劉清芝 李偉娜 孫欽星 王 強(qiáng) 師進(jìn)生

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東·青島 266109）

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力以摩爾定律的速度增長，相關(guān)的行業(yè)也在發(fā)生著翻天覆地的變化。計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展逐漸滲透到教育領(lǐng)域，正逐步改變著教師授課方式和整體上課模式。有的課堂大膽利用了微信平臺進(jìn)行課堂教學(xué)的輔助和拓展。在國外，計(jì)算機(jī)則相對更多的應(yīng)用到了課堂上，主要有兩個方面，一方面是將部分課程分配在計(jì)算機(jī)上演示講解；另一方面則是將本領(lǐng)域的學(xué)術(shù)問題利用計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來協(xié)助解決。

全國許多高等院校開設(shè)了計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用課程。本校也針對材料化學(xué)等四個專業(yè)開設(shè)了“計(jì)算機(jī)在化學(xué)化工中的應(yīng)用”課程。課程主要講授matlab，chemoffice等常用的化學(xué)軟件用于化學(xué)數(shù)據(jù)擬合，結(jié)構(gòu)優(yōu)化等分析計(jì)算。課程內(nèi)容對學(xué)生的通用性較強(qiáng)。但在具體實(shí)施后發(fā)現(xiàn)，該課程能夠解決一般的化學(xué)問題，但具體到各個化學(xué)化工問題，尤其體現(xiàn)在畢業(yè)論文的設(shè)計(jì)過程中，尚缺乏更具針對性的解決方法。

怎樣將計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)與化工緊密結(jié)合是一個值得研究的課題。西方國家在這一方面已經(jīng)有諸多成功的案例。Sarah J.R.課題組針對化學(xué)或藥學(xué)專業(yè)學(xué)生，在課堂講授中引入計(jì)算機(jī)作為輔助。不僅將部分課程轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室開展，更教會學(xué)生使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分子模型設(shè)計(jì)。

鑒于上述問題，本文在互聯(lián)網(wǎng)+大背景下，以目前計(jì)算機(jī)高速的計(jì)算能力以及現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，開展了化學(xué)與化工專業(yè)學(xué)生與計(jì)算機(jī)深度結(jié)合的教學(xué)改革探索。通過課題的順利開展，獲得合理有效的課程模式和教學(xué)方法，教會學(xué)生用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)探索化學(xué)問題，從而最終達(dá)到提升化學(xué)與化工專業(yè)學(xué)生未來的競爭力的目的。

1 對課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整

化學(xué)專業(yè)中的四大化學(xué)都與計(jì)算機(jī)的應(yīng)用相關(guān)。例如物理化學(xué)中方程求根、化學(xué)反應(yīng)平衡濃度等的計(jì)算，因?yàn)槭褂昧擞?jì)算機(jī)，精確度和效率可以得到大幅度提高；在分析化學(xué)中，計(jì)算機(jī)在多元線性回歸，線性擬合等方面有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)實(shí)中，學(xué)生對于計(jì)算過程復(fù)雜，處理困難的問題會采用簡化的模型來處理，但這樣進(jìn)行處理的結(jié)果不會很理想。而若不采用簡化模型，則計(jì)算效率低。因而怎樣針對該課程進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計(jì)才能將化學(xué)中的難度問題用計(jì)算機(jī)解決是本課題要研究生主要內(nèi)容之一。

現(xiàn)有的課程內(nèi)容主要包括matlab，chemoffice，origin。主要是對化工中的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合；對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制以及簡單的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖形等。受限于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的框架結(jié)構(gòu)，并不具備讓計(jì)算機(jī)有針對性和目的性的完成特定工作的能力。為了提高學(xué)生對計(jì)算機(jī)的實(shí)質(zhì)控制和使用能力，需在此基礎(chǔ)上對課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。

充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，課程中加入了計(jì)算機(jī)語言的學(xué)習(xí)。將原課程中的chemoffice和origin兩部分教學(xué)內(nèi)容的課時縮短。增加matlab的教學(xué)課時。并在課時允許的情況下考慮加入C++或VB語言編程。受限于有限的課時，因而編程語言的學(xué)習(xí)須有針對性，對教師的教學(xué)案例設(shè)計(jì)有較高的要求。既要普及語言的基本知識，又要有針對性的提出有利于解決化學(xué)問題的具體案例。

化學(xué)是一門經(jīng)常與數(shù)據(jù)打交道的學(xué)科，離不開方程的求值、數(shù)據(jù)的分析等。例如吉布斯自由能的計(jì)算，由于有現(xiàn)成的模型可用，在變量確定的情況下，學(xué)生用計(jì)算器即可計(jì)算出結(jié)果。但如果模型包含多個變量，且變量不確定，在一定范圍內(nèi)取值，計(jì)算量會呈指數(shù)增加。例如：f(x)=(sin2x)e-ay-b|z|(1

在掌握計(jì)算機(jī)語言的基礎(chǔ)上，以上問題只需用幾條語句就能得到解決：

f=sin(M_PI*2x/180)*pow(e，-ay)-b*abs(z);

if(f<=0.000001&&f>=-0.000001)

{cout<<”x=”<

exit(0);}

盡管C++語言功能強(qiáng)大，但該語言也很難掌握，相比之下，使用 Matlab軟件處理復(fù)雜數(shù)據(jù)時，語言編寫比較簡潔。且Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)圖形處理能力也為數(shù)據(jù)提供了直觀的表達(dá)方式。例如：

