計(jì)算機(jī)與化學(xué)教學(xué)

摘 要： 本文介紹了計(jì)算機(jī)在化學(xué)教學(xué)中的一些應(yīng)用，包括互聯(lián)網(wǎng)上可用的化學(xué)資源，教學(xué)中的常用軟件，以及計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等，對(duì)化學(xué)教師和化學(xué)專業(yè)的學(xué)生都有一定的幫助。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)教學(xué) 計(jì)算機(jī) 軟件

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及信息技術(shù)在化學(xué)學(xué)科中的不斷滲透、不斷融合，計(jì)算機(jī)在現(xiàn)代化學(xué)教學(xué)中扮演著越來(lái)越重要的角色，給化學(xué)教學(xué)帶來(lái)了極大的便利。

1. Internet上的化學(xué)資源

互聯(lián)網(wǎng)上常見的化學(xué)資源類型有：化學(xué)教學(xué)課件和教學(xué)素材，化學(xué)教學(xué)優(yōu)秀教案，化學(xué)教學(xué)參考資料，網(wǎng)絡(luò)電子圖書、電子雜志和期刊，網(wǎng)絡(luò)教程等。以前的文獻(xiàn)[1-3]對(duì)此有較詳細(xì)的描述，這里不再贅述。

2.化學(xué)教學(xué)中的常用軟件

計(jì)算機(jī)軟件可以在人們的工作、學(xué)習(xí)與研究中協(xié)助我們更快、更好、更方便地工作，化學(xué)工作者經(jīng)常用到的軟件通常可分為一般軟件和化學(xué)專業(yè)軟件。

2.1一般軟件

2.1.1 PowerPoint[4]

PowerPoint是Microsoft公司開發(fā)的用于制作和演示幻燈片的軟件，能夠制作出集文字、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫及視頻剪輯等多媒體元素于一體的演示文稿，以形象生動(dòng)、圖文并茂的形式將你要表達(dá)的內(nèi)容在計(jì)算機(jī)或大屏幕上動(dòng)態(tài)地表現(xiàn)出來(lái)。

2.1.2 Authorware[4]

Authorware是Macromedia公司開發(fā)的一種多媒體軟件制作工具。它與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言不同，只要通過(guò)對(duì)圖標(biāo)的調(diào)用來(lái)編輯一些控制程序走向的流程圖，將文字、圖像、圖形、動(dòng)畫、聲音、視頻等各種多媒體項(xiàng)目數(shù)據(jù)匯集在一起，賦予其人機(jī)交互功能，從而達(dá)到多媒體軟件制作的目的。

2.1.2 Excel[5]

Microsoft Excel軟件是微軟公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的電子表格管理軟件，由于其豐富的庫(kù)函數(shù)和強(qiáng)大的邏輯判斷、計(jì)算功能，使用Microsoft Excel軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有方便、快捷、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。我們運(yùn)用這個(gè)軟件解決化學(xué)理論教學(xué)中的曲線繪制、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線制作等問(wèn)題。

2.1.3 Origin[6，7]

Origin軟件是由Microcal Software公司研發(fā)的對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖的軟件，主要功能有：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理和一般的統(tǒng)計(jì)分析，如記數(shù)、排序、求平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差、t檢驗(yàn)、快速傅里葉變換、比較兩列均值的差異、回歸分析，用數(shù)據(jù)作圖，用自帶函數(shù)及自定義函數(shù)擬合曲線等。

2.1.4 Mathtype

Mathtype是Design Science公司開發(fā)的一個(gè)用來(lái)建立包含數(shù)學(xué)公式的文檔和網(wǎng)頁(yè)的交互式工具，它可以與任何文字處理軟件、演示文檔軟件、頁(yè)面排版軟件、網(wǎng)頁(yè)制作軟件良好兼容，在其中加入各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和符號(hào)。

