《化學計量學》教學大綱

《化學計量學》教學大綱課程英文名Stoichiometry課程代碼05M0106學分2總學時32理論學時32實驗/實踐學時0課程類別學科基礎(chǔ)課課程性質(zhì)任選先修課程無機化學、概率論與數(shù)理統(tǒng)計適用專業(yè)材料科學與工程開課學院材料與化學學院注：課程類別是指公共基礎(chǔ)課/學科基礎(chǔ)課/專業(yè)課；課程性質(zhì)是指必修/限選/任選。一、課程地位與課程目標（一）課程地位化學計量學是材料科學與工程專業(yè)的學科基礎(chǔ)課，是統(tǒng)計學、數(shù)學和化學等交叉形成的具有豐富內(nèi)涵的學科。它為化學量測提供基礎(chǔ)理論與方法學，為各類化學波譜的數(shù)據(jù)解析和化學化工過程的研究及優(yōu)化提供新途徑，是分析儀器智能化的理論與技術(shù)基礎(chǔ)?；瘜W計量學不僅對發(fā)展分析化學基礎(chǔ)理論和促進分析儀器的智能化具有重要意義，而且逐步向多學科滲透，成為材料、化工、生物和環(huán)境等學科的重要基礎(chǔ)。本課程主要講授化學測量的基礎(chǔ)理論和方法，包括采樣理論與方法、實驗設(shè)計與化學化工過程的優(yōu)化控制，化學信號處理、分析信號的多元校正與分辨、化學模式識別、化學過程和化學量測過程的計算機模擬、化學定量構(gòu)效關(guān)系、化學數(shù)據(jù)庫與化學專家系統(tǒng)等內(nèi)容。通過學習這門課程，學生掌握化學計量學中各種算法的基本思路與基本方法，能夠解析各類化學波譜及化學量測的數(shù)據(jù)，并解決化學分析和量測中的工程問題。（二）課程目標1.掌握基礎(chǔ)化學計量學的基本知識和基本內(nèi)容，研究任務及其應用領(lǐng)域，全面認識化學計量學，并了解化學計量學發(fā)展的新動向。2.系統(tǒng)掌握化學試驗設(shè)計與優(yōu)化、分析信號檢測與處理、基礎(chǔ)校正理論、化學因子分析基礎(chǔ)、化學模式識別的基本理論和應用條件。3.根據(jù)分析目的、各種化學計量學方法的特點、應用范圍，選擇適宜的化學計量學方法以解決分析化學問題。4.分析和解決多學科交叉中的化學問題，培養(yǎng)學生具有解決復雜工程中化學計量問題的能力。二、課程目標達成的途徑與方法1.以課堂教學為主，采用智慧課堂方式，通過雨課堂等工具，活躍課堂氣氛，引起學生學習興趣，講述化學計量學的基本知識和基本原理。2.充分引入課堂互動環(huán)節(jié)，將化學計量學中化學試驗設(shè)計與優(yōu)化、分析信號檢測與處理、化學模式識別以及化學過程和化學量測過程等作為互動討論的重點，使學生更好地理解和掌握根據(jù)實際需要如何在化學和工程中進行化學計量。3.注重案例教學，理論聯(lián)系實踐。將化學計量學的原理和知識充分與化工、材料、生物和環(huán)境等方面應用結(jié)合起來，培養(yǎng)學生運用化學計量學原理和知識解決實際問題的能力。三、課程目標與相關(guān)畢業(yè)要求的對應關(guān)系課程目標課程目標對畢業(yè)要求的支撐程度（H、M、L）畢業(yè)要求3畢業(yè)要求7畢業(yè)要求11課程目標10.20.3課程目標20.20.3課程目標30.30.20.4課程目標40.30.20.6注：1.支撐強度分別填寫H、M或L（其中H表示支撐程度高、M為中等、L為低）。畢業(yè)要求指標點對應課程（3）設(shè)計/開發(fā)解決方案：能夠針對新材料的組分設(shè)計、性能檢測、工藝制定和質(zhì)量管理等多方面綜合性的復雜工程問題提出合理解決方案，在材料設(shè)計、生產(chǎn)與工程應用環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素，設(shè)計并制訂特定性能的新材料開發(fā)全周期、標準和規(guī)范。