開源軟件，助力化學教學

摘 要：隨著開源軟件的迅猛發(fā)展，其人性化和易操作性日益滿足人們的需要，因而帶動其滲透到各行各業(yè)中，中間不乏有助推教育技術發(fā)展的卓越成果。列舉比較重要的開源軟件在化學教育領域的應用，介紹各軟件的特點以及性能，并展望其發(fā)展方向。

關鍵詞：開源;化學;教學;軟件

一、引言

化學教學的實踐性和操作性很強，但是不是所有的實踐都可以用文字描述、概括清楚，例如，反應機理的驗證、復雜分子三維結構可視化等，因此、在進行理論教學的同時，需要利用計算機軟件對理論知識進行說明，以加強學生對理論知識的理解和掌握。這樣首先就面對一個軟件選擇的問題。盡管有許多軟件可供選擇，但大部分都是付費軟件，與其相對應也有自由軟件，但是很多都是試用版或者功能、時間限制版。隨著開源軟件的蓬勃發(fā)展，為化學教育提供新的多樣性選擇。開源軟件即開放源代碼的軟件，是指在有關許可協議方式的規(guī)范下，任何人能夠自由獲得、拷貝、研究、改進以及分發(fā)其源代碼的軟件。廣義的開源軟件指任何公開源代碼的軟件。開源軟件具備可免費使用以及公布源代碼等主要特征、使用開源軟件的優(yōu)勢在于學生一旦懂得操作，即可在工作中可以使用;與其相反，付費軟件有可能因為沒有購買版權，即使懂得操作也無法公開使用以及出版，不能夠做到學以致用。開源軟件從系統(tǒng)分，有DOS系統(tǒng)、Windows系統(tǒng)、Linux內核、以及跨平臺如JAVA;從功能分，有資料提供軟件、結構建模軟件、化學編輯軟件、反應機理軟件、分子模擬軟件等。開源軟件目前主流仍舊在Linux系統(tǒng)，這對于初學者有一定的難度，但是隨著Windows一統(tǒng)天下的局面終結，系統(tǒng)平臺也趨于多元化，IE瀏覽器的終結伴隨國外opera、Chrome、 firefox和國內Maxthon、360、QQ等群雄并起的局面，以及手機平臺iOS和Android縱橫馳騁，足可一見其斑。

二、開源軟件在化學教學中的應用

1.化學編輯軟件

ChemPaster是一款用于編輯化學式的軟件，與同類軟件相比，其對無機化學式和有機化學式都提供了完美的支持。無需生成中間檔案便可將化學式插入各種主流文件處理程序中。提供基本繪圖功能，可以直接實現儀器的繪制。提供許多繪制好的儀器圖片。Math-o-mir是個強大的公式編輯器。FX Chem Struct提供給教師使用的化學圖表工具，內置所有化學符號可供使用。Chemix是一個實驗儀器仿真軟件，類似Chemoffice實驗模塊的Flash程序。Veusz可以繪制各種科學圖表，內包含Python程序庫。

2.資料提供軟件

常見的資料提供軟件包括ChemHandbook、SCIfinder。與其對應開源軟件有基于Java完成的Polyhedron Search可以利用化合物的多面體特征以及對稱性進行網絡搜索;HSC Chemistry是世界上使用最廣泛的熱化學計算應用軟件。對于合成化學的教學，Systematichem Syntheses Viewer是一大福音，其內嵌的可視器與SysChem公司的網站數據庫聯合，提供常見目標產物的合成路線。Toxtree是一個有毒化合物的分析工具，可以通過插件對不同的制作方案進行分析，它使用Java編寫，可以支持多平臺。Kalzium是一個顯示化學周期表的程序，還可以根據分子式顯示元素的三維立體圖，并測量原子之間的距離，其化學方程式配平器還可以實現將化學方程式配平。

