

【課題研究的一些成果】

生物大分子體系的量子化學(xué)計算一直是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學(xué)的方法對這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用，甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)，設(shè)計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧妙，進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

【鞏固建筑語錄】

化學(xué)中常見“離子反應(yīng)”包括：“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”和“離子反應(yīng)及其發(fā)生的條件”兩部分。

無機(jī)化學(xué)中最關(guān)鍵的是要有實觀性：基礎(chǔ)高層次的“化學(xué)方程式”們。

其次，稀土元素中的各種化學(xué)量變、質(zhì)變及各種物理、化學(xué)性反應(yīng)。

再次，金屬的利用、及高等積存用途。

還有，就是氣體的大力層存在行式。如同：水、陸、空，人類的生活方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]初中九年級化學(xué)上、下冊課本，人民出版社出版，2011年版。

篇3

關(guān)鍵詞： Gaussian09 有機(jī)化學(xué)教學(xué) 應(yīng)用

Gaussian是一個功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包。其可執(zhí)行程序可在不同型號的大型計算機(jī)，超級計算機(jī)，工作站和個人計算機(jī)上運行，并相應(yīng)有不同的版本。Gaussian09是目前最新的版本，高斯功能的研究對象有：分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、鍵和反應(yīng)能量、分子軌道多重矩、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑。計算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行，可以預(yù)測周期體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強(qiáng)大的工具，用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，勢能曲面和激發(fā)能，等等，在有機(jī)化合物的研究中廣泛使用。

有機(jī)化學(xué)是醫(yī)學(xué)課程中的重要基礎(chǔ)課程，為后續(xù)生物化學(xué)、生理學(xué)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，雖然學(xué)生在高中都有一定的有機(jī)化學(xué)知識，但是由于有機(jī)化學(xué)知識量大、信息抽象等特點，造成很多學(xué)生不能有效地掌握教學(xué)重點和難點。本文主要結(jié)合有機(jī)化學(xué)的課程特點，在教學(xué)中引入Gaussian09程序包及與之配套使用的GaussianView軟件，可以增強(qiáng)教學(xué)的生動活潑性，使學(xué)生能夠更好地從本質(zhì)上掌握有機(jī)化學(xué)知識。

一、分子的幾何構(gòu)型與穩(wěn)定性

在有機(jī)化合物的學(xué)習(xí)中，我們發(fā)現(xiàn)分子的幾何構(gòu)型可以有多種取向，但是在自然狀態(tài)下分子一般以最穩(wěn)定的幾何構(gòu)型大量存在，此時該構(gòu)型能量也最低。我們認(rèn)為在自然情況下分子主要以能量最低的形式存在。只有能量最低的構(gòu)型才能具有代表性，其性質(zhì)才能代表所研究體系的性質(zhì)。我們使用GaussianView軟件構(gòu)建要研究的分子的基本模型，在建模過程中，我們無法保證所建立的模型有最低的能量，所以所有研究工作的起點都是構(gòu)型優(yōu)化，要將所建立的模型優(yōu)化到一個能量的極小點上。只有找到合理的能夠代表所研究體系的構(gòu)型，才能保證其后所得到的研究結(jié)果有意義。通過Gaussian09程序優(yōu)化結(jié)構(gòu)得到的分子構(gòu)型達(dá)到了收斂標(biāo)準(zhǔn)，就會得到一個穩(wěn)定的幾何構(gòu)型。我們可以利用GaussianView軟件讀取這個優(yōu)化后穩(wěn)定構(gòu)型的各自幾何參數(shù)信息，如鍵長、鍵角、二面角等。學(xué)生可以通過自己構(gòu)建簡單的有機(jī)分子模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，讀取幾何構(gòu)型信息，更加形象地掌握有機(jī)分子的幾何構(gòu)型和穩(wěn)定性。劉曉東等［1］曾采用Gaussian程序?qū)樂炊蚁┑姆€(wěn)定性進(jìn)行了探究，在教學(xué)過程中，形象地向?qū)W生展示了順反二氟乙烯的穩(wěn)定性不僅受空間位阻、靜電斥力大小影響，還與電子的離域效應(yīng)有關(guān)。

二、反應(yīng)機(jī)理的研究

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究的是反應(yīng)物通過化學(xué)反應(yīng)變成產(chǎn)物所經(jīng)歷的全過程，而反應(yīng)進(jìn)行的途徑主要由分子本身的反應(yīng)性能和進(jìn)攻試劑的性能，以及反應(yīng)條件等內(nèi)外因決定。對數(shù)目龐大的各種表面上互不相關(guān)的有機(jī)反應(yīng)，通過反應(yīng)機(jī)理的研究，揭示出它們的實質(zhì)關(guān)系，并用少數(shù)幾條原則將這些反應(yīng)互相關(guān)聯(lián)起來，從而能深入系統(tǒng)地掌握反應(yīng)內(nèi)在的規(guī)律性。更重要的是可以根據(jù)反應(yīng)機(jī)理選擇最適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件以提高所需產(chǎn)物的得率。目前，研究反應(yīng)機(jī)理的可能性和方法主要是量子化學(xué)方法，而Gaussian程序是其中應(yīng)用最為廣泛的軟件。

馮曉琴等［2］采用了Gaussian程序?qū)Ψ紵N硝化機(jī)理進(jìn)行了模擬，從量子化學(xué)的角度確立了親電取代和單電子轉(zhuǎn)移的兩種反應(yīng)機(jī)理，并通過GaussView界面，使學(xué)生對復(fù)雜的芳烴硝化機(jī)理的認(rèn)識更加清晰，為進(jìn)一步對芳烴硝化反應(yīng)的研究建立了更系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。親電加成反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)教學(xué)的難點和重點內(nèi)容，比如烯烴和鹵素的加成反應(yīng)機(jī)制就可以用Gaussian程序來研究，溴與乙烯的加成反應(yīng)，該反應(yīng)途徑時設(shè)計成順式產(chǎn)物和反式產(chǎn)物兩個通道，計算結(jié)果表明順式反應(yīng)產(chǎn)物的能量比反式產(chǎn)物高得多，從理論上明確地反映了該反應(yīng)的產(chǎn)物是以反式產(chǎn)物為主，和實驗結(jié)果一致。

三、苯環(huán)的定位效應(yīng)

