張晨陽 胡岳華 孫偉

摘要：理論與計算化學作為強有力的研究工具，在資源環(huán)境、生命醫(yī)藥、新能源、新材料等重要領域中的應用日趨廣泛，礦物加工計算化學應運而生?；诘V物工程專業(yè)特色，可以通過優(yōu)化設計礦物加工計算化學的教學內容，變革教學方法，升級教學手段等策略進行課程建設的創(chuàng)新和探索。

關鍵詞：礦物加工工程；礦物加工計算化學；課程建設

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）15-0095-02

隨著高性能計算的飛速發(fā)展，理論與計算化學在礦物加工、化工冶金、資源環(huán)境等領域中的應用日趨廣泛，成為強有力的研究工具。為了建設世界一流的礦物工程學科，進一步推進礦物加工科學與技術深入發(fā)展，中南大學礦物工程系順應時代要求，開設了礦物加工計算化學（Mineral Processing Computational Chemistry，MPCC）研究生課程?；诘V物加工工程專業(yè)特色，我們根據(jù)該專業(yè)對理論與計算化學知識和方法的要求，通過優(yōu)化設計MPCC的教學內容、變革教學方法、創(chuàng)新教學模式等策略進行了課程建設的創(chuàng)新和探索。

一、理論與計算化學的內涵

早期的化學研究主要依靠實驗探索和經驗總結，被認為是純粹的實驗科學。在化學科學的發(fā)展歷上，物理學的有利促進使得化學走上了現(xiàn)代化學發(fā)展道路。[1]

理論與計算化學已經成為現(xiàn)代化學不可或缺的組成部分，研究的深度和廣度都在不斷擴大。從簡單模型體系到復雜實際體系，從靜態(tài)結構到動態(tài)過程，從基態(tài)到激發(fā)態(tài)，從線性過程到非線性過程……化學科學進入到了“實驗方法、理論方法、計算方法”并重的新階段。理論與計算模擬方法在實際的能源材料、生命醫(yī)藥、資源環(huán)境、化工冶金等重要領域中應用日益廣泛深入，成為強有力乃至不可或缺的工具；能夠提供在現(xiàn)代實驗技術水平上很難甚至無法得到的分子微觀結構和變化過程的細節(jié)信息，如界面的微觀結構、化學鍵的變化、能量以及電荷的遷移等。[2]

二、礦物加工計算化學的誕生

MPCC是理論與計算化學和資源加工學的交叉前沿學科，是運用理論與計算化學相關的知識、方法和軟件，針對資源加工相關體系的特點，基于先進實驗表征建立的簡化計算模型，從原子—分子層面深入其宏觀現(xiàn)象的物理化學微觀本質。MPCC包括選冶藥劑的計算篩選和優(yōu)化設計，高效選冶藥劑分子的結構—性能關系，礦物晶體和礦物表面的結構、電子性質以及不同礦漿條件下礦物表面與溶劑/浮選藥劑的選擇性作用機理等。使用的理論與計算化學相關理論與方法包括：價鍵理論、分子軌道理論、晶體場理論、配位場理論、前線軌道理論、密度泛函理論、量子化學、分子動力學、化學熱力學與統(tǒng)計力學、蒙特卡洛等。MPCC的研究內容可概括如下。

（一）浮選藥劑分子設計

針對目的礦石的組成和分離要求，通過理論推導和計算模擬確定出浮選分離該礦石高效的浮選藥劑（捕收劑、抑制劑、活化劑等）的分子結構或組成。浮選分子設計理論包括：浮選藥劑結構和性能關系、浮選藥劑極性基選擇、浮選藥劑非極性基結構設計、組裝設計等方面的內容。

（二）礦物晶體與表面計算模擬

理論分析與計算模型需要抓住資源加工研究體系的關鍵要素，考慮真實的礦物界面結構（缺陷、位錯、臺階、水化層等），抽象出更加合理的更加逼近真實的簡化物理模型。

（三）礦物浮選多尺度計算模擬

浮選是一個復雜的物理化學過程，涉及固（礦物）、液（礦漿）、氣（氣泡）三相，需要采用多尺度模擬方法開展其相關物理化學微觀基礎機研究。

三、礦物加工計算化學教學內容的優(yōu)化設計

理論與計算化學內涵豐富，偏重理論方法及其算法實現(xiàn)。[2]MPCC則強調理論與計算化學相關的理論、方法和軟件在資源加工體系特別是浮選和濕法冶金體系的應用，希望其能夠深入地解釋實驗，甚至能夠去預測和指導實驗。另外，MPCC只有32學時，不可能把理論與計算化學及其在資源加工體系的具體應用講解得面面俱到，需要對其教學內容進行優(yōu)化設計。

