《計算機(jī)在化學(xué)化工中的應(yīng)用》課程教學(xué)實踐＊

周凌云 王 艷 冷艷麗

（1.貴州民族大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省龍里中學(xué)，貴州 黔南布依族苗族自治州 551200）

《計算機(jī)在化學(xué)化工中的應(yīng)用》作為化學(xué)化工類專業(yè)學(xué)生的必修課或選修課，近年來許多國內(nèi)高校對這門課程的教學(xué)進(jìn)行了實踐和改革[1-6]。然而，在課程的建設(shè)過程中還存在一些共性問題。大多論文列出了具體的軟件和教學(xué)目標(biāo)，但并未展示教學(xué)過程中該如何通過詳細(xì)的教學(xué)實例達(dá)到該目標(biāo)。尤其是針對基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生，教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)方法和考核模式都有待優(yōu)化。本文結(jié)合筆者所在學(xué)校的實際情況以及個人從事科學(xué)研究的實踐和經(jīng)驗，對這門課程的教學(xué)內(nèi)容、課程實例、教學(xué)方法和考核模式方面進(jìn)行了一系列的實踐。課程形成了一定的特色，本文對此進(jìn)行了梳理和總結(jié)。

一、軟件的擇優(yōu)選擇

開設(shè)這門課程旨在讓化學(xué)化工類專業(yè)的學(xué)生掌握常見相關(guān)軟件的使用，并能夠?qū)⑵溥\(yùn)用于解決實際問題，最終為畢業(yè)論文的設(shè)計、就業(yè)、工作或科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。隨著琳瑯滿目的實用軟件相繼出現(xiàn)，為合適教學(xué)軟件的選擇提出了難題。例如，關(guān)于化學(xué)結(jié)構(gòu)式繪制的軟件有ChemWindow、ChemSketch、ISIS/Draw、Chemdraw、KingDraw 等；關(guān)于科學(xué)數(shù)據(jù)計算、分析和統(tǒng)計的軟件有Microsoft Excel、Origin、Matlab、Spss、DesignExperte 等；關(guān)于化工流程模擬的軟件有Aspen Plus、PRO/II、Hysys、ProMax 等；關(guān)于化學(xué)化工作圖的軟件有AutoCAD、Visior、Cup tower、PDSoft 等；其它畫圖軟件Photoshop、3Dmax、Microsoft PPT 等； 關(guān)于理論模擬的軟件有Gaussian、GAMESS、VASP、Chem3D。

軟件的選擇決定了這門課程的教學(xué)內(nèi)容。然而，針對這門課程，選擇哪幾種軟件作為授課的主要內(nèi)容，到目前為止沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。不同的學(xué)校，使用的軟件存在差異。例如，天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院的卞?；圻x擇了Microsoft Word、Microsoft PPT、Origin、ChemDraw、

AutoCAD、Photoshop、3dsMax、Matlab、Gaussian、NAMD[7]。這門課程的課時一般為32 學(xué)時。許多專業(yè)相關(guān)的軟件操作繁瑣、流程復(fù)雜，且大多都是純英文界面。針對基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生，想要在有限的學(xué)時內(nèi)學(xué)習(xí)并會使用3個甚至更多軟件，十分困難。教師教授的種類越多，學(xué)生掌握的情況越不理想。更何況有些學(xué)生在上完本門課后很少使用相關(guān)軟件，很快就會將課程內(nèi)容遺忘。因此，合適軟件的選擇十分重要，只要達(dá)到教學(xué)目的，相似的軟件，應(yīng)選擇一款操作相對簡單，且更容易被記住的即可。

筆者所在學(xué)校為西南地區(qū)的普通高校，學(xué)生的基礎(chǔ)相對薄弱，尤其是還有專升本的學(xué)生。針對這樣的情況，筆者認(rèn)為這門課程教授的內(nèi)容不宜過多，且選擇的軟件是比較流行或?qū)W生使用過但對其許多功能又不熟悉的。對于化學(xué)化工類專業(yè)的學(xué)生，可以使用軟件解決以下四個方面的問題即可：（1）化學(xué)結(jié)構(gòu)、常用儀器的繪制和分子模擬，（2）數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和歸類，（3）簡單美觀圖形的繪制，（4）內(nèi)容排版。目前的教改論文顯示Chemoffice、Origin 以及Microsoft Office 這三款軟件及其組件特別受歡迎，且能夠滿足我們學(xué)院對該門課程的教學(xué)需求。因此，在選擇這三款軟件的基礎(chǔ)上，筆者對每款軟件的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精心的規(guī)劃和設(shè)計。

