互聯(lián)網(wǎng)+背景下“計算機在化學中的應用”課程改革探索

劉清芝 李偉娜 孫欽星 王 強 師進生

（青島農(nóng)業(yè)大學 山東·青島 266109）

隨著計算機計算能力以摩爾定律的速度增長，相關的行業(yè)也在發(fā)生著翻天覆地的變化。計算機與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展逐漸滲透到教育領域，正逐步改變著教師授課方式和整體上課模式。有的課堂大膽利用了微信平臺進行課堂教學的輔助和拓展。在國外，計算機則相對更多的應用到了課堂上，主要有兩個方面，一方面是將部分課程分配在計算機上演示講解；另一方面則是將本領域的學術(shù)問題利用計算機與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來協(xié)助解決。

全國許多高等院校開設了計算機在化學中的應用課程。本校也針對材料化學等四個專業(yè)開設了“計算機在化學化工中的應用”課程。課程主要講授matlab，chemoffice等常用的化學軟件用于化學數(shù)據(jù)擬合，結(jié)構(gòu)優(yōu)化等分析計算。課程內(nèi)容對學生的通用性較強。但在具體實施后發(fā)現(xiàn)，該課程能夠解決一般的化學問題，但具體到各個化學化工問題，尤其體現(xiàn)在畢業(yè)論文的設計過程中，尚缺乏更具針對性的解決方法。

怎樣將計算機與現(xiàn)代信息技術(shù)與化學與化工緊密結(jié)合是一個值得研究的課題。西方國家在這一方面已經(jīng)有諸多成功的案例。Sarah J.R.課題組針對化學或藥學專業(yè)學生，在課堂講授中引入計算機作為輔助。不僅將部分課程轉(zhuǎn)移到計算機實驗室開展，更教會學生使用計算機進行分子模型設計。

鑒于上述問題，本文在互聯(lián)網(wǎng)+大背景下，以目前計算機高速的計算能力以及現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，開展了化學與化工專業(yè)學生與計算機深度結(jié)合的教學改革探索。通過課題的順利開展，獲得合理有效的課程模式和教學方法，教會學生用現(xiàn)代計算技術(shù)探索化學問題，從而最終達到提升化學與化工專業(yè)學生未來的競爭力的目的。

1 對課程內(nèi)容進行調(diào)整

化學專業(yè)中的四大化學都與計算機的應用相關。例如物理化學中方程求根、化學反應平衡濃度等的計算，因為使用了計算機，精確度和效率可以得到大幅度提高；在分析化學中，計算機在多元線性回歸，線性擬合等方面有廣泛的應用?，F(xiàn)實中，學生對于計算過程復雜，處理困難的問題會采用簡化的模型來處理，但這樣進行處理的結(jié)果不會很理想。而若不采用簡化模型，則計算效率低。因而怎樣針對該課程進行內(nèi)容設計才能將化學中的難度問題用計算機解決是本課題要研究生主要內(nèi)容之一。

現(xiàn)有的課程內(nèi)容主要包括matlab，chemoffice，origin。主要是對化工中的數(shù)據(jù)進行插值擬合；對分子結(jié)構(gòu)進行繪制以及簡單的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制圖形等。受限于現(xiàn)有計算機的框架結(jié)構(gòu)，并不具備讓計算機有針對性和目的性的完成特定工作的能力。為了提高學生對計算機的實質(zhì)控制和使用能力，需在此基礎上對課程內(nèi)容進行調(diào)整。

充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，課程中加入了計算機語言的學習。將原課程中的chemoffice和origin兩部分教學內(nèi)容的課時縮短。增加matlab的教學課時。并在課時允許的情況下考慮加入C++或VB語言編程。受限于有限的課時，因而編程語言的學習須有針對性，對教師的教學案例設計有較高的要求。既要普及語言的基本知識，又要有針對性的提出有利于解決化學問題的具體案例。

化學是一門經(jīng)常與數(shù)據(jù)打交道的學科，離不開方程的求值、數(shù)據(jù)的分析等。例如吉布斯自由能的計算，由于有現(xiàn)成的模型可用，在變量確定的情況下，學生用計算器即可計算出結(jié)果。但如果模型包含多個變量，且變量不確定，在一定范圍內(nèi)取值，計算量會呈指數(shù)增加。例如：f(x)=(sin2x)e-ay-b|z|(1

在掌握計算機語言的基礎上，以上問題只需用幾條語句就能得到解決：

f=sin(M_PI*2x/180)*pow(e，-ay)-b*abs(z);

if(f<=0.000001&&f>=-0.000001)

