計(jì)算機(jī)輔助分析化學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

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基于人類科學(xué)文明發(fā)展歷程分析，自然科學(xué)領(lǐng)域所取得的各項(xiàng)成就，幾乎都離不開數(shù)據(jù)支持。尤其在化學(xué)領(lǐng)域，由于研究對(duì)象多處在分子、原子甚至更小的微觀尺度上，直觀上難以洞悉反應(yīng)過(guò)程，需要通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)處理總結(jié)規(guī)律，才能精準(zhǔn)地界定化學(xué)環(huán)境、反應(yīng)條件、劑量比例等。然而，在傳統(tǒng)化學(xué)化工教育領(lǐng)域開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行大量加工，才能從中窺得部分奧秘，不僅過(guò)程繁瑣、操作復(fù)雜，且難以保障化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，不利于化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的開展。在信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)背景下，將計(jì)算機(jī)輔助功能引入到化學(xué)化工教研活動(dòng)中，既能夠提高教學(xué)質(zhì)效，也能夠促進(jìn)學(xué)科之間的互動(dòng)協(xié)同，為培養(yǎng)化學(xué)化工專業(yè)復(fù)合型人才創(chuàng)造有利條件。王洪艷主編的《計(jì)算機(jī)與化學(xué)化工數(shù)據(jù)處理》（科學(xué)出版社，2007年4月第1版）一書聚焦計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)學(xué)科與化學(xué)化工的深度結(jié)合，針對(duì)如何利用計(jì)算機(jī)輔助工具展開化學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了全面介紹。通讀全書，發(fā)現(xiàn)三方面顯著特色。

一、秉承問題意識(shí)，促進(jìn)計(jì)算機(jī)與化學(xué)學(xué)科的跨界結(jié)合

該書以計(jì)算機(jī)輔助分析功能為起始點(diǎn)，以建立化學(xué)學(xué)科數(shù)學(xué)模型為著力點(diǎn)，以增強(qiáng)高校學(xué)生化學(xué)化工數(shù)據(jù)處理能力為落腳點(diǎn)，是一部旨在促進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)與化學(xué)專業(yè)學(xué)科跨界結(jié)合的教育專著。全書包含12個(gè)章節(jié)，各章節(jié)內(nèi)容均以實(shí)踐應(yīng)用為主，包括構(gòu)建化學(xué)問題的數(shù)學(xué)解決模型、化學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析等，最大程度上簡(jiǎn)化化學(xué)化工概念、定義等理論知識(shí)，大部分篇幅用以容納計(jì)算機(jī)輔助分析功能如何體現(xiàn)、如何構(gòu)建、如何使用。由此，可以看出本書作者具有強(qiáng)烈的問題意識(shí)，正如全書開篇之際提出的一系列問題：如何快速實(shí)現(xiàn)化學(xué)原始數(shù)據(jù)測(cè)量與分析？如何有效從化學(xué)數(shù)據(jù)中提取隱含信息？如何利用計(jì)算機(jī)軟硬件解決化工生產(chǎn)問題？計(jì)算機(jī)輔助既是一種問題解決思路，也是一種化學(xué)學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新模式；同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助價(jià)值在化學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的有效滲透，“跨界結(jié)合”是非常有效的方式。一方面，它可以引導(dǎo)學(xué)生將所掌握的計(jì)算機(jī)軟件知識(shí)、編程技能等與化學(xué)理論整合起來(lái)，督促學(xué)生學(xué)以致用。另一方面，可以讓化學(xué)專業(yè)學(xué)生提前熟悉職業(yè)情境，為進(jìn)入化工崗位筑牢基礎(chǔ)。

二、突出建模思維，強(qiáng)調(diào)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析

客觀上，計(jì)算機(jī)（包含硬件與軟件）是一種信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化工具，化學(xué)是一門自然科學(xué)，兩者的構(gòu)成要素、存在樣態(tài)、表達(dá)形式等差異巨大，是無(wú)法進(jìn)行直接性結(jié)合的。為了消除計(jì)算機(jī)與化學(xué)之間的隔閡，本書在兩者之間搭建起一座“數(shù)學(xué)橋梁”，即數(shù)學(xué)建模。本書突出建模思維，目的是讓學(xué)生主動(dòng)地利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，將碎片化、不相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成定量表述形式，在此基礎(chǔ)上反推化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，促成化學(xué)試劑用量、化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件、化學(xué)現(xiàn)象觀察等關(guān)聯(lián)性，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，本書為讀者展示了實(shí)用性較強(qiáng)的化學(xué)問題數(shù)學(xué)模型，包括曲線法、多項(xiàng)式擬合、多元回歸等，相關(guān)數(shù)學(xué)模型都源自于化學(xué)理論的推導(dǎo)。此外，為了保障化學(xué)建模用途的多元性，本書十分注重基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識(shí)的普及，例如第三章“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)”中，介紹了概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)基本概念、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)等常規(guī)操作，并提供了一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見的數(shù)學(xué)模型，可供學(xué)生直接運(yùn)用，以及在此基礎(chǔ)上拓展數(shù)據(jù)模型。

三、堅(jiān)持創(chuàng)新理念，探索計(jì)算機(jī)輔助功能的多元化應(yīng)用

《計(jì)算機(jī)與化學(xué)化工數(shù)據(jù)處理》一書在內(nèi)容組織上，更像一本計(jì)算機(jī)編程指導(dǎo)用書，書中詳細(xì)介紹了C語(yǔ)言、VB語(yǔ)言的編程技巧，以及如何利用這兩種語(yǔ)言構(gòu)建化學(xué)問題的數(shù)學(xué)模型，包括運(yùn)用MATLAB工具、Origin工具、ChemDraw工具等。但從各章內(nèi)容構(gòu)成上分析，該書并沒有偏離化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一主題，程序編寫、模型建構(gòu)均是面向化學(xué)數(shù)據(jù)處理展開的，例如利用VB語(yǔ)言編寫“五點(diǎn)三次平滑”模塊，用以減少化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的誤差影響，以及利用C語(yǔ)言編寫“二元線性回歸”模塊，以更好地判斷不同化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果；同時(shí)，堅(jiān)持創(chuàng)新理念，本書對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助工具的應(yīng)用，表現(xiàn)出較強(qiáng)的接受性，除了C語(yǔ)言、VB語(yǔ)言之外，還介紹了一部分商業(yè)數(shù)學(xué)建模軟件的功能，為讀者提供了大量文獻(xiàn)資料，引導(dǎo)學(xué)生借助化工化學(xué)科研成果，探索計(jì)算機(jī)輔助功能的多元化應(yīng)用。例如，從商業(yè)軟件中借鑒系統(tǒng)、完整的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)與具體化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)合，改造為專門用途的化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)處理工具；書中書中附錄部分提供了大量化學(xué)實(shí)驗(yàn)問題分析表，可用在實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)照及專業(yè)論文引用上。

作者：彭莉 單位：昆明冶金高等專科學(xué)校環(huán)境與化工學(xué)院