計(jì)算機(jī)軟件在高分子化學(xué)教學(xué)和科研中的應(yīng)用

1、 計(jì)算機(jī)軟件在高分子化學(xué)教學(xué)和科研中的應(yīng)用 摘要：本文結(jié)合高等院?；瘜W(xué)化工專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)和作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了在化學(xué)化工領(lǐng)域常用的幾種計(jì)算機(jī)軟件，并探討了這些軟件在高分子化學(xué)教學(xué)和科研中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)軟件化學(xué)化工高分子化學(xué)教學(xué)科研對(duì)于在高等院校從事化學(xué)化工專(zhuān)業(yè)教學(xué)和科學(xué)研究的工作者來(lái)說(shuō)，在備課、試卷制作、實(shí)驗(yàn)研究、論文撰寫(xiě)等過(guò)程中，經(jīng)常要進(jìn)行繪制物質(zhì)結(jié)構(gòu)、書(shū)寫(xiě)化學(xué)反應(yīng)方程、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析測(cè)試圖譜等繁瑣的工作。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展與普及，這些工作可以部分地由計(jì)算機(jī)完成。國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)和化學(xué)領(lǐng)域的研究人員聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一些小巧、簡(jiǎn)便、實(shí)用的小型專(zhuān)業(yè)化學(xué)軟件，并得到了應(yīng)用，但其相對(duì)功能比較弱，不能

2、解決教學(xué)和科研中復(fù)雜的化學(xué)繪圖、數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題。作為從事化學(xué)化工專(zhuān)業(yè)人員非常需要了解和掌握一些更為實(shí)用、功能更為強(qiáng)大的化學(xué)軟件的使用。本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)外的化學(xué)軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)探討其在高分子化學(xué)教學(xué)和科研過(guò)程中的應(yīng)用。一、準(zhǔn)化學(xué)軟件（一）課件制作軟件Microsoft Office PowerPointMicrosoft Office是最常用的辦公軟件包，其中的PowerPoint是工作在一線的化學(xué)教育工作者使用最為普遍的軟件，用來(lái)制作幻燈片演示文稿。主要特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易學(xué)，使用方便，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)工作者也能運(yùn)用自如。PowerPoint提供了一個(gè)有利的功能強(qiáng)大的通道，多種軟

3、件可以與PowerPoint并行使用，如Flash制作的動(dòng)畫(huà)，專(zhuān)業(yè)化學(xué)軟件創(chuàng)建的分子結(jié)構(gòu)模型等都可以以對(duì)象的形式插入到PowerPoint幻燈片演示文稿中，且可編輯性強(qiáng)，能制作出集文字、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫(huà)、視頻等多種媒體信息為一體的多媒體課件 1, 2。（二）圖像處理和動(dòng)畫(huà)制作軟件1.Adobe PhotoshopAdobe Photoshop是目前應(yīng)用性很強(qiáng)的平面圖像處理軟件，是攝影、圖像、圖形設(shè)計(jì)師進(jìn)行圖像編輯的優(yōu)秀工具，是多媒體素材的創(chuàng)作及處理的主要工具。它可以通過(guò)強(qiáng)大的濾鏡功能及一些簡(jiǎn)單的操作對(duì)已有的圖片等進(jìn)行一些修飾、裁剪、合成，達(dá)到美化課件的效果。Photoshop也經(jīng)常用在文

4、字的處理、背景的創(chuàng)作、交互按鈕的制作等方面。用它也可以實(shí)現(xiàn)圖像文件的格式轉(zhuǎn)換，從而為多媒體創(chuàng)作選取合理的圖像提供了更加有利的空間。在化學(xué)課件制作中，可以從其他各種資源(如掃描，抓屏，數(shù)碼攝像等)中截取所需圖像資源，用此軟件經(jīng)過(guò)特定處理后融合到課件中2。對(duì)于高分子化學(xué)，Photoshop的應(yīng)用在也是非常廣泛的，如可以借助Photoshop繪制各種結(jié)構(gòu)的高分子鏈段示意圖，如接枝、星型、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等。2.FlashFlash是矢量圖形和動(dòng)畫(huà)制作的專(zhuān)業(yè)軟件，簡(jiǎn)單易學(xué)，功能強(qiáng)大，可以獨(dú)立制作多媒體課件。Flash在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面尤其發(fā)揮得淋漓盡致：強(qiáng)大的繪圖工具，為繪制實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)裝置提供了有利的幫助；用

