“计算机在化学化工中的应用”课程教学探讨

徐杨书函，董强，高大明，李明华

（合肥学院能源材料与化工学院，安徽合肥230601）

随着现代科学技术的发展和计算机的广泛使用，各学科对计算机的依赖程度越来越高，化学化工领域也不例外。从实验数据的处理及拟合、模型参数的确定、非线性方程的求解到化工过程模拟，均离不开计算机的帮助，在这方面计算机主要发挥的是高速的数值计算功能；另一方面，我们还要利用计算机进行化工信息发布、各专业制图等一系列其他非计算性工作，同时还需利用计算机进行化工实用软件的开发。因此，许多高校为了培养化学化工专业学生在相关计算机软件应用方面的能力而开设了“计算机在化学化工中的应用”这门课程或类似课程，并把其作为化学化工本科生教育的一个重要组成部分。

传统的课程教学主要以课堂教学为主，由于缺乏实践教学，致使上课的效果较差，学生感到繁琐乏味，不愿意认真学习该门课程。如今，采用了理论与实践相结合的方式教授该门课程，学生可以在老师的指导下自主动手操作进行课程的学习与训练，这使得该课程更加生动有趣，学生也更愿意认真学习该门课程。

1 教学内容

“计算机在化学化工中的应用”这门课程旨在提高学生专业计算机的应用水平。合肥学院对于这门课程教授的主要内容包括Matlab编程基础及在化学化工中的应用、化学化工实验数据及模型参数拟合原理与方法、化学化工非线性方程及线性方程组求解、化工微分方程及偏微分方程数值求解、Office软件在化工中的应用、Origin在化学化工实验数据处理中的应用以及Chemoffice软件在化学化工中的应用。

针对Matlab编程基础及在化学化工中的应用这部分，我们主要的教学内容包括Matlab软件的基本简介（版本、安装和界面等）、Matlab在化学化工实验数据拟合及模型参数计算中的应用、Matlab在化学化工线性和非线性方程及方程组求解中的应用、Matlab求解化工常微分方程（组）和偏微分方程（组）以及Matlab在化学化工优化求解中的应用。对于Matlab在化学化工实验数据拟合及模型参数计算中的应用，我们主要教授polyfit拟合、regress多变量回归拟合和lsqcurvefit任意函数形式拟合。对于Matlab在化学化工线性和非线性方程及方程组求解中的应用，我们主要教授单变量方程求解、多变量方程求解和非线性方程组求解。对于Matlab在化学化工优化求解中的应用，我们主要教授线性规划求解和非线性规划求解。

针对化学化工实验数据及模型参数拟合原理与方法这部分，我们教授的内容主要包括单变量拟合、多变量曲线拟合与矛盾方程组的求解。其中对于单变量拟合和多变量拟合采用的拟合方法为最小二乘法。

针对化学化工非线性方程及线性方程组求解，对于非线性方程（组）我们主要教授实根的对分法、直接迭代法、松弛迭代法、韦格斯坦法、牛顿迭代法和割线法，对于线性方程组求解，我们主要采用高斯消去法。

针对化工微分方程及偏微分方程数值求解，我们主要教授常微分方程的求解，其中涉及的求解方法包括向前欧拉公式、梯形公式和龙格库塔方法。

针对Office软件在化工中的应用，我们主要教授Microsoft Word在化学化工论文及文献书写中的应用（主要包括公式及分子式的输入、三线表的制作和图文混排），Microsoft Excel在化工数据处理中的应用（主要包括Excel规划求解和回归分析）和Excel中的宏及其编程应用。

针对Origin在化学化工实验数据处理中的应用，我们主要教授Origin的基本操作、Origin的功能设置、多图层绘制和数据的拟合。

针对ChemOffice软件在化学化工中的应用，我们主要教授ChemOffice的基础知识、ChemDraw操作基础、利用ChemDraw绘制分子式和反应方程式等、ChemDraw的扩展功能、Chem3D操作基础、Chem3D模型的建立及操作、化学计算以及Chem3D综合实例。

2 教学方式

对于这门课的教学方式，我们主要采用理论与实践相结合的方式进行教学。本门课的理论教学部分主要是教师通过ppt课件讲授的方式以及随堂作业将书本上的理论知识传授给学生。理论课的教学内容主要包括Matlab编程基础及在化学化工中的应用、化学化工实验数据及模型参数拟合原理与方法、化学化工非线性方程及线性方程组求解和化工微分方程及偏微分方程数值求解。这部分的知识理论性较强，因此主要是通过课堂讲授和课后作业的形式来实现学生对知识点的学习。这门课的实践教学部分主要包括Office软件在化工中的应用、Origin在化学化工实验数据处理中的应用以及Chemoffice软件在化学化工中的应用。这三个章节的内容主要是一些化学化工软件的应用操作，因此更适合采用实践教学的方法来进行。实践教学方式的实现主要是通过在微机房中进行教学来完成，在机房中教师首先通过计算机的实际操作来演示相关软件的具体使用，随后学生自己在计算机中亲自操作相关软件进行练习，从而达到巩固学习的效果。

3 考核方式

合肥学院对于学生在“计算机在化学化工中的应用”这门课程上采取N+2的考核形式。“2”为上机作业（10%）与模块考试成绩（50%），“N”为3次过程考核成绩（40%）。过程考核包括3次论文报告，分别为专利Patent及专利检索（10%），化工软件应用实例报告Origin（15%）以及化工软件应用实例报告Chemoffice或者化工项目工程分析Simsci Pro II（15%）。从考核方式中可以看出，学生的最终成绩不仅与其最终的期末考试成绩息息相关，而且对于学生的平时成绩也有较高的要求，学生只有平时上课认真听讲并按时完成作业，再加上在最后期末考试中取得好成绩，才能获得较好的总评成绩。这种考核方式很好地避免了学生“临时抱佛脚”和考前突击取得好成绩的情况，从而可以让学生真正地掌握该课程的学习，使他们对该课程的内容牢记于心。

4 结束语

该课程属于化学工程与工艺专业必学模块，也是其他化工类专业重要的相关模块，基本内容包括实验数据及模型参数的拟合方法、非线性方程-线性方程的求解等，Office、Origin、ChemOffice等软件在化学化工中的实际使用，以及Simsci Pro II等软件在化工过程模拟中的运用等，需要学生具有一定的计算机应用基础知识与工程数学知识。该课程需要的先修内容包括有机化学、物理化学、分析化学、化工原理、高级汇编语言、工程应用数学等。本课程为Auto CAD、Aspen Plus、化工专业实验、化工设计及毕业设计等后续专业课程学习提供了工具性知识。该课程旨在提高学生利用计算机处理化工专业知识的水平，培养学生利用计算机处理实验数据、绘图及模型参数的能力，以及办公、文字处理等操作能力。要求学生运用现代计算机和信息技术，迅速、准确地获取各种信息，并且能充分发挥其辅助工具的作用，推动自身工作的开展。

通过该课程的学习使学生能使用Office、Origin等软件，完成论文的编辑、化工信息的多媒体发布及绘制工艺流程图等，学会如何利用计算机高速精确的计算功能解决化工实验数据处理、模型参数计算方法及过程模拟的能力，能够运用计算机辅助软件设计、绘制和分析复杂化学工程的解决方案，对其进行预测、模拟和分析结果。针对计算机在化学化工中应用问题，能确定自主学习的目标与内容，充分发挥计算机辅助工具的作用，推动自身工作的开展。