互联网+背景下“计算机在化学中的应用”课程改革探索

刘清芝 李伟娜 孙钦星 王 强 师进生

（青岛农业大学 山东·青岛 266109）

随着计算机计算能力以摩尔定律的速度增长，相关的行业也在发生着翻天覆地的变化。计算机与互联网的发展逐渐渗透到教育领域，正逐步改变着教师授课方式和整体上课模式。有的课堂大胆利用了微信平台进行课堂教学的辅助和拓展。在国外，计算机则相对更多的应用到了课堂上，主要有两个方面，一方面是将部分课程分配在计算机上演示讲解；另一方面则是将本领域的学术问题利用计算机与互联网技术来协助解决。

全国许多高等院校开设了计算机在化学中的应用课程。本校也针对材料化学等四个专业开设了“计算机在化学化工中的应用”课程。课程主要讲授matlab，chemoffice等常用的化学软件用于化学数据拟合，结构优化等分析计算。课程内容对学生的通用性较强。但在具体实施后发现，该课程能够解决一般的化学问题，但具体到各个化学化工问题，尤其体现在毕业论文的设计过程中，尚缺乏更具针对性的解决方法。

怎样将计算机与现代信息技术与化学与化工紧密结合是一个值得研究的课题。西方国家在这一方面已经有诸多成功的案例。Sarah J.R.课题组针对化学或药学专业学生，在课堂讲授中引入计算机作为辅助。不仅将部分课程转移到计算机实验室开展，更教会学生使用计算机进行分子模型设计。

鉴于上述问题，本文在互联网+大背景下，以目前计算机高速的计算能力以及现代信息技术为手段，开展了化学与化工专业学生与计算机深度结合的教学改革探索。通过课题的顺利开展，获得合理有效的课程模式和教学方法，教会学生用现代计算技术探索化学问题，从而最终达到提升化学与化工专业学生未来的竞争力的目的。

1 对课程内容进行调整

化学专业中的四大化学都与计算机的应用相关。例如物理化学中方程求根、化学反应平衡浓度等的计算，因为使用了计算机，精确度和效率可以得到大幅度提高；在分析化学中，计算机在多元线性回归，线性拟合等方面有广泛的应用。现实中，学生对于计算过程复杂，处理困难的问题会采用简化的模型来处理，但这样进行处理的结果不会很理想。而若不采用简化模型，则计算效率低。因而怎样针对该课程进行内容设计才能将化学中的难度问题用计算机解决是本课题要研究生主要内容之一。

现有的课程内容主要包括matlab，chemoffice，origin。主要是对化工中的数据进行插值拟合；对分子结构进行绘制以及简单的结构优化；根据实验数据绘制图形等。受限于现有计算机的框架结构，并不具备让计算机有针对性和目的性的完成特定工作的能力。为了提高学生对计算机的实质控制和使用能力，需在此基础上对课程内容进行调整。

充分利用现代信息技术，课程中加入了计算机语言的学习。将原课程中的chemoffice和origin两部分教学内容的课时缩短。增加matlab的教学课时。并在课时允许的情况下考虑加入C++或VB语言编程。受限于有限的课时，因而编程语言的学习须有针对性，对教师的教学案例设计有较高的要求。既要普及语言的基本知识，又要有针对性的提出有利于解决化学问题的具体案例。

化学是一门经常与数据打交道的学科，离不开方程的求值、数据的分析等。例如吉布斯自由能的计算，由于有现成的模型可用，在变量确定的情况下，学生用计算器即可计算出结果。但如果模型包含多个变量，且变量不确定，在一定范围内取值，计算量会呈指数增加。例如：f(x)=(sin2x)e-ay-b|z|(1

在掌握计算机语言的基础上，以上问题只需用几条语句就能得到解决：

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

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

{cout<<”x=”<

exit(0);}

尽管C++语言功能强大，但该语言也很难掌握，相比之下，使用 Matlab软件处理复杂数据时，语言编写比较简洁。且Matlab强大的数据图形处理能力也为数据提供了直观的表达方式。例如：

年份服务年限 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年间每隔10年，服务年限从10年到30年每隔10年的劳动报酬表如下：试计算1975年时，15年工龄的工作人员平均工资。

用一般的解决方法会比较复杂且耗时较常，而用matlab处理，则只需要以下几条语句即可。

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 改革课堂教学模式

要加强学生与计算机的深度结合，仅停留在传统的课堂授课模式显然是不够的。课堂模式主张的是讲授，学生思维多停留在被动接收的模式，学生没有机会立刻将知识消化吸收并即时输出。随着现代教学手段的普及以及信息技术手段的进步，将课堂在计算机、互联网的基础上进行拓展显得很有必要。

本文将1/3-1/2课时转移到计算机实验室进行，让学生在计算机上通过具体案例体会计算机解决化学问题的能力。除了上课地点做灵活调整，课题组还针对学生的上机时间和上机题目进行了调整。教学实践表明，与纯理论讲授相比，学生对于“所见即所得”的事物会表现出较高的兴趣。考虑到实践不但能调动兴趣，而且能更直接地反映学习过程中的问题，安排了十几个学时的上机时间。实践表明，十几个学时的上机时间对需要练习的内容来讲显得有些紧张，大部分学生还需要在课后补充练习。针对该状况，本课题在每次上机之前的理论课上都对下次上机内容进行详细讲解，让学生课后根据课堂所学知识提出相应的解决方法。在上机时能很快进入练习和问题解决阶段，使上机时间能得到充分利用。

为了提高学生学习的积极性，本课题还对上机题目进行更有实际应用价值的设计。始终与化学专业问题相关联，且难易适中。例如

当学生学完MatLab中的二分法和牛顿法之后，给学生安排的上机题目如下：

一氧化碳与氢按以下反应生成甲醇：

现有1 mol CO与2mo1H2的混合物，在温度t=590℃，压力p=3.04×107Pa条件下进行反应并达到平衡(Kf=1.393*10-15，Kr=0.43)，分别用二分法和牛顿法求CH3OH在平衡气中的物质的量分数。

由于学生对此类问题的处理较为熟悉，因而上机积极性很高，学习效果很好。

3 培养学生用计算机辅助学习和解决问题的意识和习惯

尽管计算机和网络已经深刻的影响了各行各业，但目前学生的意识依然停留在“做实验”和“做计算”两个极端。做实验的学生往往不知道其实有的实验是可以在计算机上面做。如何让学生意识到计算机是一个强大的服务工具，是一个值得研究的问题。

随着智能手机的普及，学生养成了依赖手机的习惯。如果能将手机中的游戏换成化学类的APP，例如手机版化学绘图软件chemdrew，则可以很大程度上促进学生对所学专业知识的专注力。因而本课题组在课程学习的课时内，在教授课程知识的同时，展开了对学生学习习惯培养的研究。课题组老师在每堂课的课后作业通过手机发布，学生可以使用手机APP随时随地完成并提交作业。给学生养成了良好的学习习惯。

4 结论

计算机和网络的影响已经扩大到了各行各业，对于化学化工领域也起到了积极的推动作用。而对于“计算机在化学中的应用”这门课，则无论在课程内容设计还是教学手段上都需要做相应的改革和调整。本文通过对课程内容、授课方式以及培养学习习惯三方面的教学改革尝试，获得了一系列有价值的方式方法，为后续该课程的进一步改革打好了基础。