苯環(huán)上已有取代基，在進(jìn)行親電取代反應(yīng)時，苯環(huán)上原有取代基會影響親電取代反應(yīng)活性和第二個基團(tuán)進(jìn)入苯環(huán)的位置。我們用Gaussian程序來研究苯環(huán)的定位效應(yīng)，外來基團(tuán)易于進(jìn)攻電子密度較高的位置。計算發(fā)現(xiàn)，未有取代基的苯上6個碳原子的Mulliken charge電荷分布在-0.128―-0.129之間，對C1上的H分別被-CH，-NO，-OH，-NH和-Cl取代的物質(zhì)做了電子密度計算分析，其Mulliken charge數(shù)值見表1。從表1可以看出，C1上的H被-CH取代后的甲苯，C2的電子密度增加最大，為-0.182，這個位置都是鄰位，因此外來基團(tuán)更容易進(jìn)攻這個位置，發(fā)生親電取代反應(yīng)，這與甲苯發(fā)生親電取代反應(yīng)的主要產(chǎn)物為鄰位的實驗事實相一致，也從反應(yīng)的實質(zhì)原因上給學(xué)生展示了親電反應(yīng)的原理，更為生動和客觀。從表1的數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行類似的分析，解釋與實驗事實一致，-NO，-OH，-NH取代后，電子密度都增加了，使得苯環(huán)活化，親電反應(yīng)更容易發(fā)生，根據(jù)各碳位置電子密度的增加幅度不同，可以發(fā)現(xiàn)，-NO為間位定位基，-OH和-NH為鄰對為定位基；以及-Cl取代后電子密度較取代前降低，導(dǎo)致苯環(huán)鈍化。

四、波譜分析

有機(jī)化合物的機(jī)構(gòu)鑒定是有機(jī)化學(xué)基本知識的重要組成部分。20世紀(jì)50年展起來的波譜法，為有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定帶來了很大方便。最常用的波譜包括紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜和質(zhì)譜（通常稱為“四譜”）。Gaussian程序也可以計算出物質(zhì)的波譜信息可以計算各種光譜和光譜特性。包括：IR和Raman；預(yù)共振Raman；紫外―可見；NMR；振動圓形二色性（VCD）；電子圓形二色性（ECD）；旋光色散（ORD）；諧性振―轉(zhuǎn)耦合；非諧性振動及振―轉(zhuǎn)耦合；g張量，以及其他的超精細(xì)光譜張量。已有的物質(zhì)的實驗質(zhì)譜信息與理論計算值對比后如果能夠很好地吻合，那么就可以運用該計算方法對類似的新化合物進(jìn)行設(shè)計和性質(zhì)研究。在一定程度上比實驗研究要節(jié)約大量的人力、物力和時間。

實踐表明，Gaussian程序是一種功能強(qiáng)大的量子化學(xué)計算軟件，使Gaussian09在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中得到合理的應(yīng)用，必將使學(xué)生對有機(jī)化學(xué)的許多基本知識產(chǎn)生更加清晰的認(rèn)識，并能起到易學(xué)易懂的作用，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

篇4

在重點院校中，學(xué)生素質(zhì)相對較高，數(shù)學(xué)、物理學(xué)習(xí)能力普遍較強(qiáng)，對結(jié)構(gòu)化學(xué)的作用與地位認(rèn)識也相對較好，可能較少存在結(jié)構(gòu)化學(xué)“無用”的觀念;而在地方高校的化學(xué)專業(yè)學(xué)生中，有相當(dāng)一部分學(xué)生存在認(rèn)識誤區(qū)，特別是有一些不考結(jié)構(gòu)化學(xué)的考研學(xué)生和畢業(yè)后將從事中學(xué)教學(xué)的學(xué)生具有“結(jié)構(gòu)化學(xué)無用”的思想。作為教師，應(yīng)該認(rèn)識到這一問題的嚴(yán)重性。通過這幾年的實踐證明提高學(xué)生認(rèn)識，堅定學(xué)習(xí)信心，對消除學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)“無用”的觀念以及畏難的心理是很必要和有效的。因此，在開課之前必須詳細(xì)介紹該課程在整個化學(xué)中所處的地位和作用，闡明學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要意義。

注重對量子化學(xué)發(fā)展史和研究結(jié)構(gòu)

化學(xué)的科學(xué)方法的介紹任何一門學(xué)科都有其發(fā)生和發(fā)展的過程，學(xué)習(xí)知識時若不從歷史中尋找借鑒，就易把知識當(dāng)成是“終極真理”而死記硬背，不求甚解。因此，在傳授知識的同時，應(yīng)該介紹量子化學(xué)發(fā)展史，學(xué)習(xí)科學(xué)家勇于探索的精神，由師生共同創(chuàng)造一種嶄新的價值理念。例如普朗克(M．Planck)的“離經(jīng)叛道”的假設(shè);德布羅意(deBroglie)波的提出是類比法的成功典范，戴維遜(C．Davisson)-革末(L．H．Germer)的因禍得福;狄拉克(Dirac)、薛定諤(E．Schrdinger)的異曲同工———薛定諤用數(shù)學(xué)形式開辟出量子力學(xué)的新體系;另外，還有一個德國物理學(xué)家海森堡提出一個矩陣力學(xué)體系，薛定諤用的是微積分形式，海森堡用的是代數(shù)形式;湯姆遜(Thomson)父子的珠聯(lián)壁合———父親發(fā)現(xiàn)了電子，兒子又證實了電子是波，父子二人在物理學(xué)方面進(jìn)行接力研究，在科學(xué)史上傳為美談。還有徐光憲的巧妙規(guī)則，唐敖慶的獨辟蹊徑等［2］?？茖W(xué)的先驅(qū)是勇敢的探索者，他們常常在黑暗中摸索前進(jìn)，他們的精神值得我們敬佩。學(xué)生聽到和看到這些史實，無不浮想聯(lián)翩，對優(yōu)化思維結(jié)構(gòu)，激發(fā)科學(xué)壯志都有潛移默化的作用。在傳授理論知識的同時，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會抽象思維和用數(shù)學(xué)工具處理問題，并運用類比、模擬的科學(xué)方法［3］，寓科學(xué)方法于教學(xué)內(nèi)容中。類比方法是提出和建立科學(xué)假說的重要方法。例如德布羅意假設(shè)是在光的波粒二象性思想啟發(fā)下，提出電子等實物微粒也具有波動性，他當(dāng)時推導(dǎo)固然復(fù)雜些，從科學(xué)方法論的角度講，由光的波粒二象性到實物微粒的波粒二象性是一種類比推理。類比是利用兩個或兩類對象之間在某些方面的相似或相同，推出它們在其他方面也可能相似或相同的思維方法，是一種由特殊到特殊、由此及彼的過程。類比可以提供重要線索，啟迪思想，是發(fā)展科學(xué)知識的一種有效的試探方法。還有薛定諤受物質(zhì)波假說的啟發(fā)，引出了電子運動的波函數(shù)方程，他走的也是依賴類比的“近路”。許多化學(xué)問題的解決有賴于類比方法的使用，而類比方法的使用有可能形成簡捷的思維路徑。使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識的同時，得到方法論的啟迪。在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生追蹤量子化學(xué)發(fā)展的足跡，不失時機(jī)地揭示其中的科學(xué)方法，更清楚地了解各種知識理論的相對合理性及有待完善的地方。這樣使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅可以獲得化學(xué)知識，而且能學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神。

