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课程简介 教师队伍  

■ 课程简介
课程名称: 计算化学(工科) 一级学科:  07 理学
二级学科: 0703 化学类 教学层次:  本科
负责教师: 张常群 学校名称:  北京化工大学
院系名称:   申报状态:  已获奖
申报级别: 国家级 申报文件下载:  无下载文件
获奖名称: 获奖年度:  2006
主页地址: http://202.4.152.134 用户名:buctjwc 密码:buctjwc 点击计算化学主页进入课程网站 是否交换: 
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课程介绍:

21世纪的化学已经成为一门实验、计算、理论相结合的综合性学科。多学科交叉、计算机与基础教育相结合已成为当今世界新技术和教育改革的特征和趋势。我们瞄准学科发展趋势,在我校化学化工类专业化学系列课优化整合后,新的教学计划中增设了专业基础课程——计算化学。它是一门新兴的、多学科交叉(化学学科、数学学科、计算机学科、化工类相关学科)的综合性新课程,主要内容是运用数学、统计学与计算机科学的方法,进行化学、化工的实验设计、数据与信息处理、分类、解析和预测。
《计算化学》课程在化工类及应用化学专业教学计划中的定位:充分考虑了学生的认识规律,在学生学完基础课程(无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、高等数学、计算机文化基础、FORTRAN语言、C语言)之后,与其它专业基础课同步或之前开设这门承上启下的课程,在教学实践中取得了良好的效果。
课程建设目标:按“五个一流”(一流的教师队伍、一流的教学内容、一流的教学方法、一流的教材、一流的教学管理)的标准建设计算化学精品课程。
在计算化学多学科交叉(化学、数学、计算机科学)内容的优化与整合上,突出课程内容的基础性前沿性;充分利用现代信息技术,用现代化教学理念指导教学全过程,使学生全面掌握应用计算机解决化学、化工相关问题的基本思路基本原理基本方法基本技能,培养学生学习能力、实践能力与创新能力。
课程建设方针:
l ??????? 依托国家工科基础课程优秀化学教学基地实体,以教改立项,促课程建设;
l???????? 依托化学一级学科优势,教学科研互动,师生参与改革促课程创新。
树立“为学生未来的发展和适应未来社会的发展奠定基础”的学生发展观,确保计算化学课程内容的科学性。
课程内容的特色:
1.不同学科相关内容的交叉与融合,确保课程内容的基础性前沿性
基础性──继承了有关学科课程的相关内容(无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、结构化学、化工热力学、化工动力学、数学、计算机编程)
前沿性──增加了多例化学、化工过程的计算机模拟内容和最优化设计,例如:单纯形法等;又融入了相关学科当今世界发展动态,如分子模拟、Monte Carlo法等。
2.理论教学与实践密切结合,确保课程内容的应用性实践性
注重实践,突出应用。以强化学生的综合知识能力和实践能力为目标,让学生循序渐进地面对复杂的工程实际应用,重视培养学生收集处理信息的能力,获取新知识的能力,提高工程意识。
例:镍硅藻土上发生的苯加氢合成环己烷是固体催化剂上进行的表面反应控制的气相反应。在160℃时的微分反应器中,测得不同压力下初始反应速度r0以及相应的苯和氢气的分压pBpH数据
初始反应速率方程为?????
学生学习相关内容之后,可以根据给定的已知实验数据,拟合上述数学模型中的参数bBbHka
3.依托学科优势,教学科研互动,教师将科研新观点、新成果、新资料融入课程内容之中,课程内容具有一定的创新性
例:教师科研中,根据实验数据拟合,建立了适用于非均匀固-液界面固体吸附量与溶质浓度关系的数学模型,不仅适用于极限吸附,也适用于无限吸附系统的吸附等温方程式:
式中,?