{cout<<”x=”<

exit(0);}

盡管C++語言功能強大，但該語言也很難掌握，相比之下，使用 Matlab軟件處理復雜數(shù)據(jù)時，語言編寫比較簡潔。且Matlab強大的數(shù)據(jù)圖形處理能力也為數(shù)據(jù)提供了直觀的表達方式。例如：

年份服務年限 10 20 30 1950 150.697 169.592 187.652 1960 179.323 195.072 250.287 1970 203.312 239.092 322.767 1980 226.505 273.706 426.730 1990 249.633 370.281 598.243

已知1950年到1990年間每隔10年，服務年限從10年到30年每隔10年的勞動報酬表如下：試計算1975年時，15年工齡的工作人員平均工資。

用一般的解決方法會比較復雜且耗時較常，而用matlab處理，則只需要以下幾條語句即可。

years=1950:10:1990;

service=10:10:30;

wage=[150.697 169.592 187.652

179.323 195.072 250.287

203.212 239.092 322.767

226.505 273.706 426.730

249.633 370.281 598.243]

w=interp2(service,years,wage,15,1975)

2 改革課堂教學模式

要加強學生與計算機的深度結(jié)合，僅停留在傳統(tǒng)的課堂授課模式顯然是不夠的。課堂模式主張的是講授，學生思維多停留在被動接收的模式，學生沒有機會立刻將知識消化吸收并即時輸出。隨著現(xiàn)代教學手段的普及以及信息技術(shù)手段的進步，將課堂在計算機、互聯(lián)網(wǎng)的基礎上進行拓展顯得很有必要。

本文將1/3-1/2課時轉(zhuǎn)移到計算機實驗室進行，讓學生在計算機上通過具體案例體會計算機解決化學問題的能力。除了上課地點做靈活調(diào)整，課題組還針對學生的上機時間和上機題目進行了調(diào)整。教學實踐表明，與純理論講授相比，學生對于“所見即所得”的事物會表現(xiàn)出較高的興趣?？紤]到實踐不但能調(diào)動興趣，而且能更直接地反映學習過程中的問題，安排了十幾個學時的上機時間。實踐表明，十幾個學時的上機時間對需要練習的內(nèi)容來講顯得有些緊張，大部分學生還需要在課后補充練習。針對該狀況，本課題在每次上機之前的理論課上都對下次上機內(nèi)容進行詳細講解，讓學生課后根據(jù)課堂所學知識提出相應的解決方法。在上機時能很快進入練習和問題解決階段，使上機時間能得到充分利用。

為了提高學生學習的積極性，本課題還對上機題目進行更有實際應用價值的設計。始終與化學專業(yè)問題相關聯(lián)，且難易適中。例如

當學生學完MatLab中的二分法和牛頓法之后，給學生安排的上機題目如下：

一氧化碳與氫按以下反應生成甲醇：

現(xiàn)有1 mol CO與2mo1H2的混合物，在溫度t=590℃，壓力p=3.04×107Pa條件下進行反應并達到平衡(Kf=1.393*10-15，Kr=0.43)，分別用二分法和牛頓法求CH3OH在平衡氣中的物質(zhì)的量分數(shù)。

由于學生對此類問題的處理較為熟悉，因而上機積極性很高，學習效果很好。

3 培養(yǎng)學生用計算機輔助學習和解決問題的意識和習慣

盡管計算機和網(wǎng)絡已經(jīng)深刻的影響了各行各業(yè)，但目前學生的意識依然停留在“做實驗”和“做計算”兩個極端。做實驗的學生往往不知道其實有的實驗是可以在計算機上面做。如何讓學生意識到計算機是一個強大的服務工具，是一個值得研究的問題。

隨著智能手機的普及，學生養(yǎng)成了依賴手機的習慣。如果能將手機中的游戲換成化學類的APP，例如手機版化學繪圖軟件chemdrew，則可以很大程度上促進學生對所學專業(yè)知識的專注力。因而本課題組在課程學習的課時內(nèi)，在教授課程知識的同時，展開了對學生學習習慣培養(yǎng)的研究。課題組老師在每堂課的課后作業(yè)通過手機發(fā)布，學生可以使用手機APP隨時隨地完成并提交作業(yè)。給學生養(yǎng)成了良好的學習習慣。

4 結(jié)論

計算機和網(wǎng)絡的影響已經(jīng)擴大到了各行各業(yè)，對于化學化工領域也起到了積極的推動作用。而對于“計算機在化學中的應用”這門課，則無論在課程內(nèi)容設計還是教學手段上都需要做相應的改革和調(diào)整。本文通過對課程內(nèi)容、授課方式以及培養(yǎng)學習習慣三方面的教學改革嘗試，獲得了一系列有價值的方式方法，為后續(xù)該課程的進一步改革打好了基礎。