通過改進(jìn)課程教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

使用多種教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生的理論思維能力與創(chuàng)新能力，是結(jié)構(gòu)化學(xué)課教學(xué)的重要目的。課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要和基本的學(xué)習(xí)形式。課堂教學(xué)質(zhì)量的高低與課堂教學(xué)方法的運用有很大關(guān)系。以前我們采用的是“一言堂”的教學(xué)方式，這種教學(xué)方法壓抑了學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的積極性和主動性，因此，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活地采用不同的教學(xué)方法是提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課教學(xué)質(zhì)量的重要手段。結(jié)構(gòu)化學(xué)雖是理論性較強(qiáng)的學(xué)科，但與其他學(xué)科一樣，來源于對實驗現(xiàn)象的分析、思考，且要通過實踐來檢驗其結(jié)論正確與否，內(nèi)容博大精深，集科學(xué)性、思想性于一體，并具有前沿性。結(jié)構(gòu)化學(xué)教師必須重視對結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)方法的研究，針對不同教學(xué)內(nèi)容采取不同的教學(xué)方法，更好地提高教學(xué)質(zhì)量。我們采用的教學(xué)方法主要有:啟發(fā)式教學(xué)、互動式教學(xué)、討論式教學(xué)、對話式教學(xué)、模型教學(xué)和專題式教學(xué)，并布置小論文，開展學(xué)生的科技活動。如在課程討論時將學(xué)生分成幾個學(xué)習(xí)小組，針對不同主題進(jìn)行討論，并在課堂上交流。把個體作業(yè)學(xué)習(xí)與大組討論交流結(jié)合起來，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。如布置“超分子結(jié)構(gòu)”為主題的小論文，許多學(xué)生通過期刊和網(wǎng)絡(luò)收集了大量與超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)有關(guān)的信息，從不同角度撰寫了心得體會和小論文，有的學(xué)生還發(fā)表了自己的設(shè)想和見解。課程教學(xué)討論不僅豐富了學(xué)生的知識，而且也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。利用多媒體輔助教學(xué)在有限的教學(xué)時間內(nèi)運用現(xiàn)代化教學(xué)手段，可以加大信息量。我們使用幻燈片和CAI課件，通過圖、文、聲、像等手段，把抽象的理論變成具體的形象，讓學(xué)生在直觀、生動的學(xué)習(xí)中加深對理論的理解。目前，我們研制的結(jié)構(gòu)化學(xué)CAI課件已連續(xù)使用幾屆，受到學(xué)生的好評。例如講授等徑球密堆積時，無論用黑板繪圖或圓球模型展示表現(xiàn)得都不夠清楚，現(xiàn)在用多媒體課件，動態(tài)演示等徑球一層層的排列方式，效果很明顯。必修課與選修課相結(jié)合在上好必修課的同時，開設(shè)量子化學(xué)、波譜學(xué)、化學(xué)中的數(shù)學(xué)方法等選修課，理論與實踐相結(jié)合，以科學(xué)方法啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思想。以科研促教學(xué)從專業(yè)基礎(chǔ)知識的結(jié)構(gòu)上看，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是基礎(chǔ)課和專業(yè)課的樞紐課程，是介于本科生學(xué)習(xí)和畢業(yè)論文之間承上啟下的課程。結(jié)構(gòu)化學(xué)課程理論性強(qiáng)，但實踐性也很重要，有些知識一直影響到學(xué)生的碩士、博士學(xué)位論文［4］。因此，科研進(jìn)教學(xué)、教學(xué)促科研的雙向互動就顯得很重要。結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容基本是20世紀(jì)的科研成果。我們發(fā)揮科研背景優(yōu)勢，在教學(xué)中不斷將當(dāng)前的科研成果融入教學(xué)，以使課堂內(nèi)容具有豐富性、代表性、創(chuàng)造性和啟發(fā)性，能跟上時代前進(jìn)的步伐。在開展第二課堂活動中，通過設(shè)計專題科研實驗，使學(xué)生能有更多機(jī)會加入到自身科研之中，有時間和空間從事自己有興趣的課題研究;通過使用Origin，Chemistry3D等軟件制作分子結(jié)構(gòu)及其軌道圖;利用Gaussian98以及GaussView等專業(yè)軟件開展分子設(shè)計與量子化學(xué)計算模擬實驗，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)與理解自洽場運算原理、原子軌道、分子軌道及其能量電荷分布、熱化學(xué)性質(zhì)、簡諧振動、對稱性等相關(guān)知識。在科研過程中，學(xué)生有了正確的科研方向和學(xué)習(xí)目的，能有針對性地查閱最新資料，及時了解學(xué)科前沿，從而改變了被動學(xué)習(xí)的局面。

篇5

兩個學(xué)科的難易程度因人而異。因為個人的愛好和天賦不同，對不同的學(xué)科理解力就不同，感覺的難易也就不同。

物理：是研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用、最一般的運動規(guī)律及所使用的實驗手段和思維方法的自然科學(xué)。物理學(xué)與很多其它領(lǐng)域有相當(dāng)?shù)慕患?，從而發(fā)展出不少跨領(lǐng)域?qū)W科，如生物物理學(xué)、量子化學(xué)等等。

地理：是研究地球表面的地理環(huán)境中各種自然現(xiàn)象和人文現(xiàn)象，以及它們之間相互關(guān)系的學(xué)科。地理學(xué)是研究地球表面的地理環(huán)境中各種自然現(xiàn)象和人文現(xiàn)象，以及它們之間相互關(guān)系的學(xué)科。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

篇6

關(guān)鍵詞：2-甲基環(huán)戊酮；Gaussian 03；振動頻率；紅外光譜

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1004373X(2008)2007102

Description on the Structure of Molecule and Ion Using Gaussian 03

CUI Jinyu1,2

(1.Suihua University,Suihua,152060,China;2.Institute of Atomic and Moleculer Physics,Jilin University,Changchun,130000,China)

Abstract：The purpose of this article is adopting Gaussian 03 optimization 2-methyl molecules and ions cyclopentanone structure,the next step-finding may change the microscopic process.By quantum chemical methods,through the graphic depiction Gaussian 03 obtained ion stability and structure of the ion vibration spectra.Finally,infrared spectroscopy analysis obtained:hydrogen atom has strongest vibration,ion structure is changed,hydrogen atoms is reorganized.