该论文在“计算机与应用化学”(2002,19(3):367-370)上发表后,受到同行的高度重视。此科研成果,能用于五种不同类型的吸附等温线,具有理论意义,同时也具有实践价值。
在课程中,介绍了如何确定该模型的模型参数b0b3α、β。拓展了学生的知识视野,让学生尽早了解发现科学真理的学习与研究活动,以调动其学习的主动性,掌握学习与发现的方法。
4-2-2知识模块顺序及对应的学时
理论课教学:共计24学时
1.? 前言(1学时)
什么计算化学;计算机在化学中的应用;计算化学的过去、现在和将来;学习方法。
2.? 代数方程及代数方程组的求解在化学中的应用(5学时)
二分法;Newton-Raphson迭代法;Gauss消去法;Gauss-Seidel迭代法。
3.? 插值法和回归分析——实验数据的拟合及模型参数的确定(6学时)
线性插值;Lagrange插值;中心差分;一元线性回归分析;一元非线性回归;多元回归;多项式回归分析。
4.? 数值积分与常微分方程的数值解法(6学时)
梯形法;Simpson法;离散点数据的求积;Gauss法;Euler法及其改进;Runge-Kutta法。
5.? 本征值和本征向量(2学时)
Jacobi方法;QL方法。
6.? 化学化工中常用的软件及网络资源简介(2学时)
结构式绘图软件;科学数据处理软件;化学化工重要网站;化工信息源。
7.? 化学化工中的最优化方法简介(1学时)
单纯形法优化;化工调优。
8.? 化学化工过程计算机模拟简介(1学时)
Moute Carlo法;化工过程模拟;课程小结。
?实践课教学共计48学时(2005年后按专业计划改为32学时)
1.????? 最高火焰温度的计算(4学时)
二分法;物理化学知识。
2.????? 求弱酸及其相应共轭碱钠盐的水溶液平衡问题(4学时)
Newton-Raphson迭代法;分析化学知识。
3.????? 多组分溶液的消光度计算(4学时)
Gauss-Seidel迭代法;分析化学知识。
4.????? 用元素分析确定混合物的组成(4学时)
Gauss消去法;无机化学知识。
5.????? 原电池热力学(4学时)
Lagrange插值;中心差分;物理化学知识。
6.????? 微分法确定化学反应动力学方程式(4学时)
Lagrange插值;中心差分;一元线性回归分析;物理化学知识。
7.????? 吸附等温式的计算(4学时)
一元线性回归分析;一元非线性回归;物理化学知识。
8.????? 分子结构-性能的多元线性回归(4学时)
多元回归;结构化学知识。
9.????? 实际气体的逸度计算(4学时)
Simpson法;离散点数据的求积;物理化学知识。
10.? 色谱分析的计算(4学时)
离散点数据的求积;分析化学知识。
11.? 苯的热裂解脱氢反应的动力学(4学时)
Runge-Kutta法;物理化学知识。
12.? 化学软件(Chemoffice, Origin, Chemwindow)应用、有机合成(4学时)
逻辑判断方法;有机化学知识。
4-2-3课程的重点、难点及解决办法
课程重点:
化学、化学工程中常用的数值计算方法
化学、化工中的常用软件和网络资源
最优化方法在化学、化工中的应用
化学、化工过程计算机模拟简介
课程难点:
内容方面:
化学、化学工程中常用的数值计算方法
化学、化工过程计算机模拟
对学生而言,对基础课程(无机化学,有机化学,分析化学,物理化学,高等数学,线性代数,计算机文化基础,FORTRAN、C语言程序设计)的掌握程度及对以上知识的综合运用的能力直接影响到本课程的学习。
解决办法:
1.立体化的教学方式——利用现代化教学模式进行课堂理论和实验教学
计算化学的理论教学:
●课堂教学授课采用的电子教案与MCAI课件;
●适合学生预习和复习用的网络电子教案;
●课后练习,课堂讨论;
●学生文献查阅、读书报告、小论文的撰写及讲演。学生通过查阅文献将计算化学知识同科研生产实践相结合,写出读书报告,文献综述等,组织同学进行读书报告宣讲并编辑学生读书报告论文集,调动了学生的学习主动性,激发了学生的求知欲。
物理化学的实践教学:
●上机实践电子教案;
●上机实践讨论;
●上机实践参考程序网上资源;
●学生不同编程语言的程序展示;
●化学软件实习。
2.课堂教学的探究式3W(What? Why? How to do?)教学法
