金鹿 潘樂 楊青青

【摘 要】本文針對新疆農(nóng)業(yè)大學應用化學專業(yè)的特點，闡述開設《計算機化學》課程的總體思路及其課程改革，介紹該課程教學實踐的主要內(nèi)容，探討新的教學方法和考核方式。課程的教學目的是激發(fā)學生學習興趣，提升運用計算機解決化學與化工領域問題的能力。

【關鍵詞】計算機化學；應用化學；教學研究

中圖分類號： O6-4 文獻標識碼： 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世紀是信息技術快速發(fā)展的時代。計算機的飛速發(fā)展必然會帶動相關課程設置和課程教學的改革。在此背景下，《計算機化學》課程必然會納入化學和化工專業(yè)課程設置的教學內(nèi)容[1-3]。計算機與化學的結合是科學發(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來完成。

新疆農(nóng)業(yè)大學是一所農(nóng)業(yè)科學為優(yōu)勢和特色的高等院校。其前身是1952年成立的八一農(nóng)學院。在新疆農(nóng)業(yè)大學化工學院應用化學專業(yè)培養(yǎng)方案中，《計算機化學》這門課程在實驗實踐課程中作為應用化學專業(yè)學生的選修課程（34學時），旨在培養(yǎng)高素質(zhì)的應用化學人才，希望能拓展學生的基礎知識，優(yōu)化學生的知識結構，提高學生計算機應用水平，為將來繼續(xù)深造或工作提供扎實的基礎。一般地，《計算機化學》教學內(nèi)容包括數(shù)值計算部分、數(shù)據(jù)分析處理、計算化學與化工流程模擬、化學信息學和化學化工制圖等內(nèi)容構成[1-2]?；谖倚Ｅ囵B(yǎng)方案和學生特點，本課程側重于計算機的實用能力培養(yǎng)。本課程內(nèi)容的學科交叉程度大，涉及知識范圍較廣，學習難度較大，對于應用化學專業(yè)的學生而言具有一定難度。因此，合理設置本課程教學內(nèi)容以及教學模式顯得尤為重要。通過調(diào)研和長期教學實踐，形成了以下一些教學改革思路。

1 課程任務的調(diào)整

雖然應用化學專業(yè)學生在大學一年級階段學習過計算機應用基礎課程，包括python語言和C語言等有關計算機知識，但在實際的實驗數(shù)據(jù)處理（比如物理化學實驗和化工原理實驗的數(shù)據(jù)處理）中仍舊使用坐標紙手繪處理。手工作圖不僅費時，精度低，而且在以后的論文寫作中也達不到發(fā)表要求。這樣的問題主要出現(xiàn)于計算機教學課程與數(shù)值計算脫節(jié)，并且還需要與實際的實驗數(shù)據(jù)分析方法進一步結合。此外，通過對學生調(diào)研，發(fā)現(xiàn)他們有部分同學在畢業(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，也對繪制專業(yè)化學分子圖或化工流程圖等方面存在難度?；ぴ砑盎ぴ韺嶒炇菓瘜I(yè)的必修課程，在化工原理實驗報告中通常需要繪制設備及流程圖，因此需要學生掌握相應化工制圖軟件的使用。本課程建設任務是讓應用化學專業(yè)學生在全面了解計算機在化學化工中應用的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的基礎上，掌握更多實用的計算機軟件使用和解決一些具體的實際問題。

