基于模拟计算的高中物理课题研究实践_张孟.pdf

第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 2023217基于模拟计算的高中物理课题研究实践*张孟1，卫伊倩2，陈章程2，王梓昕2，李燕3（1.华东理工大学物理学院，上海200237；2.华东师范大学第一附属中学，上海200086；3.华东师范大学物理与电子科学学院物理系，上海200241）摘要：高水平基础学科创新人才的培育是教育发展到现阶段的一个重要课题，大力推进中学与大学合作育人，是一个培养中学生学术道德和学术素养的有效途径。本工作根据中学生的创新特质，由高校教师遴选高中物理和化学教材中相关知识点，以现代计算机模拟软件为工具，指导高中学生对 H 原子，H2、NaCl 和 H2O 分子的物理和化学性质进行计算和研究，和实验数据对比，并利用所学课本知识进行分析研究，取得了有价值的研究结果。此项研究可帮助学生更好地理解课本知识以外的一些物理、化学、材料、计算机交叉领域科学问题的基本原理和微观机制，并有助于培养中学生的创新能力，为进入大学阶段的学习打下扎实基础，同时为基础教育与高等教育在高水平创新人才协同培育方面提供参考。关键词：高中物理；课题研究；模拟计算中图分类号：G630 文献标识码：A 文章编号：1003-7551(2023)01-0217-040引言我国的基础教育已经全面跨入基于核心素养培养的新阶段，过去高中物理实践课题主要是验证性实验课题，探究性实验较少，跨学科交叉的实践课题更少。2022 年 4 月教育部发布的 义务教育物理课程标准（2022版）首次增加要求设立跨学科主题学习活动、加强学科间互相关联、带动课程综合化实施、强化实践性等内容。另一方面，教育部基础教育司 2022 年工作要点 发布，提出深化信息技术应用改革，实施基础教育数字化战略行动，提升数字化技术在基础学科人才培养方面的应用能力。据此，如何在高中阶段把数字化教育技术同物理跨学科课题训练有效结合起来形成创新育人合力成了广大物理教师课程教学改革的一个重要内容1-2。高水平基础学科创新人才的早期培育是教育发展到现阶段的一个重要课题，大力推进中学与大学合作育人，是一个培养中学生学术道德和学术素养的有效途径。本工作由高校教师遴选高中物理和化学教材中相关章节知识点，并融入计算机和算法等交叉学科内容，设计和拓展成科学研究课题，指导高中生建立物理模型，采用基于密度泛函理论开发的 Materials Studio（MS）模拟软件进行计算机模拟计算，整理分析计算数据，得到更加深入的物理化学图像和结果3。帮助学生更好地理解课本知识以外的一些物理、化学、材料、计算机交叉领域科学问题的基本原理和微观机制，大力提升高中生的科研创新综合能力，并为面向未来数字教育时代打造以大学和中学合作机制以激活高中物理教育教学提供参考。收稿日期：2022-12-17*基金项目：2022 年教育部基金“中央教改专项-教育实践”（JGV00223001）；2022 年教育部“高等学校教学研究项目”（DWJZW202225hd）；2022 年教育部“高等教育科学研究规划课题”（22LK0304、22LK0403）；2023 年华东理工大学教学改革项目（重点）；2022 年度教育部产学合作协同育人项目（220900532195158）通讯作者：第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 20232181实验方法本工作结合 普通高中教科书物理 普通高中课程标准实验教科书物理（选修 3-5）和 普通高中教科书化学 教材中物理和化学相关章节知识点4-6，采用 MS 量化计算软件包中的 DMol3 模块对 H原子，H2、NaCl 和 H2O 分子的结构、稳定性、电子性质进行了系统的计算和研究。2实验结果和讨论图 1 给出了 H 原子，H2、NaCl 和 H2O 分子优化后的几何结构图，表 1 则具体列出了体系总能量、键长和键级数据。其中计算得到的 H 原子总能量为-13.56eV，与高中物理教材4里第 64 页氢原子结构中的理论值-13.60eV 符合很好，加深学生的印象。H2和 NaCl 分子属于双原子二聚体，优化后的键长分别是 0.75 和2.37，计算结果与文献报道的实验值 0.74 和 2.36 非常接近7。水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，我们构造了包括线性和平面共 9 种可能的 H2O 体系初始构型，经过优化后最终得到如图 1 所示的 3 种稳定结构。其中能量最低的结构呈现高对称性，两个氢原子和一个氧原子形成 V 字形结构。氢氧键的键长为 0.97，与实验值 0.96 相一致，两个氢氧键之间的夹角键角为 103.58，与常温常压下的实验值 104.52接近8。可见，采用 MS 可以顺利完成高中生所用化学教材6第二册第 111 页探索分子空间结构的课外项目学习活动。表 1体系总能量、键长和键级体系总能量（eV）键长（）Mulliken 键级计算值实验值H 原子-13.56H2分子-31.680.750.740.83H2O 分子-2082.450.970.960.67NaCl 分子-16980.782.372.360.37图 1H 原子、H2、NaCl 和 H2O 分子的几何结构 图 2H2、NaCl 和 H2O 分子的电子差分密度（a）和静电势（b）化学教材中化学键章节介绍了化合物的成键方式6，通过 MS 计算结果的 Mulliken 布局对 H2、NaCl 和H2O 分子的成键机制分析发现，H2分子中两个 H 原子通过共价键方式成键。