2.2化學(xué)專業(yè)軟件

2.2.1 ChemOffice[8]

ChemOffice是美國(guó)CambridgeSoft公司的重要產(chǎn)品之一，是目前化學(xué)工作者桌面應(yīng)用的最重要和最權(quán)威的軟件包之一，主要由ChemDraw、Chem3D、ChemFinder等幾部分組成。

ChemDraw（圖1）是一個(gè)化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖軟件，主要功能就是繪制各種形狀的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)圖形，具有一般其他繪圖軟件所不具備的化學(xué)分子圖形編輯功能。軟件本身更是附帶了模板，如各種類型的糖、氨基酸等在模板窗口中，每個(gè)模板以獨(dú)立的文件進(jìn)行保存與管理，使用時(shí)打開模板窗口選中即可，通過(guò)模板的操作，畫圖就如同搭積木一樣簡(jiǎn)單。

Chem3D是一個(gè)用于設(shè)計(jì)化學(xué)模型的應(yīng)用軟件，將構(gòu)建、分析、計(jì)算工具融于一體。將二維平面的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)圖形（ChemDraw）轉(zhuǎn)化成三維的空間結(jié)構(gòu)，并能給出鍵長(zhǎng)、鍵角等化合物的基本信息，在分子和原子水平上模擬和分子的立體構(gòu)象，顯示分子三維結(jié)構(gòu)的球體圖、球棍圖、帶狀圖，線狀圖。

ChemFinder是一個(gè)化學(xué)信息管理和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)，可以建立化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、儲(chǔ)存及搜索，或搭配ChemDraw、Chem3D使用，也可以使用現(xiàn)成的化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。ChemFinder是一個(gè)智能型的快速化學(xué)搜尋引擎，所提供的ChemInfo是目前世界上最豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)之一，包含ChemACX、ChemINDEX、ChemRXN、ChemMSDX，并不斷有新的數(shù)據(jù)庫(kù)加入。ChemFinder可以從本機(jī)或網(wǎng)上搜尋Word，Excel，Powerpoint，ChemDraw，ISIS格式的分子結(jié)構(gòu)文件。還可以與微軟的Excel結(jié)合，可聯(lián)結(jié)的關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫(kù)包括Oracle及Access，輸入的格式包括ChemDraw、MDL ISIS SD及RD文件。

2.2.2 HyperChem[9]

HyperChem軟件包是HyperCube公司開發(fā)的32位Windows界面程序，是常用的分子設(shè)計(jì)和模擬軟件，可進(jìn)行量子力學(xué)、分子力學(xué)，分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算。HyperChem軟件包功能非常強(qiáng)大，主要由這樣幾個(gè)模塊組成：構(gòu)造分子；優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)；研究分子反應(yīng)；觀察軌道和電子圖譜；評(píng)估化學(xué)反應(yīng)路徑和化工機(jī)械裝置；研究分子動(dòng)力學(xué)。用HyperChem（圖3）構(gòu)建分子只需從元素周期表選擇元素，點(diǎn)擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)畫出分子的骨架結(jié)構(gòu)。

可以給出異構(gòu)體的相對(duì)穩(wěn)定性；團(tuán)簇的穩(wěn)定性；生成熱；電離勢(shì)；電子親和能；原子電荷；偶極矩；極化率張量；過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；紅外和紫外—可見吸收光譜；振動(dòng)的同位素效應(yīng)；電子自旋磁共振譜（ESR Spectra）：對(duì)開殼層體系的超精細(xì)偶合常數(shù)計(jì)算，表征ESR譜；結(jié)構(gòu)—活性關(guān)系分析。

