“計算機在化學化工中的應用”課程教學探討

徐楊書函，董強，高大明，李明華

（合肥學院能源材料與化工學院，安徽合肥230601）

隨著現代科學技術的發展和計算機的廣泛使用，各學科對計算機的依賴程度越來越高，化學化工領域也不例外。從實驗數據的處理及擬合、模型參數的確定、非線性方程的求解到化工過程模擬，均離不開計算機的幫助，在這方面計算機主要發揮的是高速的數值計算功能；另一方面，我們還要利用計算機進行化工信息發布、各專業制圖等一系列其他非計算性工作，同時還需利用計算機進行化工實用軟件的開發。因此，許多高校為了培養化學化工專業學生在相關計算機軟件應用方面的能力而開設了“計算機在化學化工中的應用”這門課程或類似課程，并把其作為化學化工本科生教育的一個重要組成部分。

傳統的課程教學主要以課堂教學為主，由于缺乏實踐教學，致使上課的效果較差，學生感到繁瑣乏味，不愿意認真學習該門課程。如今，采用了理論與實踐相結合的方式教授該門課程，學生可以在老師的指導下自主動手操作進行課程的學習與訓練，這使得該課程更加生動有趣，學生也更愿意認真學習該門課程。

1 教學內容

“計算機在化學化工中的應用”這門課程旨在提高學生專業計算機的應用水平。合肥學院對于這門課程教授的主要內容包括Matlab編程基礎及在化學化工中的應用、化學化工實驗數據及模型參數擬合原理與方法、化學化工非線性方程及線性方程組求解、化工微分方程及偏微分方程數值求解、Office軟件在化工中的應用、Origin在化學化工實驗數據處理中的應用以及Chemoffice軟件在化學化工中的應用。

針對Matlab編程基礎及在化學化工中的應用這部分，我們主要的教學內容包括Matlab軟件的基本簡介（版本、安裝和界面等）、Matlab在化學化工實驗數據擬合及模型參數計算中的應用、Matlab在化學化工線性和非線性方程及方程組求解中的應用、Matlab求解化工常微分方程（組）和偏微分方程（組）以及Matlab在化學化工優化求解中的應用。對于Matlab在化學化工實驗數據擬合及模型參數計算中的應用，我們主要教授polyfit擬合、regress多變量回歸擬合和lsqcurvefit任意函數形式擬合。對于Matlab在化學化工線性和非線性方程及方程組求解中的應用，我們主要教授單變量方程求解、多變量方程求解和非線性方程組求解。對于Matlab在化學化工優化求解中的應用，我們主要教授線性規劃求解和非線性規劃求解。

針對化學化工實驗數據及模型參數擬合原理與方法這部分，我們教授的內容主要包括單變量擬合、多變量曲線擬合與矛盾方程組的求解。其中對于單變量擬合和多變量擬合采用的擬合方法為最小二乘法。

針對化學化工非線性方程及線性方程組求解，對于非線性方程（組）我們主要教授實根的對分法、直接迭代法、松弛迭代法、韋格斯坦法、牛頓迭代法和割線法，對于線性方程組求解，我們主要采用高斯消去法。

針對化工微分方程及偏微分方程數值求解，我們主要教授常微分方程的求解，其中涉及的求解方法包括向前歐拉公式、梯形公式和龍格庫塔方法。

針對Office軟件在化工中的應用，我們主要教授Microsoft Word在化學化工論文及文獻書寫中的應用（主要包括公式及分子式的輸入、三線表的制作和圖文混排），Microsoft Excel在化工數據處理中的應用（主要包括Excel規劃求解和回歸分析）和Excel中的宏及其編程應用。

針對Origin在化學化工實驗數據處理中的應用，我們主要教授Origin的基本操作、Origin的功能設置、多圖層繪制和數據的擬合。

針對ChemOffice軟件在化學化工中的應用，我們主要教授ChemOffice的基礎知識、ChemDraw操作基礎、利用ChemDraw繪制分子式和反應方程式等、ChemDraw的擴展功能、Chem3D操作基礎、Chem3D模型的建立及操作、化學計算以及Chem3D綜合實例。

2 教學方式

對于這門課的教學方式，我們主要采用理論與實踐相結合的方式進行教學。本門課的理論教學部分主要是教師通過ppt課件講授的方式以及隨堂作業將書本上的理論知識傳授給學生。理論課的教學內容主要包括Matlab編程基礎及在化學化工中的應用、化學化工實驗數據及模型參數擬合原理與方法、化學化工非線性方程及線性方程組求解和化工微分方程及偏微分方程數值求解。這部分的知識理論性較強，因此主要是通過課堂講授和課后作業的形式來實現學生對知識點的學習。這門課的實踐教學部分主要包括Office軟件在化工中的應用、Origin在化學化工實驗數據處理中的應用以及Chemoffice軟件在化學化工中的應用。這三個章節的內容主要是一些化學化工軟件的應用操作，因此更適合采用實踐教學的方法來進行。實踐教學方式的實現主要是通過在微機房中進行教學來完成，在機房中教師首先通過計算機的實際操作來演示相關軟件的具體使用，隨后學生自己在計算機中親自操作相關軟件進行練習，從而達到鞏固學習的效果。

3 考核方式

合肥學院對于學生在“計算機在化學化工中的應用”這門課程上采取N+2的考核形式?！?”為上機作業（10%）與模塊考試成績（50%），“N”為3次過程考核成績（40%）。過程考核包括3次論文報告，分別為專利Patent及專利檢索（10%），化工軟件應用實例報告Origin（15%）以及化工軟件應用實例報告Chemoffice或者化工項目工程分析Simsci Pro II（15%）。從考核方式中可以看出，學生的最終成績不僅與其最終的期末考試成績息息相關，而且對于學生的平時成績也有較高的要求，學生只有平時上課認真聽講并按時完成作業，再加上在最后期末考試中取得好成績，才能獲得較好的總評成績。這種考核方式很好地避免了學生“臨時抱佛腳”和考前突擊取得好成績的情況，從而可以讓學生真正地掌握該課程的學習，使他們對該課程的內容牢記于心。

4 結束語

該課程屬于化學工程與工藝專業必學模塊，也是其他化工類專業重要的相關模塊，基本內容包括實驗數據及模型參數的擬合方法、非線性方程-線性方程的求解等，Office、Origin、ChemOffice等軟件在化學化工中的實際使用，以及Simsci Pro II等軟件在化工過程模擬中的運用等，需要學生具有一定的計算機應用基礎知識與工程數學知識。該課程需要的先修內容包括有機化學、物理化學、分析化學、化工原理、高級匯編語言、工程應用數學等。本課程為Auto CAD、Aspen Plus、化工專業實驗、化工設計及畢業設計等后續專業課程學習提供了工具性知識。該課程旨在提高學生利用計算機處理化工專業知識的水平，培養學生利用計算機處理實驗數據、繪圖及模型參數的能力，以及辦公、文字處理等操作能力。要求學生運用現代計算機和信息技術，迅速、準確地獲取各種信息，并且能充分發揮其輔助工具的作用，推動自身工作的開展。

通過該課程的學習使學生能使用Office、Origin等軟件，完成論文的編輯、化工信息的多媒體發布及繪制工藝流程圖等，學會如何利用計算機高速精確的計算功能解決化工實驗數據處理、模型參數計算方法及過程模擬的能力，能夠運用計算機輔助軟件設計、繪制和分析復雜化學工程的解決方案，對其進行預測、模擬和分析結果。針對計算機在化學化工中應用問題，能確定自主學習的目標與內容，充分發揮計算機輔助工具的作用，推動自身工作的開展。