年份服務(wù)年限 10 20 30 1950 150.697 169.592 187.652 1960 179.323 195.072 250.287 1970 203.312 239.092 322.767 1980 226.505 273.706 426.730 1990 249.633 370.281 598.243

已知1950年到1990年間每隔10年，服務(wù)年限從10年到30年每隔10年的勞動報酬表如下：試計(jì)算1975年時，15年工齡的工作人員平均工資。

用一般的解決方法會比較復(fù)雜且耗時較常，而用matlab處理，則只需要以下幾條語句即可。

years=1950:10:1990;

service=10:10:30;

wage=[150.697 169.592 187.652

179.323 195.072 250.287

203.212 239.092 322.767

226.505 273.706 426.730

249.633 370.281 598.243]

w=interp2(service,years,wage,15,1975)

2 改革課堂教學(xué)模式

要加強(qiáng)學(xué)生與計(jì)算機(jī)的深度結(jié)合，僅停留在傳統(tǒng)的課堂授課模式顯然是不夠的。課堂模式主張的是講授，學(xué)生思維多停留在被動接收的模式，學(xué)生沒有機(jī)會立刻將知識消化吸收并即時輸出。隨著現(xiàn)代教學(xué)手段的普及以及信息技術(shù)手段的進(jìn)步，將課堂在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展顯得很有必要。

本文將1/3-1/2課時轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上通過具體案例體會計(jì)算機(jī)解決化學(xué)問題的能力。除了上課地點(diǎn)做靈活調(diào)整，課題組還針對學(xué)生的上機(jī)時間和上機(jī)題目進(jìn)行了調(diào)整。教學(xué)實(shí)踐表明，與純理論講授相比，學(xué)生對于“所見即所得”的事物會表現(xiàn)出較高的興趣。考慮到實(shí)踐不但能調(diào)動興趣，而且能更直接地反映學(xué)習(xí)過程中的問題，安排了十幾個學(xué)時的上機(jī)時間。實(shí)踐表明，十幾個學(xué)時的上機(jī)時間對需要練習(xí)的內(nèi)容來講顯得有些緊張，大部分學(xué)生還需要在課后補(bǔ)充練習(xí)。針對該狀況，本課題在每次上機(jī)之前的理論課上都對下次上機(jī)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)講解，讓學(xué)生課后根據(jù)課堂所學(xué)知識提出相應(yīng)的解決方法。在上機(jī)時能很快進(jìn)入練習(xí)和問題解決階段，使上機(jī)時間能得到充分利用。

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，本課題還對上機(jī)題目進(jìn)行更有實(shí)際應(yīng)用價值的設(shè)計(jì)。始終與化學(xué)專業(yè)問題相關(guān)聯(lián)，且難易適中。例如

當(dāng)學(xué)生學(xué)完MatLab中的二分法和牛頓法之后，給學(xué)生安排的上機(jī)題目如下：

一氧化碳與氫按以下反應(yīng)生成甲醇：

現(xiàn)有1 mol CO與2mo1H2的混合物，在溫度t=590℃，壓力p=3.04×107Pa條件下進(jìn)行反應(yīng)并達(dá)到平衡(Kf=1.393*10-15，Kr=0.43)，分別用二分法和牛頓法求CH3OH在平衡氣中的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。

由于學(xué)生對此類問題的處理較為熟悉，因而上機(jī)積極性很高，學(xué)習(xí)效果很好。

3 培養(yǎng)學(xué)生用計(jì)算機(jī)輔助學(xué)習(xí)和解決問題的意識和習(xí)慣

盡管計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)深刻的影響了各行各業(yè)，但目前學(xué)生的意識依然停留在“做實(shí)驗(yàn)”和“做計(jì)算”兩個極端。做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生往往不知道其實(shí)有的實(shí)驗(yàn)是可以在計(jì)算機(jī)上面做。如何讓學(xué)生意識到計(jì)算機(jī)是一個強(qiáng)大的服務(wù)工具，是一個值得研究的問題。

隨著智能手機(jī)的普及，學(xué)生養(yǎng)成了依賴手機(jī)的習(xí)慣。如果能將手機(jī)中的游戲換成化學(xué)類的APP，例如手機(jī)版化學(xué)繪圖軟件chemdrew，則可以很大程度上促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的專注力。因而本課題組在課程學(xué)習(xí)的課時內(nèi)，在教授課程知識的同時，展開了對學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣培養(yǎng)的研究。課題組老師在每堂課的課后作業(yè)通過手機(jī)發(fā)布，學(xué)生可以使用手機(jī)APP隨時隨地完成并提交作業(yè)。給學(xué)生養(yǎng)成了良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

4 結(jié)論

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的影響已經(jīng)擴(kuò)大到了各行各業(yè)，對于化學(xué)化工領(lǐng)域也起到了積極的推動作用。而對于“計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用”這門課，則無論在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)還是教學(xué)手段上都需要做相應(yīng)的改革和調(diào)整。本文通過對課程內(nèi)容、授課方式以及培養(yǎng)學(xué)習(xí)習(xí)慣三方面的教學(xué)改革嘗試，獲得了一系列有價值的方式方法，為后續(xù)該課程的進(jìn)一步改革打好了基礎(chǔ)。