计算化学软件在大学有机化学教学中的应用_孙林

计算机在化工中的运用前言：随着科技的发展，计算机的运用越来越广泛，在化工领域中，计算机技术也有着重要的作用。

计算机在化工领域的使用，极大的降低了工作难度，提高了工作效率。

近年来化学学科的重要成就之一是计算机在化学中的应用。

计算机与化学的结合促进了化学的发展。

本论文将主要介绍其在化学化工上4方面的运用。

一、计算机在计算机化学中的应用计算机化学(Computer chemistry)是应用计算机研究化学反应和物质变化的科学。

以计算机为技术手段，建立化学化工信息资源化和智能化处理的理论和方法，认识物质、改造物质、创造新物质，认识反应、控制反应过程和创造新反应、新过程是计算机化学研究的主体。

它的兴起与发展是与计算机技术的发展和计算机的普及紧密联系的。

计算机对化学的作用，还体现在可以用计算机技术描述已有的化学理论知识、化学反应机理、物质结构、化学实验等将计算机的多媒体技术与化学知识相结合，用来展示原子、分子、晶体的空间结构，动态性地模拟各种化学键的形成原理、过程和特性，揭示化学反应的内部机理重现特殊化学实验的全过程。

化静为动，变抽象为具体，将在真实世界中难以感觉到的虚幻世界、微观世界真实地模拟出来，使人们对化学的了解和学习进人了一个可视化的世界。

二、计算机智能化技术在化学化工中的运用专家系统是数据库与人工智能结合的产物，它把“知识规则”作为程序，让机器模拟专家的分析、推理过程，达到用机器代替或部分代替专家的效果。

具体例子有：①酸碱平衡专家系统，内容包括知识库和检索系统，提出问题时，机器自动查出数据，找到程序，进行计算、绘图、选择判断等处理，并用专业内行的语言回答问题，例如，任意溶液（包括任意种组分的混合溶液）的pH值计算，任意溶液用酸、碱进行滴定时操作规程的设计等。

②定性分析专家系统，用帕斯卡语言编写了阳离子硫化氢系统和阴离子消去法系统，学生拿到未知试样，不用学习和查阅这种古老系统，只须按照机器提示的手续进行操作，所得现象再输入机器，如此逐步处理，就会得出“试样是什么化合物”的结论。

第1期2021年2月No.1February，2021有机化学是中学化学知识体系中的一个重要组成部分，涉及的相关物质种类繁多，结构较为复杂，在教学中涉及对分子空间结构的认识和探索，对学生逻辑思维能力和空间思维能力的要求较高[1]。

化学实验在有机化学的教学中占据了重要地位，不仅承担着使学生认识基础仪器、掌握基本操作的职能，还起到了培养学生基本思维方法和思想方法的作用。

但在现有的中学化学传统课堂教学模式中，受到场地、仪器、课时等现实条件的限制，有机化学的相关实验在课堂中的开设率并不高。

教师往往采用板演、课件展示或模型解说等方法进行辅助教学，效果难以令人满意[2]。

随着我国信息技术的不断发展，面向教育的课堂辅助软件正被大量开发与完善。

化学编辑器软件因其功能多样、使用简便等优势，已在高校教学与科研过程中得到广泛应用，目前正向基础教育领域渗透。

代表性产品之一KingDraw 是一款国产化学编辑器软件，具有分子结构绘制与图像输出、3D 可视化模型建构、化合物数据信息检索等功能以及跨平台、无费用、中文操作界面等优点，能够在中学有机化学教学中起到良好的辅助作用。

1 中学有机化学实验的特征中学化学实验关注化学反应的基础操作、基本原理和典型现象，主要分为训练性实验、原理（验证）性实验及探究性实验。

其中，训练性实验以使学生正确、快速、准确地掌握化学实验基本操作为主要目的；原理性实验聚焦中学化学学习过程中的基本化学事实和化学原理，以获得具有代表性的现象并加以验证为主要目的，同时在实验中对学生的基本实验操作技能予以练习和巩固；探究性实验是在前两类实验的基础上设置新的目标导向或问题导向，学生通过自主设计、自主实施、自主总结，得到新的结论或解决原有问题的过程，着重培养学生的科学探究能力。

中学有机化学学习过程中的训练性实验涉及有机化学相关仪器的使用技能训练，学生必须在实验室中实际操作、掌握要领，才能达成预设的教学目标。

原理性实验和探究性实验因实验装置较为复杂、操作过程较为烦琐，所需时间较长，使用相关软件进行实验与教学辅助可以有效简化实验过程、缩减操作耗时，聚焦实验教与学的关键原理、关键过程、关键现象和关键结论，实现课堂效率的提升。

Gaussian软件在环境化学教学中的应用裴克梅【摘要】结合环境化学的学科特点和学生的实际情况，探讨Gaussian软件（包括Gaussian03和GaussView）在环境化学教学中的应用。

实践表明，引入计算化学软件使抽象的化学理论变得形象、简单，能够大大增强理论知识的生动性和实际应用能力，有利于培养学生的形象思维能力和提高教学效果。

【期刊名称】《大学化学》【年(卷),期】2012(027)002【总页数】4页(P49-51,68)【关键词】Gaussian软件;环境化学;教学【作者】裴克梅【作者单位】浙江理工大学化学系,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】O641.121环境化学是在化学科学的传统理论和方法基础上发展起来的，主要研究化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的一门学科[1]。