二、合理設(shè)計和規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容

1．ChemOffice 的教學(xué)內(nèi)容

ChemOffice 是由英國的CambridgeSoft Corporation 開發(fā)的綜合性科學(xué)應(yīng)用軟件包，是眾多集成化軟件中的一種，主要集成了化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖ChemDraw，分子模型及仿真Chem3D，化學(xué)信息搜尋整合系統(tǒng)等軟件ChemFinder 等。ChemOffice 也是化學(xué)化工教學(xué)和科學(xué)研究中被廣泛使用的軟件。ChemDraw 和Chem3D 兩個組件繪制的內(nèi)容不僅能與Microsoft Office 等軟件完美兼容，還有國內(nèi)外許多高檔次的論文期刊專門為其指定文件格式用來投稿。因此，這兩個組件的內(nèi)容是本門課程的教學(xué)重點(diǎn)之一。

ChemDraw 的教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃和設(shè)計如下：（1）模板工具的介紹；（2）有機(jī)分子化合物單雙三鍵、環(huán)狀、鏈狀、芳香烴等的繪制；（3）文字編輯功能的介紹；（4）反應(yīng)方程式的繪制；（5）軌道圖形的繪制；（6）反應(yīng)實驗裝置設(shè)備的繪制；（7）分子結(jié)構(gòu)的核磁共振；（8）其它擴(kuò)展功能。Chem3D 的教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃和設(shè)計如下：（1）從ChemDraw中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)到Chem3D；（2）分子結(jié)構(gòu)顯示模式的設(shè)置等；（3）分子軌道和電荷的計算及顯示；（4）分子的優(yōu)化和動力學(xué)模擬；（5）變更分子二面角查找其構(gòu)象空間；（6）其它擴(kuò)展功能。

ChemDraw 和Chem3D 教學(xué)內(nèi)容的實際例子，在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步做了優(yōu)化和設(shè)計。不僅會選擇經(jīng)典的海膽霉菌素分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制，還會選擇一些人們?nèi)粘Ｉ钪斜容^熟悉的分子如葡萄糖、乳糖、阿莫西林、蛋白質(zhì)分子等。此外，還會將筆者部分已發(fā)表文章上的結(jié)構(gòu)、軌道或原子排布示意圖作為教學(xué)素材。值得一提的是，這類素材的選取可以更加直觀地讓同學(xué)們了解學(xué)習(xí)此類軟件的用途和意義。

2．Origin 的教學(xué)內(nèi)容

Origin 是由美國的OriginLab 公司開發(fā)的一個科學(xué)繪圖、數(shù)據(jù)分析軟件。這款軟件簡單易學(xué)且功能十分強(qiáng)大，支持各種各樣的2D/3D 圖形的繪畫，支持?jǐn)?shù)據(jù)分析和曲線擬合等。Origin 教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃和設(shè)計如下：（1）曲線、直線圖的繪制；（2）反應(yīng)能壘圖的繪制；（3）線性擬合和數(shù)據(jù)分析；（4）多圖形的組合；（5）科技論文作圖技巧。Origin 作圖數(shù)據(jù)來源于Chem3D 教學(xué)中的分子動力學(xué)模擬。

3．Microsoft Office 教學(xué)內(nèi)容

Microsoft Office 是所有軟件中大家相對比較熟悉的軟件之一，但該軟件的許多功能還未被完全發(fā)掘，尤其是利用Microsoft PPT 畫精美圖形的功能往往會被忽視掉。相比于Photoshop、3dsMax 等這類專業(yè)的作圖軟件，Microsoft PPT操作簡單、使用簡便，更容易被同學(xué)們掌握。因此，利用Microsoft PPT 作圖是該部分主要講解的內(nèi)容之一。另外，當(dāng)前，許多重要的國家級申請項目的答辯都采取了提交視頻的方式進(jìn)行。筆者曾參與了長江學(xué)者獎勵計劃、國家杰出青年科學(xué)基金以及國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金答辯視頻的制作，發(fā)現(xiàn)該類視頻是利用Microsoft PPT 里面的一些基本操作合成而得，其中主要涉及幻燈片排版、動畫設(shè)計、語音導(dǎo)入及配置等。當(dāng)然，最后也會講解Microsoft word 文字內(nèi)容的排版、圖形插入、表格制作、公式的輸入、特殊符號的插入、頁眉頁腳設(shè)置以及目錄的制作等，更好地為學(xué)生畢業(yè)論文的設(shè)計和科技論文撰寫做鋪墊。除此之外，在教學(xué)過程中網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用也會適當(dāng)提及。