3.結構建模軟件

常見的付費結構建模軟件包括ChemDraw、ChemWindow、Chemsketch、ISISDraw，其中Chemsketch是自由軟件，但是更高一些功能則需要付費。在開源軟件中，Avogadro是一個交叉平臺上的開源的高級分子編輯器和顯示程序，可以使用在計算化學、分子建模、生物信息學、材料科學和相關領域中。它提供了強大而靈活的插件功能，界面也非常的友好。GAMGI是用于linux上的一個圖形界面來查看和分析原子結構信息程序，對于分子、晶體、玻璃、液體等也比較適合。對于大分子例如蛋白多糖等，可以采用CueMol可視化，它還可以看到分子3D結構并有渲染功能。PyMOL采用可擴展的模塊方式，可以方便地集成到其他應用程序中。比較受歡迎的還有Rasmol和Jmol，這是一個相對較弱的三維顯示軟件。不過它不能編輯和創(chuàng)建分子模型，只有可視化功能。一般情況下，與ISISDraw連用。也可以單獨使用，功能也比較簡單，容易操作。有特色的是其跟蹤日志功能，這里要注意Jmol的開發(fā)者特別約定了元素、殘基、氫鍵等各種結構特征的顏色配置。WebLab Viewer Pro自身能夠編輯和繪制分子模型，同樣功能簡單，除了擁有一般三維結構模擬軟件的特點以外，它表現生物分子和晶體結構的能力應該說是同類軟件中最強的。這就使一些蛋白質分子和高分子有了較為恰當的表示方法。SketchEI主要采用MDL和MOL格式搭建分子結構。另外，還有Chemitorium也是一個比較簡單的結構建模程序。

4.反應機理軟件

Kintecus通常用于模擬化學反應動力學，也可以研究燃燒反應的平衡和酶反應等。ChemMaths是一個化工計算軟件，內嵌EquationsPro包含超過400預設的反應式，DataPro包含超過3000化合物，UnitsPro可以進行超過200個單位轉換，ProsimGraphsPro可以展示化工過程，其可以預測化學性質、臨界常數、熱力學性質，表面拉力等。ReactionLab是一個用于Matlab的工具箱，用于模擬化學反應過程。PyQuante用python寫成的量化計算軟件。python是種腳本語言，所以，它的計算效率不如c、c++、fortran，因此，在對計算時間比較敏感的一些任務中，基本不可能用python。通常的計算化學軟件，由于歷史原因很多都是用fortran。Python在計算化學更多的是用來處理不是很大的數據，或者進行文件操作。雖然不像Jaguar，Gaussian或者GAMESS那樣快，但是容易理解，易于修改。它目的是提供一組設計得很好的工具，使科學家可以構建自己的量子化學程序，而無需全部自己書寫源代碼。因此，它可以作為一個教學模型，學習量化程序包的底層機制。流體力學軟件OpenFOAM與OpenFVM可用于化工設備中流體流動、傳熱、傳質與反應的計算。

5.分子模擬軟件

Towhee軟件是明尼蘇達大學化學系SiePmann小組在美國能源部支持的復雜體系研究項目的基礎之上建立起來的， 由蒙特卡洛分子模擬代碼組成，基本功能包括單組分、多組分吸附等溫線;最先為預測流體相平衡而設計，主要使用基于特別設計的處理采樣分子構象的算法的原子力場，隨后擴展到一些系統(tǒng)、多種不同的力場以及固體（或者至少多孔性的）相中。另一個著名的是LAMMPS，最初由美國能源CRADA（Cooperative Research and Development Agreement）聯合兩家美國能源部實驗室和三家公司研發(fā)的。 它是一個用于計算大規(guī)模體系的經典動力學代碼。LAMMPS基于豐富的力場和邊界條件，可以模擬原子、聚合物、生物、金屬或者顆粒體系。GROMACS是分子動力學軟件包，用于模擬含幾百到幾百萬粒子體系的牛頓運動方程。它特別適用于生物分子，如，蛋白質、油脂等有大量復雜健作用的體系，但是由于GROMACS在計算非鍵作用（這占了模擬的主要部分）時相當快，因此，也可廣泛應用于非生物體系，如聚合物。

三、總結

積極鼓勵開源軟件進入化學教育領域，特別是進入基礎教育和高等教育領域，對于未來高端教育技術的跨越式發(fā)展無疑是一支強心劑。因此，肩負知識創(chuàng)新重擔的年輕教師有責任也有義務在化學教育領域大力推廣開源軟件。

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作者簡介：葉國東，1972年出生，男，副教授，博士，廣州醫(yī)科大學藥學院化學教研室。

基金項目：國家自然科學基金項目（項目批準號21274032）。

編輯 王團蘭