当前，环境化学已经发展成为应用化学、环境科学及相关专业本科生和研究生的一门基础课程。

由于环境问题的重要性，该学科发展迅速，知识更新速度很快，导致环境化学课程的理论和实验教学目前没有统一的体系和大纲。

因此在强调基础知识的同时向学生介绍一些反映该学科基本理论或前沿的计算方法，有利于培养学生将理论知识用于处理实际问题的能力，进而取得良好的教学效果[2-4]。

Gaussian03是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究分子能量和结构、过渡态的能量和结构化学键以及反应能量、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、NMR、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径等。

GaussView是Gaussian03的图形用户界面，可以直接设置和提交计算任务，并且能以图形界面显示计算结果，所以很受化学教育者的青睐。

实践表明：让Gaussian软件走进环境化学课程，可使教学内容从抽象到直观、从复杂变得简单，有助于增强学生学习的积极性，提高教学质量和教学效果，使学生更快、更好地从本质上掌握知识。

•化工教育•ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件在大学有机化学可视化教学中的应用陈迪明ꎬ王晓杰(郑州轻工业大学河南省表界面科学重点实验室ꎬ河南郑州㊀４５０００２)摘㊀要:为了提高学生对有机化学的认知能力与分析能力ꎬ活跃课堂气氛并使他们掌握有机化合物三维空间结构的想象能力及电荷分析方法ꎬ本文将ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件引入到大学有机化学的课堂教学中ꎬ将以往只能靠黑板与ＰＰＴ的二维教学模式拓展为三维立体的可视化教学ꎬ注重软件的实际操作与问题的具体分析ꎬ实践表明ꎬ利用Ｍａ￣ｔｅｒｉａｌｓｔｕｄｉｏ软件可以提高学生学习有机化学的兴趣ꎬ进而获得良好的课堂教学效果ꎮ关键词:ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件ꎻ辅助教学ꎻ三维结构中图分类号:Ｇ６４２.４㊀㊀㊀文献标识码:Ｂ㊀㊀㊀文章编号:１００３－３４６７(２０２０)０３－００５６－０３㊀㊀ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕｄｉｏ是由美国Ａｃｃｅｌｒｙｓ公司开发的专业集三维视图建模㊁分子动力学模拟㊁量子化学计算㊁模拟与计算结果分析等功能为一身的软件ꎬ软件内嵌入了多种分子建模与理论模拟计算的工具[１－３]ꎮ该软件被广泛的应用于化学与材料科学方面ꎬ可以模拟分析有机化学反应中的焓变与活化能㊁药物分子的代谢动力学与氢键作用以及超分子化学中的主客体相互作用等ꎮ同时它还可以处理其他软件保存的图形及数据表格等ꎮ大学有机化学是高等院校化学㊁药学㊁能源动力㊁食品㊁材料等专业开设的第二门专业基础课程ꎬ其以无机化学中元素化学知识为基础ꎬ有机化合物的结构㊁电子分布与反应活性为研究内容ꎬ深入揭示了有机化合物的自身结构特点与反应活性之间的规律ꎬ是一门实践性与应用性较强的自然科学课程ꎮ全面系统地学习有机化学基本概念㊁基本理论与实践操作是学生进一步掌握其它相关课程的根本与基础ꎬ同时也有利于培养学生发现问题㊁分析问题与解决问题的能力ꎮ与此同时ꎬ有机化学也是化学㊁药学与食品等专业的考研必选课程之一ꎬ因此学好有机化学不仅仅有利于学生掌握本科期间的相关知识ꎬ也有利于学生顺利通过研究生考试入学考试ꎮ由于有机化学课程中化合物种类与反应类型繁多㊁化合物立体结构性强等特点ꎬ学生普遍反应有机化学是一门较难掌握的课程ꎬ主要体现在听不懂㊁记不住㊁想不出ꎮ仔细研究其原因在于学生之前接触的无机化学主要局限于平面的反应式与结构式ꎬ缺乏对有机化合物立体结构的想象与反应规律的探究ꎬ因而缺乏对有机化学深层次的理解与反应规律的探索ꎮ在有机化学随堂教学中引入ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件ꎬ通过分子建模㊁构象旋转㊁分子模拟㊁理论计算等手段帮助学生理解有机化学中涉及的化合物立体构型㊁分子轨道㊁电荷密度㊁和反应机理等方面问题ꎬ可以加深学生对问题的理解与认识ꎬ增强了与学生的互动ꎬ开启了学生自主探索学习的道路ꎬ提高他们三维分子结构的空间想象能力与分析有机物电荷分布的能力ꎬ从而提高学生学习有机化学的兴趣ꎬ进而获得良好的课堂教学效果ꎮ在此ꎬ本文结合有机化学教学大纲和实例ꎬ简单介绍ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件在大学有机化学可视化教学中的应用ꎮ１㊀有机化合物异构体模型的演示有机化学教学大纲要求学生能够准确区分和画出有机化合物的不同构型㊁构象和立体异构ꎬ例如丁烷的交叉式与重叠式ꎮ环己烷的椅式与船式ꎬ以及费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换ꎮ此外ꎬ许多学生对于一些含有孤对电子以及由空间张力引起的手性有机化合物的立体模型表示难以理解ꎮ这些知识点涉及到三维空间模型ꎬ传统的平面式教学方法不但让学生感觉听不懂㊁记不住ꎬ而且不能培养他㊀㊀收稿日期:２０１９－０９－１５㊀㊀基金项目:郑州轻工业大学第五批青年教师教改项目㊀㊀作者简介:陈迪明(１９８７－)ꎬ男ꎬ讲师ꎬ研究方向为功能金属－有机框架材料ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｃｄｍ７００＠ｓｉｎａ.ｃｏｍꎮ６５ 河南化工ＨＥＮＡＮＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年㊀第３７卷们在头脑中建立清晰的三维分子模型的能力ꎮ利用ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件内的ＭａｔｅｒｉａｌｓＶｉｓｕａｌｉｚｅｒ模块实现不同分子模型的构筑ꎬ直观表达化合物构象㊁构型及手性的变化ꎬ还可借助其携带的计算模块获得分子的空间最优化几何构型ꎮ因此借助ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕ￣ｄｉｏ软件ꎬ可轻易绘制和演示一些有机分子的立体异构体ꎬ如环己烷的椅式与船式㊁丁烷的重叠式与交叉式以及顺反十氢萘的三维分子结构ꎮａ.环己烷的椅式与船式㊀ｂ.丁烷的重叠式与交叉式㊀ｃ.