Keywords：2-methyl cyclopentanone;vibration frequency;infrared spectrum

Gaussian 03是Gaussian系列電子結(jié)構(gòu)程序的最新版本。它在化學(xué)、化工、生物化學(xué)、物理化學(xué)等化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域方面的功能都進(jìn)行了增強(qiáng)。Gaussian 03能夠處理更大的分子(例如，酶)，可以研究有機(jī)體系的反應(yīng)機(jī)制，表面和表面反應(yīng)的團(tuán)簇模型等。Gaussian 03還能預(yù)測自旋-自旋耦合常數(shù)。通過對不同構(gòu)像計算這些常數(shù)，并對預(yù)測的和觀測的光譜做比較，可以識別觀測到的特定構(gòu)像。Gaussian 03擴(kuò)展了化學(xué)體系的研究范圍，它可以用周期性邊界條件的方法(PBC)模擬周期性體系。Gaussian 03可以計算各種光譜和光譜特性。

本文僅列舉了它的幾個功能，介紹用Gaussian 03計算2-甲基環(huán)戊酮分子(C6H10O)及離子(C6H10O+)的基態(tài)能量和結(jié)構(gòu)，及相應(yīng)的振動光譜圖等。

1 Gaussian 03優(yōu)化2-甲基環(huán)戊酮分子及離子的幾何構(gòu)型并計算能量

1.1 描繪2-甲基環(huán)戊酮分子

計算2-甲基環(huán)戊酮分子的幾何構(gòu)型和能量，采用密度泛函理論b3lyp方法，用Gaussian 03程序，基組采用6-31g，各原子坐標(biāo)采用內(nèi)坐標(biāo)形式，輸入路徑如下：

%chk=c6h10o

#p b3lyp/6-31g opt iop(1/6=100) iop(5/13=1)

空

c6h10o

空

0 1

o

c 1 r1

c 2 r2 1 120.

c 3 r2 2 108.1 180.

c 4 r2 3 108.2 0.

c 5 r2 4 108.3 0.

c 6 r3 2 108.1 0.

h 3 r4 2 120.1 30.

h 3 r4 2 120.1 -30.

h 4 r4 3 150.2 80.

h 4 r4 3 150.2 -80.

h 5 r4 4 150.3 70.

h 5 r4 4 150.3 -70.

h 6 r5 5 100.2 90.

h 7 r6 6 100.2 100.

h 7 r6 6 100.2 0.

h 7 r6 6 100.2 -100.

空

r1=1.4

r2=1.45

r3=1.42

r4=1.2

r5=1.35

r6=1.3

保存輸入文件，命名為c6h10o.gjf。打開Gauss View3.07，點擊File菜單，打開gjf文件，察看文件名c6h10o的輸入圖形，如圖1所示。

運行該程序，在其輸出文件中查找頻率freq及其相應(yīng)的能量。結(jié)果freq全部大于零，沒有虛頻，顯示此結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定構(gòu)型，是基態(tài)。其能量為E(RB+HF-LYP)=-309.803 2(H.F)。用Gauss View打開out文件，觀察c6h10o.out的幾何構(gòu)型如圖2所示。由此進(jìn)一步計算此構(gòu)型下的離子構(gòu)型和能量。

1.2 描繪2-甲基環(huán)戊酮離子

采用同樣的方法，只是將文件名換成c6h10o+0.gjf，第6行的電荷數(shù)和多重度各加1，輸入路徑為：

%chk=c6h10o+0

#p b3lyp/6-31g(d,p) opt freq test

空

c6h10o+0

空

1 2

…(離子坐標(biāo))

運行該程序，在輸出文件中查找頻率freq及其相應(yīng)的能量。結(jié)果freq全部大于零，沒有虛頻，顯示此結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定構(gòu)型。其能量E(UB+HF-LYP)=-309.583 1(H.F)，幾何構(gòu)型如圖3所示(與其分子的幾何構(gòu)型相似，但是鍵長不同，能量不同)。

2 用GaussView觀察2-甲基環(huán)戊酮離子的紅外光譜圖

打開Gauss View3.07，點擊File菜單，打開c6h10o+0.out文件，左擊鼠標(biāo)Results，進(jìn)入Vibrations，即出現(xiàn)振動的紅外光譜圖，如圖4所示。

從紅外光譜圖上，可以看到不同頻率下的振動強(qiáng)度，如振動強(qiáng)度最大處，頻率448.98 cm-1，此時可能發(fā)生2C-6C斷裂，氫原子重排，如圖5所示，從而離子的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如圖6所示。

3 用GaussView察看2-甲基環(huán)戊酮離子的電荷分布

打開c6h10o+0.out文件，左擊鼠標(biāo)Results，進(jìn)入Charges，察看各原子上電荷的分布情況。如圖7所示。例如1號氧原子帶負(fù)電，2號碳原子帶正電，二者之間是一種庫倫引力作用，所以鍵長較短，不容易斷開。那么分析2-甲基環(huán)戊酮離子的微觀變化過程，可以排除上述2個原子之間的鍵斷裂，而去分析其他的鍵斷裂的情形。

4 結(jié) 語

通過以上分析可見，用Gaussian軟件可以計算分子的能量和振動頻率，分析其所處的狀態(tài)是穩(wěn)定態(tài)還是過渡態(tài)或者激發(fā)態(tài)。Gauss View可以生成所計算的圖形，從而進(jìn)一步分析和確定分子或離子的微觀變化過程，并能形象的表示出來。

參考文獻(xiàn)

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［3］Wang Zhigang,Pan Shoupu,Yao Mingguang,et al.The Two Hydrogen Transfer Dissoziation Channels of NicotineMolecule in the Gas Phash.