5、Flash制作的動(dòng)畫(huà)能模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，達(dá)到一定的仿真實(shí)驗(yàn)的效果，發(fā)揮了獨(dú)特的輔助教學(xué)的功效3。在高分子化學(xué)教學(xué)中，F(xiàn)lash動(dòng)畫(huà)可以直觀地演示高分子的運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)。如由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，高分子的構(gòu)象時(shí)刻改變著，單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)要消耗能量，以克服內(nèi)旋轉(zhuǎn)所受到的阻力，分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)位能可以用紐曼模型來(lái)描述，我們可以利用Flash制作紐曼模型4。再如可以用Flash動(dòng)畫(huà)演示化學(xué)鍵的均裂和異裂過(guò)程，從而方便地解釋自由基的形成。這些動(dòng)態(tài)過(guò)程傳統(tǒng)教學(xué)不易表現(xiàn)。3.3D MAX3D MAX是三維建模、動(dòng)畫(huà)及渲染的軟件。利用3DMAX制作的動(dòng)畫(huà)能將化學(xué)中的一些微觀現(xiàn)象放大，將空間分子結(jié)構(gòu)模型變換不同的角度，使難理解的抽象問(wèn)

6、題具體化、生動(dòng)化5。例如在高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在給同學(xué)們講授高分子成型機(jī)械設(shè)備的過(guò)程中，學(xué)生難以明白的是設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行程序，學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)也看不到設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和液壓傳遞路線圖。但如果用3D MAX 軟件將設(shè)備做成三維動(dòng)畫(huà)，用Flash 演示液壓設(shè)備的液壓原理圖，就使學(xué)生很快了解了設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理，并加深了印象。學(xué)生從抽象枯燥、平面、黑白的學(xué)習(xí)中轉(zhuǎn)到形象生動(dòng)、立體、多彩的畫(huà)面上，這樣提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也便于加深理解4。（三）數(shù)據(jù)處理軟件1.Microcal OriginMicrocal Origin是Windows平臺(tái)下用于數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、科技繪圖的軟件。 Origin像M

7、icrosoft Word、Excel等一樣，是一個(gè)多文檔界面應(yīng)用程序。Origin的數(shù)據(jù)分析功能可以給出選定數(shù)據(jù)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，包括平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、標(biāo)準(zhǔn)誤差、總和以及組數(shù)。另外還可以在分析菜單下對(duì)數(shù)據(jù)排序、快速傅立葉變換、多重回歸等，可根據(jù)需要選用。Origin可以對(duì)選定的數(shù)據(jù)做圖，包括直線圖、描點(diǎn)圖、向量圖、柱狀圖、餅圖、區(qū)域圖、極坐標(biāo)圖以及各種3D圖表、統(tǒng)計(jì)用圖表等。并給出擬合參數(shù)，如回歸系數(shù)、直線的斜率、截距等。還可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算，如轉(zhuǎn)置、求逆等，并通過(guò)矩陣窗口直接輸出各種三維圖表。支持拖放式繪圖等，該軟件還可以直接使用和處理Microsoft Excel表中的數(shù)據(jù)。由于該軟件具有處

8、理快速、方便易用、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，被化學(xué)化工工作者廣泛使用。高分子化學(xué)中，研究聚合動(dòng)力學(xué)，測(cè)定共聚反應(yīng)競(jìng)聚率等場(chǎng)合經(jīng)常要運(yùn)用曲線擬合法、截距斜率法、積分法等方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Origin可以簡(jiǎn)單迅速地得到我們需要的結(jié)果。2.EditPlusEditPlus一套功能強(qiáng)大，可取代記事本的文字編輯器，擁有無(wú)限制的撤消與重做、英文拼字檢查、自動(dòng)換行、列數(shù)標(biāo)記、搜尋取代、同時(shí)編輯多文件、全屏幕瀏覽功能。而它還有一個(gè)好用的功能，就是它有監(jiān)視剪貼板的功能，能夠同步于剪貼板自動(dòng)將文字粘貼進(jìn) EditPlus 的編輯窗口中，讓你省去粘貼的步驟。運(yùn)用EditPlus可以編輯和處理一些特殊的化學(xué)化工科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)

