化工專業計算機知識教學探討

[摘要]本文針對在化工專業如何開展計算機教育問題，闡述了計算機知識對化工專業的重要性，提出了化工專業學生應掌握的基本計算機知識，并對化工專業《計算機基礎知識》的課程改革提出了一些建議。

[關鍵詞]高等教育 化工專業 計算機基礎知識 教學改革

化工專業是我國設置較早、分布較廣的“老專業”，現已在遍布全國的近百所高校招生。而計算機技術的出現使化工行業得到了前所未有的大發展，計算機在化工領域中的應用，大大縮短了化工產品的研究、開發和設計周期，提高了產品質量，增強了企業的市場競爭力。因此，培養適合當今社會發展的、具有計算機應用能力的化工人才是各高校化工專業的主要目標之一。

雖然，各大高校在本科新生中都開設了《計算機基礎知識》這門課，但這種大而泛的課程并不一定完全適合專業人才的培養。如以化工專業為例，化工專業的學生除了掌握一些基本的計算機操作知識以外，還需要掌握一些和化工專業有關的計算機工具，如能夠利用計算機處理實驗數據，用計算機處理化學反應方程式及結構式，利用現有的軟件進行結構計算、計算機控制、設計，等等。因此，本文將根據化工專業的特點，對如何在化工專業開展計算機教育進行初步的探討。

一、計算機在化工專業中的重要性

計算機已經成為當今社會一個常用的必不可少的工具，尤其對于理工科學生來說，計算機更是其未來工作當中的主要工具。在化學工程領域內，計算機的應用范圍非常廣泛，諸如設計、分析、控制、操作及研究等。并隨著科技的進步，計算機在化工上的應用將日益增多。如在化工中最常見的制圖為例，在計算機普及之前，都是用手工繪制復雜的分子結構圖、試驗裝置圖和化工工藝流程圖等，既費時又費力，常常占用工作人員大量的時間和精力。而隨著計算機的普及，這些工作已經完全依靠計算機來完成，如在繪制分子結構圖方面常用的化學軟件有Chewwindow、CS ChewDraw、CS Chew3D、ChemSketch等。而化工工程人員和研究人員則利用更為專業的AutoCAD來繪制大型的試驗裝置圖和化工工藝流程圖等。利用計算機來繪制圖形不但省時省力，而且易于保存和傳閱。因此，化工專業的大學生在大學期間就應該掌握這些和化工有關的專業計算機知識，并隨著新的軟件和技術的出現，不斷更新現有的知識，才能真正適應社會的需要。

二、化工專業學生應掌握的基本計算機知識

計算機在各行各業都得到了快速的發展，各種軟件也層出不窮，要想在大學期間學會所有的計算機方面的知識也不大現實，因此，如何選擇和化工相關的計算機知識，并能真正運用到今后的工作當中，這也是化工專業大學生面臨的一個重要問題。根據目前計算機在化工領域的應用趨勢，本文提出如下一些化工專業學生應具備的基本計算機知識和技能：

1.計算機基本知識

主要包括學習計算機基本知識和基本操作技能，這也是所有非計算機專業的學生都應該掌握的知識。如了解計算機的基本工作原理；能夠靈活地使用Windows操作系統；能熟練掌握辦公自動化系列軟件(如Word文字處理、Excel電子表格設計軟件和Powerpoint幻燈片制作軟件的使用方法，等等)；了解掌握計算機網絡的基本概念、基本知識和Internet的信息服務，熟練應用互聯網進行網上交流、信息檢索。此外，化工類專業學生還應具備一定的編程能力，學習一些常用的編程軟件，如VC++和VB等。這些基礎知識的學習，也是為以后進一步學習較為專業的計算機知識打好基礎。

2.計算機繪制圖形技能

計算機在化工中一個重要的應用就是繪制各種化學、化工的專業圖形。在眾多的化學制圖軟件中，ChemWindow和ISIS/Draw為最為常用的兩款軟件，他們在繪制多種復雜化學分子結構式、化學反應方程式及化工流程圖等方面體現出強大的優勢，并且簡單易學。然而，對于未來從事專業化工設計人員來說，AutoCAD將成為其必用的輔助設計工具。這里，將對這三款軟件工具做一個簡單介紹。

ChemWindow是一個能繪出各種結構和形狀的化學分子結構及化學圖形軟件。是Softshell公司于1989年推出的產品，較新版本為6.0版。ChemWindow 6.0主要有4個功能模塊組成：(1)分子結構繪制，包括化學鍵繪制、各種環結構繪制、化學反應機理的表示、相應文字說明、電子云表示等功能；(2)化學實驗裝置圖繪制，包括各種接口的玻璃儀器的圖形模板；(3)化工工藝流程圖繪制，具有各類化工設備的示意圖形庫；(4)提供大量的各種復雜分子結構通用模板，直接提取應用。并且所有功能模塊采用豐富的工具欄選擇，界面友好，使用便捷。

