计算机软件在高分子化学教学和科研中的应用

1、 计算机软件在高分子化学教学和科研中的应用 摘要：本文结合高等院校化学化工专业的特点和作者的实践经验，介绍了在化学化工领域常用的几种计算机软件，并探讨了这些软件在高分子化学教学和科研中的应用。关键词：计算机软件化学化工高分子化学教学科研对于在高等院校从事化学化工专业教学和科学研究的工作者来说，在备课、试卷制作、实验研究、论文撰写等过程中，经常要进行绘制物质结构、书写化学反应方程、处理实验数据，分析测试图谱等繁琐的工作。随着计算机应用的发展与普及，这些工作可以部分地由计算机完成。国内计算机和化学领域的研究人员联合开发了一些小巧、简便、实用的小型专业化学软件，并得到了应用，但其相对功能比较弱，不能

2、解决教学和科研中复杂的化学绘图、数据处理等问题。作为从事化学化工专业人员非常需要了解和掌握一些更为实用、功能更为强大的化学软件的使用。本文主要对国内外的化学软件进行简单介绍，并结合实践经验探讨其在高分子化学教学和科研过程中的应用。一、准化学软件（一）课件制作软件Microsoft Office PowerPointMicrosoft Office是最常用的办公软件包，其中的PowerPoint是工作在一线的化学教育工作者使用最为普遍的软件，用来制作幻灯片演示文稿。主要特点：简单、易学，使用方便，对于非计算机专业的教学工作者也能运用自如。PowerPoint提供了一个有利的功能强大的通道，多种软

3、件可以与PowerPoint并行使用，如Flash制作的动画，专业化学软件创建的分子结构模型等都可以以对象的形式插入到PowerPoint幻灯片演示文稿中，且可编辑性强，能制作出集文字、图形、图像、声音、动画、视频等多种媒体信息为一体的多媒体课件 1, 2。（二）图像处理和动画制作软件1.Adobe PhotoshopAdobe Photoshop是目前应用性很强的平面图像处理软件，是摄影、图像、图形设计师进行图像编辑的优秀工具，是多媒体素材的创作及处理的主要工具。它可以通过强大的滤镜功能及一些简单的操作对已有的图片等进行一些修饰、裁剪、合成，达到美化课件的效果。Photoshop也经常用在文

4、字的处理、背景的创作、交互按钮的制作等方面。用它也可以实现图像文件的格式转换，从而为多媒体创作选取合理的图像提供了更加有利的空间。在化学课件制作中，可以从其他各种资源(如扫描，抓屏，数码摄像等)中截取所需图像资源，用此软件经过特定处理后融合到课件中2。对于高分子化学，Photoshop的应用在也是非常广泛的，如可以借助Photoshop绘制各种结构的高分子链段示意图，如接枝、星型、网状结构等。2.FlashFlash是矢量图形和动画制作的专业软件，简单易学，功能强大，可以独立制作多媒体课件。Flash在实验教学方面尤其发挥得淋漓尽致：强大的绘图工具，为绘制实验仪器及实验装置提供了有利的帮助；用

5、Flash制作的动画能模拟实验过程，达到一定的仿真实验的效果，发挥了独特的辅助教学的功效3。在高分子化学教学中，Flash动画可以直观地演示高分子的运动和反应。如由于分子的热运动，高分子的构象时刻改变着，单键旋转时要消耗能量，以克服内旋转所受到的阻力，分子的内旋转位能可以用纽曼模型来描述，我们可以利用Flash制作纽曼模型4。再如可以用Flash动画演示化学键的均裂和异裂过程，从而方便地解释自由基的形成。这些动态过程传统教学不易表现。3.3D MAX3D MAX是三维建模、动画及渲染的软件。利用3DMAX制作的动画能将化学中的一些微观现象放大，将空间分子结构模型变换不同的角度，使难理解的抽象问

6、题具体化、生动化5。例如在高分子化学实验教学中，在给同学们讲授高分子成型机械设备的过程中，学生难以明白的是设备的内部结构及运行程序，学生去实验室做实验也看不到设备的内部结构和液压传递路线图。但如果用3D MAX 软件将设备做成三维动画，用Flash 演示液压设备的液压原理图，就使学生很快了解了设备的结构、原理，并加深了印象。学生从抽象枯燥、平面、黑白的学习中转到形象生动、立体、多彩的画面上，这样提高了学生的学习兴趣，也便于加深理解4。（三）数据处理软件1.Microcal OriginMicrocal Origin是Windows平台下用于数据处理、数据分析、科技绘图的软件。 Origin像M

7、icrosoft Word、Excel等一样，是一个多文档界面应用程序。Origin的数据分析功能可以给出选定数据的各项统计参数，包括平均值、标准偏差、标准误差、总和以及组数。另外还可以在分析菜单下对数据排序、快速傅立叶变换、多重回归等，可根据需要选用。Origin可以对选定的数据做图，包括直线图、描点图、向量图、柱状图、饼图、区域图、极坐标图以及各种3D图表、统计用图表等。并给出拟合参数，如回归系数、直线的斜率、截距等。还可以进行矩阵运算，如转置、求逆等，并通过矩阵窗口直接输出各种三维图表。支持拖放式绘图等，该软件还可以直接使用和处理Microsoft Excel表中的数据。由于该软件具有处