4．其他軟件

大學(xué)教師不僅要教授學(xué)生相應(yīng)的知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用各種技術(shù)、技巧和技能，來解決學(xué)習(xí)和研究過程中遇到問題的能力。以上課程教學(xué)內(nèi)容包括了化學(xué)和化工專業(yè)共性的學(xué)習(xí)內(nèi)容。針對不同專業(yè)的一些特殊軟件的內(nèi)容，在課程教學(xué)上也進(jìn)行了規(guī)劃。例如，在課程剛開始讓所有學(xué)生分別挑選一個與專業(yè)相關(guān)的軟件，自己課后進(jìn)行研究和學(xué)習(xí)，并在最后2 次課上將軟件的安裝步驟、使用方法進(jìn)行現(xiàn)場演示和說明。在這個過程中教師會提供相應(yīng)的資料，并對學(xué)生講解軟件進(jìn)行點(diǎn)評和總結(jié)。對于化工類的學(xué)生可以選擇流程模擬軟件Aspen Plus、塔設(shè)備設(shè)計軟件Cup tower、化工廠三維設(shè)計軟件PDSoft 等，而對于應(yīng)用化學(xué)可以選擇專業(yè)制圖軟件AutoCAD、Visior 等。

三、初步優(yōu)化教學(xué)方法

《計算機(jī)在化學(xué)化工中的應(yīng)用》是一門實踐性非常強(qiáng)的課程，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中反復(fù)練習(xí)相關(guān)軟件才能達(dá)到理想的教學(xué)效果。因此，筆者在教學(xué)過程中采取了任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法。首先，在第一次課堂上，將這門課程的總?cè)蝿?wù)目標(biāo)告知同學(xué)，即做一個視頻。視頻素材來源于學(xué)習(xí)所有軟件過程中繪制的結(jié)構(gòu)或圖片。因此，視頻內(nèi)容包括了ChemDraw 繪制的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)方程式、軌道結(jié)構(gòu)圖和分子的核磁共振（NMR）結(jié)果等；Chem3D 模擬的分子動態(tài)變化、分子的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）、最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）及電荷分布等；Origin 制作的圖和相應(yīng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果等；Microsoft PPT 繪制的精美圖形等。其次，為了充分吸引同學(xué)們，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，向同學(xué)們展示提前制作好并嵌入音頻的視頻。當(dāng)然，每部分結(jié)構(gòu)或圖片內(nèi)容都是用較為明亮的顏色，且使用的動畫是比較炫酷的類型。

在學(xué)習(xí)每個軟件內(nèi)容之前先展現(xiàn)該軟件所能實現(xiàn)的功能，有助于調(diào)動學(xué)生的積極性。對于單次課的教學(xué)方法也是采取這種任務(wù)驅(qū)動的模式，即每次上課的第一件事就是告知同學(xué)們相應(yīng)的任務(wù)目標(biāo)，再進(jìn)行教學(xué)和演示。例如，“海膽霉菌素原子的標(biāo)記和說明”一圖中涉及了單雙建、芳香烴的繪制、文本的編輯、鍵長/鍵角的控制、線條的選擇等，是ChemDraw 教學(xué)的經(jīng)典例子。在講解ChemDraw 繪制分子結(jié)構(gòu)時，筆者首先將相應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)向同學(xué)們展示。然后，再用ChemDraw 軟件實際操作來演示圖中涉及到的關(guān)鍵知識點(diǎn)，演示結(jié)束后馬上讓同學(xué)們實際操作。然而，即使這樣，仍然還有許多學(xué)生在使用軟件時，很快忘記或者根本找不到相應(yīng)的按鈕進(jìn)行操作。因此，學(xué)生在實操過程中，不僅要單獨(dú)指導(dǎo)個別基礎(chǔ)差的學(xué)生，還要及時將課堂上同學(xué)們反饋的問題進(jìn)行講解。值得一提的是，目前教改論文顯示大多高校將理論課時和上機(jī)課時的比例進(jìn)行明確的劃分。通過實踐我們發(fā)現(xiàn)直接將大量的理論知識灌輸給學(xué)生，再讓他們上機(jī)操作的效果并不好。而我們的課堂以學(xué)生實際操作為主，任課教師講解為輔，并根據(jù)學(xué)習(xí)情況，實時調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度。實踐操作更能反映學(xué)生在使用軟件的過程中遇到的問題，所以以任務(wù)—演示—操作—反饋這樣的方式進(jìn)行課堂教學(xué)，不僅提高了同學(xué)們的積極性，還增加了他們在課堂上的參與感。而通過與部分高中老師溝通發(fā)現(xiàn)任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)在高中課堂的教學(xué)效果也是十分良好的。