NaCl 分子中 Na 原子转移一个电子到 Cl 原子上，通过电荷转移后形成离子键。H2O 分子中每个 H 原子向 O 原子上转移了 0.25 个电子，氧原子共得到 0.5 个电子，这些转移的电子形成了电荷之间的库仑相互作用。同时 H 和 O 原子之间还有明显的共用电子，也存在共价键相互作用。表 1 同时给出了衡量化学键相对强弱的 Mulliken 键级参数，键级越大，键越稳定。计算结果发现以完全共价键方式相连接的 H2分子键级最大，为 0.83，离子键和共价键混合的 H2O 分子键级为 0.67，而纯离子键方式存在的 NaCl 分子键级最小，数值为 0.37，计算结果和理论上共价键大于离子键的化学键强弱顺序结论相一致，验证了化学教材6第一册中 135 页的化学键知识点，从而让学生对化学键有了更生动和直观认知。图 2（a）给出了 H2、NaCl 和 H2O 三种分子的电子差分密度图，紫色和绿色分别代表第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 2023219电子聚集和耗散。可以明显看出 H2中电子分别从两个 H 原子转移到 H 原子之间区域，形成明显的共价键。H2O 分子中，电子从两个 H 原子向中间的氧原子方向转移。而 NaCl 分子中，Na 原子失去电子，Cl 原子得到电子。电子差分密度结果验证了上文中成键的讨论，也对化学教材给出了形象的图像分析。图 2（b）绘出了H2、NaCl 和 H2O 分子的静电势空间分布图像，色条中红色代表正电势区域，蓝色代表负电势区域。可以看出得到电子的区域电势偏负，失去电子的区域电子偏正，计算结果和分析方法用到了物理教材518 页第九章静电场理论知识，这些探索研究有效地把物理和化学知识点融合起来，帮助学生更加全面地掌握相关学科交叉知识，提高理科综合基础。图 3H 原子、H2、NaCl 和 H2O 分子的电子轨道图 3 给出了单个 H 原子的电子轨道图，H 原子的 1 个电子占据了能量最低 1s 球形轨道（图 3（a）右下侧箭头表示电子占据），1s 轨道上方是同样球形的 2s 轨道以及 3 个能量简并的哑铃形 px、py 和 pz 轨道，MS 计算结果和高中化学教材第一册6第 119 页原子结构章节的电子轨道图像一致。图 3（b）是 H2分子的分子轨道图，两个电子形成了头对头的 1 成键轨道，形成稳定的 2 电子满壳层结构。它的上方是 1*反键轨道，然后是 2 成键和 2*反键轨道以及两个肩并肩方式连接的 1 成键轨道，通过这些亲手计算探索，学生更加深了教材第一册6中第 135 页化学键知识理解和应用。三原子组成的 H2O 分子的轨道相对复杂一些，图 3（c）给出了 H2O 分子的最低未占据轨道（LUMO）和四个最高占据轨道（HOMO）图，从中可以看出 H2O 分子中 H 原子和 O 原子之间存在明显的电子轨道重叠，体现了较强的相互作用。另一方面，以离子键方式存在的NaCl 分子的轨道图则表现出明显的局域性，LUMO 图中电子主要集中在 H 原子周围，而 HOMO 图中电子主第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 2023220要局域于 Cl 原子附近，Na 原子和 Cl 原子通过转移电子分别达到各自的 8 电子满壳层电子结构。通过 MS 软件计算，可以形象地给出图 3 所示的不同相互作用形式下典型的电子轨道图像，帮助学生提高对成键知识的物理化学原理的理解，激发学习和科研热情。3结语中学阶段培养青少年科学创新精神是我国新时代基础教育实践的重要课题。本工作根据中学生的创新特质，结合高中物理和化学教材知识点，充分利用现代计算机 MS 模拟软件，指导中学生对 H 原子、H2、NaCl 和H2O 分子的几何结构、电子轨道、静电势、化学键等开展了系统计算和研究，课题中既包含了高中物理教材里原子结构、静电场、相对论初步，又包含化学教材里原子结构和性质、分子结构、性质和化学反应等诸多重要章节知识点，拓展了所学课本知识，有效培养了学生创新意识和科研能力。探索了中学和大学一体化创新人才培养机制，为基础教育与高等教育在高水平创新人才协同培育方面提供了一种有效途径和案例参考。参考文献1 黄奇.高中物理“课题探究型复习模式”初探 J.物理教学,2011,33(06):55-57.2 李晓璐.在课题探究中评价学生的物理学科核心素养 J.物理教学,2020,42(09):19-22.3 刘锦,张孟,罗锻斌.金属线膨胀系数模拟计算与实验 J.大学物理,2020,39(9):7.4 张大昌.普通高中课程标准实验教科书物理（选修 3-5）M.北京:人民教育出版社,2005:51.5 蒋最敏,高景.普通高中教科书（物理）M.上海:上海科学技术出版社.2021:92.6 麻生明,陈寅.普通高中教科书（化学）M.上海:上海科学技术出版社.2021:119.7 Ruette F,M Snchez,Aez R,et al.Diatomic molecule data for parametric methods.IJ.Journal of Molecular Structure THEOCHEM,2005,729(1):19-37.8 Levy M,Stevens W J,Shull H,et al.Transferability of electron pairs between H2O and H2O2J.The Journal of Chemical Physics,1974,61(5):1844-1856.