礦物加工計(jì)算化學(xué)課程建設(shè)探索與創(chuàng)新

張晨陽 胡岳華 孫偉

摘要：理論與計(jì)算化學(xué)作為強(qiáng)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(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛，礦物加工計(jì)算化學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。基于礦物工程專業(yè)特色，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)礦物加工計(jì)算化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，變革教學(xué)方法，升級(jí)教學(xué)手段等策略進(jìn)行課程建設(shè)的創(chuàng)新和探索。

關(guān)鍵詞：礦物加工工程；礦物加工計(jì)算化學(xué)；課程建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）15-0095-02

隨著高性能計(jì)算的飛速發(fā)展，理論與計(jì)算化學(xué)在礦物加工、化工冶金、資源環(huán)境等領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛，成為強(qiáng)有力的研究工具。為了建設(shè)世界一流的礦物工程學(xué)科，進(jìn)一步推進(jìn)礦物加工科學(xué)與技術(shù)深入發(fā)展，中南大學(xué)礦物工程系順應(yīng)時(shí)代要求，開設(shè)了礦物加工計(jì)算化學(xué)（Mineral Processing Computational Chemistry，MPCC）研究生課程。基于礦物加工工程專業(yè)特色，我們根據(jù)該專業(yè)對(duì)理論與計(jì)算化學(xué)知識(shí)和方法的要求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)MPCC的教學(xué)內(nèi)容、變革教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)模式等策略進(jìn)行了課程建設(shè)的創(chuàng)新和探索。

一、理論與計(jì)算化學(xué)的內(nèi)涵

早期的化學(xué)研究主要依靠實(shí)驗(yàn)探索和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，被認(rèn)為是純粹的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。在化學(xué)科學(xué)的發(fā)展歷上，物理學(xué)的有利促進(jìn)使得化學(xué)走上了現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展道路。[1]

理論與計(jì)算化學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代化學(xué)不可或缺的組成部分，研究的深度和廣度都在不斷擴(kuò)大。從簡單模型體系到復(fù)雜實(shí)際體系，從靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)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(xué)科學(xué)進(jìn)入到了“實(shí)驗(yàn)方法、理論方法、計(jì)算方法”并重的新階段。理論與計(jì)算模擬方法在實(shí)際的能源材料、生命醫(yī)藥、資源環(huán)境、化工冶金等重要領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛深入，成為強(qiáng)有力乃至不可或缺的工具；能夠提供在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平上很難甚至無法得到的分子微觀結(jié)構(gòu)和變化過程的細(xì)節(jié)信息，如界面的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵的變化、能量以及電荷的遷移等。[2]

二、礦物加工計(jì)算化學(xué)的誕生

MPCC是理論與計(jì)算化學(xué)和資源加工學(xué)的交叉前沿學(xué)科，是運(yùn)用理論與計(jì)算化學(xué)相關(guān)的知識(shí)、方法和軟件，針對(duì)資源加工相關(guān)體系的特點(diǎn)，基于先進(jìn)實(shí)驗(yàn)表征建立的簡化計(jì)算模型，從原子—分子層面深入其宏觀現(xiàn)象的物理化學(xué)微觀本質(zhì)。MPCC包括選冶藥劑的計(jì)算篩選和優(yōu)化設(shè)計(jì)，高效選冶藥劑分子的結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系，礦物晶體和礦物表面的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)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(jī)理等。使用的理論與計(jì)算化學(xué)相關(guān)理論與方法包括：價(jià)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(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)、蒙特卡洛等。MPCC的研究內(nèi)容可概括如下。

（一）浮選藥劑分子設(shè)計(jì)

針對(duì)目的礦石的組成和分離要求，通過理論推導(dǎo)和計(jì)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(jié)構(gòu)或組成。浮選分子設(shè)計(jì)理論包括：浮選藥劑結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系、浮選藥劑極性基選擇、浮選藥劑非極性基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組裝設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。

（二）礦物晶體與表面計(jì)算模擬

理論分析與計(jì)算模型需要抓住資源加工研究體系的關(guān)鍵要素，考慮真實(shí)的礦物界面結(jié)構(gòu)（缺陷、位錯(cuò)、臺(tái)階、水化層等），抽象出更加合理的更加逼近真實(shí)的簡化物理模型。

（三）礦物浮選多尺度計(jì)算模擬

浮選是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)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(guān)物理化學(xué)微觀基礎(chǔ)機(jī)研究。

三、礦物加工計(jì)算化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計(jì)

