教材作为知识的载体，是教育活动中不可或缺工具^[1]。一本优秀的教材对于引领学生进入一门学科领域，奠定学科基础，并养成良好的学科思维方式、培养创新能力乃至世界观的形成等都起着至关重要的作用^[2]。历史上我国教材的发展大致经历了三个阶段：新中国成立至文革前以翻译前苏联教材为主，文革后至80年代末为国家统编教材阶段，后随着高校扩招教材编写呈现百花齐放的状态^[3]。十四五时期我国高度重视教材编写工作，山东大学为贯彻党中央、国务院《关于加强和改进新形势下大中小学教材建设的意见》、教育部《普通高等学校教材管理办法》和国家教材委员会《习近平新时代中国特色社会主义思想进课程教材指南》等精神，并落实全国教材工作会议暨首届全国教材建设奖表彰会议要求，印发了《山东大学教材建设“十四五”规划》，山东大学化学学科也开启了新一轮的教材修订和编写工作，本文以山东大学《分子模拟(第二版)》教材^[4]的编写为例，对其建设经验进行介绍，以期为今后相关教材建设提供启发和借鉴。

山东大学化学学科最早起源于1926年的省立山东大学应用化学系，历史上历来重视本科教学与人才培养工作，曾先后编著了多部在国内有重要影响和地位的教材(表 1)。如尹敬执、申泮文先生等编著的《无机化学简明教程》^[5]《基础无机化学》^[6]，印永嘉先生编著的《物理化学简明教程》^[7]等。新世纪之后也涌现了一批经典教材，包括山东大学牵头山东省高校共同编写的系列《基础化学实验》立体化实验教材^[8–10]，宋其圣主编的《无机化学》^[11]，郝爱友主编的《精编有机化学教程》^[12]，郭用猷主编的《物质结构基本原理》^[13]，苑世领主编的《分子模拟》^{[4, 14]}等，形成了理论与实验全覆盖、突出简明特色的系列化教材体系，奠定了山东大学在人才培养上的地位和影响。

分子模拟与理论研究和实验研究共同构成了现代化学研究的基本范式，并随着计算机技术的发展日益得到普及。广义上分子模拟根据其研究对象和手段的不同可分为量子力学模拟(也称量子化学计算，采用量子力学方法对电子结构进行计算)和分子力学模拟(采用牛顿力学对原子核的运动进行计算)，诺贝尔化学奖曾先后于1998年和2013年光顾这一领域。目前国内外也有不少教材和专著对其进行介绍，既有综合类教材，亦有专门针对量子化学计算或分子力学计算的教材。但总体上分子模拟作为一个新兴和飞速发展的领域，与其他化学学科相比其教材数量总体偏少。国内教材多以翻译或借鉴国外教材为主，表 2列举了国内外部分有一定影响的教材。

山东大学理论化学所由著名理论化学家、中国科学院院士邓从豪先生于1978年创建，主要从事计算化学理论和分子模拟方法(包括量子力学和分子力学)的研究，形成与积累了比较雄厚的科研力量。在教材建设方面曾先后编著了《物质结构基本原理》(郭用猷主编) ^[13]和《量子化学》(刘成卜主编) ^[15]两部具有重要影响的教材。理论化学所自2003年开始给研究生开设分子模拟课程，冯大成、蔡政亭、步宇翔等老师曾先后讲授过该课程，几位教师多年上课积累的课程讲义构成了《分子模拟》教材的雏形，其中绪论中对分子模拟的总体介绍摘自江元生院士为编者苑世领修改的博士论文原文，早年讲义的部分章节也得到了蔡政亭教授的逐字斟酌润色。2015年课程团队为了解决结构化学课程长期以来没有对应实验课的局面，将分子模拟的授课对象进一步扩大到本科生^[16]，同时编写了与之相匹配的实验讲义，秉承理论与实验相结合的授课模式。2015年首版讲义在研究生及泰山学堂拔尖班学生中进行了小规模试用，随后进行了部分修订，次年《分子模拟》教材第一版由化学工业出版社出版，2022年结合学科发展和教学实践修订出版第二版。

结构化学是化学专业的主干核心课程，其内容主要为应用量子力学原理求解微观粒子运动的方程，获得微观粒子的结构、运动规律及结构性质之间的关系。结构化学的学习也是培养学生突破表象、从本质上认识化学问题，并建立化学学科思维方式的最重要的组成部分，是由基础化学(无机、有机、物化、分析)向高等化学(理论化学)过渡的必由之路。但同时又由于结构化学课程涉及深奥的量子力学知识，理论性强、内容抽象，需要较深的物理和数学功底，且其研究对象是微观粒子的运动，与学生熟悉的经典力学有显著差别，其教与学均存在较大难度。基于结构化学课程的重要性、特点和教与学的难度，对于其的教学改革研究值得深入探讨。化学专业传统的课程建设大多提倡理论与实验相结合的方式，通过形象的实验来帮助抽象理论概念的理解，如化学专业四大理论课无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等均有对应的实验课，而同样作为主干核心课程的结构化学却长期缺乏相对应的实验课程。