2 教學內(nèi)容的改革

《計算機化學》是實踐性很強的課程，集知識性和技能性于一體，綜合程度高，涉及面廣。本課程按照教學計劃分為理論講述和上機實習兩個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)分配總學時的一半。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)學校培養(yǎng)實用型人才的定位和學科發(fā)展方向，以及廣泛征求學生意見的基礎上，有選擇性地設計本課程的主要內(nèi)容，自行編寫講義以方便學生預習和復習，從而更好地掌握本課程。因而將課程教學內(nèi)容改革為3個教學模塊，即數(shù)值分析與數(shù)據(jù)處理，化學與化工制圖，數(shù)據(jù)庫使用與文獻檢索。在重點介紹化學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)庫和文獻查閱等相關內(nèi)容。教學中不僅對目前流行的軟件（如MATLAB、Origin、Chemoffice、AutoCAD、Endnote等）的基本使用進行介紹，而且通過案例分析來解決一些化學和化工中的實際問題。課程中所選案例都是物理化學實驗、化工實驗和化工設計中的實例。

本課程主要設計如下章節(jié)：

緒論：通過介紹計算機在化學化工中應用概況及其取得的成就，使學生了解本課程的學習內(nèi)容，激發(fā)學生的學習興趣。安排2個學時

第一教學模塊內(nèi)容：數(shù)值分析與數(shù)據(jù)處理

本教學模塊分為兩章內(nèi)容進行教學：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。目前在計算機化學課程中，采用Fortran、C/C++、Visual Basic （VB）等程序作為教學內(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大。在化工模擬中，MATLAB程序不僅可以應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的使用和相應案例分析[5]。Origin軟件功能強大，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。因而學習此軟件，不僅能夠對實驗課程中涉及到的數(shù)據(jù)進行處理，而且在畢業(yè)設計中采用此軟件進行數(shù)據(jù)分析和作圖也很重要。為了讓學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)均為物理化學實驗和化工原理實驗中開設的實驗，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。

第二教學模塊內(nèi)容：化學與化工制圖

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

第三章：化學中的圖形顯示與繪制。本章主要介紹ChemOffice軟件的使用[6]。在學生寫畢業(yè)論文或科研論文時，總會遇到有機化學結構式和反應裝置示意圖的繪制，并且有時還會提供三維晶體結構圖形，這就需要通過ChemOffice軟件來完成。ChemOffice集強大的應用功能于一身，是最優(yōu)秀的化學軟件之一。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結構式、方程式及反應裝置圖。此外它還有其他功能，如預測化合物核磁數(shù)據(jù)、命名化合物、分子量及其他性質(zhì)。而Chem3D，可以構建分子的三維立體圖形，直觀顯示分子的結構參數(shù)，并且還可以分析化學反應中的位阻效應。此外通過晶體數(shù)據(jù)結果，也可以顯示晶體衍射得到的結構，形成球棍模型圖。

第四章：化工制圖。本章主要介紹AutoCAD的應用[7]。新疆農(nóng)業(yè)大學應用化學專業(yè)目前還未開設與化工制圖相關的課程。在化工原理實驗報告、化工課程設計、以及將來的工作中難免會涉及到化工制圖，如化工工藝圖、設備布置圖、管道布置圖及設備裝配圖等?；AD是一門實用型極強的課程，所用軟件需要采用較新的通用CAD設計軟件。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)不能夠快速適應化工生產(chǎn)和設計。化工CAD特點就是強調(diào)為化工設計服務，提高化工設計質(zhì)量，縮短周期。教學中將化工知識與CAD制圖理論相結合，采用案例式教學方式，比如列管式換熱器的CAD設計，精餾塔CAD設計等內(nèi)容，使學生能夠快速掌握基礎知識和設計技能。

第三教學模塊內(nèi)容：數(shù)據(jù)庫使用與文獻檢索

本教學模塊也分為兩章進行教學：化學數(shù)據(jù)庫介紹和文獻檢索。安排10個學時。

第五章：化學數(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會（ACS）、英國皇家學會（RSC）、德國Wiley和愛思唯爾（Elsevier）。此外還介紹劍橋結構數(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：文獻檢索。本章主要介紹文獻檢索方法和文獻管理軟件EndNote的使用[8]。在前面數(shù)據(jù)庫的基礎上，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資料、怎樣通過關鍵字檢索獲得想要的資料，以及怎樣提供一個好的關鍵字等教學內(nèi)容，使學生能夠快速和高效地獲取相應信息。Endnote是Thomson公司的產(chǎn)品，是當前流行的文獻管理軟件。其中內(nèi)置檢索引擎，能夠將不同來源的文獻下載到本地，建立相應文獻庫，然后可以通過Word直接嵌入相應參考文獻。通過文獻管理，不僅可以有條理地收集和管理文獻，而且還能高效進行閱讀和學習文獻，也能快速在寫作中插入文獻。因而此軟件的熟練使用能夠讓科研和學習起到事半功倍的作用。