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［10］Michael J Frisch,Gary W Trucks.Gaussian 03 User′s Refrence,2004.

篇7

什么是多尺度模型

20世紀(jì)70年代，瓦謝爾從理論上提出，可以用計算機(jī)模擬、以量子力學(xué)和分子力學(xué)結(jié)合的方式描述化學(xué)過程，后來被稱為“多尺度模型”。這一理論得到了廣泛的應(yīng)用。

其實，多尺度模型就是我們常用的MM/QM模型。我們知道，原子是化學(xué)反應(yīng)的基本微粒，它由原子核和核外電子共同構(gòu)成。我們在做分子模擬時，分子力學(xué)（MM）算起來比較快，但只能處理到原子、基團(tuán)這個層面，而量子力學(xué)（QM）雖然考慮到了電子和原子核，但計算起來相當(dāng)復(fù)雜。

三位科學(xué)家的開創(chuàng)性，在于打開了“勢不兩立”的分子力學(xué)與量子力學(xué)之間的一扇窗，將兩者結(jié)合起來。如今，當(dāng)科學(xué)家在模擬分子反應(yīng)的過程時，他們會在必要時借助計算機(jī)的力量?；瘜W(xué)反應(yīng)系統(tǒng)核心的計算基于量子物理學(xué)，而在遠(yuǎn)離反應(yīng)核心區(qū)域的地方，模型計算則基于經(jīng)典物理學(xué)，在最外的幾層，原子和分子甚至混合在一起，形成同質(zhì)的物體。通過這些理論簡化，我們可以對大型的化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算。

多尺度模型的應(yīng)用與前景

“分而治之”描述化學(xué)反應(yīng)

化學(xué)反應(yīng)是一個微觀過程，許多化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生極為迅速，我們?nèi)庋垭y以快速捕捉到。比如，生命體中的核糖從無規(guī)則的多肽鏈發(fā)展到穩(wěn)定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)所用時間為微秒級。如果掃描這一過程，耗費的時間將是天文數(shù)字。

因此，傳統(tǒng)上用實驗手段描述出反應(yīng)過程的每一個步驟幾乎是不可能實現(xiàn)的。量子力學(xué)的描述小而精，分子力學(xué)的描述寬泛但精度不高。如果都用高精度的方法來描述化學(xué)過程，計算將難以進(jìn)行。所以，多尺度組合的方法便成了研究者最好的選擇，這與中國古代“分而治之”的哲學(xué)思想類似。

掀起科學(xué)研究新篇章

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，三位科學(xué)家基于量子力學(xué)、經(jīng)典力學(xué)以及混合量子—經(jīng)典力學(xué)提出的理論模型對化學(xué)的定量化研究、化學(xué)理論研究以及實驗研究都有非常重要的指導(dǎo)作用。例如，通過計算機(jī)模擬的方法來研究蛋白質(zhì)分子的運動和酶的催化反應(yīng)機(jī)理，發(fā)展分子動力學(xué)模擬方法，研究復(fù)雜化學(xué)體系的運動規(guī)律等。

同時，該模型還被應(yīng)用于計算化學(xué)、生物化學(xué)、生物物理學(xué)以及物理學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)，是典型的跨學(xué)科成果。這一模型的提出與應(yīng)用，對化學(xué)學(xué)科的推進(jìn)、化學(xué)與生物學(xué)科交叉發(fā)展都發(fā)揮了相當(dāng)大的作用，具有里程碑式的意義。

研究前景可觀

對于該領(lǐng)域的研究，我國的起步相對較晚，但自2000年之后，隨著國家科研實力的增強(qiáng)，這一領(lǐng)域研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)步。例如，2012年9月，北京師范大學(xué)化學(xué)系教授方維海帶領(lǐng)的課題組便采用高精度的量子化學(xué)計算對螢火蟲發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步探索，提出了漸進(jìn)可逆電荷轉(zhuǎn)移引發(fā)熒光的新理論，首次在電子態(tài)的水平闡明了螢火蟲生物發(fā)光的化學(xué)起源。

此外，三位科學(xué)家的研究成果，已經(jīng)應(yīng)用于廢氣凈化及植物的光合作用研究中，并將用于優(yōu)化汽車催化劑、藥物和太陽能電池的設(shè)計中。

經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)

經(jīng)典力學(xué)是力學(xué)的一個分支。經(jīng)典力學(xué)是以牛頓運動定律為基礎(chǔ)，在宏觀世界和低速狀態(tài)下，研究物體的運動。經(jīng)典力學(xué)又分為靜力學(xué)（描述靜止物體）、運動學(xué)（描述物體運動）和動力學(xué)（描述物體受力作用下的運動）。

量子力學(xué)是研究微觀粒子的運動規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，它與相對論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，而且在化學(xué)等相關(guān)學(xué)科和許多近代技術(shù)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

（敬瑞玲）

試一試

1. 我們知道，經(jīng)典力學(xué)是以牛頓運動定律為基礎(chǔ)，在宏觀世界和低速狀態(tài)下，研究物體的運動。那么你所了解的牛頓運動定律有哪些呢？

2. 量子力學(xué)主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，根據(jù)所學(xué)的知識回答下列問題。

（1）原子是由什么構(gòu)成的？

（2）氫原子呈什么電性？為什么？

（3）畫出Na原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖。

（4）根據(jù)核外電子排布規(guī)律，畫出Fe原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖。

篇8

關(guān)鍵詞：跨專業(yè)教學(xué)，測量儀表與自動化，教學(xué)改革與實踐

中圖分類號：G642.0？搖 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）18-0080-02

一、引言

隨著科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，各學(xué)科之間不斷地相互交融。社會對于復(fù)合型、多學(xué)科型人才的需求逐漸增加。這要求大學(xué)生不僅能夠掌握本專業(yè)、本學(xué)科的專門知識和技能，而且還需要理解和了解相關(guān)專業(yè)、學(xué)科的基本知識，為就業(yè)或者升學(xué)深造打下必要的基礎(chǔ)[1]。目前，高校中跨專業(yè)跨學(xué)科教學(xué)已是普遍存在的一種教學(xué)現(xiàn)象。由于基礎(chǔ)課程的共性大于專業(yè)特性，所以通常采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式和方法對各專業(yè)學(xué)生進(jìn)行授課；但是對于專業(yè)課，由于其對專業(yè)基礎(chǔ)知識的特殊要求，如果仍然采用統(tǒng)一的教學(xué)模式和方法對各專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行授課，而忽略各專業(yè)學(xué)生的專業(yè)特色，將會收到事倍功半的效果[2]。

