计算机辅助分析化学与实验教学研究

上传:tianshizhiyi 2021-11-24 10:11:45 版权声明 举报文章

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基于人类科学文明发展历程分析,自然科学领域所取得的各项成就,几乎都离不开数据支持。尤其在化学领域,由于研究对象多处在分子、原子甚至更小的微观尺度上,直观上难以洞悉反应过程,需要通过严谨的数学处理总结规律,才能精准地界定化学环境、反应条件、剂量比例等。然而,在传统化学化工教育领域开展实验活动,需要对原始数据进行大量加工,才能从中窥得部分奥秘,不仅过程繁琐、操作复杂,且难以保障化学实验数据的准确性,不利于化学理论与实验教学活动的开展。在信息化、网络化、数字化高度发达的现代社会背景下,将计算机辅助功能引入到化学化工教研活动中,既能够提高教学质效,也能够促进学科之间的互动协同,为培养化学化工专业复合型人才创造有利条件。王洪艳主编的《计算机与化学化工数据处理》(科学出版社,2007年4月第1版)一书聚焦计算机辅助教学优势,强调计算机学科与化学化工的深度结合,针对如何利用计算机辅助工具展开化学理论、实验教学进行了全面介绍。通读全书,发现三方面显著特色。

一、秉承问题意识,促进计算机与化学学科的跨界结合

该书以计算机辅助分析功能为起始点,以建立化学学科数学模型为着力点,以增强高校学生化学化工数据处理能力为落脚点,是一部旨在促进计算机科学与化学专业学科跨界结合的教育专著。全书包含12个章节,各章节内容均以实践应用为主,包括构建化学问题的数学解决模型、化学数据统计、化学实验数据回归分析等,最大程度上简化化学化工概念、定义等理论知识,大部分篇幅用以容纳计算机辅助分析功能如何体现、如何构建、如何使用。由此,可以看出本书作者具有强烈的问题意识,正如全书开篇之际提出的一系列问题:如何快速实现化学原始数据测量与分析?如何有效从化学数据中提取隐含信息?如何利用计算机软硬件解决化工生产问题?计算机辅助既是一种问题解决思路,也是一种化学学科教学创新模式;同时,要实现计算机辅助价值在化学实验领域的有效渗透,“跨界结合”是非常有效的方式。一方面,它可以引导学生将所掌握的计算机软件知识、编程技能等与化学理论整合起来,督促学生学以致用。另一方面,可以让化学专业学生提前熟悉职业情境,为进入化工岗位筑牢基础。

二、突出建模思维,强调化学实验教学中数理统计分析

客观上,计算机(包含硬件与软件)是一种信息化、数字化、网络化工具,化学是一门自然科学,两者的构成要素、存在样态、表达形式等差异巨大,是无法进行直接性结合的。为了消除计算机与化学之间的隔阂,本书在两者之间搭建起一座“数学桥梁”,即数学建模。本书突出建模思维,目的是让学生主动地利用数理统计方法,将碎片化、不相关的实验结果转换成定量表述形式,在此基础上反推化学实验过程,促成化学试剂用量、化学实验条件、化学现象观察等关联性,充分发挥计算机软件的数据处理优势。同时,本书为读者展示了实用性较强的化学问题数学模型,包括曲线法、多项式拟合、多元回归等,相关数学模型都源自于化学理论的推导。此外,为了保障化学建模用途的多元性,本书十分注重基础数学知识的普及,例如第三章“概率论与数理统计的基本知识”中,介绍了概率论、数理统计基本概念、实验数据统计检验等常规操作,并提供了一些化学实验教学中常见的数学模型,可供学生直接运用,以及在此基础上拓展数据模型。

三、坚持创新理念,探索计算机辅助功能的多元化应用

《计算机与化学化工数据处理》一书在内容组织上,更像一本计算机编程指导用书,书中详细介绍了C语言、VB语言的编程技巧,以及如何利用这两种语言构建化学问题的数学模型,包括运用MATLAB工具、Origin工具、ChemDraw工具等。但从各章内容构成上分析,该书并没有偏离化学理论与实验教学这一主题,程序编写、模型建构均是面向化学数据处理展开的,例如利用VB语言编写“五点三次平滑”模块,用以减少化学实验数据中的误差影响,以及利用C语言编写“二元线性回归”模块,以更好地判断不同化学实验条件下的结果;同时,坚持创新理念,本书对于计算机辅助工具的应用,表现出较强的接受性,除了C语言、VB语言之外,还介绍了一部分商业数学建模软件的功能,为读者提供了大量文献资料,引导学生借助化工化学科研成果,探索计算机辅助功能的多元化应用。例如,从商业软件中借鉴系统、完整的数学模型,通过与具体化学实验项目的结合,改造为专门用途的化学实验过程的数据处理工具;书中书中附录部分提供了大量化学实验问题分析表,可用在实验报告对照及专业论文引用上。

作者:彭莉 单位:昆明冶金高等专科学校环境与化工学院