理論與計(jì)算化學(xué)內(nèi)涵豐富，偏重理論方法及其算法實(shí)現(xiàn)。[2]MPCC則強(qiáng)調(diào)理論與計(jì)算化學(xué)相關(guān)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(yīng)用，希望其能夠深入地解釋實(shí)驗(yàn)，甚至能夠去預(yù)測(cè)和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。另外，MPCC只有32學(xué)時(shí)，不可能把理論與計(jì)算化學(xué)及其在資源加工體系的具體應(yīng)用講解得面面俱到，需要對(duì)其教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

第二，考慮礦物加工專業(yè)學(xué)生的工程應(yīng)用背景，需要對(duì)理論與計(jì)算化學(xué)的基礎(chǔ)理論講解得盡量通俗易懂，強(qiáng)調(diào)基本結(jié)論和基本的物理圖像，淡化抽象的數(shù)理公式推導(dǎo)。

第三，為了增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過講解代表性的計(jì)算實(shí)例，強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣；為了讓學(xué)生真正掌握計(jì)算化學(xué)，強(qiáng)調(diào)計(jì)算化學(xué)的實(shí)用性，開設(shè)不小于10學(xué)時(shí)的上機(jī)實(shí)踐課程。

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

四、礦物加工計(jì)算化學(xué)教學(xué)方法的變革

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

（一）操作實(shí)踐和基本原理相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果

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

（二）知識(shí)傳授與方法指導(dǎo)相結(jié)合，重視學(xué)生主體，提升教學(xué)效果

MPCC是一門前沿交叉學(xué)科，理論方法體系在不斷地更新和完善。教學(xué)的任務(wù)不僅僅是讓學(xué)生“學(xué)會(huì)”，更重要的是要讓學(xué)生“愛學(xué)、會(huì)學(xué)”，掌握學(xué)習(xí)的方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法和自主學(xué)習(xí)的能力，提升教學(xué)效果。

五、礦物加工計(jì)算化學(xué)教學(xué)模式的創(chuàng)新

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代來臨，翻轉(zhuǎn)課堂、微課、慕課等新興教學(xué)模式紛紛誕生。MPCC作為前沿交叉學(xué)科與新型教學(xué)模式具有天然的親和性，可以充分利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段進(jìn)行MPCC教學(xué)模式的探索和創(chuàng)新，提高教學(xué)質(zhì)量。[4]

（一）“學(xué)講”教學(xué)與微課教學(xué)相結(jié)合，提升MPCC課堂教學(xué)水平

“學(xué)講”學(xué)生主體為主，教師引導(dǎo)為輔，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)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(qiáng)、使用方便、主題突出等諸多優(yōu)點(diǎn)。將“學(xué)講”教學(xué)與微課教學(xué)有機(jī)結(jié)合，可以很好地提高M(jìn)PCC課堂教學(xué)水平，提高學(xué)生學(xué)業(yè)水平。

（二）“上機(jī)”實(shí)踐教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)相結(jié)合，提高M(jìn)PCC“上機(jī)”教學(xué)質(zhì)量

翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)現(xiàn)了知識(shí)傳授和知識(shí)內(nèi)化的顛倒。在課前完成完成傳統(tǒng)課堂中知識(shí)的傳授，知識(shí)和技能的內(nèi)化則由原先課后做作業(yè)的活動(dòng)轉(zhuǎn)移至課堂中的學(xué)習(xí)活動(dòng)。將“上機(jī)”實(shí)踐教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)相結(jié)合，可以讓同學(xué)們?cè)谡n前就準(zhǔn)備好相關(guān)的知識(shí)和技能儲(chǔ)備，在上機(jī)的課堂上有針對(duì)性地掌握學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，從而大大提高M(jìn)PCC“上機(jī)”教學(xué)質(zhì)量。

六、結(jié)束語

MPCC作為一門前沿交叉學(xué)科，可以幫助礦物加相關(guān)研究從宏觀走向微觀，從現(xiàn)象到本質(zhì)，提高我們科研的深度和品位。我們相信通過優(yōu)化設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、變革教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)模式等策略進(jìn)行課程建設(shè)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(xué)礦物加工世界一流學(xué)科建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳敏伯.計(jì)算化學(xué)：從理論化學(xué)到分子模擬[M].科學(xué)出版社，2009.

[2]中國科學(xué)院.中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·理論與計(jì)算化學(xué)[M].科學(xué)出版社，2016.

[3]呂輝鴻，代任艷.礦物加工工程專業(yè)物理化學(xué)教學(xué)研究與實(shí)踐[J].安微工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)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(zhuǎn)課堂[J].上海教育科研，2014，（08）：5-6.