《測量儀表與自動化》是一門為非電類專業(yè)設(shè)置的專業(yè)課程，課程的內(nèi)容涉及電類專業(yè)的大部分專業(yè)課程，如《傳感器與檢測基礎(chǔ)》、《自動調(diào)節(jié)裝置》、《自動控制原理》、《過程控制工程》等。《測量儀表與自動化》課程具有內(nèi)容涵蓋面廣，應(yīng)用性、實踐性較強(qiáng)，理論推導(dǎo)較少等特點，為跨專業(yè)跨學(xué)科的教學(xué)帶來了很多難題，因此有必要針對此課程的跨專業(yè)跨學(xué)科教學(xué)特點與方法進(jìn)行分析和探索。

本文從跨專業(yè)跨學(xué)科教學(xué)的特點出發(fā)，繼而對《測量儀表與自動化》的跨專業(yè)教學(xué)特點進(jìn)行分析，結(jié)合中國石油大學(xué)（華東）所設(shè)置專業(yè)的特色，探討了相應(yīng)的教學(xué)方法，為《測量儀表與自動化》的跨專業(yè)跨學(xué)科教學(xué)提供借鑒。

二、跨專業(yè)跨學(xué)科教學(xué)的特點

跨專業(yè)跨學(xué)科教學(xué)的特點主要由其所受到的多種復(fù)雜而又相互耦合的因素影響而產(chǎn)生的，包括專業(yè)的定位和培養(yǎng)目標(biāo)，課程的性質(zhì)、教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容和課時，教師的知識水平，學(xué)校的教學(xué)資源等[3]?？鐚I(yè)跨學(xué)科教學(xué)的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

課程的教學(xué)目標(biāo)與專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)針對學(xué)生所在專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)來制定所授課程的教學(xué)目標(biāo)是跨專業(yè)教學(xué)的首要任務(wù)。跨專業(yè)授課是培養(yǎng)該專業(yè)學(xué)生的重要環(huán)節(jié)，與其本專業(yè)所設(shè)置的其他課程相互配合共同實現(xiàn)培養(yǎng)該專業(yè)人才的目標(biāo)。

教學(xué)內(nèi)容與課時量如何根據(jù)課時量適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容是跨專業(yè)教學(xué)的一個難點?？鐚I(yè)教學(xué)的課程往往遇到課時量相對于教學(xué)內(nèi)容偏少的情況，如果不能對課程內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)、合理、適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，將會嚴(yán)重影響教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

先導(dǎo)課程與所授課程跨專業(yè)所授課程所需前導(dǎo)課程的不足是跨專業(yè)教學(xué)的一個難題。由于教學(xué)資源的限制，將所有先導(dǎo)課程全部安排為跨專業(yè)教學(xué)并不現(xiàn)實，在所授課程內(nèi)將所涉及的基礎(chǔ)知識逐一講解也無法實現(xiàn)，所以需要針對學(xué)生的實際理解和接受情況，及時捕捉問題并適度地展開和補(bǔ)充所涉及的前期基礎(chǔ)知識。

教師的知識水平對學(xué)生的專業(yè)本身以及專業(yè)知識的理解向跨專業(yè)教學(xué)的教師提出了較高的要求。如果教師對學(xué)生的專業(yè)本身有較深理解，則能夠更好地把握專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)與課程教學(xué)目標(biāo)的關(guān)系；如果教師對學(xué)生的專業(yè)知識有所涉及，則可以更好地將所授課程內(nèi)容與學(xué)生所熟悉的專業(yè)知識相融合，有利于處理上述跨專業(yè)教學(xué)的兩個難點。

具有專業(yè)特色的教學(xué)資源針對不同授課專業(yè)配置具有專業(yè)特色的教學(xué)資源（如實驗課）將大大提高跨專業(yè)教學(xué)的教學(xué)效果。從學(xué)生所熟悉且易于接受的本專業(yè)的知識技能出發(fā)，融入所授課程的新知識和新技能，則能夠大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，引導(dǎo)學(xué)生深入思考并體會如何學(xué)以致用。

三、《測量儀表與自動化》跨專業(yè)教學(xué)特點與方法

對于從事石油化工、油氣儲運、熱力生產(chǎn)、環(huán)境工程等方面的技術(shù)人員，除了必須熟悉生產(chǎn)工藝外，還必須掌握測量儀表與自動化方面的知識，這對于管理或開發(fā)現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程是十分必要的。《測量儀表與自動化》是中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院為校內(nèi)其他專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)課，課程的授課對象是儲運、熱工、化工、環(huán)境等專業(yè)的學(xué)生。

（一）課程的教學(xué)目標(biāo)與專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)

針對學(xué)生所在專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)來制定《測量儀表與自動化》課程的教學(xué)目標(biāo)。以油氣儲運工程專業(yè)為例，此專業(yè)的畢業(yè)生應(yīng)具有油氣儲運系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、施工和生產(chǎn)管理的初步能力[4]。在設(shè)計油氣儲運系統(tǒng)時，不僅需要對油氣儲運的工藝過程和設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，也需要對所需的過程檢測儀表、過程控制儀表和過程控制系統(tǒng)提出合理的指標(biāo)要求。依據(jù)以上專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，《測量儀表與自動化》課程所提出的教學(xué)目標(biāo)為[1]：掌握測量儀表的基本工作原理、自動控制系統(tǒng)的組成；了解自動化的基本知識，提出合理的自動控制方案；在生產(chǎn)管理和調(diào)度中，能正確地使用或選用常用儀表；在出現(xiàn)生產(chǎn)事故或技術(shù)問題時，能正確做出選擇和判斷，及時予以排除，使儀表與自動化技術(shù)成為工藝技術(shù)或管理人員的一種工具，以便能夠更好地在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