3-1能夠描述新材料產(chǎn)品設(shè)計、制備工藝、性能檢測、質(zhì)量管理等的解決方法和影響因素；0.30（學科選修任選模塊1）3-2能夠進行系統(tǒng)或工藝流程設(shè)計，并能夠針對特定需求進行可行性分析，體現(xiàn)創(chuàng)新意識，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并提出解決方案；3-3能識別材料開發(fā)及設(shè)計任務所面臨的多種制約因素，如社會、健康、安全、法律以及環(huán)境等。（7）環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展：能夠理解和評價針對新材料的產(chǎn)品設(shè)計、性能檢測、工藝制定和質(zhì)量管理等多方面的復雜工程問題的專業(yè)工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。7-1理解新材料開發(fā)及工程應用與環(huán)境保護和社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系；7-2能夠從環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展分析和評價新材料設(shè)計、制備及工程實踐的可持續(xù)性，評價新材料產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)周期對于人類和環(huán)境的影響。0.40（學科選修任選模塊1）（11）項目管理：理解并掌握新材料產(chǎn)品設(shè)計和實施全周期、全流程的過程管理、成本分析與決策方法，并能在多學科環(huán)境中應用。11-1理解新材料研發(fā)、生產(chǎn)及工程應用過程中涉及的重要管理與經(jīng)濟決策方法；11-2了解新材料研發(fā)、生產(chǎn)及工程應用中全周期、全流程的成本構(gòu)成，能夠綜合工程活動中的多學科因素，運用工程管理與經(jīng)濟決策方法進行合理分析。0.35（學科選修任選模塊1）四、課程主要內(nèi)容與基本要求知識點主要內(nèi)容基本要求對應的課程目標(1)化學計量學簡介①化學計量學的定義L1課程目標1、2②化學計量學研究對象L1課程目標1、2③化學計量學的進展L3課程目標1、2、4(2)數(shù)學基礎(chǔ)知識與MATLAB簡介①掌握線性代數(shù)和概率論的基礎(chǔ)知識L1課程目標1、2②MATLAB平臺的基本功能和使用L2課程目標1、2、3(3)相關(guān)分析及其應用①典型相關(guān)分析原理及實踐L2課程目標1、2、3②數(shù)據(jù)的統(tǒng)計檢驗方法L2課程目標2、3③Handamad變換、Fourier變換和小波變換L3課程目標2、3(4)回歸分析及其應用①K-矩陣法、P-矩陣法L3課程目標1、2、3②多元回歸、主成分回歸L2課程目標1、2、3③人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法L2課程目標1、2、3④多元分辨的有關(guān)方法L3課程目標1、2、3、4(5)實驗設(shè)計與實驗數(shù)據(jù)的處理①正交設(shè)計的方法L1課程目標1、2、3②均勻設(shè)計L1課程目標1、2、3③序貫實驗方法L2課程目標1、2、3、4(6)主成分分析及其在回歸分析中的應用①主成分析的NIPLALS算法L3課程目標2、3、4②主成分回歸L3課程目標2、3③PLSR原理L3課程目標1、2、3(7)化學校正理論及光譜定量分析技術(shù)①多元化學校正方法L1課程目標1、2、3②定量分析方法L3課程目標1、2、3、4(8)化學模式識別及其應用①化學模式識別的基本概念L1課程目標1、2②判別分析法和聚類分析法L2課程目標1、2、3、4③基于特征投影的降維顯示方法L3課程目標1、2、3、4五、課程學時安排章節(jié)號教學內(nèi)容學時數(shù)學生任務對應課程目標第一章：緒論1.為什么學習化學計量學2.化學計量學的定義3.化學計量學解決問題的方法4.化學計量學的研究對象與內(nèi)容5.化學計量學與現(xiàn)代分析化學的關(guān)系6.化學計量學教學及其目的21.化學計量學的定義和解決問題的方法有關(guān)習題2.課堂討論：化學計量學和現(xiàn)代分析化學的關(guān)系課程目標1、2、4第二章：數(shù)學基礎(chǔ)知識與MATLAB簡介1.