与之形成对比的是近年来分子模拟方法飞速发展，与实验研究相互配合，“理论、实验、模拟”逐渐成为了现代化学研究的基本模式，分子模拟作为分子尺度上的研究方法逐渐受到重视，逐渐成为研究人员必备的基本技能之一。计算化学和分子模拟与结构化学有着密切的联系，可作为化学基础理论教学在分子层面上的重要补充，开展分子模拟实验课程教学改革与创新，将化学发展前沿融入本科实验教学，既是培养化学拔尖创新人才的内在需求，也是完善现有实验教学体系的重要路径。武汉大学在国内曾率先开设了分子模拟实验课程作为结构化学对应的实验课，与四大化学实验一起形成完整的实验教学体系^[17]。参照其成功经验，山东大学于2015年起将分子模拟课程授课对象扩大至本科生，同时由物理化学教研室苑世领联合结构化学教研室张冬菊和化学实验教学中心张恒三位教师组成教材编写团队，由苑世领负责分子力学理论基础、张冬菊负责量子化学理论基础、张恒负责相应的实验编写，并共同承担教学任务。教材在分子模拟讲义的基础上新编了大量实验配合理论方法的讲解，课程也确定了实验为主理论为辅的分子模拟实验教学模式，把传统理论教学中反映分子结构的球棒模型通过计算机以更具形象和立体的方式展示，把理论教学中的反应机理、动力学过程，通过分子模拟软件进行可视化。通过这样的计算机实验帮助学生在抽象理论和形象实验之间架起一座桥梁，让每位学生都能亲自过桥体验，帮助学生理解结构化学理论，领略化学在分子层面上的魅力。

全书采用理论与实验相结合的编写模式以满足教师教学及学生自学需求。内容包括理论基础、上机实验和附录三部分。其中理论基础部分对分子模拟的基本概念和原理进行了详细介绍，如表 3，可作为教师和学生学习和参考用书；实验部分精编了12个典型的计算化学实验，如表 4，提供了详尽的操作步骤可供学生上机实验使用，实验安排遵循由简单到复杂的原则，内容涵盖化学各二级学科，模拟方法涵盖量子化学方法和分子力学方法，研究的体系也从孤立小分子过渡到多聚体、聚合物、均相溶液、界面、生物膜，即结合了分子模拟相关的最新的科研进展，同时也融入了不少课程思政相关的案例；附录则主要对模拟软件和常见的数据处理方法进行了介绍，包括Materials Studio软件的基本操作、Origin软件中对常见计算化学数据的处理等。

1) 与物理化学、结构化学、计算化学等课程紧密结合。化学专业的学生已经接触到了物理化学中的统计热力学、势能面、过渡态，以及结构化学和量子化学中的基本原理等知识。但是这些知识太过于抽象、理论性太强，学生很难深入理解。而《分子模拟》教材融合理论与实践，恰好能将这些基础知识形象化地展现出来，学生通过计算机实验，在抽象的理论和形象的实验结果之间架起一座桥梁。让每一位学生都能够亲自过桥体验，加深对所学知识的理解。

2) 与当前化学研究的前沿热点紧密相连。在教材内容的筛选上，我们即选择了经典的实验项目，加强基本知识、基本技能的训练，又纳入了化学研究的前沿热点，并且设计了综合性实验和开放实验，更好地加强学生综合研究能力的培养。特别是引入了当前研究的热点如生物体系、机器学习、三次采油等内容，使学生在学习的过程中充分体验分子模拟在科研中的应用。

