金鹿 潘樂 楊青青

【摘 要】本文針對新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的特點，闡述開設(shè)《計算機(jī)化學(xué)》課程的總體思路及其課程改革，介紹該課程教學(xué)實踐的主要內(nèi)容，探討新的教學(xué)方法和考核方式。課程的教學(xué)目的是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升運用計算機(jī)解決化學(xué)與化工領(lǐng)域問題的能力。

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)化學(xué)；應(yīng)用化學(xué)；教學(xué)研究

中圖分類號： O6-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0181-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.082

【Abstract】In this article， according to the major of applied chemistry in Xinjiang Agriculture University， the frame of the course， Application of Computer in Chemistry， is established and the outline of reforming this course for teaching is clarified. The main content of this course is provided， and the new teaching-evaluation methods are discussed. The aim of this course is to stimulate interest and enhance the ability for resolving the problems in chemistry and chemical engineering.

【Key words】Application of Computer in Chemistry； Applied chemistry； Study on teaching

21世紀(jì)是信息技術(shù)快速發(fā)展的時代。計算機(jī)的飛速發(fā)展必然會帶動相關(guān)課程設(shè)置和課程教學(xué)的改革。在此背景下，《計算機(jī)化學(xué)》課程必然會納入化學(xué)和化工專業(yè)課程設(shè)置的教學(xué)內(nèi)容[1-3]。計算機(jī)與化學(xué)的結(jié)合是科學(xué)發(fā)展的必然趨勢。如今，無論實驗數(shù)據(jù)分析與處理、科學(xué)制圖、計算仿真模擬、專業(yè)信息情報檢索與管理，還是大數(shù)據(jù)分析等都離不開計算機(jī)來完成。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)是一所農(nóng)業(yè)科學(xué)為優(yōu)勢和特色的高等院校。其前身是1952年成立的八一農(nóng)學(xué)院。在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中，《計算機(jī)化學(xué)》這門課程在實驗實踐課程中作為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的選修課程（34學(xué)時），旨在培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用化學(xué)人才，希望能拓展學(xué)生的基礎(chǔ)知識，優(yōu)化學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生計算機(jī)應(yīng)用水平，為將來繼續(xù)深造或工作提供扎實的基礎(chǔ)。一般地，《計算機(jī)化學(xué)》教學(xué)內(nèi)容包括數(shù)值計算部分、數(shù)據(jù)分析處理、計算化學(xué)與化工流程模擬、化學(xué)信息學(xué)和化學(xué)化工制圖等內(nèi)容構(gòu)成[1-2]。基于我校培養(yǎng)方案和學(xué)生特點，本課程側(cè)重于計算機(jī)的實用能力培養(yǎng)。本課程內(nèi)容的學(xué)科交叉程度大，涉及知識范圍較廣，學(xué)習(xí)難度較大，對于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言具有一定難度。因此，合理設(shè)置本課程教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)模式顯得尤為重要。通過調(diào)研和長期教學(xué)實踐，形成了以下一些教學(xué)改革思路。

1 課程任務(wù)的調(diào)整

雖然應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生在大學(xué)一年級階段學(xué)習(xí)過計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程，包括python語言和C語言等有關(guān)計算機(jī)知識，但在實際的實驗數(shù)據(jù)處理（比如物理化學(xué)實驗和化工原理實驗的數(shù)據(jù)處理）中仍舊使用坐標(biāo)紙手繪處理。手工作圖不僅費時，精度低，而且在以后的論文寫作中也達(dá)不到發(fā)表要求。這樣的問題主要出現(xiàn)于計算機(jī)教學(xué)課程與數(shù)值計算脫節(jié)，并且還需要與實際的實驗數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)一步結(jié)合。此外，通過對學(xué)生調(diào)研，發(fā)現(xiàn)他們有部分同學(xué)在畢業(yè)論文綜述以及畢業(yè)論文撰寫過程中，不能很好地利用完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查找和引用文獻(xiàn)，也對繪制專業(yè)化學(xué)分子圖或化工流程圖等方面存在難度?；ぴ砑盎ぴ韺嶒炇菓?yīng)化專業(yè)的必修課程，在化工原理實驗報告中通常需要繪制設(shè)備及流程圖，因此需要學(xué)生掌握相應(yīng)化工制圖軟件的使用。本課程建設(shè)任務(wù)是讓應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生在全面了解計算機(jī)在化學(xué)化工中應(yīng)用的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，掌握更多實用的計算機(jī)軟件使用和解決一些具體的實際問題。

