《计算机化学》课程教学改革研究

金鹿 潘乐 杨青青

【摘 要】本文针对新疆农业大学应用化学专业的特点，阐述开设《计算机化学》课程的总体思路及其课程改革，介绍该课程教学实践的主要内容，探讨新的教学方法和考核方式。课程的教学目的是激发学生学习兴趣，提升运用计算机解决化学与化工领域问题的能力。

【关键词】计算机化学；应用化学；教学研究

中图分类号： O6-4 文献标识码： A 文章编号： 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世紀是信息技术快速发展的时代。计算机的飞速发展必然会带动相关课程设置和课程教学的改革。在此背景下，《计算机化学》课程必然会纳入化学和化工专业课程设置的教学内容[1-3]。计算机与化学的结合是科学发展的必然趋势。如今，无论实验数据分析与处理、科学制图、计算仿真模拟、专业信息情报检索与管理，还是大数据分析等都离不开计算机来完成。

新疆农业大学是一所农业科学为优势和特色的高等院校。其前身是1952年成立的八一农学院。在新疆农业大学化工学院应用化学专业培养方案中，《计算机化学》这门课程在实验实践课程中作为应用化学专业学生的选修课程（34学时），旨在培养高素质的应用化学人才，希望能拓展学生的基础知识，优化学生的知识结构，提高学生计算机应用水平，为将来继续深造或工作提供扎实的基础。一般地，《计算机化学》教学内容包括数值计算部分、数据分析处理、计算化学与化工流程模拟、化学信息学和化学化工制图等内容构成[1-2]。基于我校培养方案和学生特点，本课程侧重于计算机的实用能力培养。本课程内容的学科交叉程度大，涉及知识范围较广，学习难度较大，对于应用化学专业的学生而言具有一定难度。因此，合理设置本课程教学内容以及教学模式显得尤为重要。通过调研和长期教学实践，形成了以下一些教学改革思路。

1 课程任务的调整

虽然应用化学专业学生在大学一年级阶段学习过计算机应用基础课程，包括python语言和C语言等有关计算机知识，但在实际的实验数据处理（比如物理化学实验和化工原理实验的数据处理）中仍旧使用坐标纸手绘处理。手工作图不仅费时，精度低，而且在以后的论文写作中也达不到发表要求。这样的问题主要出现于计算机教学课程与数值计算脱节，并且还需要与实际的实验数据分析方法进一步结合。此外，通过对学生调研，发现他们有部分同学在毕业论文综述以及毕业论文撰写过程中，不能很好地利用完善的数据库系统查找和引用文献，也对绘制专业化学分子图或化工流程图等方面存在难度。化工原理及化工原理实验是应化专业的必修课程，在化工原理实验报告中通常需要绘制设备及流程图，因此需要学生掌握相应化工制图软件的使用。本课程建设任务是让应用化学专业学生在全面了解计算机在化学化工中应用的历史、现状与发展趋势的基础上，掌握更多实用的计算机软件使用和解决一些具体的实际问题。

2 教学内容的改革

《计算机化学》是实践性很强的课程，集知识性和技能性于一体，综合程度高，涉及面广。本课程按照教学计划分为理论讲述和上机实习两个环节，每个环节分配总学时的一半。课程改革前，主要以讲述数值计算和Fortran编程语言为主；课程改革后，突出了课程的实用性及前沿性。依据学校培养实用型人才的定位和学科发展方向，以及广泛征求学生意见的基础上，有选择性地设计本课程的主要内容，自行编写讲义以方便学生预习和复习，从而更好地掌握本课程。因而将课程教学内容改革为3个教学模块，即数值分析与数据处理，化学与化工制图，数据库使用与文献检索。在重点介绍化学化工软件的同时适量讲解数值计算原理，如线性方程组的求解、数据插值、非线性方程求解、常微分方程的数值解以及拟合算法等；增加数据库和文献查阅等相关内容。教学中不仅对目前流行的软件（如MATLAB、Origin、Chemoffice、AutoCAD、Endnote等）的基本使用进行介绍，而且通过案例分析来解决一些化学和化工中的实际问题。课程中所选案例都是物理化学实验、化工实验和化工设计中的实例。

