《分子模拟》教材建设的探索与实践

doi:10.3866/PKU.DXHX202212034

摘要/Abstract

摘要：

教材建设是课程建设的重要一环，本文重点对山东大学分子模拟实验国家一流课程的教材建设情况进行了介绍。从历史与传承、发展与创新、总结与展望三个方面对山东大学化学学科的教材编写历史、国内外分子模拟相关教材的建设情况、《分子模拟》教材的主要内容和特色之处，以及下一步的修订计划进行了详细介绍，以期对相关教材的编写与修订提供启发与借鉴。

关键词: 计算化学, 分子模拟, 教材

Abstract:

The construction of textbooks is an important part of the curriculum construction. This paper focuses on the construction of textbooks of the national first-class curriculum of molecular simulation experiment at Shandong University. From the aspects of history and inheritance, development and innovation, summary and prospect, this paper introduces the history of the compilation of chemistry textbooks at Shandong University, the construction of molecular simulation related textbooks at home and abroad, the main contents and features of the Molecular Simulation textbook, and the next revision plan in detail. We hope this will provide inspiration and reference for the writing and revision of relevant textbooks.

Key words: Computational chemistry, Molecular simulation, Textbook

张恒, 贾春江, 宋其圣, 苑世领. 《分子模拟》教材建设的探索与实践[J]. 大学化学, 2023, 38(6): 189-196.

Heng Zhang, Chunjiang Jia, Qisheng Song, Shiling Yuan. Exploration and Practice of Textbook Construction of Molecular Simulation[J]. University Chemistry, 2023, 38(6): 189-196.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202212034

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2023/V38/I6/189

图/表 4

表1

表2

国内外出版的分子模拟相关的教材"

出版时间	教材名称	编者	出版社	内容特色
1987年第一版 2017年第二版	Computer Simulation of Liquids	M. P. Allen and D. J. Tildesley	Oxford University Press	分子模拟领域的第一本专著，对于分子模拟的基本原理和概念有很好的论述，同时配有较多程序示例，对于理解分子动力学算法较有帮助
1996年第一版 2001年第二版	Understanding Molecular Simulation	Daan Frenkel and Berend Smit	Elsevier	对分子动力学和蒙特卡洛方法进行了深入介绍，对其实现提供了详细代码，另有汪文川翻译的中文版
1997年第一版 2001年第二版	Molecular Modeling-Principles and Application	A. R. Leach	Prentice Hall	分子模拟领域的入门教材，内容全面深入
1998年第一版 2007年第二版 2017年第三版	Introduction to Computational Chemistry	Frank Jensen	John Wiley & Sons	综合类教材，选材较广，偏重量子化学计算，分子力学方法亦有涉及。除理论外，对实际计算中的问题亦有讨论
2002年第一版 2004年第二版	Essentials of Computational Chemistry	Christopher J. Cramer	John Wiley & Sons	综合类教材，涉及面较广，亦以量子化学计算为主
2002年第一版 2010年第二版	Molecular Modeling and Simulation：An Interdisciplinary Guide	Tamar Schlick	Springer	对分子模拟在生物体系中的应用进行了详细介绍
2004年第二版	The Art of Molecular Dynamics Simulation	D. C. Rapaport	Cambridge University Press	针对分子模拟涉及到的技术问题均给出了详细的程序代码，适合作为自编程序参考书
2011年	Introduction to Practice of Molecular Simulation-Molecular Dynamics, Monte Carlo, Brownian Dynamics, Lattice Boltzmann and Dissipative Particle Dynamics	Akira Satoh	Elsevier	有较丰富的程序代码，适合作为自编程序参考书
2013年第七版	Quantum Chemistry	Ira N. Levine	Prentice Hall	对量子化学计算相关的理论基础知识进行了详细深入地介绍
2004年	分子模拟-从算法到应用	汪文川	化学工业出版社	译自Understanding Molecular Simulation
2007年	分子模拟的理论与实践	陈正隆	化学工业出版社	专著类，对分子力学方法进行了介绍
2008年	计算化学实验	胡红智、马思渝	北京师范大学出版社	精编了10个量子化学计算实验
2009年	计算化学-从理论化学到分子模拟	陈敏伯	科学出版社	对分子力学方法和相关性质的计算进行了介绍，需要有较强的数理基础
2010年	分子模拟实验	王宝山、侯华	高等教育出版社	实验为主的教材，也包含理论介绍，偏重量子化学计算实验
2010年	软物质的计算机模拟与理论方法	杨小震等	化学工业出版社	专著类，对聚合物、表面活性剂等胶体化学领域模拟涉及到的理论方法进行了介绍
2016年	蛋白质模拟-原理、发展和应用	王存新等	科学出版社	专著类，着重对蛋白质模拟相关的理论及应用进行了介绍
2016年第一版 2022年第二版	分子模拟	苑世领等	化学工业出版社	理论与实验并重，偏重分子力学方法，其中实验部分有非常详细的操作方法介绍
2018年	高等物理化学实习讲义	刘迎春等	高等教育出版社	选取了12个包含量子化学计算和分子力学计算的计算实例