（二）教學(xué)內(nèi)容與課時量

《測量儀表與自動化》課程的內(nèi)容涉及電類專業(yè)的大部分專業(yè)課程內(nèi)容，如《傳感器與檢測基礎(chǔ)》、《自動調(diào)節(jié)裝置》、《自動控制原理》、《過程控制工程》等。在自動化專業(yè)以上四門課程的理論學(xué)時數(shù)分別為56、48、80和56，實驗學(xué)時數(shù)分別為8、8、10和8，而《測量儀表與自動化》的理論學(xué)時僅有32學(xué)時，實驗學(xué)時6學(xué)時[4]。如此懸殊的課時量差異促使授課教師必須依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和課時量對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合與提煉。對于不同的專業(yè)在教學(xué)內(nèi)容方面有不同的側(cè)重。例如：對于化工專業(yè)，需要側(cè)重對自動控制系統(tǒng)的組成和控制方案的介紹，使學(xué)生較為深入地理解控制系統(tǒng)在保障生產(chǎn)安全方面應(yīng)注意的問題；對于儲運專業(yè)，則需要側(cè)重對測量儀表基本原理、結(jié)構(gòu)和選型方法的講解，使學(xué)生對油氣儲運系統(tǒng)中的常用儀表有相對更熟練的掌握。

（三）前導(dǎo)課程與所授課程

《測量儀表與自動化》課程教學(xué)內(nèi)容廣，涉及到傳感器、檢測、儀表、控制等多方面內(nèi)容。以儀表為例，在講解測量儀表的基本工作原理時，時常會涉及到模擬電路、數(shù)字電路和電路分析方面的基本知識。在自動化專業(yè)《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》均為學(xué)位課程，而儲運、化工等專業(yè)則學(xué)習(xí)集電工基礎(chǔ)、電路基本分析、模擬電子、數(shù)字電子為一身的《電工電子學(xué)》。儲運、化工等專業(yè)的學(xué)生雖然對電類基礎(chǔ)知識有所了解，但是由于課時少內(nèi)容多，尚欠缺運用所學(xué)知識分析處理實際問題的能力，尤其當(dāng)遇到儀表內(nèi)復(fù)雜的電路時，即使學(xué)生明知無需掌握此部分內(nèi)容，但對此課程也會出現(xiàn)抵觸情緒，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)積極性。針對類似情況，授課教師需要依據(jù)教學(xué)目標(biāo)要求，化繁為簡，從學(xué)生所熟悉的基本概念出發(fā)，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行擴(kuò)展和補(bǔ)充，從而使學(xué)生易于且樂于接受，增強(qiáng)教學(xué)效果。

（四）教師的知識水平

教師對學(xué)生的專業(yè)本身以及專業(yè)知識的理解程度在一定程度上影響著授課的效果。如果能夠以學(xué)生所熟悉的工藝過程或設(shè)備為對象，配以對測量儀表、控制儀表和控制系統(tǒng)的講解，將會有效地啟發(fā)學(xué)生的思考，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。以儲運專業(yè)為例，油氣水三相分離器是此專業(yè)學(xué)生所熟悉的一個重要的工藝設(shè)備，針對此分離器可以講解壓力、溫度、流量、液位、界位的測量儀表，對以上參數(shù)進(jìn)行控制的控制儀表以及控制系統(tǒng)、控制方案等，可見《測量儀表與自動化》課程的核心內(nèi)容都可以圍繞著此學(xué)生熟悉的工藝對象展開。同樣，對于化工專業(yè)，精餾塔可以作為一個重要的工藝對象。鑒于此，從事測量儀表與自動化專業(yè)的教師應(yīng)進(jìn)行相關(guān)專業(yè)的調(diào)研或者最好從事相關(guān)的科研工作，從而對相關(guān)專業(yè)的典型工藝過程和設(shè)備有所理解或者掌握，實現(xiàn)教學(xué)與科研的相互促進(jìn)，同時提高教學(xué)和科研水平。

（五）具有專業(yè)特色的教學(xué)資源

《測量儀表與自動化》課程是一門實踐性較強(qiáng)的課程，所安排的實驗學(xué)時為6學(xué)時。如何充分利用此有限的實驗學(xué)時，使學(xué)生能夠切實投入實驗學(xué)習(xí)中，提高實際動手能力和理論聯(lián)系實際的能力？配置具有專業(yè)特色的實驗教學(xué)資源為一有效途徑。實驗教學(xué)資源包括硬件和軟件，硬件資源往往受到資金投入的限制，因此需要通過開發(fā)軟件資源作以補(bǔ)償。充分發(fā)揮教師的主觀能動性，積極探索實驗設(shè)計方法，開發(fā)具有專業(yè)特色的實驗方案和實驗內(nèi)容，針對不同專業(yè)的學(xué)生，使他們既能夠接觸到本專業(yè)典型的工藝模型硬件，從簡單的工藝模型獲取基本的感性認(rèn)識，也能夠通過軟件來模擬更加復(fù)雜和更加接近實際的系統(tǒng)，增強(qiáng)工程意識，提高分析和解決實際問題的能力。

四、結(jié)語

目前，高校中跨專業(yè)教學(xué)已是普遍存在的一種教學(xué)現(xiàn)象。本文從跨專業(yè)教學(xué)的特點出發(fā)，繼而對《測量儀表與自動化》的跨專業(yè)教學(xué)特點進(jìn)行分析，結(jié)合中國石油大學(xué)（華東）所設(shè)置專業(yè)的特色，探討了相應(yīng)的教學(xué)方法，期望為《測量儀表與自動化》的跨專業(yè)跨學(xué)科教學(xué)提供一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜鵑.測量儀表與自動化[M].中國石油大學(xué)出版社，2006.

[2]曾珞亞，李學(xué)聰，馮燕.《化工儀表及自動化》跨專業(yè)跨學(xué)科教學(xué)特點研究[J].高教論壇，2009，（5）：75-77.