本课程主要设计如下章节：

绪论：通过介绍计算机在化学化工中应用概况及其取得的成就，使学生了解本课程的学习内容，激发学生的学习兴趣。安排2个学时

第一教学模块内容：数值分析与数据处理

本教学模块分为两章内容进行教学：常用数值计算方法和实验数据的图形化处理。安排12个学时。

第一章：常用的数值计算方法。本章简要介绍使用MATLAB软件解决化学化工中的数值计算问题[4]。依次介绍实验数据拟合方法、非线性方程求解、线性方程组的求解、常微分方程数值解及数据插值方法。目前在计算机化学课程中，采用Fortran、C/C++、Visual Basic （VB）等程序作为教学内容较多。MATLAB作为数值计算具有一定的优势，首先它的算法齐全和内置函数丰富，其次最重要的是图形可视化功能强大。在化工模拟中，MATLAB程序不仅可以应用于工厂物料衡算和能量衡算，而且更为重要的是还可以开发一些特定反应器模型的计算程序模块供其他通用商业软件调用。

第二章：实验数据的图形化处理。本章主要介绍专业数据处理软件Origin的使用和相应案例分析[5]。Origin软件功能强大，不仅可以绘制常见的点线图、直方图、散饼图，二维/三维等高图，还内置一些函数，可以进行简单的数据拟合和分析。Origin软件是实验数据处理和科研论文作图常用软件。因而学习此软件，不仅能够对实验课程中涉及到的数据进行处理，而且在毕业设计中采用此软件进行数据分析和作图也很重要。为了让学生更容易理解实验数据处理的方法和过程，本章课程中所选的实例及布置的作业均为物理化学实验和化工原理实验中开设的实验，比如蒸气压测定、表面张力测定、二元气液相图、蔗糖水解、燃烧热测定、精馏过程和流体流动实验等。

第二教学模块内容：化学与化工制图

本教学模块也分为两章内容进行教学：化学中的图形显示与绘制和化工流程制图。安排10个学时

第三章：化学中的图形显示与绘制。本章主要介绍ChemOffice软件的使用[6]。在学生写畢业论文或科研论文时，总会遇到有机化学结构式和反应装置示意图的绘制，并且有时还会提供三维晶体结构图形，这就需要通过ChemOffice软件来完成。ChemOffice集强大的应用功能于一身，是最优秀的化学软件之一。Chemoffice软件主要包含二维图形绘制软件（Chemdraw）和三维图形绘制与显示软件（Chem3D）。通过Chemdraw，能够比较容易绘制化学结构式、方程式及反应装置图。此外它还有其他功能，如预测化合物核磁数据、命名化合物、分子量及其他性质。而Chem3D，可以构建分子的三维立体图形，直观显示分子的结构参数，并且还可以分析化学反应中的位阻效应。此外通过晶体数据结果，也可以显示晶体衍射得到的结构，形成球棍模型图。

第四章：化工制图。本章主要介绍AutoCAD的应用[7]。新疆农业大学应用化学专业目前还未开设与化工制图相关的课程。在化工原理实验报告、化工课程设计、以及将来的工作中难免会涉及到化工制图，如化工工艺图、设备布置图、管道布置图及设备装配图等。化工CAD是一门实用型极强的课程，所用软件需要采用较新的通用CAD设计软件。其中，AutoCAD就是用户广泛和比较成熟的软件之一。，由于化工设计过程的特点，需要繁琐的运算和调整某些参数，使得设计费时，还易出错。因而传统的手工制图已经不能够快速适应化工生产和设计。化工CAD特点就是强调为化工设计服务，提高化工设计质量，缩短周期。教学中将化工知识与CAD制图理论相结合，采用案例式教学方式，比如列管式换热器的CAD设计，精馏塔CAD设计等内容，使学生能够快速掌握基础知识和设计技能。

第三教学模块内容：数据库使用与文献检索

本教学模块也分为两章进行教学：化学数据库介绍和文献检索。安排10个学时。

第五章：化学数据库。本章主要介绍目前常用的数据库。目前国内外有多个常用化学数据库。国内主要介绍中国知网和万方数据库。国外的主要介绍美国化学会（ACS）、英国皇家学会（RSC）、德国Wiley和爱思唯尔（Elsevier）。此外还介绍剑桥结构数据库（CSD）和蛋白质数据库（RSCB）。通过这些数据库的介绍，使学生能够了解每个数据库包含的一些主流期刊杂志、期刊影响力和论文收录的研究方向，为以后论文发表选择合适杂志有所帮助。

