在化學(xué)類計(jì)算軟件教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

郭彥+李俊

摘 要 計(jì)算軟件在化學(xué)中的廣泛應(yīng)用與日俱增，將化學(xué)類計(jì)算軟件引入到本科高年級(jí)的教學(xué)中也正受到越來(lái)越多的關(guān)注。這類課程的設(shè)置不僅可以讓學(xué)生了解化學(xué)學(xué)科的前沿進(jìn)展和有用的科研工具，也為學(xué)生從事相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)及科研工作打下良好的基礎(chǔ)。在該門(mén)課程中，我們采用提問(wèn)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣；課堂練習(xí)緊密聯(lián)系實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為學(xué)生創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)的空間；同時(shí)采用小課題或小論文的考察方式，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞 化學(xué)計(jì)算軟件 Origin Chemoffice 自主學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Develop Student's Self-learning Ability in the Teaching

of Chemical Computational Software

GUO Yan， LI Jun

（College of Environmental Science and Engineering，

Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing， Jiangsu 21044）

Abstract With the widely increasing application of computing software in chemistry， introducing such chemical computational software into the teaching of senior undergraduate is receiving more and more attention. These courses can not only allow students to understand the progress of chemistry and useful research tool， but also lay a good foundation for students to engage in the corresponding experimental and research work. In this course， we use the question-teaching to stimulate the interest of students' self-learning. Class exercise is closely linked with the actual experiment result， to create a self-learning space. At the same time， using the examine ways of small issues or papers to develop students' self-learning ability.

Key words chemical computational software； Origin； Chemoffice； self-learning

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，硬件和軟件日新月異的更新，傳統(tǒng)的學(xué)科教學(xué)及科研已經(jīng)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)輔助的影子。當(dāng)前化學(xué)學(xué)科的研究已達(dá)到分子設(shè)計(jì)的水平，計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用也是與日俱增，特別是在深入研究化學(xué)基本理論方面顯示出了強(qiáng)大的作用?；瘜W(xué)化工專業(yè)的學(xué)生只學(xué)習(xí)一般的計(jì)算機(jī)技術(shù)知識(shí)顯然不足以跟上科技進(jìn)步的腳步，近年來(lái)國(guó)內(nèi)化工院?；?qū)I(yè)都或多或少開(kāi)設(shè)了計(jì)算機(jī)在化學(xué)化工中應(yīng)用方面的課程。①②

國(guó)內(nèi)以往的一些介紹計(jì)算機(jī)在化學(xué)或化工方面應(yīng)用的書(shū)籍，以介紹化工算法的居多，對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)不太適用。因而我們?cè)诨瘜W(xué)專業(yè)高年級(jí)的課程中開(kāi)設(shè)了化學(xué)類計(jì)算軟件課程，旨在給學(xué)生們介紹當(dāng)今計(jì)算軟件在化學(xué)化工中的應(yīng)用，并要求學(xué)生們能掌握具體軟件的操作要求。

在化學(xué)專業(yè)中引入計(jì)算機(jī)軟件的教學(xué)，不僅可以讓學(xué)生了解化學(xué)學(xué)科的前沿進(jìn)展和科研工具，而且有助于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

1 教學(xué)中采用提問(wèn)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣

化學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課和專業(yè)課的講授方式一般以講授為主，要分析原理、推導(dǎo)公式、并輔以一些習(xí)題?；瘜W(xué)類計(jì)算軟件這門(mén)課程不同于這些傳統(tǒng)的專業(yè)課程，這門(mén)課程以軟件應(yīng)用為主，本質(zhì)為實(shí)踐性教學(xué)課程，從教學(xué)內(nèi)容上通常分為理論講述和上機(jī)實(shí)習(xí)兩個(gè)環(huán)節(jié)。在設(shè)置這一課程時(shí)，出于鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)踐中開(kāi)展自主性、協(xié)作性和研究性學(xué)習(xí)的目的，將理論講述的部分調(diào)整至總學(xué)時(shí)的1/4，剩下的學(xué)時(shí)用于上機(jī)實(shí)習(xí)。③

在計(jì)算機(jī)化學(xué)的理論授課中，重點(diǎn)講解化學(xué)計(jì)算中常遇到的數(shù)學(xué)問(wèn)題，如最小二乘法，線性方程組的求解，函數(shù)插值及擬合算法等；簡(jiǎn)述化學(xué)學(xué)科中常用的數(shù)據(jù)處理或繪圖軟件，如Origin，ChemOffice，Matlab等。接下來(lái)學(xué)生們通過(guò)大量的上機(jī)實(shí)習(xí)，來(lái)熟悉軟件的基本操作，并能熟練應(yīng)用軟件。

