在化學類計算軟件教學中培養學生的自主學習能力

郭彥+李俊

摘 要 計算軟件在化學中的廣泛應用與日俱增，將化學類計算軟件引入到本科高年級的教學中也正受到越來越多的關注。這類課程的設置不僅可以讓學生了解化學學科的前沿進展和有用的科研工具，也為學生從事相應的實驗及科研工作打下良好的基礎。在該門課程中，我們采用提問式教學，激發學生自主學習的興趣；課堂練習緊密聯系實際實驗結果，為學生創造自主學習的空間；同時采用小課題或小論文的考察方式，培養學生自主學習的能力。

關鍵詞 化學計算軟件 Origin Chemoffice 自主學習

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Develop Student's Self-learning Ability in the Teaching

of Chemical Computational Software

GUO Yan， LI Jun

（College of Environmental Science and Engineering，

Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing， Jiangsu 21044）

Abstract With the widely increasing application of computing software in chemistry， introducing such chemical computational software into the teaching of senior undergraduate is receiving more and more attention. These courses can not only allow students to understand the progress of chemistry and useful research tool， but also lay a good foundation for students to engage in the corresponding experimental and research work. In this course， we use the question-teaching to stimulate the interest of students' self-learning. Class exercise is closely linked with the actual experiment result， to create a self-learning space. At the same time， using the examine ways of small issues or papers to develop students' self-learning ability.

Key words chemical computational software； Origin； Chemoffice； self-learning

隨著計算機科學技術的飛速發展，硬件和軟件日新月異的更新，傳統的學科教學及科研已經離不開計算機輔助的影子。當前化學學科的研究已達到分子設計的水平，計算機在化學中的應用也是與日俱增，特別是在深入研究化學基本理論方面顯示出了強大的作用。化學化工專業的學生只學習一般的計算機技術知識顯然不足以跟上科技進步的腳步，近年來國內化工院校或專業都或多或少開設了計算機在化學化工中應用方面的課程。①②

國內以往的一些介紹計算機在化學或化工方面應用的書籍，以介紹化工算法的居多，對非計算機專業的學生已經不太適用。因而我們在化學專業高年級的課程中開設了化學類計算軟件課程，旨在給學生們介紹當今計算軟件在化學化工中的應用，并要求學生們能掌握具體軟件的操作要求。

在化學專業中引入計算機軟件的教學，不僅可以讓學生了解化學學科的前沿進展和科研工具，而且有助于提高學生自主學習的能力。

1 教學中采用提問式教學，激發學生自主學習的興趣

化學專業的基礎課和專業課的講授方式一般以講授為主，要分析原理、推導公式、并輔以一些習題。化學類計算軟件這門課程不同于這些傳統的專業課程，這門課程以軟件應用為主，本質為實踐性教學課程，從教學內容上通常分為理論講述和上機實習兩個環節。在設置這一課程時，出于鼓勵學生在實踐中開展自主性、協作性和研究性學習的目的，將理論講述的部分調整至總學時的1/4，剩下的學時用于上機實習。③

在計算機化學的理論授課中，重點講解化學計算中常遇到的數學問題，如最小二乘法，線性方程組的求解，函數插值及擬合算法等；簡述化學學科中常用的數據處理或繪圖軟件，如Origin，ChemOffice，Matlab等。接下來學生們通過大量的上機實習，來熟悉軟件的基本操作，并能熟練應用軟件。

授課中，我們改變以往的闡述型教學方式，以提問式教學為主。以Chemoffice為例，這是一款強大的化學繪圖軟件，能過繪制各種復雜的分子式、化學方程式、二維空間結構、分子的構象結構以及三維空間模型等。授課中，首先給學生們瀏覽教師自己繪制的，或從文獻中看到的一些代表性的化學結構或反應流程圖片。接下來，提出問題，如何繪制出自己需要的結構式或反應方程式，如何做出與文獻上看到相一致的模型圖片。高年級的本科生大部分已經進入實驗室進行相應的課題研究或協助導師開展輔助性研究，也觸及到文獻及論文寫作方面的內容，由于講課及提問內容和學生自己的論文內容的關聯性，激發了學生們自己探求軟件的興趣。

上機實習由提問式講解和任務練習兩部分組成。我們以提問的講授方式介紹計算機知識和化學學科內容的結合，教會學生一些基本的操作命令。接下來提出問題，如如何繪制葡萄糖的分子結構式，讓學生們當堂完成。在整個上機實習中，我們的提問由易至難，層層遞進，逐步引導，激發學生們自主學習的興趣。還是以ChemOffice的教學為例，我們從簡單分子結構式的繪制開始，過渡到立體結構式的繪制，接下來生物分子結構式的繪制，進一步學習核磁共振譜圖的模擬，最后完成漂亮的三維結構式的繪制。endprint

