在化学类计算软件教学中培养学生的自主学习能力

郭彦+李俊

摘 要 计算软件在化学中的广泛应用与日俱增，将化学类计算软件引入到本科高年级的教学中也正受到越来越多的关注。这类课程的设置不仅可以让学生了解化学学科的前沿进展和有用的科研工具，也为学生从事相应的实验及科研工作打下良好的基础。在该门课程中，我们采用提问式教学，激发学生自主学习的兴趣；课堂练习紧密联系实际实验结果，为学生创造自主学习的空间；同时采用小课题或小论文的考察方式，培养学生自主学习的能力。

关键词 化学计算软件 Origin Chemoffice 自主学习

中图分类号：G424 文献标识码：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

随着计算机科学技术的飞速发展，硬件和软件日新月异的更新，传统的学科教学及科研已经离不开计算机辅助的影子。当前化学学科的研究已达到分子设计的水平，计算机在化学中的应用也是与日俱增，特别是在深入研究化学基本理论方面显示出了强大的作用。化学化工专业的学生只学习一般的计算机技术知识显然不足以跟上科技进步的脚步，近年来国内化工院校或专业都或多或少开设了计算机在化学化工中应用方面的课程。①②

国内以往的一些介绍计算机在化学或化工方面应用的书籍，以介绍化工算法的居多，对非计算机专业的学生已经不太适用。因而我们在化学专业高年级的课程中开设了化学类计算软件课程，旨在给学生们介绍当今计算软件在化学化工中的应用，并要求学生们能掌握具体软件的操作要求。

在化学专业中引入计算机软件的教学，不仅可以让学生了解化学学科的前沿进展和科研工具，而且有助于提高学生自主学习的能力。

1 教学中采用提问式教学，激发学生自主学习的兴趣

化学专业的基础课和专业课的讲授方式一般以讲授为主，要分析原理、推导公式、并辅以一些习题。化学类计算软件这门课程不同于这些传统的专业课程，这门课程以软件应用为主，本质为实践性教学课程，从教学内容上通常分为理论讲述和上机实习两个环节。在设置这一课程时，出于鼓励学生在实践中开展自主性、协作性和研究性学习的目的，将理论讲述的部分调整至总学时的1/4，剩下的学时用于上机实习。③

在计算机化学的理论授课中，重点讲解化学计算中常遇到的数学问题，如最小二乘法，线性方程组的求解，函数插值及拟合算法等；简述化学学科中常用的数据处理或绘图软件，如Origin，ChemOffice，Matlab等。接下来学生们通过大量的上机实习，来熟悉软件的基本操作，并能熟练应用软件。

授课中，我们改变以往的阐述型教学方式，以提问式教学为主。以Chemoffice为例，这是一款强大的化学绘图软件，能过绘制各种复杂的分子式、化学方程式、二维空间结构、分子的构象结构以及三维空间模型等。授课中，首先给学生们浏览教师自己绘制的，或从文献中看到的一些代表性的化学结构或反应流程图片。接下来，提出问题，如何绘制出自己需要的结构式或反应方程式，如何做出与文献上看到相一致的模型图片。高年级的本科生大部分已经进入实验室进行相应的课题研究或协助导师开展辅助性研究，也触及到文献及论文写作方面的内容，由于讲课及提问内容和学生自己的论文内容的关联性，激发了学生们自己探求软件的兴趣。

上机实习由提问式讲解和任务练习两部分组成。我们以提问的讲授方式介绍计算机知识和化学学科内容的结合，教会学生一些基本的操作命令。接下来提出问题，如如何绘制葡萄糖的分子结构式，让学生们当堂完成。在整个上机实习中，我们的提问由易至难，层层递进，逐步引导，激发学生们自主学习的兴趣。还是以ChemOffice的教学为例，我们从简单分子结构式的绘制开始，过渡到立体结构式的绘制，接下来生物分子结构式的绘制，进一步学习核磁共振谱图的模拟，最后完成漂亮的三维结构式的绘制。endprint

