計算機軟件在高分子化學教學和科研中的應用

1、 計算機軟件在高分子化學教學和科研中的應用 摘要：本文結(jié)合高等院?；瘜W化工專業(yè)的特點和作者的實踐經(jīng)驗，介紹了在化學化工領(lǐng)域常用的幾種計算機軟件，并探討了這些軟件在高分子化學教學和科研中的應用。關(guān)鍵詞：計算機軟件化學化工高分子化學教學科研對于在高等院校從事化學化工專業(yè)教學和科學研究的工作者來說，在備課、試卷制作、實驗研究、論文撰寫等過程中，經(jīng)常要進行繪制物質(zhì)結(jié)構(gòu)、書寫化學反應方程、處理實驗數(shù)據(jù)，分析測試圖譜等繁瑣的工作。隨著計算機應用的發(fā)展與普及，這些工作可以部分地由計算機完成。國內(nèi)計算機和化學領(lǐng)域的研究人員聯(lián)合開發(fā)了一些小巧、簡便、實用的小型專業(yè)化學軟件，并得到了應用，但其相對功能比較弱，不能

2、解決教學和科研中復雜的化學繪圖、數(shù)據(jù)處理等問題。作為從事化學化工專業(yè)人員非常需要了解和掌握一些更為實用、功能更為強大的化學軟件的使用。本文主要對國內(nèi)外的化學軟件進行簡單介紹，并結(jié)合實踐經(jīng)驗探討其在高分子化學教學和科研過程中的應用。一、準化學軟件（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教育工作者使用最為普遍的軟件，用來制作幻燈片演示文稿。主要特點：簡單、易學，使用方便，對于非計算機專業(yè)的教學工作者也能運用自如。PowerPoint提供了一個有利的功能強大的通道，多種軟

3、件可以與PowerPoint并行使用，如Flash制作的動畫，專業(yè)化學軟件創(chuàng)建的分子結(jié)構(gòu)模型等都可以以對象的形式插入到PowerPoint幻燈片演示文稿中，且可編輯性強，能制作出集文字、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻等多種媒體信息為一體的多媒體課件 1, 2。（二）圖像處理和動畫制作軟件1.Adobe PhotoshopAdobe Photoshop是目前應用性很強的平面圖像處理軟件，是攝影、圖像、圖形設計師進行圖像編輯的優(yōu)秀工具，是多媒體素材的創(chuàng)作及處理的主要工具。它可以通過強大的濾鏡功能及一些簡單的操作對已有的圖片等進行一些修飾、裁剪、合成，達到美化課件的效果。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)過特定處理后融合到課件中2。對于高分子化學，Photoshop的應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是矢量圖形和動畫制作的專業(yè)軟件，簡單易學，功能強大，可以獨立制作多媒體課件。Flash在實驗教學方面尤其發(fā)揮得淋漓盡致：強大的繪圖工具，為繪制實驗儀器及實驗裝置提供了有利的幫助；用

5、Flash制作的動畫能模擬實驗過程，達到一定的仿真實驗的效果，發(fā)揮了獨特的輔助教學的功效3。在高分子化學教學中，F(xiàn)lash動畫可以直觀地演示高分子的運動和反應。如由于分子的熱運動，高分子的構(gòu)象時刻改變著，單鍵旋轉(zhuǎn)時要消耗能量，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描述，我們可以利用Flash制作紐曼模型4。再如可以用Flash動畫演示化學鍵的均裂和異裂過程，從而方便地解釋自由基的形成。這些動態(tài)過程傳統(tǒng)教學不易表現(xiàn)。3.3D MAX3D MAX是三維建模、動畫及渲染的軟件。利用3DMAX制作的動畫能將化學中的一些微觀現(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