2 課堂練習緊密聯系實際實驗結果，創造自主學習的空間

上機練習中，我們提出的問題，布置的任務將緊密聯系實際實驗數據。上機練習過程已經不僅僅是學生們在計算機上完成一個或多個布置的任務，而是這些任務與學生自己的畢業課題或科研課題相結合。學生在完成這些問題及任務的過程中，首先逐步建構起計算化學軟件應用的整體認知性，接下來應用在自身的實驗或數據結果中，能夠起到很好的練習效果。在整個上機實習的過程中，打破了由教師教授內容給學生的傳統方式，而是將教學內容隱含在任務的背后，讓一項項的任務成為帶領學生了解、熟悉內容的引線。④讓學生感到所練習任務內容的新穎性和實用性，激發學習熱情。在這樣的上機實習過程中，教師從講授者、灌輸者變為引導者、組織者，從講臺上講解轉變為走下來與學生交流討論，共同學習，為學生創造自主學習的空間。

Origin軟件為一個多文檔界面的應用程序，利用該軟件可以繪制散點圖、點線圖、柱狀圖、三維圖等，還可以對圖表進行個性化設置，既有科學的準確性又兼具審美性。⑤因而，該軟件也是化學學科中常用的繪圖軟件。在Origin軟件的課堂練習中，我們首先將Origin軟件的界面與基本操作演示給學生，引導學生自己進行探求，如，探索如何調整坐標軸、怎么加入文字及圖例說明，如何在簡單的單層圖的基礎上繪制多層圖，最后激發學生去嘗試繪制三維圖形。在學生自己探求的時候，以他們自己的實驗數據為主，學生對于將自己得到的數據處理成規律性的圖形具有積極的主觀能動性。對于一些沒有獲得實驗數據或還沒有進實驗室的學生，我們則提供以往實驗課堂上的數據，如酸堿滴定實驗中滴定劑與pH的數據，蔗糖燃燒熱的實驗數據等。學生們因為都做過相應的實驗，手繪過相應的實驗數據圖，對于用Origin軟件處理出來的數據不陌生，但又有新鮮感，能夠起到很好的上機實習效果。

3 以小課題或小論文的考察方式，鍛煉學生自主學習的能力

良好的課堂效果離不開編排合理的課堂練習以及恰如其分的考查方式。我們摒棄了傳統的考試這一考查方式，以結合學生自己課題或感想的小課題或小論文的方式對該門課程進行考查。化學類計算軟件的課程性質，是以老師教授為輔，學生自己探索，自主學習為主。這種計算軟件的學習應用，突破了傳統意義上課堂上時間和空間的限制。并且，學生們可以在實際的學習或科研中靈活應用，有較為豐富的應用背景。最主要的，學生們可以根據自己的水平和需要自主選擇不同層次的軟件應用。因而以公式、問答等傳統的考核方式并不適用于這門課程。我們會給定課題范圍，比如Origin軟件的基本知識介紹和其在三角相圖繪制中的應用；以fullerene分子三維圖形繪制為基礎的Chemoffice軟件在化學結構繪制中的應用；以三維等高線圖為例介紹Matlab繪制三維圖形的處理。這些小論文題目的給出，不僅與化學學科中的基本原理和基本應用緊密聯系，同時，能夠讓學生們在熟悉軟件的基礎上去探索軟件的一些高級應用模式。

我們的考核也不僅僅局限于給出的課題范圍，更加鼓勵學生以自己的科研數據為主，舉例介紹這些軟件在他們歸納總結數據時起到的作用。這種不劃定界限，不給定課題的方式，更能鼓動學生們，尤其是已經進入實驗室研究的學生們對于軟件學習的熱情，達到自己的學習目標，進而提高自身自主學習的能力。

4 結語

計算機軟件對化學學科的影響已經是舉足輕重，因而很有必要在本科高年級階段引入該類課程。這類課程的設置不僅可以讓學生了解化學學科的前沿進展和科研工具，為學生從事實驗及科研工作打下良好的基礎，而且在課程的教授與考核中，有的放矢，幫助學生培養自主學習的能力。

注釋

① 張榮國，雷家珩，陳永煕.計算機輔助化學教學研究.武漢理工大學學報，2004.26：93-95.

② 黃正國，徐梅芳.對計算化學的涵義與課程開設情況的調查.計算機與應用化學，2009.26：661-664.

③ 李建平.《計算機化學》課程教學方法改革的探索.湖北大學成人教育學院學報，2005.24：65-74.

④ 何基生.大學生自主學習能力的內涵、構成及培養.湖南科技學院學報，2012.33：75-78.

⑤ 胡飛龍，羅志榮，朱榴榴.Origin在物理化學實驗中的應用.廣州化工，2011.39：121-123.endprint