9、數(shù)據(jù)，達(dá)到事半功倍的效果。（四）文獻(xiàn)管理在收集Reference過(guò)程中，文獻(xiàn)管理程序可以幫助你整理、排列所收集的內(nèi)容；撰寫(xiě)研究論文的過(guò)程中，這類(lèi)程序允許你直接在文字處理過(guò)程中插入Reference，并按要求自動(dòng)生成規(guī)定格式的Reference列表。這類(lèi)程序中有代表性的有：EndNote, Reference Manager和ProCite等，它們都能對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行整理，能在文字處理程序中直接插入Reference并生成一定雜志規(guī)定格式的Reference列表。二、專(zhuān)業(yè)化學(xué)化工軟件雖然很多常見(jiàn)軟件都加載了化學(xué)功能模塊，但只能作一些簡(jiǎn)單的操作，且操作煩瑣，效率低，不能滿(mǎn)足實(shí)際的需要，因而專(zhuān)業(yè)化學(xué)化工軟

10、件得到了迅猛地發(fā)展。（一）化學(xué)品電子手冊(cè)化學(xué)品電子手冊(cè)是一個(gè)綜合性的化學(xué)品手冊(cè)電子手冊(cè)軟件。收集了包括化學(xué)礦物、金屬和非金屬、無(wú)機(jī)化學(xué)品、有機(jī)化學(xué)品、基本有機(jī)原料、化肥、農(nóng)藥、樹(shù)脂、塑料、化學(xué)纖維、膠粘劑、醫(yī)藥、染料、涂料、顏料、助劑、燃料、感光材料、炸藥、紙、油脂、表面活性劑、皮革、香料等常用化學(xué)品的中文名稱(chēng)、英文名稱(chēng)、分子式或結(jié)構(gòu)式、物理性質(zhì)、用途和制備方法等。本軟件采用全模糊檢索技術(shù)，檢索簡(jiǎn)便。是一個(gè)不可多得的工具軟件。（二）3D Studio3D Studio系統(tǒng)由2D Shaper(二維造型)、3D Loft(三維放樣)、3D Editor(三維編輯)、Keyframer(動(dòng)畫(huà)制作)

11、和Material Editor(材料編輯)五大模塊組成6。整個(gè)制作過(guò)程無(wú)需使用語(yǔ)言編制程序，僅涉及到很有限的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，是廣大化學(xué)化工工作者制作動(dòng)畫(huà)輔助教學(xué)系統(tǒng)很好的工具。高分子鏈由于冗長(zhǎng)繁復(fù)的結(jié)構(gòu)，變化多端的構(gòu)象，使得在教學(xué)上不容易表達(dá)清楚，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，三維動(dòng)畫(huà)可以運(yùn)用于描述高分子鏈的鏈接結(jié)構(gòu)、構(gòu)象演示、共聚物結(jié)構(gòu)、結(jié)晶高分子鏈構(gòu)象和晶胞結(jié)構(gòu)等教學(xué)過(guò)程中。（三）ChemOfficeChemOffice包括ChemDraw Ultra (化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖)、Chem3D Ultra(分子模型及仿真)、ChemFinder Ultra(化學(xué)信息搜尋)等一系列完整的軟件。ChemDra

12、w是國(guó)內(nèi)外最流行、最受歡迎的化學(xué)繪圖軟件，它可以建立和編輯與化學(xué)有關(guān)的一切圖形。例如，建立和編輯各類(lèi)化學(xué)式、方程式、結(jié)構(gòu)式、立體圖形、對(duì)稱(chēng)圖形、軌道等，并能對(duì)圖形進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、縮放、存儲(chǔ)、復(fù)制、粘貼等多種操作。可以將化合物名稱(chēng)直接轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)圖，省去繪圖的麻煩；也可以對(duì)已知結(jié)構(gòu)的化合物命名，給出正確的化合物名稱(chēng)。Chem3D同ChemDraw一樣，是ChemOffice的組成部分，它能很好地同ChemDraw一起協(xié)同工作，ChemDraw上畫(huà)出的二維結(jié)構(gòu)式可以正確地自動(dòng)轉(zhuǎn)換為三維結(jié)構(gòu)。ChemFinder通過(guò)你的計(jì)算機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)，可以在Word、Excel、PowerPoint、ChemDraw、

13、ISIS 等文件中搜索化學(xué)結(jié)構(gòu)，以便流覽或修改，并輸出到自己的目標(biāo)文件中?；趪?guó)際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的智能型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，包含的多種化學(xué)通用數(shù)據(jù)庫(kù)共四十多萬(wàn)個(gè)化合物的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、反應(yīng)式、文獻(xiàn)等檢索條目的分析和利用，可為化學(xué)家的目標(biāo)化合物設(shè)計(jì)、反應(yīng)路線選擇和物化性質(zhì)預(yù)測(cè)以及文獻(xiàn)的調(diào)用提供極大的方便。ChemOffice的ultra版本還包括了一個(gè)很好的半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)計(jì)算程序MOPAC97，并能與著名的從頭計(jì)算程序Gaussian98連接，作為它的輸入、輸出界面。能夠以三維的方式顯示量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果，如：分子軌道、電荷密度分布等7, 8。（四）圖譜解析在化學(xué)化工科研中，解析一些小分子物質(zhì)的紅外、核磁及