反式十氢萘与顺式十氢萘图１㊀三维分子结构图㊀㊀手性的学习在有机化学中是非常重要的一个知识点ꎮ在医药化学上ꎬ我们把一对对映异构体中具有较高的药理亲和力或活性的异构体称为Ｅｕｔｏｍｅｒꎬ而具有较低的药理亲和力或活性的异构体被称为Ｄｉｓｔｏｍｅｒꎮ然而ꎬ如果立体异构体中ꎬ有的生理效应正好有害生命ꎬ这会造成重大的悲剧ꎮ对于手性药物的介绍ꎬ最经典的范例当属反应停事件ꎮ我们可以利用ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件中的ＭｏｖｅＴｏ功能ꎬ将一对反应停药物的外消旋体重叠在一起ꎬ让学生充分的了解到两个化合物结构上的不同之处(图２)ꎮ图２㊀手性化合物重叠后的结构２㊀电荷分布的计算与反应位点预测有机化学反应的本质为旧的化学键的断裂与新的化学键的生成ꎬ按照其反应类型可以分为涉及到正负电荷的极性反应㊁协同反应与自由基反应三大类型ꎮ其中极性反应占据了有机化学反应的绝大多数反应类型ꎬ例如我们在有机化学中较早接触到的亲核亲电取代与亲核亲电加成反应等ꎮ这些反应的本质是负电荷试剂与缺电荷试剂的重组以及电荷的重新流动分配ꎮ因此ꎬ了解有机化合物中的电荷分布对于理解其反应活性与预测其反应可能发生的位点具有至关重要的作用ꎮＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件中包含了多种电荷计算的方法ꎬ例如Ｑｅｑ方法㊁Ｍｕｌｌｉｋｅｎ电荷以及ＥＳＰ电荷等计算方法ꎮＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件通过建模㊁优化分子结构㊁选择合适的模块与算法ꎬ计算分析后可以直观的展现有机化合物的电荷分布ꎬ从而帮助学生快速确定化学反应的活性位置以及反应机理走向ꎬ促进学生理解一些教学重点和难点ꎮ例如在芳香烃的亲电取代定位规则的教学中ꎬ我们从书本上了解到甲氧基是邻对位定位基ꎬ那么对于具有甲氧基取代的苯环上面的电荷分布书本上并没给予具体的数值ꎮ我们在教学的过程中利用ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件中的ＤＭＯＬ３模块ꎬ计算任务选择几何优化ꎬ同时在布居分析中勾选ＥＳＰ电荷ꎮ计算结果如图３ａ所示ꎬ苯甲醚上的邻对位碳原子的电荷分别为－０.３８８ｅ与－０.２４９ｅꎬ而其邻位上的碳原子的电荷仅仅为－０.００５ｅꎮ当发生苯环上的亲电加成时ꎬ亲电试剂优先与负电荷大的碳原子发生作用ꎬ７５ 第３期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀陈迪明等:ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件在大学有机化学可视化教学中的应用因此优先与苯环上的邻对位上的碳原子发生作用ꎮ当苯环上的取代基为硝基时ꎬ计算得到的邻间对位碳原子的电荷分别为－０.０７㊁－０.１２６㊁－０.０９６ｅ(图３ｂ)ꎮ因此可以推测硝基苯在发生苯环上的亲电加成时主要发生在苯环的间位碳上ꎮａ.苯甲基㊀ｂ.硝基苯图３㊀电荷计算示意图对于含有取代基的Ｄ－Ａ反应ꎬ我们同样可以利用电荷计算的方法来推测其可能的环加成反应区域选择性ꎮ例如图４两个含有取代基的二烯体与亲二烯体ꎬ我们通过ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件中的ＤＭＯＬ３模块计算得到其双烯体上的两个端基碳的电荷分别为０.１８９ｅ与－０.２８９ｅꎬ而亲双烯体两端碳原子的电荷分别为－０.３６３ｅ与－０.２３５ｅꎮ按照有机化学反应中的电荷流动规律ꎬ亲双烯体上的缺电子的碳应该与双烯体上的富电子碳原子成键ꎬ进而得到邻位取代基的产物ꎬ这与课本上给出的反应规律是相互一致的ꎮ图４㊀Ｄ－Ａ反应示意图３㊀有机化学中周环反应的旋转方向解释在周环反应中ꎬ我们学习到当π电子数为４ｎ时加热为顺旋ꎬ光照为对旋ꎮ当π电子数为４ｎ＋２时加热为对旋ꎬ光照为顺旋ꎮ为了使学生对该知识点实现充分的理解ꎬ我们利用ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ软件计算了两个具有不同π电子数烯烃的ＨＯＭＯ与ＬＵ￣ＭＯꎬ计算结果如图５所示ꎮ根据伍德沃德－霍夫曼规则ꎬ只有波函数相同的两个轨道相互重叠才能成键ꎮ在图５中ꎬ具有相同波函数的轨道以相同颜色表示ꎬ当在加热的条件下时ꎬ发生反应的电子位于丁烯最高占据轨道上(ＨＯＭＯ)ꎬ其两端碳的波函数是处于相反的位置ꎬ因此需要发生顺旋才能让具有相同波数的轨道发生重叠ꎮ当反应条件为光照时ꎬ最高占据轨道上的电子跃迁到最低空轨道上(ＬＵ￣ＭＯ)ꎬ而ＬＵＭＯ上两端的碳原子具有相同的波函数ꎬ因此需要发生对旋即可让具有相同波数的轨道发生重叠ꎮ同理ꎬ计算显示己烯的ＨＯＭＯ两端碳原子的波函数具有相同的相位ꎬ而ＬＵＭＯ两端碳原子的波函数具有相反的相位ꎬ因此在加热的条件下为对旋ꎬ光照条件下为顺旋ꎮ图５㊀丁烯与己烯的分子轨道示意图４㊀结论将可视化软件ＭａｔｅｒｉａｌＳｔｕｄｉｏ引入到有机化学的课堂教学中ꎬ将平面化的分子结构转变为三维的结构模型ꎬ提高了学生的空间想象能力与分析能力ꎬ同时也丰富了教学手段与教学形式ꎮ一方面ꎬ通过灵活的软件操作展示有机化合物的立体结构模型ꎬ动态㊁直观地展示化合物的三维空间结构与电荷分布ꎬ克服以往只能依靠平面画图与空间想象学习有机化学这一缺点ꎬ极大地提升了学生学习有机化学的热情ꎻ另一方面ꎬ通过教学大纲和计算实例的结合应用ꎬ使学生对有机反应的本质规律有了更加深刻的了解ꎬ同时也鼓励学生利用所学到的知识去分析以后遇到的问题ꎬ提高学生的有机化实践能力和分析问题的水平ꎬ从而达到提升教学质量的目的ꎮ参考文献:[１]㊀赵顺平ꎬ汪婕ꎬ郭玉ꎬ等.ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕｄｉｏ在有机化学教学中的应用[Ｊ].安庆师范大学学报(自然科学版)ꎬ２０１７ꎬ２３(３):１０５－１０８.[２]㊀韩生华ꎬ晋春ꎬ张海荣ꎬ等.用Ｍａｔｅｒｉａｌｓｔｕｄｉｏ软件辅助精确实现有机化学中瓦尔登翻转的动画展示[Ｊ].云南化工ꎬ２０１８ꎬ４５(３):２４８－２５０.[３]㊀李映图ꎬ乔智威ꎬ李理波ꎬ等.ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕｄｉｏ软件在分子模拟课程教学中的应用[Ｊ].广州化工ꎬ２０１６ꎬ４４(２１):１６０－１６１ꎬ１８３.８５ 河南化工ＨＥＮＡＮＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年㊀第３７卷。

