化學相關(guān)軟件在儀器分析教學中的應(yīng)用研究

費旭 王秀英 田晶 徐龍權(quán) 于玲 寇自農(nóng)

摘要：化學軟件是化學相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者重要的科研工具，其在化學結(jié)構(gòu)式的繪制、反應(yīng)裝置的設(shè)計、數(shù)據(jù)分析處理及譜圖解析等方面具有舉足輕重的作用。將化學軟件和儀器分析教學相結(jié)合，即將化學軟件應(yīng)用于教學課件的制作、科研論文的撰寫和科研結(jié)果的解析等方面，不僅能使學生對儀器分析結(jié)果有直觀的印象，還將拓寬學生的分析視野，提高學生的綜合分析能力，使學生能夠做到合理繪圖、有效分析。

關(guān)鍵詞：化學軟件；儀器分析；化學結(jié)構(gòu)

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）51-0275-02

儀器分析近年來發(fā)展迅猛，新方法、新技術(shù)、新儀器的不斷出現(xiàn)，使其在生產(chǎn)和科學技術(shù)各領(lǐng)域都備受關(guān)注。儀器分析法吸收了當代科學技術(shù)的最新成就，是化學、物理學、電子學等多種學科相互滲透的產(chǎn)物。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器分析已經(jīng)成為分析化學的主體學科，并且正向著更高的靈敏度、選擇性和準確度，更高的自動化和智能化，以及更快的分析速度方向發(fā)展。

計算機的發(fā)展衍生了各種化學軟件，這對儀器分析數(shù)據(jù)結(jié)果的歸納、計算和分析起到了極大的幫助作用。從分子模擬、分子式繪制到數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以及最后的譜圖曲線的繪制，化學軟件的作用覆蓋了整個分析過程。對廣大科研工作者來說，它就是第二個大腦。現(xiàn)在的軟件工具越來越專業(yè)，如繪制分子式的Chemoffice[1，2]，表示晶體結(jié)構(gòu)式的Diamond[3]，繪制曲線譜圖的Origin[4，5]，繪制器件圖形的SolidWorks[6]、晶體結(jié)構(gòu)解析的Jade等軟件都為人們所廣泛應(yīng)用。這些軟件對于我們進行材料合成設(shè)計、分析及材料加工都具有非常重要的幫助和指導意義。通過近年來對我校在讀的本科生、研究生軟件應(yīng)用情況的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)人對這些化學軟件的了解很少，能熟練使用的就更少。究其原因，主要在于沒有開設(shè)相關(guān)的軟件應(yīng)用的課程，學生沒有獲悉的有利渠道，使得這些功能強大的軟件沒有被學生所接受和利用，這無疑是損失了對于分析測試非常有用的工具。因此，今天的儀器分析教學，應(yīng)該在教授學生相關(guān)專業(yè)分析儀器的同時，普及一些應(yīng)用范圍廣、用法簡單的基本化學軟件。將一個專業(yè)的軟件平臺提供給學生，為他們的學習和科研服務(wù)，進而提高他們的科研能力。不僅于此，將化學軟件引入到課堂中還能夠教導學生主動去尋找一切對于學習和工作有利的科學資源，這種能力的培養(yǎng)能夠讓學生受益終生，這無疑也是高校教師開展教學研究的重要意義所在[7]。

一、常用化學軟件歸類總結(jié)

1.化學結(jié)構(gòu)式繪制軟件。常用的化學結(jié)構(gòu)式繪制軟件包括Chemoffice、ChemWindow、ISIS Draw等。其中Chemoffice還包括ChemDraw、Chem3D、ChemFinder等三種功能軟件。ChemDraw是目前世界上最受歡迎的化學結(jié)構(gòu)式繪制軟件，其結(jié)構(gòu)繪圖滿足國內(nèi)外大部分期刊的格式要求，被化學相關(guān)的科研工作者廣泛應(yīng)用。ChemDraw用于繪制二維的分子結(jié)構(gòu)式，Chem3D則用于繪制三維的分子結(jié)構(gòu)，并且兩者可協(xié)同工作，將二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為三維結(jié)構(gòu)圖（如圖1）[8]。并且ChemDraw還有模擬分子核磁氫譜和碳譜的功能，對核磁譜圖的分析起到了幫助作用。還可以繪制反應(yīng)裝置、薄層色譜圖和將化學名稱直接轉(zhuǎn)化成分子結(jié)構(gòu)式等許多功能[9]。