2 教學(xué)內(nèi)容的改革

《計算機(jī)化學(xué)》是實踐性很強(qiáng)的課程，集知識性和技能性于一體，綜合程度高，涉及面廣。本課程按照教學(xué)計劃分為理論講述和上機(jī)實習(xí)兩個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)分配總學(xué)時的一半。課程改革前，主要以講述數(shù)值計算和Fortran編程語言為主；課程改革后，突出了課程的實用性及前沿性。依據(jù)學(xué)校培養(yǎng)實用型人才的定位和學(xué)科發(fā)展方向，以及廣泛征求學(xué)生意見的基礎(chǔ)上，有選擇性地設(shè)計本課程的主要內(nèi)容，自行編寫講義以方便學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，從而更好地掌握本課程。因而將課程教學(xué)內(nèi)容改革為3個教學(xué)模塊，即數(shù)值分析與數(shù)據(jù)處理，化學(xué)與化工制圖，數(shù)據(jù)庫使用與文獻(xiàn)檢索。在重點介紹化學(xué)化工軟件的同時適量講解數(shù)值計算原理，如線性方程組的求解、數(shù)據(jù)插值、非線性方程求解、常微分方程的數(shù)值解以及擬合算法等；增加數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)查閱等相關(guān)內(nèi)容。教學(xué)中不僅對目前流行的軟件（如MATLAB、Origin、Chemoffice、AutoCAD、Endnote等）的基本使用進(jìn)行介紹，而且通過案例分析來解決一些化學(xué)和化工中的實際問題。課程中所選案例都是物理化學(xué)實驗、化工實驗和化工設(shè)計中的實例。

本課程主要設(shè)計如下章節(jié)：

緒論：通過介紹計算機(jī)在化學(xué)化工中應(yīng)用概況及其取得的成就，使學(xué)生了解本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。安排2個學(xué)時

第一教學(xué)模塊內(nèi)容：數(shù)值分析與數(shù)據(jù)處理

本教學(xué)模塊分為兩章內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)：常用數(shù)值計算方法和實驗數(shù)據(jù)的圖形化處理。安排12個學(xué)時。

第一章：常用的數(shù)值計算方法。本章簡要介紹使用MATLAB軟件解決化學(xué)化工中的數(shù)值計算問題[4]。依次介紹實驗數(shù)據(jù)擬合方法、非線性方程求解、線性方程組的求解、常微分方程數(shù)值解及數(shù)據(jù)插值方法。目前在計算機(jī)化學(xué)課程中，采用Fortran、C/C++、Visual Basic （VB）等程序作為教學(xué)內(nèi)容較多。MATLAB作為數(shù)值計算具有一定的優(yōu)勢，首先它的算法齊全和內(nèi)置函數(shù)豐富，其次最重要的是圖形可視化功能強(qiáng)大。在化工模擬中，MATLAB程序不僅可以應(yīng)用于工廠物料衡算和能量衡算，而且更為重要的是還可以開發(fā)一些特定反應(yīng)器模型的計算程序模塊供其他通用商業(yè)軟件調(diào)用。

第二章：實驗數(shù)據(jù)的圖形化處理。本章主要介紹專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Origin的使用和相應(yīng)案例分析[5]。Origin軟件功能強(qiáng)大，不僅可以繪制常見的點線圖、直方圖、散餅圖，二維/三維等高圖，還內(nèi)置一些函數(shù)，可以進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)擬合和分析。Origin軟件是實驗數(shù)據(jù)處理和科研論文作圖常用軟件。因而學(xué)習(xí)此軟件，不僅能夠?qū)嶒炚n程中涉及到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而且在畢業(yè)設(shè)計中采用此軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖也很重要。為了讓學(xué)生更容易理解實驗數(shù)據(jù)處理的方法和過程，本章課程中所選的實例及布置的作業(yè)均為物理化學(xué)實驗和化工原理實驗中開設(shè)的實驗，比如蒸氣壓測定、表面張力測定、二元氣液相圖、蔗糖水解、燃燒熱測定、精餾過程和流體流動實驗等。