表2

表3

表4

参考文献 24

1	王莉;范勇;张丽荣;徐家宁;宋天佑.中国大学教学,2019,(2),84.
2	朱志昂;阮文娟;郭东升.化学教育,2021,42(18),88.
3	鲍浩波.化学教育,2015,36(24),12.
4	苑世领;张恒;张冬菊.分子模拟,第2版北京:化学工业出版社,2022.
5	尹敬执;申泮文.无机化学简明教程,北京:高等教育出版社,1965.
6	申泮文;尹敬执.基础无机化学,北京:人民教育出版社,1980.
7	印永嘉;奚正楷;张树永.物理化学简明教程,第4版北京:高等教育出版社,2007.
8	崔学桂;张晓丽;胡清萍.基础化学实验(Ⅰ)-无机及分析化学实验,第1版北京:化学工业出版社,2003.
9	李吉海;刘金庭.基础化学实验(Ⅱ)-有机化学实验,第1版北京:化学工业出版社,2004.
10	顾月姝;宋淑娥.基础化学实验(Ⅲ)-物理化学实验,第1版北京:化学工业出版社,2004.
11	宋其圣.无机化学,北京:化学工业出版社,2008.
12	郝爱友.精编有机化学教程,济南:山东大学出版社,2003.
13	郭用猷;张冬菊;刘艳华.物质结构基本原理,第3版北京:高等教育出版社,2015.
14	苑世领;张恒;张冬菊.分子模拟-理论与实验,北京:化学工业出版社,2016.
15	刘成卜.量子化学,北京:科学出版社,2020.
16	张恒;马莹;刘刚;张冬菊;宋其圣;苑世领.大学化学,2019,34(9),26.
17	王宝山;侯华.分子模拟实验,北京:高等教育出版社,2010.
18	张恒;马莹;刘刚;宋其圣;苑世领.大学化学,2017,32(5),44.
19	张恒;贾春江;宋其圣;苑世领.化学教育,2023, doi: 10.13884/j.1003-3807hxjy.2022070143
20	张恒;宋其圣;贾春江;苑世领.大学化学,2023,38(5),172.
21	刘刚;张恒;马莹;宋其圣;苑世领.化学教育,2020,41(14),5.
22	张恒;刘刚;马莹;宋其圣;印志磊;苑世领.大学化学,2019,34(11),82.
23	分子模拟实验. [2023-01-12]. http://course.sdu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?action=view&courseType=0&courseId=6073.
24	宋淑娥.基础化学实验Ⅲ-物理化学实验,北京:化学工业出版社,2020,176-185.

教材名称	出版时间	主编	出版社
《无机化学简明教程》	1965年	尹敬执、申泮文	高等教育出版社
《物理化学简明教程》	1965年第一版 1985年第二版 1992年第三版 2007年第四版	印永嘉、奚正楷、张树永等	高等教育出版社
《基础无机化学》	1980年	尹敬执、申泮文	人民教育出版社
《物理化学与胶体化学实验》	1981年第一版 1990年第二版	陈宗淇等	高等教育出版社
《物质结构基本原理》	1984年第一版 2011年第二版 2015年第三版	郭用猷、张冬菊、刘艳华	高等教育出版社
《精编有机化学教程》	2003年第一版 2009年第二版	郝爱友等	山东大学出版社
《基础化学实验Ⅰ-无机及分析化学实验》	2003年第一版 2007年第二版	崔学桂、张晓丽、胡清萍	化学工业出版社
《基础化学实验Ⅱ-有机化学实验》	2004年第一版 2007年第二版	李吉海、刘金庭	化学工业出版社
《基础化学实验Ⅲ-物理化学实验》	2004年第一版 2009年第二版 2020年第三版	顾月姝、宋淑娥	化学工业出版社
《仪器分析实验》	2006年	张晓丽、江崇球、吴波	化学工业出版社
《综合化学实验》	2006年	张树永、贝逸翎、王洪鉴	化学工业出版社
《无机化学》	2008年	宋其圣等	化学工业出版社
《分子模拟》	2016年第一版 2022年第二版	苑世领、张恒、张冬菊	化学工业出版社

理论基础	具体内容
1. 绪论	分子模拟基本概念、发展史、软件和资源、学习方法
2. 统计力学基础	统计力学基本原理、粒子动力学
3. 力场	势函数、简正模式、简单体系的分子力场、势能函数的具体形式、常见的力场、联合原子和约化处理、粗粒力场、多体势、水分子力场、无机材料力场、极化力场、反应力场、力场的选择
4. 能量最小化	势能面、势函数的极小值、非导数求极值法、导数求极值法、一级导数求极值法、二级导数求极值法、方法的选择和收敛性判据、过渡态结构与反应路径、溶剂化效应、应用实例
5. 模拟中的基本原理	短程相互作用的处理、长程相互作用的处理、模拟过程
6. Monte Carlo模拟	Monte Carlo模拟中的配分函数、Monte Carlo原理、基本Monte Carlo模拟、不同系综中的Monte Carlo模拟、应用实例
7. 分子动力学模拟	积分运动等式、Verlet预测方法、Gear预测校正方法、分子体系中的积分方法、不同系综中的分子动力学、相关函数、自由能、均力势、性质计算、应用实例
8. 介观模拟	耗散粒子动力学模拟、介观动力学模拟
9. 定量结构性质关系	定量构效关系、典型结构参数、数学方法、应用实例
10. 量子化学方法	Schrödinger方程、电子相关和后HF方法、密度泛函理论、基函数的选择、半经验分子轨道方法