晋中学院本科毕业论文（设计）题目计算机在化学中的应用-利用MATLAB求解化学计算题院系化学化工学院专业化学姓名学号0909111113学习年限2009年9月至2013年7月指导教师申请学位学士学位2013年5 月15日计算机在化学中的应用——利用MATLAB求解化学计算题摘要：MATLAB是由美国Math works公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计计算环境。

它能有效地解决数值线性代数、数值逼近、最优化等科学和工程问题。

编制程序方便，求解化学计算题高效快速。

本文分别以结构、分析、化工三方面的典型例题，来说明MATLAB在化学中的应用。

关键词：MATLAB；化学计算题；计算应用；结构；分析；化工Applications of MATLAB in Chemistry—Use MATLAB SolvingChemical Calculation ProblemsAuthor’s Name：Lijiajia Tutor: DongtaoABSTRACT：MATLAB, released by the America Mathwoks Company, is the computing environment mainly in the face of scientific computing, visualization and interactive programming. It can efficiently solve problems in science and engineering such as numerical linear algebra, digital approximation, and optimization. It also has characters of convenient programming and efficiently and quickly solving chemical calculation problems. This paper will explain MATLAB in the application of chemistry by referencing typical examples about structural chemistry, analytical chemistry and chemical industry.KEYWORDS：MATLAB；Chemical calculation problems；Computing applications；Structural chemistry；Analytical chemistry ；Chemical industry目录1 MATLAB简介 (1)1.1MATLAB的简要发展 (1)1.2 MATLAB的功能介绍 (1)2 MATLAB在化学中的应用 (2)2.1 MATLAB在结构化学计算中的应用—休克尔分子轨道的计算 (2)2.2 MATLAB在分析化学中的应用—计算溶液的pH (3)2.2.1 一元强酸（碱）中H+的计算 (3)2.2.2 一元弱酸（碱）溶液pH的计算 (4)2.3 MATLAB在化工计算中的应用—解非线性方程（组） (6)2.3.1 解非线性方程 (6)2.3.2 解非线性方程组 (7)3结语 (8)注释 (9)参考文献 (10)致谢 (11)1 MALAB简介1.1MATLAB的发展历史MATLAB是Math works公司推出的适用于科学和工程计算的数学软件系统，MATLAB即Matrix（矩阵）和Laboratory（实验室）的简称，雏形是Cleve Moler教授为学生编写的用于Linspack和Eispack的接口程序。