授課中，我們改變以往的闡述型教學(xué)方式，以提問(wèn)式教學(xué)為主。以Chemoffice為例，這是一款強(qiáng)大的化學(xué)繪圖軟件，能過(guò)繪制各種復(fù)雜的分子式、化學(xué)方程式、二維空間結(jié)構(gòu)、分子的構(gòu)象結(jié)構(gòu)以及三維空間模型等。授課中，首先給學(xué)生們?yōu)g覽教師自己繪制的，或從文獻(xiàn)中看到的一些代表性的化學(xué)結(jié)構(gòu)或反應(yīng)流程圖片。接下來(lái)，提出問(wèn)題，如何繪制出自己需要的結(jié)構(gòu)式或反應(yīng)方程式，如何做出與文獻(xiàn)上看到相一致的模型圖片。高年級(jí)的本科生大部分已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)的課題研究或協(xié)助導(dǎo)師開(kāi)展輔助性研究，也觸及到文獻(xiàn)及論文寫(xiě)作方面的內(nèi)容，由于講課及提問(wèn)內(nèi)容和學(xué)生自己的論文內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性，激發(fā)了學(xué)生們自己探求軟件的興趣。

上機(jī)實(shí)習(xí)由提問(wèn)式講解和任務(wù)練習(xí)兩部分組成。我們以提問(wèn)的講授方式介紹計(jì)算機(jī)知識(shí)和化學(xué)學(xué)科內(nèi)容的結(jié)合，教會(huì)學(xué)生一些基本的操作命令。接下來(lái)提出問(wèn)題，如如何繪制葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)式，讓學(xué)生們當(dāng)堂完成。在整個(gè)上機(jī)實(shí)習(xí)中，我們的提問(wèn)由易至難，層層遞進(jìn)，逐步引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生們自主學(xué)習(xí)的興趣。還是以ChemOffice的教學(xué)為例，我們從簡(jiǎn)單分子結(jié)構(gòu)式的繪制開(kāi)始，過(guò)渡到立體結(jié)構(gòu)式的繪制，接下來(lái)生物分子結(jié)構(gòu)式的繪制，進(jìn)一步學(xué)習(xí)核磁共振譜圖的模擬，最后完成漂亮的三維結(jié)構(gòu)式的繪制。endprint

2 課堂練習(xí)緊密聯(lián)系實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)的空間

上機(jī)練習(xí)中，我們提出的問(wèn)題，布置的任務(wù)將緊密聯(lián)系實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。上機(jī)練習(xí)過(guò)程已經(jīng)不僅僅是學(xué)生們?cè)谟?jì)算機(jī)上完成一個(gè)或多個(gè)布置的任務(wù)，而是這些任務(wù)與學(xué)生自己的畢業(yè)課題或科研課題相結(jié)合。學(xué)生在完成這些問(wèn)題及任務(wù)的過(guò)程中，首先逐步建構(gòu)起計(jì)算化學(xué)軟件應(yīng)用的整體認(rèn)知性，接下來(lái)應(yīng)用在自身的實(shí)驗(yàn)或數(shù)據(jù)結(jié)果中，能夠起到很好的練習(xí)效果。在整個(gè)上機(jī)實(shí)習(xí)的過(guò)程中，打破了由教師教授內(nèi)容給學(xué)生的傳統(tǒng)方式，而是將教學(xué)內(nèi)容隱含在任務(wù)的背后，讓一項(xiàng)項(xiàng)的任務(wù)成為帶領(lǐng)學(xué)生了解、熟悉內(nèi)容的引線。④讓學(xué)生感到所練習(xí)任務(wù)內(nèi)容的新穎性和實(shí)用性，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。在這樣的上機(jī)實(shí)習(xí)過(guò)程中，教師從講授者、灌輸者變?yōu)橐龑?dǎo)者、組織者，從講臺(tái)上講解轉(zhuǎn)變?yōu)樽呦聛?lái)與學(xué)生交流討論，共同學(xué)習(xí)，為學(xué)生創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)的空間。