2.數(shù)據(jù)處理及繪圖軟件。常用的數(shù)據(jù)處理軟件有Origin、SigmaPlot等，應(yīng)用最廣的當屬Origin軟件。Origin是美國OriginLab公司開發(fā)的圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件，是科研人員最常用的高級數(shù)據(jù)分析和制圖工具。Origin的兩大主要功能：數(shù)據(jù)分析和繪圖。Origin的數(shù)據(jù)分析主要包括統(tǒng)計、信號處理、圖像處理、峰值分析和曲線擬合等各種完善的數(shù)學分析功能。將數(shù)據(jù)準備好，進行數(shù)據(jù)分析時，只需選擇所要分析的數(shù)據(jù)，然后再選擇相應(yīng)的菜單命令即可。Origin的繪圖是基于圖形模板的，其中Origin本身提供了幾十種二維和三維繪圖模板，同時允許用戶自己定制模板。繪圖時，只要選擇所需要的模板即可。它強大的數(shù)據(jù)處理功能，為科研工作者所公認，是一款常用的基礎(chǔ)軟件。

二、軟件使用方法的教授

我們采用了課堂講授并實際演示的方法，把化學軟件的用途和基本應(yīng)用方法教給學生，并讓學生根據(jù)儀器分析實驗課上實際測得的結(jié)果應(yīng)用化學軟件進行分子式的繪制和曲線的制作。把分子結(jié)構(gòu)和譜圖分析結(jié)合起來給出最終的分析結(jié)果，最后根據(jù)譜圖制作的合理性、美觀性來進行評分。并鼓勵學生多參考相關(guān)領(lǐng)域高檔次論文圖表的制作方法，使他們將儀器分析數(shù)據(jù)處理應(yīng)用到實際的科研當中。對于學生科學探究能力的培養(yǎng)要按“循序漸進，逐漸培養(yǎng)”的原則[10，11]。

三、軟件應(yīng)用情況調(diào)查

本項研究的實施范圍為我校材料化學、食品質(zhì)量與安全、生物技術(shù)、化學工程與工藝、高分子專業(yè)本科生，食品、農(nóng)產(chǎn)品加工、造紙、糧食油脂、應(yīng)用化學、環(huán)境工程、生物化工、環(huán)境科學等專業(yè)碩士研究生，受教學生人數(shù)約為350人/年。在學生當中收集反饋信息，調(diào)查了解對所教授軟件的掌握和運用情況，鼓勵學生進行各種軟件的應(yīng)用嘗試，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。我們在材料化學和化學工程與工藝兩個專業(yè)進行檢索方法掌握和運用情況調(diào)查，在學生大三和研究生一年級時進行教授，在學生大四或研三做畢業(yè)論文時進行分類收集，調(diào)查得到100%的學生能夠運用所教授的化學軟件來進行數(shù)據(jù)處理及分子式的繪制，并且全部應(yīng)用到了自己的畢業(yè)論文和發(fā)表文章當中，學生普遍認為對自己的畢業(yè)論文的完成起到很重要的作用，尤其在結(jié)果的分析和討論方面，運用Origin繪制的曲線、譜圖能將實驗數(shù)據(jù)進行處理，有助于結(jié)果的合理分析。同時根據(jù)調(diào)查得到的反饋信息，對教學方式、方法進行調(diào)整和改進，總結(jié)出更能被同學接受的方法和模式。

四、研究的意義

提高學生的分析應(yīng)用能力，在教學實踐過程中使學生掌握利用化學軟件來解決實際的科研問題，并且通過相關(guān)軟件對數(shù)據(jù)的分析對學生起到重要的幫助作用。能夠最大化地利用現(xiàn)有的軟件資源，使學生的科研分析能力等到相應(yīng)的提高。同時能夠提高學生對科學的研究熱情和自信。使教學內(nèi)容與最新科技相結(jié)合，并可以通過實際分析應(yīng)用來指導教學，使學生所學更加有的放矢。

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基金項目：大連工業(yè)大學教改項目（項目編號：JGLX1278）

通信作者：田晶（1966-），女，吉林四平人，博士，教授，主要從事儀器分析教學及科研。Email：tianjing@dlpu.edu.cn