计算机在化学工程中的应用摘要：进入21世纪，随着科学技术的飞速发展，电子计算机应用已经渗透到各学科的每一个领域之中，各学科的进一步发展对计算机的依赖程度越来越高，化学工程学科也不例外。

目前，计算机已经深入应用到化工模拟、计算化学和化工制图等化学工程学科的各个层面之中，对化学工程的发展起着巨大的促进推动作用。

化学工作者应该抓住机遇，在新时期努力学习计算机知识、熟练掌握计算机工具，将其应用到化工设计、化学计算中去，使化工学科能够更快更高地发展。

关键词：计算机；化学；化工；应用1引言自从电子计算机问世以来，人类生产活动的各个域都受到了计算机的广泛渗透，许多生产领域由计算机的介入，生产效率、科研成果取得了前所未有、令人瞩目的成绩。

化学化工领域也同样受到了它的惠顾，尤其近几十年来，计算机在化学化工领域中的应用更是有了突飞猛进的发展。

随着计算机技术和信息技术的发展日新月异，化学工程的研究中又增加了计算与计算机模拟的方法，它已经逐渐成为化学工程中最富有生命力的研究方法。

2计算机在化学工程中的应用2.1化工模拟2.1.1流程模拟化工过程流程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，将一个有许多个单元过程组成的化工流程用数学模拟描述，用计算机模拟实际生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果，其中包括最受关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。

流程模拟就是在计算机上“再现”实际生产过程，由于这一“再现”过程比不涉及到实际装置的任何管线、设备及以能源的变动，因此给化工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上任意进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。

流程模拟式计算机技术在化工方面的最重要应用之一。

应用流程模拟系统不仅可以节省时间，也可节省大量资金和操作费用，提高产品质量和产量，降低消耗。

计算机在化学化工中的应用摘要：随着计算机在人类生活中的各个领域上的不断深入、其价值越来越被人们承认。

本文主要讲述了计算机在化学化工中应用。

主要从化工过程控制、绘图、辅助工程设计和化学分析四个方面。

关键词: 化工过程控制; 绘图; 辅助工程设计; 化学分析自从计算机的问世以来，人类生产的各个领域都受到了计算机的渗透。

许多生产领域由于计算机的介入，其效率和成绩取得了令人瞩目的成绩。

化工领域也同样受到了它的惠顾。

尤其在近几十年来，计算机在化学化工中的应用，发展突飞猛进。

一、计算机在化学化工过程中的应用（一）计算机的应用化工生产过程中的微机应用, 将从目前的开发尝试阶段发展到提高、推广应用新阶段, 即开发水平不断提高, 应用领域日益广泛. 管理领域的变化: 从目前单一的信息存贮、单向通讯联系, 发展到全面信息管理系统(CIMS) , 并将随之带来网络技术、计算机与通讯技术等的应用和发展社会的开放, 企业的竞, 信息所起的指导作用必将越来越显著, 从而导致咨询信息情报等企业的崛起。

随着计算机技术的飞速发展，它在化工设计中的应用范围日益扩大，由局部辅助发展到全面辅助，计算机的发展对化工设计的影响也越来越重要性已成为必然的趋势。

对化工设计而言，从由分子结构出发预测物质的物性到工艺过程的设计、分析直至绘图，均可由计算机完成，可用一句话简单地概括计算机在化工设计中的作用：模拟计算和绘图。

化工过程所涉及到的模拟包括微观过程或结构分子模拟到研究宏观过程的流程模拟。

绘图是计算机科学的一个重要分支，在工程设计中用计算机绘图通常为计算机辅助设计，简称CAD。

化工设计是一个系统工程，除了工艺路线设计、设备计算、绘图等以外，还有环境评估，经济效益，社会效益等大量的工作，这些都可以借助于计算机来完成。

计算机与化工两者互相影响、渗透与结合，已经并将继续给化工设计带来影响和改变。

对企业本身而言, 时间的概念、“商品”的质量、“资金”的周转等也必将提到重要议程上来, 改变过去生产脱离信息服务于权威等习惯领导方法的变更: 目前企业的生产和自我完善, 归根到底是由上门主宰的。

308Univ. Chem. 2023, 38 (5), 308–314收稿：2022-07-21；录用：2022-09-15；网络发表：2022-09-26*通讯作者，Email:**************.cn基金资助：国家自然科学基金(22176079)；教育部新工科研究与实践项目(E-HJFZQG20202431)•自学之友• doi: 10.3866/PKU.DXHX202207092 COMSOL Multiphysics 在物理化学教学中的应用陈宗元1,2,*，祖甘霖2，牛智伟1,2，靳强1,2，郭治军1,2，吴王锁1,21兰州大学稀有同位素前沿科学中心，兰州 7300002兰州大学核科学与技术学院，兰州 730000摘要：将计算仿真融入大学化学专业课程的讲授是帮助学生具体化抽象概念、提升教学质量的新思路。

本文介绍了多场物理仿真软件COMSOL Multiphysics 的基本原理和操作，并结合大学物理化学课程的教学内容，总结说明了该软件在相平衡、化学平衡以及化学动力学等章节中的应用实例。