第一，考慮到礦物加工專業(yè)的研究生在物理、數(shù)學方面的基礎較為薄弱，需要在礦物加工課程增加學習計算化學必要的數(shù)學和物理知識，如線性代數(shù)的特征方程、量子力學的基本假設，從而使得MPCC課程自成體系。

第二，考慮礦物加工專業(yè)學生的工程應用背景，需要對理論與計算化學的基礎理論講解得盡量通俗易懂，強調基本結論和基本的物理圖像，淡化抽象的數(shù)理公式推導。

第三，為了增強學生的學習興趣，通過講解代表性的計算實例，強調增強同學們的學習興趣；為了讓學生真正掌握計算化學，強調計算化學的實用性，開設不小于10學時的上機實踐課程。

第四，對計算化學的各種方法的優(yōu)缺點以及適用范圍給出明確的界定，讓學生可以為感興趣的計算體系選擇合適有效的計算方法和計算參數(shù)。

四、礦物加工計算化學教學方法的變革

傳統(tǒng)教學方法以教師為中心，學生的主體性常常被忽略，不利于學生自主學習和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。MPCC由于其抽象性和理論性的特點，不能簡單地以老師講述為主，而應該在教學中采用靈活多樣的教學方法，通過啟發(fā)式、互動式和討論式等多種教學方法，引導學生課堂上積極思考，獨立解決問題，提高教學質量。

（一）操作實踐和基本原理相結合，增強學習效果

MPCC本身是一門理論性強、抽象概念多的交叉學科。把MPCC最新的研究成果以視頻、圖表的形式生動地貫穿到MPCC概念的講解中，形象具體的事例會強化學生的理解過程，可以起到事半功倍的效果。[3]

（二）知識傳授與方法指導相結合，重視學生主體，提升教學效果

MPCC是一門前沿交叉學科，理論方法體系在不斷地更新和完善。教學的任務不僅僅是讓學生“學會”，更重要的是要讓學生“愛學、會學”，掌握學習的方法，培養(yǎng)學生的科學思維方法和自主學習的能力，提升教學效果。

五、礦物加工計算化學教學模式的創(chuàng)新

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代來臨，翻轉課堂、微課、慕課等新興教學模式紛紛誕生。MPCC作為前沿交叉學科與新型教學模式具有天然的親和性，可以充分利用先進的信息技術手段進行MPCC教學模式的探索和創(chuàng)新，提高教學質量。[4]

（一）“學講”教學與微課教學相結合，提升MPCC課堂教學水平

“學講”學生主體為主，教師引導為輔，可以很好地培養(yǎng)學生自主學習能力、合作能力和創(chuàng)新能力。微課，作為新興的教育資源，具有交互性強、使用方便、主題突出等諸多優(yōu)點。將“學講”教學與微課教學有機結合，可以很好地提高MPCC課堂教學水平，提高學生學業(yè)水平。

（二）“上機”實踐教學與翻轉課堂教學相結合，提高MPCC“上機”教學質量

翻轉課堂實現(xiàn)了知識傳授和知識內化的顛倒。在課前完成完成傳統(tǒng)課堂中知識的傳授，知識和技能的內化則由原先課后做作業(yè)的活動轉移至課堂中的學習活動。將“上機”實踐教學與翻轉課堂教學相結合，可以讓同學們在課前就準備好相關的知識和技能儲備，在上機的課堂上有針對性地掌握學習的難點和重點，從而大大提高MPCC“上機”教學質量。

六、結束語

MPCC作為一門前沿交叉學科，可以幫助礦物加相關研究從宏觀走向微觀，從現(xiàn)象到本質，提高我們科研的深度和品位。我們相信通過優(yōu)化設計教學內容、變革教學方法、創(chuàng)新教學模式等策略進行課程建設的創(chuàng)新和探索，有望把MPCC打造成具有國際水平的研究生課程，助力中南大學礦物加工世界一流學科建設。

參考文獻：

[1]陳敏伯.計算化學：從理論化學到分子模擬[M].科學出版社，2009.

[2]中國科學院.中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·理論與計算化學[M].科學出版社，2016.

[3]呂輝鴻，代任艷.礦物加工工程專業(yè)物理化學教學研究與實踐[J].安微工業(yè)大學學報（社會科學版），2017，（01）：81-82.

[4]吳志鋐.十多年課程改之路：從探究課堂到翻轉課堂[J].上海教育科研，2014，（08）：5-6.