3 教學方法的改革

相比于其他化學基礎課程和相應實驗課程（無機化學及無機化學實驗、有機化學及有機化學實驗、分析化學及分析化學實驗、物理化學與物理化學實驗、化工原理及化工原理實驗），本課程重點強調(diào)化學化工相關軟件的應用。所以上機練習課顯得格外的重要。為克服傳統(tǒng)PPT和板書靜態(tài)表達的缺點，本課程所有課時都在機房內(nèi)進行，采取三步教學流程。第一步：采用邊演示邊講授的方式，動態(tài)地向學生展示軟件的使用，布置實踐課需要完成的任務；第二步：學生上機實踐練習，通過不斷的練習，加深對軟件的理解和應用，并獨立完成布置的任務，鞏固本次課程所學內(nèi)容，并培養(yǎng)綜合應用能力。第三步：布置課后綜合實驗任務，將學生分成4人一組，通過這種團隊合作方式，增加學生互動和討論，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力，并進一步提高學生綜合應用所學知識的能力。此外，還提供一些拓展練習。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，提供給學生課后拓展學習。通過這種線上和線下教學模式，讓學生對本課程的內(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生掌握課程程度的辦法，也是對學習成果的總結。為防止同學們平時對上課和上機環(huán)節(jié)不重視，考前突擊復習以取得高分的做法。充分提高學生對本課程的重視，激發(fā)學生主動學習的積極性，達到教學目的和效果，本課程采用過程評價考核和期末考核相結合的方式，做到各個教學環(huán)節(jié)在課程成績里都占有一定的比例，敦促學生認真完成每一個階段的學習任務。最終課程成績由平時成績、上機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；上機成績?yōu)槊看紊蠙C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 結語

隨著計算機技術突飛猛進的發(fā)展，計算機已經(jīng)滲透到化學化工的各個領域。為了使學生更好地掌握計算機在化學中的應用，提高學生解決實際生產(chǎn)過程中的問題的能力和科學研究能力，我們對《計算機化學》課程的教學內(nèi)容和教學方式進行了分析和探討，為進一步進行更加細致和深入的改革，促進教學奠定基礎。本次《計算機化學》的教學課程改革體現(xiàn)出教學內(nèi)容更加實用化，教學方式更加規(guī)范化，考核方式更加合理化。

【參考文獻】

[1]張常群，焉紅，郭廣生，呂志.《計算化學》[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]方利國.《計算機在化學化工中的應用》[M].北京：化學工業(yè)出版社，2017.

[3]牛永平，張軍凱，汪小偉.《計算機在化學化工中的應用》課程的教學改革與探索[J].廣州化工，2014，42（15），270-271.

[4]黃華江.實用化工計算機模擬[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[5]樊玲，尚貞鋒，武麗艷.Origin軟件在物理化學實驗中的應用[J].大學化學，2011，26（2），41-44.

[6]黃桂梅.淺談Chemoffice軟件在化學化工文獻檢索課程中的應用[J].廣州化工，2017，45（4），119-121.

[7]黃國波，董敏麗，金海英.《化工CAD》課程教學改革探索[J].廣州化工，2010，38（2），212-214.

[8]王路，張思琪，程翠林，趙海田.Endnote軟件教學優(yōu)化高校學生論文撰寫過程中的文獻管理水平[J].黑龍江教育學院學報，2014，33（1），59-60.