由学生反馈可知，计算模拟软件在课堂教学中的可视化的演示，增强了学生对所学知识的理解和掌握，提高了学生的学习热情和思考深度。

关键词：物理化学教学；COMSOL Multiphysics 软件；高效课堂中图分类号：G64；O6Application of COMSOL Multiphysics in the Teaching of Physical ChemistryZongyuan Chen 1,2,*, Ganlin Zu 2, Zhiwei Niu 1,2, Qiang Jin 1,2, Zhijun Guo 1,2, Wangsuo Wu 1,2 1 Frontiers Science Center for Rare Isotopes, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China.2 School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China.Abstract: The integration of computational simulations into the teaching of college chemistry courses is a novel method of visualizing abstract concepts for students and improving the teaching quality. The fundamental principles and operation of COMSOL Multiphysics, a software for multi-physical field simulation, are presented in this paper. Several examples were presented to illustrate the application of this software in the teaching of college physical chemistry, including phase equilibrium, chemical equilibrium, and chemical dynamics. According to the feedback from students, the visual demonstration during classroom teaching improves their understanding and mastery of the knowledge, as well as their enthusiasm and deep thinking.Key Words: Physical chemistry teaching; COMSOL Multiphysics software; High-efficient class1 引言为推动我国高等教育内涵式发展，提升高等教育整体水平，我国提出了世界一流大学和世界一流学科(简称“双一流”)建设国家战略。

ChemOffice软件在化学教学中的作用一、前言在现代化学教学中，大量的化学应用软件的研发为化学教育和科研工作者们应用计算机解决了具体的问题。

在我国，大部分高校已经将有关计算机化学的课程正式列入大学生课程教学中。

在应用广泛的众多化学应用软件中，由美国剑桥软件公司研究开发的ChemOffice软件因其直观、快捷的特点得到专业教学的一线教师、学生和科研部门的化学工作者的一致好评。

这款化学应用软件可以进行化学结构绘图、分析模拟以及化学信息搜寻整合，不仅可以解决化学计算中的复杂问题，而且可以利用虚拟的程序模拟化学世界的微观结构，并可以将微观结构的光谱形态等直观地展示出来。

在本文中介绍了ChemOffice的化学应用处理软件，以及ChemOffice 软件对现代的化学教育显示的突出作用。

二、ChemOffice简介ChemOffice全称CambridgeSoft ChemOffice是由美国剑桥软件公司研究和开发的一款化学专业应用软件。

ChemOffice软件集强大的应用功能于一身，可以让化学工作者的日常工作变得更加便捷。

化学应用处理软件ChemOffice由ChemDraw、ChemFinder和Chem3D三个模块组成。

ChemDraw 模块是化学结构绘图软件，也是现在各论文期刊指定的格式；Chem3D模块是分子模拟分析绘图模块，通常用它来计算分子轨道的形状、分子表面积、显示分子轨道，描绘化合物的结构；ChemFinder模块是化学信息搜寻整合系统，用来建立化学数据库、储存数据及搜索化学数据库。

ChemOffice软件是针对专业化学绘图设计，可以绘制各式各样的化学键、环、轨道等，可以与软件中的数据库链接，可以查出结构式；也可以将化合物名称直接转为结构图，省去绘图的繁琐；还可以对已知结构的化合物命名，给出正确的化合物名称。

也可以利用此软件所提供的样板功能，大幅缩短制作文件所需的时间。

三、ChemOffice有助于化学教学（一）化学教学的主要辅助手段随着计算机多媒体技术的普及和现代化学应用软件的开发，现在化学教育的授课方式已经告别了一盒粉笔、一块黑板的传统教学，现代化的教学辅助手段使越来越多的老师都体会到了用化学工具软件来制作课件辅助教学的优越性。

chem3d教程Chem3D在有机化学教学中的应用论文【摘要】结合构象教学、立体化学教学、反应机理教学等，简单地介绍了Chem3D软件的一些功能及其在有机化学多媒体授课中的应用。

【关键词】 Chem3D；有机化学；教学Chem3D是英国剑桥软件公司（CambridgeSoft Corporation）所编写的Chemoffice 化学办公软件的一个组成部分，其界面友好，便于操作，可以显示分子的立体结构、键长、键角、分子轨道形状等，同时还具有简单的量子化学计算功能，可以对有机分子进行能量、电荷分布、红外和拉曼光谱、核磁性质、反应动力学等的计算与模拟。

作为一款专业的化学图形软件，Chem3D可以为化学教育工作者［1］，特别是有机化学教师在教学工作中带来很多便利。

下面简单介绍笔者在有机化学［2-3］教学过程中利用Chem3D软件的实践和体会。

1 在构象教学中的应用环己烷的构象是有机化学教学中的一个难点，在传统的教学过程中总是占用大量的时间，但是教学效果也并不理想。

利用Chem3D可以简单形象的把环己烷的两种经典的构象椅式和船式［图1a, b］展现出来，为教学提供很多便利。

在授课时，可以事先在制作的PPT中插入超级链接，然后就可以方便地把已经制作好的图形文件打开。

如图1e所示，点击鼠标左键，可以使模型任意地旋转，让学生从不同的角度观察分子模型，从而可以清楚地辨认出e键和a键的位置以及它们的特点。

还可以用鼠标选定任意的两个氢原子，软件则自动测出两者之间的距离，从而很方便地说明椅式构象没有空间张力，而船式构象存在较大的空间张力。

并且通过软件的ModelDisplay选项，可以控制图形显示或不显示氢原子，便于学生分辨出船式和椅式构象。

一般学生通过教材中的图1c、1d很难想象的出它们就是图1a、b所表示的分子构象，但是通过Chem3D的图像旋转功能可以很清楚地把图1e旋转为1g，图1f旋转为1h。