3) 深入融合课程思政元素。教材充分挖掘了分子模拟中蕴含的丰富育人元素，从课程内容特点和思想政治教育的核心找到二者的结合点，将家国情怀、民族意识、社会责任感、协作精神、科学素养和作风、安全环保意识等人生观价值观，融入教材各个章节，发挥教材育人功能^[22]。例如在“气体吸附行为的模拟”实验中，以我国的页岩气储量及开采现状作为实验背景，对二氧化碳驱替页岩气的微观机制进行模拟计算，帮助学生理解材料的微观结构与宏观吸附行为之间的联系，既能培养学生居安思危、立志报国的精神，同时又能增强学生的专业自豪感和责任意识。在分子光谱的计算实验中，以贴近学生日常生活的防晒霜中的主要成分肉桂酸酯为例，设计实验计算其紫外可见光谱，学生通过计算即可发现其在紫外光区有明显的吸收峰，自然也就明白其作为防晒剂的原理。在化学反应自由能的计算中，以思考题的形式让学生计算糖、脂肪、蛋白质三种物质的热量，并挑选一种喜爱的零食根据其配料表计算每百克零食的热量，进一步推算需要跑步多少公里才能消耗该热量，以这种形式将计算化学与实际生活中的问题联系起来，并指导生活实践，加深对所学知识的理解。在分子模型的创建一章中以我校晶体材料国家重点实验室生长的“国家的宝贝”KDP (磷酸二氢钾)晶体和我院王瑶教授被英国剑桥晶体结构数据库收录的第一百万个晶体结构为背景，介绍相关背景知识，同时让学生采用两种方法练习晶体结构的构建方法。既补充了相关背景知识，又锻炼了学生的文献检索能力，同时还能培养学生的爱校情怀。

4) 立体化资源丰富，持续更新。除纸质版教材外，对涉及到的计算分析脚本均以二维码的形式以电子文档呈现，便于读者复制运行。另外教材还有配套的课程网站^[23]，除有完整的实验讲义和操作演示外，每年更新的实验内容均同步更新在课程网站上，提供多项选做和拓展实验，供学有余力的学生继续深入地探索；以及结合最新的研究热点甄选分子模拟相关的文献，特别是理论与实验相结合的研究，让学生领略分子模拟如何解决前沿化学问题，同时激发学生的科研兴趣；同时对于分子模拟相关的优秀网络资源进行介绍，包括相关的期刊、课题组、论坛等作为教材的补充，引导学生在课外对分子模拟做更深入的了解。

《分子模拟》教材2016年首次出版，是该领域少有的面向化学专业本科阶段的理论与实验相结合的教材。教材第一版出版以来先后重印六次，销量逾万册，第二版自2022年9月出版以来也已重印两次，自2019年构建课程网站以来访问量超过11万人次，得到了国内众多同行的关注。教材曾荣获山东省高等教育优秀教材，分子模拟实验课程也荣获首批国家一流课程。根据电话或e-mail向主编询问课程建设情况来看，国内使用该教材的高校包括：南京大学、武汉大学、四川大学、北京大学深圳研究生院、中国石油大学等。另据化工出版社统计，购买教材的高校还有天津大学、中北大学、中国海洋大学、西北工业大学、南京工业大学等。

根据读者和学生反馈，普遍认为教材中的具体实验案例对于开展分子模拟相关的实践研究起到了较大帮助。另外从编者在2021年春季学期的分子模拟实验课程中开展的课前学情调查和课后学习情况调查来看，92.0%的选课学生是对分子模拟感兴趣期望学以致用，学习课程后90.9%的学生表示达到了学习预期，95.5%的学生表示对今后发展帮助较大。

《分子模拟》教材再版以来，我们根据收到的反馈建议和鼓励，结合教学实践仍在不断对实验内容进行优化，积累相关的课程思政素材，同时追踪分子模拟的最新发展并及时融入教学，以期在下一版本修订中融入这些变化。

同时我们也计划在下一版修订中对教材做进一步的丰富完善，具体包括：1) 在理论介绍部分对于分子模拟程序的具体实现通过代码的形式来呈现，一方面能够使读者对相关问题和处理方式理解更加深入，对于编写相关程序或算法能提供借鉴，另一方面也有助于培养学生的编程思维和能力；2) 在基础实验项目之外进一步增加综合型和前沿型分子模拟实验项目，使实验更加贴近实际科研，提升学生的学习兴趣；3) 另外，在教材编写过程中主要通过独立设课形式开展分子模拟实验教学，针对一些培养方案中没有相关课程或医学药学等化学相关专业不便单独设课的情形，我们也正在设计可以融入物理化学实验或有机化学实验的分子模拟实验，例如结合“氧弹式量热计测定燃烧热实验”我们设计了热力学量的计算实验，结合“表面张力的测定实验”我们设计了分子动力学方法计算丁醇的界面张力实验，结合Diels-Alder反应我们设计了DA反应速率常数的计算^[24]等等，这些实验可以作为基础化学实验的拓展实验融入其中，用以开阔学生的视野；4) 为进一步丰富教材的资源和形式，团队也计划启动MOOC视频的录制，以便学生突破时空局限，随时随地学习，或针对薄弱环节反复学习等。

总之随着学科的不断发展，分子模拟教材建设也将长期进行，在实践和发展中不断完善，满足学生学习需求。