2.2.3 Gaussian[10-13]

Gaussian是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，界面友好，便于操作，已被廣泛應(yīng)用。可用來(lái)預(yù)測(cè)氣相和液相條件下，分子和化學(xué)反應(yīng)的許多性質(zhì)，可以完成如下幾個(gè)方面的計(jì)算研究工作：分子的能量和結(jié)構(gòu)；過(guò)渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)；振動(dòng)頻率；紅外和拉曼光譜（包括預(yù)共振拉曼）；熱化學(xué)性質(zhì)；成鍵和化學(xué)反應(yīng)能量；化學(xué)反應(yīng)路徑機(jī)理；分子軌道；原子電荷；電多極矩；NMR屏蔽和磁化系數(shù)；自旋—自旋耦合常數(shù)；振動(dòng)圓二色性強(qiáng)度；電子圓二色性強(qiáng)度；g張量和超精細(xì)光譜的其他張量；旋光性；振動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)耦合；非諧性的振動(dòng)分析和振動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)耦合；電子親和能和電離勢(shì)；極化和超極化率；各向異性超精細(xì)耦合常數(shù)；靜電勢(shì)和電子密度；垂直激發(fā)能。

2.2.4 Gaussview

Gaussview（圖4）是一個(gè)專門設(shè)計(jì)與Gaussian配套使用的可視化軟件，可以構(gòu)建三維分子模型，構(gòu)建Gaussian的輸入文件，也可以以圖形及動(dòng)畫的形式顯示Gaussian計(jì)算的結(jié)果，如幾何結(jié)構(gòu)，紅外光譜、拉曼光譜、電子吸收光譜、核磁共振譜，振動(dòng)模式分析，分子軌道，電荷分布，偶極矩，反應(yīng)路徑等。

3.計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，簡(jiǎn)稱CAI）[14]

CAI是在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行的各種教學(xué)活動(dòng)，以對(duì)話方式與學(xué)生討論教學(xué)內(nèi)容、安排教學(xué)進(jìn)程、進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練的方法與技術(shù)。綜合應(yīng)用多媒體、超文本、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信和知識(shí)庫(kù)等計(jì)算機(jī)技術(shù)。它的使用能有效地縮短學(xué)習(xí)時(shí)間、提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

4.結(jié)語(yǔ)

總之，隨著電子技術(shù)的普及和迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已成為化學(xué)教學(xué)過(guò)程中不可缺少的輔助工具，對(duì)其綜合和合理運(yùn)用，必將給教師的教和學(xué)生的學(xué)帶來(lái)極大的便利和樂趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]張衛(wèi).計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用[M].東華大學(xué)出版社，2002.

[2]王濤濤，柯俊.利用搜索引擎搜集化學(xué)教學(xué)資源[J].信息技術(shù)教育，2004（5）：82.

[3]王濤濤.利用搜索引擎高效獲取化學(xué)教學(xué)資源的方法[J].化學(xué)教育，2004（12）：42.

[4]方奕文.計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用[M].華南理工大學(xué)出版社，2004.

[5]陶濤，徐蘭琴.Microsoft Excel在分析化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教學(xué)研究，2009（1）：27.

[6]繆強(qiáng).化學(xué)信息學(xué)導(dǎo)論.[M]高等教育出版社，2004.

[7]龔林波，王聰玲，謝音，吳衛(wèi)兵.Origin軟件在分析化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)化學(xué)，2008，23（3）：36.

[8]李夢(mèng)龍，王智猛，姜林，劉麗霞.化學(xué)軟件及其應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[9]李云.分子模擬軟件HyperChem在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011（10）：139.

[10]李延偉，姚金環(huán)，楊建文，申玉芳，鄒正光.量子化學(xué)計(jì)算軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012（5）：8.

[11]閆秀芬，林生嶺.量子化學(xué)軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.考試周刊，2011（70）：203.

[12]程學(xué)禮，趙燕云.Gaussian03程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化在教學(xué)中的應(yīng)用.泰山學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，32（6）：104.

[13]葉國(guó)東.量子化學(xué)軟件Gaussian應(yīng)用于無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)[J].廣東化工，2010，37（4）：220.

[14]http：//baike.baidu.com/view/8067.htm.