实验项目	具体内容
1. 分子模型的创建与优化	分子模型的绘制、分子构型优化、复杂分子结构的创建
2. 分子性质的计算和分析	分子轨道、总电子密度、静电势、电荷分布、分子表面
3. 势能面的构建	键解离势能曲线、分子间的弱相互作用势能曲线^{[18, 19]}、分子的构象搜索、化学反应的势能面
4. 化学反应模拟	计算化学反应的自由能、优化搜索过渡态
5. 分子光谱计算	红外和拉曼光谱、紫外可见光谱、X射线衍射光谱
6. 均相体系的分子动力学模拟^[20]	单分子及团簇的模拟-丙氨酸二肽、均相体系-水
7. 多相体系的分子动力学模拟	气液界面、固液界面、固气界面
8. Monte Carlo模拟^[21]	表面吸附行为：吸附等温线、吸附构型、吸附动力学
9. 粗粒化和介观模拟	生物膜的粗粒化模拟、表面活性剂的DPD (耗散粒子动力学)模拟、嵌段聚合物的介观模拟
10. 定量构效关系计算	缓蚀剂性质的预测
11. 复杂体系的分子动力学模拟	构型熵的计算、自由能的计算、外场下的分子动力学
12. 反应分子动力学	二氧化硅表面化学吸附的模拟

[1]	朱杰, 焦飞, 孙雅静. 云计算平台融入化学专业特色课程的设计与探索[J]. 大学化学, 2025, 40(9): 53 -60 .
[2]	周佳. 高通量计算与机器学习相结合的综合计算化学实验设计与实践[J]. 大学化学, 2025, 40(9): 69 -75 .
[3]	张岩, 曹晓燕, 李一鸣, 夏树伟, 包木太. 国内外物理化学教材对比研究——电解质溶液[J]. 大学化学, 2025, 40(9): 303 -309 .
[4]	李芳, 熊博, 徐晖, 顾文玲, 龚静鸣, 朱成周. 立足本土，回应时代，着眼未来——华中师范大学等编《分析化学》教材版本演进[J]. 大学化学, 2025, 40(7): 148 -155 .
[5]	李旭, 李清兰, 王庆吉. 计算化学在无机化学中的教学研究与实践[J]. 大学化学, 2025, 40(7): 345 -351 .
[6]	叶同奇, 王艳青, 王琪, 从怀萍, 孔祥华, 叶跃雯. 计算化学视角下的经典热力学教学内容改革[J]. 大学化学, 2025, 40(7): 387 -392 .
[7]	彭谦, 姚鹏飞, 王梓聪, 许秀芳, 孙宏伟. 优化理论计算化学课程体系助推拔尖人才培养[J]. 大学化学, 2025, 40(5): 261 -267 .
[8]	闫虹廷, 冯爱利, 朱荣秀, 刘磊, 张冬菊. 计算化学方法再探“碘催化氯苯的氯代反应”[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 16 -22 .
[9]	吕仁庆, 王淑涛, 王芳, 沈国平. 计算化学辅助有机化学教学——以二嗪异构体的碱性和稳定性比较为例[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 76 -82 .
[10]	陈文恺, 沈芸稼, 孔祥梦, 曾艳丽. 圆偏振发光中关键物理量的量子化学计算研究——介绍一个探究性计算化学实验[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 83 -91 .
[11]	李翼, 曹兆祥, 刘鹏, 吴霞, 张冬菊. 计算化学与紫外-可见吸收光谱法相结合揭示铬黑T指示剂的显色和变色机理[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 132 -139 .
[12]	王渭娜, 冯丽霞, 刘峰毅, 王文亮. 计算化学实验助力有机反应机理学习——以HCl与不对称烯烃的亲电加成反应为例[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 206 -214 .
[13]	卫柏同, 郭今心, 刘希功, 朱荣秀, 刘磊. 烃自由基结构、稳定性和烷烃氯代反应选择性的理论研究[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 402 -407 .
[14]	李辉, 聂嘉, 吕中元, 钱虎军, 朱有亮, 白福全, 曲泽星, 钟荣林. “中国教育现代化”理念指导下理论与计算化学课程讲座模式建设[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 1 -9 .
[15]	降雅男, 马玉臣. 浅谈量子化学计算中的电子间交换作用[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 10 -15 .