《計算機在化學化工中的應用》課程教學實踐＊

周凌云 王 艷 冷艷麗

（1.貴州民族大學化學工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省龍里中學，貴州 黔南布依族苗族自治州 551200）

《計算機在化學化工中的應用》作為化學化工類專業學生的必修課或選修課，近年來許多國內高校對這門課程的教學進行了實踐和改革[1-6]。然而，在課程的建設過程中還存在一些共性問題。大多論文列出了具體的軟件和教學目標，但并未展示教學過程中該如何通過詳細的教學實例達到該目標。尤其是針對基礎相對薄弱的學生，教學內容的選擇、教學方法和考核模式都有待優化。本文結合筆者所在學校的實際情況以及個人從事科學研究的實踐和經驗，對這門課程的教學內容、課程實例、教學方法和考核模式方面進行了一系列的實踐。課程形成了一定的特色，本文對此進行了梳理和總結。

一、軟件的擇優選擇

開設這門課程旨在讓化學化工類專業的學生掌握常見相關軟件的使用，并能夠將其運用于解決實際問題，最終為畢業論文的設計、就業、工作或科學研究奠定基礎。隨著琳瑯滿目的實用軟件相繼出現，為合適教學軟件的選擇提出了難題。例如，關于化學結構式繪制的軟件有ChemWindow、ChemSketch、ISIS/Draw、Chemdraw、KingDraw 等；關于科學數據計算、分析和統計的軟件有Microsoft Excel、Origin、Matlab、Spss、DesignExperte 等；關于化工流程模擬的軟件有Aspen Plus、PRO/II、Hysys、ProMax 等；關于化學化工作圖的軟件有AutoCAD、Visior、Cup tower、PDSoft 等；其它畫圖軟件Photoshop、3Dmax、Microsoft PPT 等； 關于理論模擬的軟件有Gaussian、GAMESS、VASP、Chem3D。

軟件的選擇決定了這門課程的教學內容。然而，針對這門課程，選擇哪幾種軟件作為授課的主要內容，到目前為止沒有統一的標準。不同的學校，使用的軟件存在差異。例如，天津工業大學環境與化學工程學院的卞希慧選擇了Microsoft Word、Microsoft PPT、Origin、ChemDraw、

AutoCAD、Photoshop、3dsMax、Matlab、Gaussian、NAMD[7]。這門課程的課時一般為32 學時。許多專業相關的軟件操作繁瑣、流程復雜，且大多都是純英文界面。針對基礎相對薄弱的學生，想要在有限的學時內學習并會使用3個甚至更多軟件，十分困難。教師教授的種類越多，學生掌握的情況越不理想。更何況有些學生在上完本門課后很少使用相關軟件，很快就會將課程內容遺忘。因此，合適軟件的選擇十分重要，只要達到教學目的，相似的軟件，應選擇一款操作相對簡單，且更容易被記住的即可。

筆者所在學校為西南地區的普通高校，學生的基礎相對薄弱，尤其是還有專升本的學生。針對這樣的情況，筆者認為這門課程教授的內容不宜過多，且選擇的軟件是比較流行或學生使用過但對其許多功能又不熟悉的。對于化學化工類專業的學生，可以使用軟件解決以下四個方面的問題即可：（1）化學結構、常用儀器的繪制和分子模擬，（2）數據的統計、分析和歸類，（3）簡單美觀圖形的繪制，（4）內容排版。目前的教改論文顯示Chemoffice、Origin 以及Microsoft Office 這三款軟件及其組件特別受歡迎，且能夠滿足我們學院對該門課程的教學需求。因此，在選擇這三款軟件的基礎上，筆者對每款軟件的教學內容進行了精心的規劃和設計。

二、合理設計和規劃教學內容

1．ChemOffice 的教學內容

ChemOffice 是由英國的CambridgeSoft Corporation 開發的綜合性科學應用軟件包，是眾多集成化軟件中的一種，主要集成了化學結構繪圖ChemDraw，分子模型及仿真Chem3D，化學信息搜尋整合系統等軟件ChemFinder 等。ChemOffice 也是化學化工教學和科學研究中被廣泛使用的軟件。ChemDraw 和Chem3D 兩個組件繪制的內容不僅能與Microsoft Office 等軟件完美兼容，還有國內外許多高檔次的論文期刊專門為其指定文件格式用來投稿。因此，這兩個組件的內容是本門課程的教學重點之一。