6、題具體化、生動化5。例如在高分子化學實驗教學中，在給同學們講授高分子成型機械設備的過程中，學生難以明白的是設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行程序，學生去實驗室做實驗也看不到設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和液壓傳遞路線圖。但如果用3D MAX 軟件將設備做成三維動畫，用Flash 演示液壓設備的液壓原理圖，就使學生很快了解了設備的結(jié)構(gòu)、原理，并加深了印象。學生從抽象枯燥、平面、黑白的學習中轉(zhuǎn)到形象生動、立體、多彩的畫面上，這樣提高了學生的學習興趣，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，是一個多文檔界面應用程序。Origin的數(shù)據(jù)分析功能可以給出選定數(shù)據(jù)的各項統(tǒng)計參數(shù)，包括平均值、標準偏差、標準誤差、總和以及組數(shù)。另外還可以在分析菜單下對數(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可以對選定的數(shù)據(jù)做圖，包括直線圖、描點圖、向量圖、柱狀圖、餅圖、區(qū)域圖、極坐標圖以及各種3D圖表、統(tǒng)計用圖表等。并給出擬合參數(shù)，如回歸系數(shù)、直線的斜率、截距等。還可以進行矩陣運算，如轉(zhuǎn)置、求逆等，并通過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、功能強大等優(yōu)點，被化學化工工作者廣泛使用。高分子化學中，研究聚合動力學，測定共聚反應競聚率等場合經(jīng)常要運用曲線擬合法、截距斜率法、積分法等方法處理實驗數(shù)據(jù)，運用Origin可以簡單迅速地得到我們需要的結(jié)果。2.EditPlusEditPlus一套功能強大，可取代記事本的文字編輯器，擁有無限制的撤消與重做、英文拼字檢查、自動換行、列數(shù)標記、搜尋取代、同時編輯多文件、全屏幕瀏覽功能。而它還有一個好用的功能，就是它有監(jiān)視剪貼板的功能，能夠同步于剪貼板自動將文字粘貼進 EditPlus 的編輯窗口中，讓你省去粘貼的步驟。運用EditPlus可以編輯和處理一些特殊的化學化工科學研究實驗

9、數(shù)據(jù)，達到事半功倍的效果。（四）文獻管理在收集Reference過程中，文獻管理程序可以幫助你整理、排列所收集的內(nèi)容；撰寫研究論文的過程中，這類程序允許你直接在文字處理過程中插入Reference，并按要求自動生成規(guī)定格式的Reference列表。這類程序中有代表性的有：EndNote, Reference Manager和ProCite等，它們都能對文獻進行整理，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、專業(yè)化學化工軟件雖然很多常見軟件都加載了化學功能模塊，但只能作一些簡單的操作，且操作煩瑣，效率低，不能滿足實際的需要，因而專業(yè)化學化工軟

10、件得到了迅猛地發(fā)展。（一）化學品電子手冊化學品電子手冊是一個綜合性的化學品手冊電子手冊軟件。收集了包括化學礦物、金屬和非金屬、無機化學品、有機化學品、基本有機原料、化肥、農(nóng)藥、樹脂、塑料、化學纖維、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、香料等常用化學品的中文名稱、英文名稱、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)，檢索簡便。是一個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(動畫制作)

11、和Material Editor(材料編輯)五大模塊組成6。整個制作過程無需使用語言編制程序，僅涉及到很有限的計算機專業(yè)知識，是廣大化學化工工作者制作動畫輔助教學系統(tǒng)很好的工具。高分子鏈由于冗長繁復的結(jié)構(gòu)，變化多端的構(gòu)象，使得在教學上不容易表達清楚，影響學生的學習積極性，三維動畫可以運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)等教學過程中。（三）ChemOfficeChemOffice包括ChemDraw Ultra (化學結(jié)構(gòu)繪圖)、Chem3D Ultra(分子模型及仿真)、ChemFinder Ultra(化學信息搜尋)等一系列完整的軟件。ChemDra