2 课堂练习紧密联系实际实验结果，创造自主学习的空间

上机练习中，我们提出的问题，布置的任务将紧密联系实际实验数据。上机练习过程已经不仅仅是学生们在计算机上完成一个或多个布置的任务，而是这些任务与学生自己的毕业课题或科研课题相结合。学生在完成这些问题及任务的过程中，首先逐步建构起计算化学软件应用的整体认知性，接下来应用在自身的实验或数据结果中，能够起到很好的练习效果。在整个上机实习的过程中，打破了由教师教授内容给学生的传统方式，而是将教学内容隐含在任务的背后，让一项项的任务成为带领学生了解、熟悉内容的引线。④让学生感到所练习任务内容的新颖性和实用性，激发学习热情。在这样的上机实习过程中，教师从讲授者、灌输者变为引导者、组织者，从讲台上讲解转变为走下来与学生交流讨论，共同学习，为学生创造自主学习的空间。

Origin软件为一个多文档界面的应用程序，利用该软件可以绘制散点图、点线图、柱状图、三维图等，还可以对图表进行个性化设置，既有科学的准确性又兼具审美性。⑤因而，该软件也是化学学科中常用的绘图软件。在Origin软件的课堂练习中，我们首先将Origin软件的界面与基本操作演示给学生，引导学生自己进行探求，如，探索如何调整坐标轴、怎么加入文字及图例说明，如何在简单的单层图的基础上绘制多层图，最后激发学生去尝试绘制三维图形。在学生自己探求的时候，以他们自己的实验数据为主，学生对于将自己得到的数据处理成规律性的图形具有积极的主观能动性。对于一些没有获得实验数据或还没有进实验室的学生，我们则提供以往实验课堂上的数据，如酸碱滴定实验中滴定剂与pH的数据，蔗糖燃烧热的实验数据等。学生们因为都做过相应的实验，手绘过相应的实验数据图，对于用Origin软件处理出来的数据不陌生，但又有新鲜感，能够起到很好的上机实习效果。

3 以小课题或小论文的考察方式，锻炼学生自主学习的能力

良好的课堂效果离不开编排合理的课堂练习以及恰如其分的考查方式。我们摒弃了传统的考试这一考查方式，以结合学生自己课题或感想的小课题或小论文的方式对该门课程进行考查。化学类计算软件的课程性质，是以老师教授为辅，学生自己探索，自主学习为主。这种计算软件的学习应用，突破了传统意义上课堂上时间和空间的限制。并且，学生们可以在实际的学习或科研中灵活应用，有较为丰富的应用背景。最主要的，学生们可以根据自己的水平和需要自主选择不同层次的软件应用。因而以公式、问答等传统的考核方式并不适用于这门课程。我们会给定课题范围，比如Origin软件的基本知识介绍和其在三角相图绘制中的应用；以fullerene分子三维图形绘制为基础的Chemoffice软件在化学结构绘制中的应用；以三维等高线图为例介绍Matlab绘制三维图形的处理。这些小论文题目的给出，不仅与化学学科中的基本原理和基本应用紧密联系，同时，能够让学生们在熟悉软件的基础上去探索软件的一些高级应用模式。

我们的考核也不仅仅局限于给出的课题范围，更加鼓励学生以自己的科研数据为主，举例介绍这些软件在他们归纳总结数据时起到的作用。这种不划定界限，不给定课题的方式，更能鼓动学生们，尤其是已经进入实验室研究的学生们对于软件学习的热情，达到自己的学习目标，进而提高自身自主学习的能力。

4 结语

计算机软件对化学学科的影响已经是举足轻重，因而很有必要在本科高年级阶段引入该类课程。这类课程的设置不仅可以让学生了解化学学科的前沿进展和科研工具，为学生从事实验及科研工作打下良好的基础，而且在课程的教授与考核中，有的放矢，帮助学生培养自主学习的能力。

注释

① 张荣国，雷家珩，陈永煕.计算机辅助化学教学研究.武汉理工大学学报，2004.26：93-95.

② 黄正国，徐梅芳.对计算化学的涵义与课程开设情况的调查.计算机与应用化学，2009.26：661-664.

③ 李建平.《计算机化学》课程教学方法改革的探索.湖北大学成人教育学院学报，2005.24：65-74.

④ 何基生.大学生自主学习能力的内涵、构成及培养.湖南科技学院学报，2012.33：75-78.

⑤ 胡飞龙，罗志荣，朱榴榴.Origin在物理化学实验中的应用.广州化工，2011.39：121-123.endprint