ChemDraw 的教學內容規劃和設計如下：（1）模板工具的介紹；（2）有機分子化合物單雙三鍵、環狀、鏈狀、芳香烴等的繪制；（3）文字編輯功能的介紹；（4）反應方程式的繪制；（5）軌道圖形的繪制；（6）反應實驗裝置設備的繪制；（7）分子結構的核磁共振；（8）其它擴展功能。Chem3D 的教學內容規劃和設計如下：（1）從ChemDraw中導入結構到Chem3D；（2）分子結構顯示模式的設置等；（3）分子軌道和電荷的計算及顯示；（4）分子的優化和動力學模擬；（5）變更分子二面角查找其構象空間；（6）其它擴展功能。

ChemDraw 和Chem3D 教學內容的實際例子，在前人的基礎上進一步做了優化和設計。不僅會選擇經典的海膽霉菌素分子結構進行繪制，還會選擇一些人們日常生活中比較熟悉的分子如葡萄糖、乳糖、阿莫西林、蛋白質分子等。此外，還會將筆者部分已發表文章上的結構、軌道或原子排布示意圖作為教學素材。值得一提的是，這類素材的選取可以更加直觀地讓同學們了解學習此類軟件的用途和意義。

2．Origin 的教學內容

Origin 是由美國的OriginLab 公司開發的一個科學繪圖、數據分析軟件。這款軟件簡單易學且功能十分強大，支持各種各樣的2D/3D 圖形的繪畫，支持數據分析和曲線擬合等。Origin 教學內容的規劃和設計如下：（1）曲線、直線圖的繪制；（2）反應能壘圖的繪制；（3）線性擬合和數據分析；（4）多圖形的組合；（5）科技論文作圖技巧。Origin 作圖數據來源于Chem3D 教學中的分子動力學模擬。

3．Microsoft Office 教學內容

Microsoft Office 是所有軟件中大家相對比較熟悉的軟件之一，但該軟件的許多功能還未被完全發掘，尤其是利用Microsoft PPT 畫精美圖形的功能往往會被忽視掉。相比于Photoshop、3dsMax 等這類專業的作圖軟件，Microsoft PPT操作簡單、使用簡便，更容易被同學們掌握。因此，利用Microsoft PPT 作圖是該部分主要講解的內容之一。另外，當前，許多重要的國家級申請項目的答辯都采取了提交視頻的方式進行。筆者曾參與了長江學者獎勵計劃、國家杰出青年科學基金以及國家優秀青年科學基金答辯視頻的制作，發現該類視頻是利用Microsoft PPT 里面的一些基本操作合成而得，其中主要涉及幻燈片排版、動畫設計、語音導入及配置等。當然，最后也會講解Microsoft word 文字內容的排版、圖形插入、表格制作、公式的輸入、特殊符號的插入、頁眉頁腳設置以及目錄的制作等，更好地為學生畢業論文的設計和科技論文撰寫做鋪墊。除此之外，在教學過程中網絡資源的有效利用也會適當提及。

4．其他軟件

大學教師不僅要教授學生相應的知識，更重要的是培養學生運用各種技術、技巧和技能，來解決學習和研究過程中遇到問題的能力。以上課程教學內容包括了化學和化工專業共性的學習內容。針對不同專業的一些特殊軟件的內容，在課程教學上也進行了規劃。例如，在課程剛開始讓所有學生分別挑選一個與專業相關的軟件，自己課后進行研究和學習，并在最后2 次課上將軟件的安裝步驟、使用方法進行現場演示和說明。在這個過程中教師會提供相應的資料，并對學生講解軟件進行點評和總結。對于化工類的學生可以選擇流程模擬軟件Aspen Plus、塔設備設計軟件Cup tower、化工廠三維設計軟件PDSoft 等，而對于應用化學可以選擇專業制圖軟件AutoCAD、Visior 等。

三、初步優化教學方法

《計算機在化學化工中的應用》是一門實踐性非常強的課程，需要學生在學習過程中反復練習相關軟件才能達到理想的教學效果。因此，筆者在教學過程中采取了任務驅動式教學方法。首先，在第一次課堂上，將這門課程的總任務目標告知同學，即做一個視頻。視頻素材來源于學習所有軟件過程中繪制的結構或圖片。因此，視頻內容包括了ChemDraw 繪制的分子結構、化學方程式、軌道結構圖和分子的核磁共振（NMR）結果等；Chem3D 模擬的分子動態變化、分子的最高占據分子軌道（HOMO）、最低未占據分子軌道（LUMO）及電荷分布等；Origin 制作的圖和相應數據分析結果等；Microsoft PPT 繪制的精美圖形等。其次，為了充分吸引同學們，激發其學習興趣，向同學們展示提前制作好并嵌入音頻的視頻。當然，每部分結構或圖片內容都是用較為明亮的顏色，且使用的動畫是比較炫酷的類型。