第六章：文献检索。本章主要介绍文献检索方法和文献管理软件EndNote的使用[8]。在前面数据库的基础上，通过举例讲解通过什么途径和方法从浩瀚的数据库中获得自己需要的文献资料、怎样通过关键字检索获得想要的资料，以及怎样提供一个好的关键字等教学内容，使学生能够快速和高效地获取相应信息。Endnote是Thomson公司的产品，是当前流行的文献管理软件。其中内置检索引擎，能够将不同来源的文献下载到本地，建立相应文献库，然后可以通过Word直接嵌入相应参考文献。通过文献管理，不仅可以有条理地收集和管理文献，而且还能高效进行阅读和学习文献，也能快速在写作中插入文献。因而此软件的熟练使用能够让科研和学习起到事半功倍的作用。

3 教学方法的改革

相比于其他化学基础课程和相应实验课程（无机化学及无机化学实验、有机化学及有机化学实验、分析化学及分析化学实验、物理化学与物理化学实验、化工原理及化工原理实验），本课程重点强调化学化工相关软件的应用。所以上机练习课显得格外的重要。为克服传统PPT和板书静态表达的缺点，本课程所有课时都在机房内进行，采取三步教学流程。第一步：采用边演示边讲授的方式，动态地向学生展示软件的使用，布置实践课需要完成的任务；第二步：学生上机实践练习，通过不断的练习，加深对软件的理解和应用，并独立完成布置的任务，巩固本次课程所学内容，并培养综合应用能力。第三步：布置课后综合实验任务，将学生分成4人一组，通过这种团队合作方式，增加学生互动和讨论，培养学生团队协作能力，并进一步提高学生综合应用所学知识的能力。此外，还提供一些拓展练习。这部分内容，通过专业录屏软件将课程内容制作成在线课程，提供给学生课后拓展学习。通过这种线上和线下教学模式，让学生对本课程的内容掌握得更牢固。

4 考核方法的改革

课程成绩评定是检验学生掌握课程程度的办法，也是对学习成果的总结。为防止同学们平时对上课和上机环节不重视，考前突击复习以取得高分的做法。充分提高学生对本课程的重视，激发学生主动学习的积极性，达到教学目的和效果，本课程采用过程评价考核和期末考核相结合的方式，做到各個教学环节在课程成绩里都占有一定的比例，敦促学生认真完成每一个阶段的学习任务。最终课程成绩由平时成绩、上机操作成绩和期末考核成绩共同组成。其中平时成绩占30%，上机操作占30%，期末考试占40%。平时成绩包括上课出勤、课堂表现以及课后作业等；上机成绩为每次上机实验报告的平均成绩；期末考试成绩由期末闭卷考试成绩组成。

5 结语

随着计算机技术突飞猛进的发展，计算机已经渗透到化学化工的各个领域。为了使学生更好地掌握计算机在化学中的应用，提高学生解决实际生产过程中的问题的能力和科学研究能力，我们对《计算机化学》课程的教学内容和教学方式进行了分析和探讨，为进一步进行更加细致和深入的改革，促进教学奠定基础。本次《计算机化学》的教学课程改革体现出教学内容更加实用化，教学方式更加规范化，考核方式更加合理化。

【参考文献】

[1]张常群，焉红，郭广生，吕志.《计算化学》[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]方利国.《计算机在化学化工中的应用》[M].北京：化学工业出版社，2017.

[3]牛永平，张军凯，汪小伟.《计算机在化学化工中的应用》课程的教学改革与探索[J].广州化工，2014，42（15），270-271.

[4]黄华江.实用化工计算机模拟[M].北京：化学工业出版社，2004.

[5]樊玲，尚贞锋，武丽艳.Origin软件在物理化学实验中的应用[J].大学化学，2011，26（2），41-44.

[6]黄桂梅.浅谈Chemoffice软件在化学化工文献检索课程中的应用[J].广州化工，2017，45（4），119-121.

[7]黄国波，董敏丽，金海英.《化工CAD》课程教学改革探索[J].广州化工，2010，38（2），212-214.

[8]王路，张思琪，程翠林，赵海田.Endnote软件教学优化高校学生论文撰写过程中的文献管理水平[J].黑龙江教育学院学报，2014，33（1），59-60.