通过观察图1g和1h中的分子构象特征，很容易发现前者的氢处于对位交叉式，而后者的氢处于重叠式。

《计算机在化学化学化工中的应用》学习心得摘要：化工专业是一门应用性很强的学科，化工专业的学生不但要掌握基本的计算机操作知识，还应掌握化工领域常用的专业性计算机软件。

本文针对在化工专业如何开展计算机教育问题，阐述了计算机知识对化工专业的重要性，提出了化工专业学生应根据化工专业的特点进行计算机教育。

同时，对目前国内外最常用的化工类计算机软件进行了介绍，为化工类学生如何选择适合自己的计算机知识提供了依据。

关键词：高等教育；化工专业；计算机基础知识；1.引言化工专业是我国设置较早，分布较广的“老专业”，现已在遍布全国的近百所高校招生。

而计算机技术的出现使化工行业得到了前所未有的大发展，计算机在化工领域中的应用，大大缩短了化工产品的研究、开发和设计周期，提高了产品质量，增强了企业的市场竞争力[1]。

因此，培养适合当今社会发展的、具有计算机应用能力的化工人才是各高校化工专业的主要目标之一。

2.计算机在化工专业中的重要性计算机已经成为当今社会一个常用的必不可少的工具，尤其对于理工科学生来说，计算机更是其未来工作当中的主要工具。

在化学工程领域内，计算机的应用范围非常广泛，诸如设计、分析、控制、操作及研究等。

并随着科技的进步，计算机在化工上的应用将日益增多。

如在化工中最常见的制图为例，在计算机普及之前都是用手工绘制复杂的分子结构图、试验装置图和化工工艺流程图等，既费时又费力，常常占用工作人员大量的时间和精力。

而随着计算机的普及，这些工作已经完全依靠计算机来完成，如在绘制分子结构图方面常用的化学软件有Chewwindow、CSChewDraw、CSChew3D、ChemSketch等。

而化工工程人员和研究人员则利用更为专业的AutoCAD来绘制大型的试验装置图和化工工艺流程图等。

利用计算机来绘制图形不但省时省力，而且易于保存和传阅。

因此，化工专业的大学生在大学期间就应该掌握这些和化工有关的专业计算机知识，并随着新的软件和技术的出现，不断更新现有的知识，才能真正适应社会的需要。

Chem3D在手性立体化学教学中的应用作者：刘立佳，张春红，沈军，徐晓冬，董红星，王玉丹来源：《教育教学论坛》 2018年第29期摘要：作者根据教学实践体会，对手性立体化学教学中遇到的分子结构空间结构的直观认知等问题，应用Chem3D计算机软件，用Chem3D的三维空间的显示功能展示有机化合物的空间结构、构象和构型，增强学生的直观效果，能使学生对有机化合物的结构有明确的认识。

关键词：Chem3D；立体化学；手性化学中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）29-0279-02一、Chem3D软件简介Chem3D是ChemOffice软件中的一个模块，能够提供工作站级的3D分子轮廓图及分子轨道特性分析，并和数种量子化学软件结合在一起，现已成为分子仿真分析最佳的前端开发环境。

除了Chem3D外ChemOffice还包括ChemDraw化学结构绘图，ChemFinder化学信息搜寻整合系统以及E-Notebook Ultra 10.0、BioAssay Pro10.0、量化软件MOPAC、Gaussian和GAMESS的界面等等相关软件。

Chem3D可以将ChemDraw绘制的化学结构图以三维立体的形式全方位地展示出来。

Chem3D、ChemDraw与ChemFinder模块联合使用，形成化学信息搜寻整合系统，可以建立化学数据库、储存及搜索，也可以使用现成的化学数据库。

在教学过程中，教师可以利用ChemOffice软件来辅助教学，从而有利于提高学生的空间想象能力，将知识点掌握得更牢固。

二、绘制分子三维结构模型，实现分子结构的三维展示在Chem3D中利用主窗口上的绘图工具栏和动画控制栏，可以快速做出形式多样的3D动画，从多角度展示有机分子在空间的分布与运动，和Camtasia、Hyperecam等视频捕捉软件制作的3D动画相比，生成的视频过程简单快捷。

例如绘制苯的分子结构。

《计算机在化学化工中的应用》课程教学大纲课程编号：0802505124课程名称：计算机在化学化工中的应用英文名称：Application of Computer in Chemistry and Chemical Engineering课程类型：专业必修课总学时：24 讲课学时：24 上机学时：12学分：1.5适用对象：高分子材料与工程专业先修课程：计算机基础、高分子有机基础、高分子化学、高分子物理、高分子合成工艺学一、课程性质、目的和任务课程教学所要达到的目的与任务：1. 了解计算机在高分子科学领域的各种典型应用，学会利用计算机进行文献资料的查询。

2. 掌握计算机应用中经常采用技术手段的工作原理、性能和特点。

3. 掌握高分子材料研究、材料制备、材料工程中可以运用计算机解决问题的的基本方法。

4. 初步学会利用计算机对试验方案的优化以及试验结果与数据的处理，能熟练应用Origin软件进行数据管理、计算、绘图等处理；能熟练应用Chemoffice进行分子式的二维及三维绘制。

二、教学基本要求了解计算机在高分子材料科学与工程领域中的应用状况，学会利用计算机进行文献资料的查询，初步学会利用计算机对试验方案的优化以及试验结果与数据的处理，大致了解国内、外材料领域中工具软件的实用，以进一步提高学生在今后实际工作中应用计算机的能力。