ISIS/Draw是1990年由美國MDL Information System公司研制，它的較新版本為2.5，是一款智能化的化學繪圖軟件。它能自動識別化合價，鍵角和各種環，并支持二維的化學平面圖、三維化學立體圖的繪制，可進行化學結構、化學反應方程、及其它與有機、生物有機化學相關的報告、專業性論述的繪圖和制作，操作非常方便，在Window環境下具有友好用戶界面和便利的切換功能，使得其資料可共享于各種軟件之間。

AutoCAD(Auto Computer Aided Design)是美國Autodesk公司首次于1982年生產的自動計算機輔助設計軟件，用于二維繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計。AutoCAD經過不斷地完善，目前的最新版本為AutoCAD2008，現已經成為國際上廣為流行的繪圖工具。化工設計中，雖有各種專業的三維設計軟件出現，如PDS、PDMS等，但到目前為止，在各大化工設計院中，AutoCAD仍是主流的設計軟件。因此，學會如何使用AutoCAD，并使之更好地與化工設計相結合，也是化工專業學生應掌握的專業技能之一。

3.化學化工數據處理和分析技能

處理收集的化學數據是使用計算機的主要優勢之一。這不但要求學生具有一定的計算機應用能力，還應具有一定的數學知識背景。常用的數據處理方法及數學模型包括：最小二乘擬合、線性回歸分析、方差分析、插值、數據平滑、實驗設計等。目前，兩款通用的軟件為：Origin和SigmaPlot。它們可根據需要對實驗數據進行數值計算、統計、傅里葉變換、曲線擬合以及制圖等等。另外，MATLAB由于其強大的數學處理能力也正日益受到化工分析領域的重視。

Origin是美國OriginLab公司推出的數據分析和制圖軟件，是公認的簡單易學、操作靈活、功能強大的軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級用戶數據分析、函數擬合的需要。目前，最新版本為Origin 7.5。Origin 7.5是功能強大的數據分析及科學繪圖軟件，利用其計算命令能夠非常方便地進行線形和非線形擬合、插值、微分、積分等數值計算，是解決化工動力學、熱力學、工藝優化設計及化學分析中數值計算問題的有力工具。

SigmaPlot是另一款得到科技人員廣泛運用的數據處理和科技繪圖軟件，是由美國SPSS Scientific公司開發出來的。目前，已經更新到SigmaPlot 11。SigmaPlot是可做數據分析的高質量曲線圖繪圖軟件，能提供眾多選擇，如自動化誤差條狀圖，回歸線圖，信賴區間，軸刻度，非線性曲線及工作窗體。SigmaPlot被廣泛地運用在醫學、生命科學、化學、工程學、環境科學和物理學等領域。SigmaPlot并可實現與SPSS軟件相結合，從而得到更強大的統計分析功能和更好的數據管理能力。

MATLAB是由MathWorks公司開發的數學分析工具，目前，該軟件已經更新到MATLAB 7.7。MATLAB是一種高性能數值計算的科學計算語言，它以矩陣作為基本數據單位，適用于線性代數、數理統計、數字信號處理、動態系統仿真、自動控制等領域。MATLAB在化工的數值計算和化工流程模擬等領域具有較大優勢。

4.化學教育輔助軟件

計算機在教育領域已經取得了巨大的成功，如我們常用的PPT教學以及各種教學仿真軟件，等等。尤其在化工領域，由于涉及到復雜的化學結構和許多化學實驗，利用計算機及網絡等電子化教育大大增加了化學教育的形象性和直觀性，激發了學生的學習興趣，同時，這些教學性質的軟件也可應用于各種培訓和工程咨詢領域。因此，了解一些化工方面的專業教育軟件也是必備技能之一。目前，最常用的教學和模擬實驗軟件是ChemLab、ChemSketch和MSViewer等軟件。

ChemLab也就是虛擬化學實驗室。它是一個交互式的化學實驗模擬工具，可以像在實驗室做實驗一樣操作其中的各種儀器和設備來進行各種預設的實驗，也可利用該軟件提供的實驗平臺進行用戶自己設計的實驗。ChemLab使用戶可以用相對實際實驗很少的一部分時間來快速預習化學實驗，在實際實驗中，我們就可以著重強調危險因素和實驗技術。它是預習實驗、演示實驗、準備實驗、進行危險實驗和由于時間原因不能進行的實驗的理想工具。