第二教學(xué)模塊內(nèi)容：化學(xué)與化工制圖

本教學(xué)模塊也分為兩章內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)：化學(xué)中的圖形顯示與繪制和化工流程制圖。安排10個學(xué)時

第三章：化學(xué)中的圖形顯示與繪制。本章主要介紹ChemOffice軟件的使用[6]。在學(xué)生寫畢業(yè)論文或科研論文時，總會遇到有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)式和反應(yīng)裝置示意圖的繪制，并且有時還會提供三維晶體結(jié)構(gòu)圖形，這就需要通過ChemOffice軟件來完成。ChemOffice集強(qiáng)大的應(yīng)用功能于一身，是最優(yōu)秀的化學(xué)軟件之一。Chemoffice軟件主要包含二維圖形繪制軟件（Chemdraw）和三維圖形繪制與顯示軟件（Chem3D）。通過Chemdraw，能夠比較容易繪制化學(xué)結(jié)構(gòu)式、方程式及反應(yīng)裝置圖。此外它還有其他功能，如預(yù)測化合物核磁數(shù)據(jù)、命名化合物、分子量及其他性質(zhì)。而Chem3D，可以構(gòu)建分子的三維立體圖形，直觀顯示分子的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且還可以分析化學(xué)反應(yīng)中的位阻效應(yīng)。此外通過晶體數(shù)據(jù)結(jié)果，也可以顯示晶體衍射得到的結(jié)構(gòu)，形成球棍模型圖。

第四章：化工制圖。本章主要介紹AutoCAD的應(yīng)用[7]。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)目前還未開設(shè)與化工制圖相關(guān)的課程。在化工原理實驗報告、化工課程設(shè)計、以及將來的工作中難免會涉及到化工制圖，如化工工藝圖、設(shè)備布置圖、管道布置圖及設(shè)備裝配圖等?；AD是一門實用型極強(qiáng)的課程，所用軟件需要采用較新的通用CAD設(shè)計軟件。其中，AutoCAD就是用戶廣泛和比較成熟的軟件之一。，由于化工設(shè)計過程的特點，需要繁瑣的運算和調(diào)整某些參數(shù)，使得設(shè)計費時，還易出錯。因而傳統(tǒng)的手工制圖已經(jīng)不能夠快速適應(yīng)化工生產(chǎn)和設(shè)計?；AD特點就是強(qiáng)調(diào)為化工設(shè)計服務(wù)，提高化工設(shè)計質(zhì)量，縮短周期。教學(xué)中將化工知識與CAD制圖理論相結(jié)合，采用案例式教學(xué)方式，比如列管式換熱器的CAD設(shè)計，精餾塔CAD設(shè)計等內(nèi)容，使學(xué)生能夠快速掌握基礎(chǔ)知識和設(shè)計技能。

第三教學(xué)模塊內(nèi)容：數(shù)據(jù)庫使用與文獻(xiàn)檢索

本教學(xué)模塊也分為兩章進(jìn)行教學(xué)：化學(xué)數(shù)據(jù)庫介紹和文獻(xiàn)檢索。安排10個學(xué)時。

第五章：化學(xué)數(shù)據(jù)庫。本章主要介紹目前常用的數(shù)據(jù)庫。目前國內(nèi)外有多個常用化學(xué)數(shù)據(jù)庫。國內(nèi)主要介紹中國知網(wǎng)和萬方數(shù)據(jù)庫。國外的主要介紹美國化學(xué)會（ACS）、英國皇家學(xué)會（RSC）、德國Wiley和愛思唯爾（Elsevier）。此外還介紹劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（CSD）和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（RSCB）。通過這些數(shù)據(jù)庫的介紹，使學(xué)生能夠了解每個數(shù)據(jù)庫包含的一些主流期刊雜志、期刊影響力和論文收錄的研究方向，為以后論文發(fā)表選擇合適雜志有所幫助。