探究式3W教学法,充分调动了学生的求知欲和学习兴趣,学生学习目的性明确。体现了教学过程中教师的主导作用和学生的主体作用,学生主动学习而不是被动接受知识,自学精神得到充分发扬。
4-2-4实践教学的设计思想与效果(不含实践教学内容的课程不填)
设计思想:
使学生在学习了本课程的理论知识的同时,通过上机实践,掌握化学中常用的数值计算方法、常用的化学、化工应用软件,并能利用计算方法和应用软件来解决化学中和部分工程实践中的实际问题,从而培养学生的学习能力、实践能力和创新思维能力。
方法:
在实践课中,始终围绕解决化学、化工中的实践课题,让学生自己动手,利用相关的数学模型,选择恰当的数值计算方法,完成编程、上机操作及大作业,使学生通过上机实践,掌握和理解各种计算方法在化学中的应用,学生在学中实践,实践中学,教学过程体现“教、学、实践合一”。
效果:
(1)从“实践中提出问题式”的教学方法,培养了学生学习兴趣与学习的主动性。采用参与式、开放式、自主式教学方式,学生从被动的继承性学习,逐渐转变为主动地创造性地学习,学生主动地关注与参与课程改革。
(2)三年多来共收集了学生对课程的意见和建议400余篇,学生查阅外文文献和撰写读书报告720多篇,参加课程改革讨论会的学生达到60多人次。充分体现了“以教师为主导,以学生为主体”的教学理念。
(3)教师与部分本科生、研究生组成团队共同参与改革,用具有挑战性的化学、化工中的实际课题带动探索式的改革,鼓励学生自主地在教师指导下相互合作,查阅文献资料,利用最新信息,建立或利用已有的数学模型,完成相关的课题计算,如活度系数模型与p-x相图的计算机模拟,使之转化为计算化学课程内容。
(4)毕业环节中,学生利用计算化学研究方法完成毕业论文的能力明显增强,计算化学课程教学优势突显。
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4-3教学条件(含教材使用与建设;促进学生主动学习的扩充性资料使用情况;配套实验教材的教学效果;实践性教学环境;网络教学环境)
???
教材使用与建设
(1)《计算化学》课程教材建设获国家、北京市立项。

级别
项目名称
立项时间
高等教育出版社“高等教育百门精品教材建设立项”(选题项目)
《计算化学》
2003.8
普通高等教育“十五”国家级规划教材立项
《计算化学》
2002.6
北京市高等教育精品教材
建设立项项目
《计算化学》
2002.1

(2)实现了立体化的教材建设。
l???????????? 计算化学文字教材与光盘(MCAI课件)(由高等教育出版社于2006年5月出版)
l???????????? PowerPoint电子教学幻灯片 (由高等教育出版社于2006年5月出版)
l???????????? 参考资料近750篇(计算化学的发展现状、研究热点、计算化学的应用实例等)
l???????????? 网页建设:课程的教学大纲、授课教案、习题、实验指导、参考文献目录、教师授课录像等材料均已上网。(网址:http://202.4.152.134/
扩充性资料使用情况:
l???????? PPT电子教案在应用化学专业四届学生中使用;
l???????? MCAI课件在应用化学专业三届学生中使用。
学生们对本门课程的开设普遍持肯定和欢迎态度,学生们反映:“通过学习本课程,对计算机在化学中的应用有了许多了解,学会了一些用计算机来解决化学问题的计算方法,学习了一种新颖的思维方式,加深了对化学系列课理论的掌握,增强了计算机编程能力,提高了分析问题和解决实际问题的能力,认为这门课程综合性强,很有实用价值。”
在学生毕业环节中,学生应用计算技术解决实际问题的能力显著提高,实践证明,“计算化学”课程改革在培养专业人才综合能力方面成效显著。
实践性教学环境:
学校提供充足的计算机房,确保实践课和理论教学同步进行;确保一人一机完成实践教学。
网络教学环境:
计算化学教学网页已于2005年5月开通(网址:http://202.4.152.134/)。
???? 学校提供机房的远程教育环境,每台机器均可上网;同时,教室和学生宿舍亦配备网络接口,为学生查阅计算化学相关网上资源提供保障。
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4-4教学方法与教学手段(含多种教学方法灵活使用的形式与目的;教育技术应用与教学改革)
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教学方法改革:
充分利用现代信息技术,用现代教学理念指导教学全过程。
1.树立“理论源于实践、指导实践”的辩证唯物主义认识观,坚持了理论教学与实践教学互动的原则。
理论课教学:始终围绕解决化学、化工中的实践课题,以化学中常用的数值计算方法为主线,结合学科前沿,体现教学内容的基础性和前沿性,从而培养学生的创新思维与创新能力。
实践课教学:始终围绕解决化学、化工中的实践课题,让学生自己动手,利用相关的数学模型,选择恰当的数值计算方法,完成编程、上机操作及大作业,使学生通过上机实践,掌握和理解各种计算方法在化学中的应用,学生在学中实践,实践中学,教学过程体现“教、学、实践合一”。
2.? 树立“学生是学习活动中不可替代的主体”的学生主体观,教学中,坚持贯彻“从实践中提出问题,教、学、实践合一”的教学方法。
从“实践中提出问题式”的教学方法,培养了学生学习兴趣与学习的主动性。采用参与式、开放式、自主式教学方式,学生从被动的继承性学习,逐渐转变为主动地创造性地学习,学生主动地关注与参与课程改革。
3.?? 树立“以学生探究活动为主线进行教学”的现代教学观,采用了现代化教学手段与教学方法进行教学。
本课程信息量大,知识面广,采用《计算化学》PowerPoint电子教学幻灯片进行了课堂教学实践,大大提高了课堂教学效率。
例:计算机模拟:包括
基础的物理化学实验的计算机模拟──二组元固-液金属相图热分析实验与相图的计算机模拟。
科研中的二组元完全互溶非理想液态混合物任意组分的活度系数模型与p-x图、T-x图的计算机模拟。
4.?? 树立新的质量观,改革课程考核方法。
突破传统学生评价体系,重在科学素质和能力培养。
为考核学生解决问题的综合能力,总成绩的构成包括:平时作业、文献查阅、上机实践、大作业和考试。在考试方法上打破常规的单一笔试模式,采用上机大作业的形式进行。考题涉及多种数值计算方法的综合运用。学生则以抽签形式从难度相当的题目中选取一题进行上机求解,全面考查学生对课程内容的掌握。
信息技术手段在教学中的应用及效果
1.计算化学MCAI课件的建设
CAI作为一种新型的教学手段,已成为教育现代化的一个重要的衡量标准。经全组教师的努力,在现代化教学手段的研究与应用方面取得显著成绩,形成了特色。
《计算化学》MCAI课件为与《计算化学》文字教材配套的电子教材。由于《计算化学》比较抽象,需要计算机做大量的计算工作,从而使相关知识的学习变得相对困难。把抽象的概念、定理、公式、计算实例做成多媒体的形式,可以增加学习者的学习兴趣,提高学习效率,也可供教师教学参考。该软件的内容涵盖了《计算化学》的各个方面,包括内容简介、计算方法、计算实例、相关应用以及练习实践,突出课程的基础性和前沿性。软件综合运用了文字说明、图形显示、动画和声音等多媒体技术以及FORTRAN、VB程序设计实现数值计算和数据库技术,以达到内容严谨、算例丰富,科学性、交互性、趣味性及多媒体性能的目的,为教材的出版奠定基础。
《计算化学》MCAI课件是一个基于Windows9X,2000,XP 和WindowsNT平台的多媒体辅助教学课件。它主要面向化学化工及其相关专业的本科学生学习计算化学以及教师辅助教学所用。
2.利用现代化教学模式(计算化学PPT电子教案)进行课堂理论和实验教学,提高了教学水平和教学效率。
3.现代教育技术应用促进了网络教学的开展 。
课程的教学大纲、授课教案、习题、实验指导、参考文献目录、教师授课录像等材料均已上网。(网址:http://202.4.152.134/
现代化教学手段的应用增加了学生学习的信息量和学习兴趣,受到学生的普遍欢迎。
树立新的质量观念,改革考核方法
为考核学生解决问题的综合能力,总成绩的构成包括:平时作业、文献查阅、上机实践、大作业和考试。在考试方法上打破常规的单一笔试模式,采用上机大作业的形式进行。考题涉及多种数值计算方法的综合运用。学生则以抽签形式从难度相当的题目中选取一题进行上机求解,全面考查学生对课程内容的掌握。
成绩评定 :
总成绩依据下列权重评定:
平时成绩(包括小测验及平时提问)         10%
文献查阅                      10%
上机实践                       30%
期末考试                     50%

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