線性代數(shù)基礎(chǔ)知識2.矩陣概念與化學信息3.誤差與數(shù)理統(tǒng)計基本知識4.MATLAB平臺簡介5.化學數(shù)據(jù)的預處理方法31.完成線性代數(shù)基礎(chǔ)知識、矩陣概念和誤差基本知識的有關(guān)習題2.課后報告：MATLAB軟件的應用課程目標1、2、3第三章：相關(guān)分析及其應用1.簡單線性相關(guān)分析2.相關(guān)分析函數(shù)關(guān)系3.復相關(guān)分析4.典型相關(guān)分析31.完成簡單線性相關(guān)分析、復相關(guān)分析的習題2.課堂討論：化學成分計量和檢測中的相關(guān)分析課程目標1、2、3第四章：回歸分析及其應用1.回歸分析的概念與原理2.一元線性回歸分析3.多元線性回歸分析4.可化成多元線性回歸的問題5.二次回歸模型及最優(yōu)回歸模型6.回歸分析中必須注意的問題41.一元線性回歸分析、多元線性回歸分析和二次回歸模型的習題2.課堂測驗：一元線性回歸分析、多元線性回歸分析和二次回歸模型相關(guān)測驗課程目標1、2、3、4第五章：實驗設(shè)計與實驗數(shù)據(jù)的處理1.基本概念介紹2.正交實驗設(shè)計3.均勻?qū)嶒炘O(shè)計4.序貫實驗設(shè)計方法41.完成正交試驗設(shè)計和均勻?qū)嶒炘O(shè)計的相關(guān)習題2.課后報告：向材料與化學學院各個實驗室（至少3個）詢問有關(guān)正交實驗設(shè)計在化學試驗中的使用情況課程目標1、2、3、4第六章：主成分分析及其在回歸分析中的應用1.主成分分析2.主成分分析的實例及其在MATLAB平臺的實現(xiàn)3.偏最小二乘回歸(PLSR)41.完成主成分分析和偏最小二乘回歸相關(guān)習題2.課堂討論：偏最小二乘回歸在化學計量檢測中的應用課程目標1、2、3、4第七章：化學校正理論及光譜定量分析技術(shù)1.基本概念2.化學量測數(shù)據(jù)的矩陣表示3.多元化學校正方法4.多元校正方法在近紅外定量分析技術(shù)中的應用5.光譜多元校正定量分析技術(shù)41.完成化學量測數(shù)據(jù)的矩陣表示和多元化學較正方法的相關(guān)習題2.課堂測驗：結(jié)合近紅外光譜進行多元校正課程目標1、2、3、4第八章：化學模式識別及其應用1.基本概念2.模式識別的數(shù)據(jù)準備3.模式間相似程度的度量方式4.判別分析5.無監(jiān)督模式識別法6.模式識別方法在近紅外定性分析技術(shù)中的應用41.完成模式識別的數(shù)據(jù)準備和判別分析相關(guān)習題2.課堂討論：近紅外定性分析中的模式識別方法課程目標1、2、3、4第九章：如何用好化學計量學1.避免采用不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)建模2.避免采用離群點和異常點建模3.謹慎進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和確認4.原始數(shù)據(jù)的初始分析5.專業(yè)知識的利用6.建模與驗證相結(jié)合7.慎重選擇適用方法8.課程總結(jié)41.課堂討論：原始數(shù)據(jù)的分析、建模和驗證課程目標1，2，3，4六、考核方式及成績評定考核內(nèi)容考核方式評定標準（依據(jù)）占總成績比例過程考核雨課堂表現(xiàn)情況和平時作業(yè)（20%）根據(jù)中國計量大學學生課程平時成績考核細則，按照雨課堂表現(xiàn)情況和作業(yè)完成情況進行考核40%課堂討論發(fā)言、課后撰寫報告和平時測驗（20%）根據(jù)中國計量大學學生課程平時成績考核細則，按照課堂發(fā)言、撰寫報告和課堂測驗成績考核期末考核開卷卷面成績60%考核類別考試成績登記方式百分制七、推薦教材與主要參考書（一）推薦教材：基礎(chǔ)化學計量學及其應用，倪力軍，張立國編者，華東理工大學出版社，2011年7月，第一版（二）主要參考書：1.《化學計量學研究方法》，盧小泉編著，科學出版社，2013年4月，第一版。2