除此之外，每次教學(xué)任務(wù)的內(nèi)容都是在上次任務(wù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行精心地設(shè)計，如在學(xué)習(xí)計算分子的NMR 時，向同學(xué)們展示阿莫西林的結(jié)構(gòu)，再演示其1H-NMR 和13C-NMR 的計算方法。那么，同學(xué)們在計算NMR 時，就必須先畫出阿莫西林的結(jié)構(gòu)才能進(jìn)行下一步操作。這樣既復(fù)習(xí)了分子結(jié)構(gòu)繪制的內(nèi)容，也學(xué)習(xí)了新知識。這樣反復(fù)的練習(xí)，可以使同學(xué)們更熟練地使用相應(yīng)的軟件。在學(xué)習(xí)Chem3D 的分子動力學(xué)模擬時，教會同學(xué)們通過改變阿莫西林或葡萄糖分子結(jié)構(gòu)中部分原子的二面角，并利用分子動力學(xué)模擬尋找其空間構(gòu)象和能量。同時告知同學(xué)們這一步得到的能量數(shù)據(jù)，要用于Origin 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和畫圖。

四、創(chuàng)新課程的考核模式

創(chuàng)新課程的考核模式是教學(xué)改革中一個非常重要的環(huán)節(jié)。最終成績是對學(xué)生掌握軟件水平的一個重要判標(biāo)，而考核方式對促進(jìn)其學(xué)習(xí)具有非常重要的導(dǎo)向作用。這門課程以實際操作為主，需要設(shè)計以應(yīng)用能力為中心的考核方式，全面考察學(xué)生掌握各個軟件的情況。在這門課程的考核中，筆者提高了平時成績所占的比例，并增加了自主學(xué)習(xí)能力的考察，進(jìn)行了學(xué)習(xí)過程評價和拓展能力評估相結(jié)合的考核方法探索。

最終成績分為平時成績和期末成績兩部分組成，比例分別占70%和30%。平時成績主要包括學(xué)生上課的考勤和課堂任務(wù)完成的質(zhì)量，期末成績主要考察學(xué)生自主學(xué)習(xí)專業(yè)相關(guān)軟件的能力。任務(wù)完成質(zhì)量可以反映學(xué)生掌握軟件的使用情況，而期末介紹新軟件的使用可以反映學(xué)生自主學(xué)習(xí)新知識的能力。學(xué)生只有上課認(rèn)真完成任務(wù)，仔細(xì)研究自學(xué)新軟件的使用，才能獲得較優(yōu)的最終成績。

五、效果與討論

通過《計算機(jī)在化學(xué)化工中的應(yīng)用》這門課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，為化學(xué)化工類專業(yè)的學(xué)生處理實驗數(shù)據(jù)、設(shè)計畢業(yè)論文、就業(yè)或科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。課程內(nèi)容選擇了世界上比較流行的軟件進(jìn)行介紹，教學(xué)方法采取任務(wù)驅(qū)動的模式，考核方式提高了平時成績所占的比例。實踐證明以任務(wù)—演示—操作—反饋這樣的方式進(jìn)行課堂教學(xué)，不僅提高了同學(xué)們的積極性，還增加了其課堂參與度。從學(xué)生們完成任務(wù)的質(zhì)量來看，這樣的授課方式取得了較好的教學(xué)效果。