Origin軟件為一個(gè)多文檔界面的應(yīng)用程序，利用該軟件可以繪制散點(diǎn)圖、點(diǎn)線圖、柱狀圖、三維圖等，還可以對(duì)圖表進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，既有科學(xué)的準(zhǔn)確性又兼具審美性。⑤因而，該軟件也是化學(xué)學(xué)科中常用的繪圖軟件。在Origin軟件的課堂練習(xí)中，我們首先將Origin軟件的界面與基本操作演示給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生自己進(jìn)行探求，如，探索如何調(diào)整坐標(biāo)軸、怎么加入文字及圖例說(shuō)明，如何在簡(jiǎn)單的單層圖的基礎(chǔ)上繪制多層圖，最后激發(fā)學(xué)生去嘗試?yán)L制三維圖形。在學(xué)生自己探求的時(shí)候，以他們自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，學(xué)生對(duì)于將自己得到的數(shù)據(jù)處理成規(guī)律性的圖形具有積極的主觀能動(dòng)性。對(duì)于一些沒(méi)有獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或還沒(méi)有進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生，我們則提供以往實(shí)驗(yàn)課堂上的數(shù)據(jù)，如酸堿滴定實(shí)驗(yàn)中滴定劑與pH的數(shù)據(jù)，蔗糖燃燒熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。學(xué)生們因?yàn)槎甲鲞^(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，手繪過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，對(duì)于用Origin軟件處理出來(lái)的數(shù)據(jù)不陌生，但又有新鮮感，能夠起到很好的上機(jī)實(shí)習(xí)效果。

3 以小課題或小論文的考察方式，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力

良好的課堂效果離不開(kāi)編排合理的課堂練習(xí)以及恰如其分的考查方式。我們摒棄了傳統(tǒng)的考試這一考查方式，以結(jié)合學(xué)生自己課題或感想的小課題或小論文的方式對(duì)該門(mén)課程進(jìn)行考查?；瘜W(xué)類計(jì)算軟件的課程性質(zhì)，是以老師教授為輔，學(xué)生自己探索，自主學(xué)習(xí)為主。這種計(jì)算軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)意義上課堂上時(shí)間和空間的限制。并且，學(xué)生們可以在實(shí)際的學(xué)習(xí)或科研中靈活應(yīng)用，有較為豐富的應(yīng)用背景。最主要的，學(xué)生們可以根據(jù)自己的水平和需要自主選擇不同層次的軟件應(yīng)用。因而以公式、問(wèn)答等傳統(tǒng)的考核方式并不適用于這門(mén)課程。我們會(huì)給定課題范圍，比如Origin軟件的基本知識(shí)介紹和其在三角相圖繪制中的應(yīng)用；以fullerene分子三維圖形繪制為基礎(chǔ)的Chemoffice軟件在化學(xué)結(jié)構(gòu)繪制中的應(yīng)用；以三維等高線圖為例介紹Matlab繪制三維圖形的處理。這些小論文題目的給出，不僅與化學(xué)學(xué)科中的基本原理和基本應(yīng)用緊密聯(lián)系，同時(shí)，能夠讓學(xué)生們?cè)谑煜ぼ浖幕A(chǔ)上去探索軟件的一些高級(jí)應(yīng)用模式。

我們的考核也不僅僅局限于給出的課題范圍，更加鼓勵(lì)學(xué)生以自己的科研數(shù)據(jù)為主，舉例介紹這些軟件在他們歸納總結(jié)數(shù)據(jù)時(shí)起到的作用。這種不劃定界限，不給定課題的方式，更能鼓動(dòng)學(xué)生們，尤其是已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室研究的學(xué)生們對(duì)于軟件學(xué)習(xí)的熱情，達(dá)到自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)，進(jìn)而提高自身自主學(xué)習(xí)的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)軟件對(duì)化學(xué)學(xué)科的影響已經(jīng)是舉足輕重，因而很有必要在本科高年級(jí)階段引入該類課程。這類課程的設(shè)置不僅可以讓學(xué)生了解化學(xué)學(xué)科的前沿進(jìn)展和科研工具，為學(xué)生從事實(shí)驗(yàn)及科研工作打下良好的基礎(chǔ)，而且在課程的教授與考核中，有的放矢，幫助學(xué)生培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力。

注釋

① 張榮國(guó)，雷家珩，陳永煕.計(jì)算機(jī)輔助化學(xué)教學(xué)研究.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004.26：93-95.

② 黃正國(guó)，徐梅芳.對(duì)計(jì)算化學(xué)的涵義與課程開(kāi)設(shè)情況的調(diào)查.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2009.26：661-664.

③ 李建平.《計(jì)算機(jī)化學(xué)》課程教學(xué)方法改革的探索.湖北大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2005.24：65-74.

④ 何基生.大學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的內(nèi)涵、構(gòu)成及培養(yǎng).湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012.33：75-78.

⑤ 胡飛龍，羅志榮，朱榴榴.Origin在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.廣州化工，2011.39：121-123.endprint