第六章：文獻(xiàn)檢索。本章主要介紹文獻(xiàn)檢索方法和文獻(xiàn)管理軟件EndNote的使用[8]。在前面數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過舉例講解通過什么途徑和方法從浩瀚的數(shù)據(jù)庫中獲得自己需要的文獻(xiàn)資料、怎樣通過關(guān)鍵字檢索獲得想要的資料，以及怎樣提供一個好的關(guān)鍵字等教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能夠快速和高效地獲取相應(yīng)信息。Endnote是Thomson公司的產(chǎn)品，是當(dāng)前流行的文獻(xiàn)管理軟件。其中內(nèi)置檢索引擎，能夠?qū)⒉煌瑏碓吹奈墨I(xiàn)下載到本地，建立相應(yīng)文獻(xiàn)庫，然后可以通過Word直接嵌入相應(yīng)參考文獻(xiàn)。通過文獻(xiàn)管理，不僅可以有條理地收集和管理文獻(xiàn)，而且還能高效進(jìn)行閱讀和學(xué)習(xí)文獻(xiàn)，也能快速在寫作中插入文獻(xiàn)。因而此軟件的熟練使用能夠讓科研和學(xué)習(xí)起到事半功倍的作用。

3 教學(xué)方法的改革

相比于其他化學(xué)基礎(chǔ)課程和相應(yīng)實驗課程（無機(jī)化學(xué)及無機(jī)化學(xué)實驗、有機(jī)化學(xué)及有機(jī)化學(xué)實驗、分析化學(xué)及分析化學(xué)實驗、物理化學(xué)與物理化學(xué)實驗、化工原理及化工原理實驗），本課程重點強(qiáng)調(diào)化學(xué)化工相關(guān)軟件的應(yīng)用。所以上機(jī)練習(xí)課顯得格外的重要。為克服傳統(tǒng)PPT和板書靜態(tài)表達(dá)的缺點，本課程所有課時都在機(jī)房內(nèi)進(jìn)行，采取三步教學(xué)流程。第一步：采用邊演示邊講授的方式，動態(tài)地向?qū)W生展示軟件的使用，布置實踐課需要完成的任務(wù)；第二步：學(xué)生上機(jī)實踐練習(xí)，通過不斷的練習(xí)，加深對軟件的理解和應(yīng)用，并獨立完成布置的任務(wù)，鞏固本次課程所學(xué)內(nèi)容，并培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力。第三步：布置課后綜合實驗任務(wù)，將學(xué)生分成4人一組，通過這種團(tuán)隊合作方式，增加學(xué)生互動和討論，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力，并進(jìn)一步提高學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識的能力。此外，還提供一些拓展練習(xí)。這部分內(nèi)容，通過專業(yè)錄屏軟件將課程內(nèi)容制作成在線課程，提供給學(xué)生課后拓展學(xué)習(xí)。通過這種線上和線下教學(xué)模式，讓學(xué)生對本課程的內(nèi)容掌握得更牢固。

4 考核方法的改革

課程成績評定是檢驗學(xué)生掌握課程程度的辦法，也是對學(xué)習(xí)成果的總結(jié)。為防止同學(xué)們平時對上課和上機(jī)環(huán)節(jié)不重視，考前突擊復(fù)習(xí)以取得高分的做法。充分提高學(xué)生對本課程的重視，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到教學(xué)目的和效果，本課程采用過程評價考核和期末考核相結(jié)合的方式，做到各個教學(xué)環(huán)節(jié)在課程成績里都占有一定的比例，敦促學(xué)生認(rèn)真完成每一個階段的學(xué)習(xí)任務(wù)。最終課程成績由平時成績、上機(jī)操作成績和期末考核成績共同組成。其中平時成績占30%，上機(jī)操作占30%，期末考試占40%。平時成績包括上課出勤、課堂表現(xiàn)以及課后作業(yè)等；上機(jī)成績?yōu)槊看紊蠙C(jī)實驗報告的平均成績；期末考試成績由期末閉卷考試成績組成。

5 結(jié)語

隨著計算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，計算機(jī)已經(jīng)滲透到化學(xué)化工的各個領(lǐng)域。為了使學(xué)生更好地掌握計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用，提高學(xué)生解決實際生產(chǎn)過程中的問題的能力和科學(xué)研究能力，我們對《計算機(jī)化學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了分析和探討，為進(jìn)一步進(jìn)行更加細(xì)致和深入的改革，促進(jìn)教學(xué)奠定基礎(chǔ)。本次《計算機(jī)化學(xué)》的教學(xué)課程改革體現(xiàn)出教學(xué)內(nèi)容更加實用化，教學(xué)方式更加規(guī)范化，考核方式更加合理化。

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