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數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)

(1)有關(guān)ncp函數(shù)的一些研究 雍龍泉

(7)兩點邊值問題的chebyshev--galerkin譜方法 張光輝 任敏

(10)修正牛頓法求解絕對值方程 鄧永坤

(14)數(shù)值積分若干方法的比較分析 王少英

(16)多元統(tǒng)計分析方法在實際問題中的應(yīng)用 姜波

(20)任意參數(shù)下的frenet公式的機(jī)器證明 雷超

(23)一元線性回歸分析在保險行業(yè)的應(yīng)用 劉情情

(26)信息熵賦權(quán)的大學(xué)生綜合素質(zhì)評價模型的excel求解 陳華喜 許慶兵 姚保峰

物理學(xué)與電子科學(xué)技術(shù)

(31)從一個佯謬對電磁場動量守恒的理論推證 趙彥杰

(33)外磁場下電偶極子運動規(guī)律研究 任恒峰 王清亮 連潤明 孟峰

化學(xué)與化工

(37)電子相關(guān)和基組效應(yīng)對丙氨酸量子化學(xué)參數(shù)的影響 呂仁慶 邢彬彬

(41)桂花黃酮的提取及體外清除亞硝酸鹽的研究 江慧華 陳培珍 穆寄林 劉俊劭 馬森 劉瑞來

醫(yī)學(xué)科學(xué)與技術(shù)

(45)磁共振動態(tài)增強(qiáng)技術(shù)在小肝癌診斷中的應(yīng)用價值 許萬博 劉小金

(48)散光表視標(biāo)檢查中30°原則解析 劉長輝 張志芹 張吉平

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(52)汽油添加劑適應(yīng)電噴發(fā)動機(jī)使用性能的試驗分析 馬洪新

(55)層次分析法在焦?fàn)t火災(zāi)爆炸事故中的應(yīng)用 劉斌

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(59)哥德巴赫猜想的一個等價命題 葉雉鳩

(63)動態(tài)的哈勃常數(shù)與弦（以太）的一些探討 任海濤

(69)對常數(shù)變易法求微分方程通解的質(zhì)疑 汪維剛

資源環(huán)境與區(qū)域發(fā)展

(71)結(jié)構(gòu)性城市cis模式探討 張平青 王洋

(76)基于swot分析法的齊河縣縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究 侯超

(83)山東省人口素質(zhì)綜合評價及其空間分異研究 董海濤

(89)6項課題獲山東省自然科學(xué)基金項目立項 無

體育科學(xué)

(90)借鑒注意理論提升警察警務(wù)實戰(zhàn)知覺能力 魏毅

(95)沙灘藤球技戰(zhàn)術(shù)特征的分析與研究 孫伊

(99)從意識與行為角度分析＂拓展訓(xùn)練教學(xué)模式＂在高校武術(shù)課的應(yīng)用 劉志勇

(104)中學(xué)生體育鍛煉和心理彈性的關(guān)系研究 歐陽翠云

無

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篇10

劉強(qiáng)，西南財經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。湖北當(dāng)陽市人，宜昌市夷陵中學(xué)畢業(yè)。1981年高考數(shù)學(xué)滿分、宜昌地市理科第一名。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)學(xué)士（1986年），美國康奈爾（Cornell）大學(xué)物理化學(xué)碩士（1993年）、量子化學(xué)博士（1995年。師從諾貝爾獎得主Roald Hoffmann教授）。1995年至1997年在康奈爾大學(xué)從事博士后研究。1997年至1999年，任國際頂尖投資銀行瑞士信貸第一波士頓（Credit Suisse First Boston）紐約總部全球貨幣市場交易部分析員。1999年至2004年，任國際著名對沖基金高橋基金管理公司（Highbridge Capital Management，紐約）可轉(zhuǎn)換債券套利交易部資深分析員。2004年至2008年，任電子科技大學(xué)管理學(xué)院金融系教授、金融工程研究所所長，主持并以優(yōu)異成果完成國家自然科學(xué)基金面上項目《可轉(zhuǎn)換債券定價之若干問題研究》。2008年5月至今，任西南財經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院教授，兼任華西期貨有限責(zé)任公司高級學(xué)術(shù)顧問。

二、研究領(lǐng)域

長期從事于金融衍生產(chǎn)品設(shè)計、定價及軟件化，量化交易策略及高效金融數(shù)值算法研究。任中國期貨業(yè)協(xié)會第一屆、第二屆“全國高校金融期貨與衍生品知識競賽”命題及組卷專家。“人大經(jīng)濟(jì)論壇學(xué)者訪談”嘉賓。上海期貨與衍生品研究院專家?guī)斐蓡T。The European Journal of Finance及《管理科學(xué)學(xué)報》審稿人?，F(xiàn)主持國家自然科學(xué)基金面上項目《復(fù)雜衍生產(chǎn)品的蒙特卡洛定價方法研究》。

三、研究成果

劉強(qiáng)教授在國際上提出美式期權(quán)正則最小二乘蒙特卡洛定價法（canonical least-squares Monte Carlo method）、美式期權(quán)正則隱含二叉樹定價法、已知紅利股票期權(quán)節(jié)點重合二叉樹定價法（對Hull經(jīng)典教材《期權(quán)、期貨及其他衍生品》內(nèi)容的一個修正）、非線性損益靜態(tài)復(fù)制的三種最優(yōu)近似方法及可轉(zhuǎn)換債券或有贖回權(quán)的條件概率近似定價法等。

在國際頂級金融衍生產(chǎn)品學(xué)術(shù)期刊Journal of Futures Markets上獨立三篇，其國際金融論文已經(jīng)被引用30次（谷歌學(xué)者）。社會科學(xué)研究網(wǎng)絡(luò)（SSRN）上存放其13篇工作論文，其中多篇論文曾名列“下載前十”目錄。在二十七萬多SSRN作者中其當(dāng)前總下載排名為7287位。攻讀博士及博士后研究期間，發(fā)表七篇化學(xué)頂級學(xué)術(shù)期刊論文，已經(jīng)被引用619次（谷歌學(xué)者）。

四、主要論著

[1] Pricing American options by canonical least-

squares Monte Carlo[M].Journal of Futures Markets，2010.

[2] Optimal approximations of nonlinear payoffs in static replication[J].Journal of Futures Markets，2010（30）.

[3] Liu Qiang and Shuxin Guo：Canonical distribution， implied binomial tree，and the pricing of American options[J].Journal of Futures Markets，2013（33）.

[4] Liu Qiang and Shuxin Guo：Variance-constrained canonical least-squares Monte Carlo：An accurate method for pricing American options[J].North American Journal of Economics and Finance，2014（28）.

[5] Yuan，Xinyi，Wei Fan and Qiang Liu：China’s securities markets：Challenges，innovations，and the latest developments，in Asia-Pacific Financial Markets：Integra-

tion，Innovation and Challenges（Kim，S.-J. and M. McKenzie eds）[M].International Finance Review （Elsevier book series），2008.

[6] 布萊克―斯科爾斯期權(quán)定價模型，《衍生金融工具》（王晉忠主編）第十二章，中國人民大學(xué)出版，2014年。