在學習每個軟件內容之前先展現該軟件所能實現的功能，有助于調動學生的積極性。對于單次課的教學方法也是采取這種任務驅動的模式，即每次上課的第一件事就是告知同學們相應的任務目標，再進行教學和演示。例如，“海膽霉菌素原子的標記和說明”一圖中涉及了單雙建、芳香烴的繪制、文本的編輯、鍵長/鍵角的控制、線條的選擇等，是ChemDraw 教學的經典例子。在講解ChemDraw 繪制分子結構時，筆者首先將相應的分子結構向同學們展示。然后，再用ChemDraw 軟件實際操作來演示圖中涉及到的關鍵知識點，演示結束后馬上讓同學們實際操作。然而，即使這樣，仍然還有許多學生在使用軟件時，很快忘記或者根本找不到相應的按鈕進行操作。因此，學生在實操過程中，不僅要單獨指導個別基礎差的學生，還要及時將課堂上同學們反饋的問題進行講解。值得一提的是，目前教改論文顯示大多高校將理論課時和上機課時的比例進行明確的劃分。通過實踐我們發現直接將大量的理論知識灌輸給學生，再讓他們上機操作的效果并不好。而我們的課堂以學生實際操作為主，任課教師講解為輔，并根據學習情況，實時調整學習進度。實踐操作更能反映學生在使用軟件的過程中遇到的問題，所以以任務—演示—操作—反饋這樣的方式進行課堂教學，不僅提高了同學們的積極性，還增加了他們在課堂上的參與感。而通過與部分高中老師溝通發現任務驅動式教學在高中課堂的教學效果也是十分良好的。

除此之外，每次教學任務的內容都是在上次任務的基礎上進行精心地設計，如在學習計算分子的NMR 時，向同學們展示阿莫西林的結構，再演示其1H-NMR 和13C-NMR 的計算方法。那么，同學們在計算NMR 時，就必須先畫出阿莫西林的結構才能進行下一步操作。這樣既復習了分子結構繪制的內容，也學習了新知識。這樣反復的練習，可以使同學們更熟練地使用相應的軟件。在學習Chem3D 的分子動力學模擬時，教會同學們通過改變阿莫西林或葡萄糖分子結構中部分原子的二面角，并利用分子動力學模擬尋找其空間構象和能量。同時告知同學們這一步得到的能量數據，要用于Origin 軟件進行數據分析和畫圖。

四、創新課程的考核模式

創新課程的考核模式是教學改革中一個非常重要的環節。最終成績是對學生掌握軟件水平的一個重要判標，而考核方式對促進其學習具有非常重要的導向作用。這門課程以實際操作為主，需要設計以應用能力為中心的考核方式，全面考察學生掌握各個軟件的情況。在這門課程的考核中，筆者提高了平時成績所占的比例，并增加了自主學習能力的考察，進行了學習過程評價和拓展能力評估相結合的考核方法探索。

最終成績分為平時成績和期末成績兩部分組成，比例分別占70%和30%。平時成績主要包括學生上課的考勤和課堂任務完成的質量，期末成績主要考察學生自主學習專業相關軟件的能力。任務完成質量可以反映學生掌握軟件的使用情況，而期末介紹新軟件的使用可以反映學生自主學習新知識的能力。學生只有上課認真完成任務，仔細研究自學新軟件的使用，才能獲得較優的最終成績。

五、效果與討論

通過《計算機在化學化工中的應用》這門課程的學習，培養學生解決實際問題的能力，為化學化工類專業的學生處理實驗數據、設計畢業論文、就業或科學研究奠定基礎。課程內容選擇了世界上比較流行的軟件進行介紹，教學方法采取任務驅動的模式，考核方式提高了平時成績所占的比例。實踐證明以任務—演示—操作—反饋這樣的方式進行課堂教學，不僅提高了同學們的積極性，還增加了其課堂參與度。從學生們完成任務的質量來看，這樣的授課方式取得了較好的教學效果。