ChemSketch是化學平面符號的錄入軟件，是加拿大ACD公司專門開發的用于編輯化學分子式、化學儀器等化學圖形的工具軟件。現在可從該公司網站上得到免費的ACD/ChemSketch 11.0。它主要解決有機化學，生物化學中常見的化學論文、化學試卷以及平面化學教學課件中化學符號、反應方程式、軌道反應方程式和結構式的構建與表達問題。并且提供了模擬三維分子結構的工具以建立分子微觀三維立體結構，還可以按各種模式、各種角度隨意進行旋轉、觀察。

MSViewer是一個功能強大的三維化學空間結構的構建與表示軟件，該軟件是由Molecular Simulations公司生產的，能很好表現生化大分子的三維空間結構。其主要用于有機高分子、生物大分子和各類氨基酸、蛋白質立體空間的表示。該軟件自帶了一個復雜化學分子圖庫，其中有一些生化分子可供選擇。我們也可以利用該軟件制作具有三維結構的分子。制作好的分子可以查看其屬性(如分子式、分子量等)，分子可以設置不同的顯示方式(如棍狀型、球狀型等)，還可以隨時進行扭曲、放置縮放甚至讓其自轉進行不同角度的觀察。若要重點觀察某一特殊基團，還可對其進行特殊著色處理等。

三、化工專業計算機基礎知識教學方案

從以上分析可以看出，化工專業的學生需要掌握的計算機知識較多，完全靠教師上課來教也不大現實，最合理的方式是教師通過對這些軟件進行一些推薦和指導工作，學生可根據實際情況來自學。因而，就高校化工專業《計算機基礎知識》這門課可作如下調整：

1.計算機基本概念和知識(50課時)。包括介紹計算機系統的基本知識，使學生掌握Windows和Office的用法和操作，了解網絡的基本概念、了解數據通信的基礎知識、掌握Internet的使用、網頁的制作，了解數據庫基本概念，掌握SQL的使用，了解計算機系統的安全技術，了解程序設計基本知識。

2.化工專業常用的軟件知識(20課時)。主要介紹一些常用的化工軟件，介紹每一個軟件的用途和適用范圍，演示一些常用的化工應用軟件，使學生對這些化工軟件有一個基本的了解，從而可確保學生一旦走上工作崗位可根據工作的需要選擇合適的應用軟件。

3.上機實習和實地參觀(10課時)。計算機教學有別于其他科目的一個特點就是教學和上機相結合，對于那些常用的化工軟件，更應做到利用上機來達到熟悉軟件操作的目的。而且，目前的不少化工軟件都有免費版本，這也有利于學生下載和自學。另外，對于一些大型的專業化工軟件，有條件的話還應帶領學生去工廠實地參觀，使學生對這些化工軟件有一個直觀的印象，并可激發同學們學習化工專業的熱情和興趣。

四、問題與展望

對于知識爆炸和競爭不斷加劇的當今社會，學生所要學的東西也越來越多，分配到學習計算機知識方面的時間也會有限制，因此，如何選擇最重要和最適合化工專業的計算機教學內容也是一個值得繼續商榷的問題。另外，建立一支既懂計算機又熟悉化工知識的專業教師隊伍也是一個刻不容緩的問題。傳統的化工專業教師往往不太熟悉計算機，而教計算機的教師往往對化工領域也不太熟悉，因此，在實際教學中，往往出現教學和實際相脫節的現象，使化工專業的學生無法學到最實用的知識。同時，計算機知識日新月異，軟件的更新換代頻率也越來越快，因此，教師隊伍本身也應加強自學，確保把最新的知識傳授給學生。

隨著大學教育逐漸向職業技能教育方向傾斜，培養適合社會發展的專門人才已經成為大學教育的主要目的之一，因而，計算機運用能力培養在化工專業的重視程度必將得到進一步的重視。本文通過對《計算機基礎知識》這門課的探討，力求使本課程的設計更加符合化工專業的特點，為本課程的教學改革起到拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1]張曉冬，趙宗昌.培養化工專業學生計算機應用能力的探索[J].黑龍江高教研究，1995，(6)：111-113.

[2]楊剛，楊高文. ChemWindow 6.0在化學化工及教學中的應用[J].化學教育，2003，(10)：43-46.

[3]冉鳴.化學教育工具軟件[M].化學工業出版社，2006.

基金項目：教育部人文社會科學研究規劃基金項目(06JA630012)。

(作者單位：東南大學化學化工學院；東南大學經濟管理學院)