12、w是國內(nèi)外最流行、最受歡迎的化學繪圖軟件，它可以建立和編輯與化學有關(guān)的一切圖形。例如，建立和編輯各類化學式、方程式、結(jié)構(gòu)式、立體圖形、對稱圖形、軌道等，并能對圖形進行翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、縮放、存儲、復制、粘貼等多種操作?？梢詫⒒衔锩Q直接轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)圖，省去繪圖的麻煩；也可以對已知結(jié)構(gòu)的化合物命名，給出正確的化合物名稱。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上畫出的二維結(jié)構(gòu)式可以正確地自動轉(zhuǎn)換為三維結(jié)構(gòu)。ChemFinder通過你的計算機或互聯(lián)網(wǎng)，可以在Word、Excel、PowerPoint、ChemDraw、

13、ISIS 等文件中搜索化學結(jié)構(gòu)，以便流覽或修改，并輸出到自己的目標文件中?；趪H互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的智能型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，包含的多種化學通用數(shù)據(jù)庫共四十多萬個化合物的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、反應式、文獻等檢索條目的分析和利用，可為化學家的目標化合物設計、反應路線選擇和物化性質(zhì)預測以及文獻的調(diào)用提供極大的方便。ChemOffice的ultra版本還包括了一個很好的半經(jīng)驗量子化學計算程序MOPAC97，并能與著名的從頭計算程序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計算結(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)譜有時是一件非常困難的工作，解析高分子化學中涉及的結(jié)構(gòu)更為復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等軟件對目標化合物的化學位移進行估算或作出模擬譜，用以協(xié)助對該化合物圖譜的指認。ChemNMR為ChemDraw Ultra版本的一個插件，可以用來估算大多數(shù)有機物的1H、13C化學位移及用線圖表示的相應圖譜；ChemWindow6.0的一個最突出的特點是與光譜的結(jié)合，它的6.5 Spectroscopy 版本包括了一個約五萬張13C NMR的數(shù)據(jù)庫(達250兆)，因而其預測更加精確；除了根據(jù)化合物的結(jié)構(gòu)預測1

15、3C NMR化學位移外，還能預測紅外圖譜、質(zhì)譜等，更可以讀入標準格式的NMR、IR、Raman、UV及色譜圖；gNMR則可用來估算任何NMR活性核的化學位移，并能畫出非常逼真的圖譜，該軟件包所帶的幾個工具(gSPG, gCVT)亦可用來處理一維核磁圖譜數(shù)據(jù)，并能與模擬譜進行比較。（五）其他化學化工專業(yè)軟件我們知道真實的物質(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、原子也有復雜的結(jié)構(gòu)和動態(tài)形態(tài)。以高分子為例，采用傳統(tǒng)教學方式，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)模型來展示其動態(tài)模型。另外，在高分子化學領(lǐng)域中，超級化學助手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能自動識別化合價，鍵角和各種環(huán)，如同在紙上一樣輕松的繪制化學結(jié)構(gòu)，包括復雜的生物分子和聚合物。三、結(jié)束語在高分子化學教學過程中，我們可以結(jié)合以上這些軟件，不斷適應教學內(nèi)容、學科知識的變化，滿足教學需要。同時，直觀友好的交互界面、簡潔清晰的導航系統(tǒng)、多媒體技術(shù)的綜合應用有利于調(diào)動學生的學習積極性，加深對教學難點的理解，實現(xiàn)最佳的學習效果。在高分子化學科研工作中，以上軟件的運用，可以解決科研過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院青年教師科研啟動基金項目No.20070702和化學實驗教學中心開放課題研究基金項目的資助。Reference：1張世波.“PowerPoint鏈接或嵌入Flash動畫的三種方法”.電腦學習，2003，6：24-25.2徐曉華,祝紅琴.“計算機軟件在多媒體化學教育中的應用”.電腦知識與技術(shù)，2006，2：229-230.3王炎,胡大為,邰立峰,“用Flash開發(fā)有機化學實驗CAI課件”.計算機與應用化學，2