三、教学内容及要求第一章计算机在材料科学与高分子科学中的发展与应用1. 高分子科学的发展与作用2. 计算机的迅速发展3. 计算机与高分子科学的结合4. 化学软件概论重点难点：了解新时代材料科学的面临的问题和要研究内容；计算机在材料学各领域的应用。

第二章Word的使用技巧1. Word简介2. 公式编辑器的使用技巧3. Word的一些特殊技巧重点：Word的基本功能的使用；难点：在论文写作中需要的公式编辑器和特殊技巧的使用。

第三章 Chemoffice的使用技巧1. ChemDraw的功能简介2. 使用ChemDraw进行各种二维分子式的绘制3. 使用ChemDraw进行有机物的性质推测4. Chem3D的功能简介5. 使用ChemDraw进行各种三维分子式的绘制重点：能够熟练使用ChemDraw和Chem3D进行分子式的绘制；难点：ChemDraw和Chem3D中一些特殊功能（如推测物理性质. 预测NMR谱图等）。

化学软件（ChemOffice 3D, ChemSketch, Materials Studio）在新课程化学教学中的应用新课程化学教学，将功能强大的专业化学软件引入到中学化学教学过程，帮助化学教师更圆满地完成教学任务，随时解决很多专业问题，提高了学生的学习兴趣，使学生对化学的怕变为对化学的爱，也使学生的能力得以加强，同时提高了教师的专业能力，强化了教学技能，为新世纪教师应具备现代教育手段打好基础。

关键词：新课程化学教学、专业化学软件新课程化学教学在我区已经进行了三年，所有的必修和选修教材均已与广大师生见面，化学必修内容更广泛更新颖，选修的内容更深入、学科性特点更强。

化学教师在课堂教学、撰写教学论文、制作多媒体课件等过程中，需使用计算机处理各类化学信息的地方更多。

作为化学教师，在新课程的高中化学教学中了解一些易用且功能全面的专业化学软件（不是教师自编的课件）的使用是非常必要的。

下面将简单介绍可用于新课程教学的几种常用化学软件，目的是帮助化学教师更圆满地完成教学任务，提高教学效果。

1.巧用化学金排，提高化学教师在新课程教学中的专业文档编辑能力。

新课程教学中，化学教师角色发生了转变，经常将化学教学研究用于实践，即在行动中研究，这就需要教师经常总结教学成果，进行各种化学专业的教学设计。

此时，要对化学专业文档进行专门的处理。

化学金排是以Microsoft Word 为依托的一个国产化学软件，化学中常用的单质和常见化合物的电子式、氧化还原反应中的电子转移表示、原子结构示意简图、有机物结构式和有机反应方程式的输入等均很容易实现，化学仪器的自由组装很方便，还有大量的成套的中学化学装置随时可供化学教师调用。

在各类化学符号输入过程中，可以自动识别大小写和上下标。

教师接触到该软件后不用专门学习，很容易就会使用，是中学化学教师在新课程教学过程中化学文档编辑的有用帮手。

2．掌握功能强大的专业化学软件，为化学教师更好的完成新课程教学添砖加瓦。

大 学 化 学Univ. Chem. 2024, 39 (1), 332收稿：2023-05-29；录用：2023-06-21；网络发表：2023-07-06*通讯作者，Email:*******************.cn•自学之友• doi: 10.3866/PKU.DXHX202305082 Materials Studio 软件在计算化学和计算材料学课程教学中的应用许真铭1,*，刘庆生2，陈江安31 南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京210016 2 江西理工大学材料冶金化学学部，江西 赣州 3410003 江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000摘要：将Materials Studio 软件使用引入计算化学和计算材料学等课程教学，采取“计算理论方法讲解 + 计算软件实践操作科研案例”模式进行高效课程教学，实现科研反哺高质量教学。

让学生在软件实践操作中运用、巩固理论知识概念，实现理论方法水平和软件操作技能的双重提升。

同时使课程教学内容变得形象具体，激发学生对计算化学和计算材料学课程的学习兴趣，培养学生的科研思维和探索能力，实现教学支撑高水平科研。

关键词：计算模拟软件；结构建模；量子化学计算；第一性原理计算；分子动力学模拟；蒙特卡洛模拟 中图分类号：G64；O6Application of Materials Studio Software in the Course Teaching of Computational Chemistry and Computational Materials ScienceZhenming Xu 1,*, Qingsheng Liu 2, Jiangan Chen 31College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China. 2 Faculty of Materials, Metallurgy and Chemistry, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi Province, China.3 School of Resources and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi Province, China.Abstract: Introducing the Materials Studio software into the course teaching of computational theory, such as computational chemistry, computational materials science, and applying the mode of “computational theory explanation + practical operation of research case by computational software” can significantly improve the teaching efficiency, realizing scientific research feeding the high-quality teaching. Application of the Materials Studio software in the course teaching can make students to apply and consolidate the theoretical knowledge concepts in the practice operations of software, and improve students’ theoretical method level and software operation skill level. Meanwhile, it makes the teaching content more vivid and specific, stimulates students’ interest in the course teaching of computational chemistry and computational materials science, and cultivate students’ scientific research thinking and exploration ability, realizing teaching supporting the high-level scientific research.Key Words: Computational simulation software; Structural modeling; Quantum chemical calculation;First principle calculation; Molecular dynamics simulation; Monte carlo simulation1 引言立德树人是新时代高校教育的根本任务。