14、質(zhì)譜有時(shí)是一件非常困難的工作，解析高分子化學(xué)中涉及的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的化合物的圖譜變得更為困難。核磁圖譜的解析可以先利用ChemOffice中的ChemNMR、ChemWindow、gNMR等軟件對(duì)目標(biāo)化合物的化學(xué)位移進(jìn)行估算或作出模擬譜，用以協(xié)助對(duì)該化合物圖譜的指認(rèn)。ChemNMR為ChemDraw Ultra版本的一個(gè)插件，可以用來(lái)估算大多數(shù)有機(jī)物的1H、13C化學(xué)位移及用線圖表示的相應(yīng)圖譜；ChemWindow6.0的一個(gè)最突出的特點(diǎn)是與光譜的結(jié)合，它的6.5 Spectroscopy 版本包括了一個(gè)約五萬(wàn)張13C NMR的數(shù)據(jù)庫(kù)(達(dá)250兆)，因而其預(yù)測(cè)更加精確；除了根據(jù)化合物的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)1

15、3C NMR化學(xué)位移外，還能預(yù)測(cè)紅外圖譜、質(zhì)譜等，更可以讀入標(biāo)準(zhǔn)格式的NMR、IR、Raman、UV及色譜圖；gNMR則可用來(lái)估算任何NMR活性核的化學(xué)位移，并能畫(huà)出非常逼真的圖譜，該軟件包所帶的幾個(gè)工具(gSPG, gCVT)亦可用來(lái)處理一維核磁圖譜數(shù)據(jù)，并能與模擬譜進(jìn)行比較。（五）其他化學(xué)化工專(zhuān)業(yè)軟件我們知道真實(shí)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)都是有體積、重量、色彩的三維空間結(jié)構(gòu)，而組成物質(zhì)內(nèi)部的分子、原子也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)形態(tài)。以高分子為例，采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，教師只能在黑板上的二維空間講述高分子的三維結(jié)構(gòu)，雖然可以借助分子模型，但分子模型不能表現(xiàn)分子的動(dòng)態(tài)形態(tài)?，F(xiàn)在我們可以借助如ACDPChemSketch

16、模擬軟件高分子的結(jié)構(gòu)模型來(lái)展示其動(dòng)態(tài)模型。另外，在高分子化學(xué)領(lǐng)域中，超級(jí)化學(xué)助手V3.1能夠輕松輸入圖形和公式，模擬高聚物、取代基模型；ISIS/Draw2.4能自動(dòng)識(shí)別化合價(jià)，鍵角和各種環(huán)，如同在紙上一樣輕松的繪制化學(xué)結(jié)構(gòu)，包括復(fù)雜的生物分子和聚合物。三、結(jié)束語(yǔ)在高分子化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，我們可以結(jié)合以上這些軟件，不斷適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)科知識(shí)的變化，滿(mǎn)足教學(xué)需要。同時(shí)，直觀友好的交互界面、簡(jiǎn)潔清晰的導(dǎo)航系統(tǒng)、多媒體技術(shù)的綜合應(yīng)用有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深對(duì)教學(xué)難點(diǎn)的理解，實(shí)現(xiàn)最佳的學(xué)習(xí)效果。在高分子化學(xué)科研工作中，以上軟件的運(yùn)用，可以解決科研過(guò)程中遇到的很多難題，顯著地提高我們的科研工作效率。致謝感謝常熟理工學(xué)院青年教師科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目No.20070702和化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開(kāi)放課題研究基金項(xiàng)目的資助。Reference：1張世波.“PowerPoint鏈接或嵌入Flash動(dòng)畫(huà)的三種方法”.電腦學(xué)習(xí)，2003，6：24-25.2徐曉華,祝紅琴.“計(jì)算機(jī)軟件在多媒體化學(xué)教育中的應(yīng)用”.電腦知識(shí)與技術(shù)，2006，2：229-230.3王炎,胡大為,邰立峰,“用Flash開(kāi)發(fā)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)CAI課件”.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2