8、理快速、方便易用、功能强大等优点，被化学化工工作者广泛使用。高分子化学中，研究聚合动力学，测定共聚反应竞聚率等场合经常要运用曲线拟合法、截距斜率法、积分法等方法处理实验数据，运用Origin可以简单迅速地得到我们需要的结果。2.EditPlusEditPlus一套功能强大，可取代记事本的文字编辑器，拥有无限制的撤消与重做、英文拼字检查、自动换行、列数标记、搜寻取代、同时编辑多文件、全屏幕浏览功能。而它还有一个好用的功能，就是它有监视剪贴板的功能，能够同步于剪贴板自动将文字粘贴进 EditPlus 的编辑窗口中，让你省去粘贴的步骤。运用EditPlus可以编辑和处理一些特殊的化学化工科学研究实验

9、数据，达到事半功倍的效果。（四）文献管理在收集Reference过程中，文献管理程序可以帮助你整理、排列所收集的内容；撰写研究论文的过程中，这类程序允许你直接在文字处理过程中插入Reference，并按要求自动生成规定格式的Reference列表。这类程序中有代表性的有：EndNote, Reference Manager和ProCite等，它们都能对文献进行整理，能在文字处理程序中直接插入Reference并生成一定杂志规定格式的Reference列表。二、专业化学化工软件虽然很多常见软件都加载了化学功能模块，但只能作一些简单的操作，且操作烦琐，效率低，不能满足实际的需要，因而专业化学化工软

10、件得到了迅猛地发展。（一）化学品电子手册化学品电子手册是一个综合性的化学品手册电子手册软件。收集了包括化学矿物、金属和非金属、无机化学品、有机化学品、基本有机原料、化肥、农药、树脂、塑料、化学纤维、胶粘剂、医药、染料、涂料、颜料、助剂、燃料、感光材料、炸药、纸、油脂、表面活性剂、皮革、香料等常用化学品的中文名称、英文名称、分子式或结构式、物理性质、用途和制备方法等。本软件采用全模糊检索技术，检索简便。是一个不可多得的工具软件。（二）3D Studio3D Studio系统由2D Shaper(二维造型)、3D Loft(三维放样)、3D Editor(三维编辑)、Keyframer(动画制作)

11、和Material Editor(材料编辑)五大模块组成6。整个制作过程无需使用语言编制程序，仅涉及到很有限的计算机专业知识，是广大化学化工工作者制作动画辅助教学系统很好的工具。高分子链由于冗长繁复的结构，变化多端的构象，使得在教学上不容易表达清楚，影响学生的学习积极性，三维动画可以运用于描述高分子链的链接结构、构象演示、共聚物结构、结晶高分子链构象和晶胞结构等教学过程中。（三）ChemOfficeChemOffice包括ChemDraw Ultra (化学结构绘图)、Chem3D Ultra(分子模型及仿真)、ChemFinder Ultra(化学信息搜寻)等一系列完整的软件。ChemDra

12、w是国内外最流行、最受欢迎的化学绘图软件，它可以建立和编辑与化学有关的一切图形。例如，建立和编辑各类化学式、方程式、结构式、立体图形、对称图形、轨道等，并能对图形进行翻转、旋转、缩放、存储、复制、粘贴等多种操作。可以将化合物名称直接转为结构图，省去绘图的麻烦；也可以对已知结构的化合物命名，给出正确的化合物名称。Chem3D同ChemDraw一样，是ChemOffice的组成部分，它能很好地同ChemDraw一起协同工作，ChemDraw上画出的二维结构式可以正确地自动转换为三维结构。ChemFinder通过你的计算机或互联网，可以在Word、Excel、PowerPoint、ChemDraw、

13、ISIS 等文件中搜索化学结构，以便流览或修改，并输出到自己的目标文件中。基于国际互联网技术开发的智能型数据管理系统，包含的多种化学通用数据库共四十多万个化合物的性质、结构、反应式、文献等检索条目的分析和利用，可为化学家的目标化合物设计、反应路线选择和物化性质预测以及文献的调用提供极大的方便。ChemOffice的ultra版本还包括了一个很好的半经验量子化学计算程序MOPAC97，并能与著名的从头计算程序Gaussian98连接，作为它的输入、输出界面。能够以三维的方式显示量子化学计算结果，如：分子轨道、电荷密度分布等7, 8。（四）图谱解析在化学化工科研中，解析一些小分子物质的红外、核磁及

14、质谱有时是一件非常困难的工作，解析高分子化学中涉及的结构更为复杂的化合物的图谱变得更为困难。核磁图谱的解析可以先利用ChemOffice中的ChemNMR、ChemWindow、gNMR等软件对目标化合物的化学位移进行估算或作出模拟谱，用以协助对该化合物图谱的指认。ChemNMR为ChemDraw Ultra版本的一个插件，可以用来估算大多数有机物的1H、13C化学位移及用线图表示的相应图谱；ChemWindow6.0的一个最突出的特点是与光谱的结合，它的6.5 Spectroscopy 版本包括了一个约五万张13C NMR的数据库(达250兆)，因而其预测更加精确；除了根据化合物的结构预测1

15、3C NMR化学位移外，还能预测红外图谱、质谱等，更可以读入标准格式的NMR、IR、Raman、UV及色谱图；gNMR则可用来估算任何NMR活性核的化学位移，并能画出非常逼真的图谱，该软件包所带的几个工具(gSPG, gCVT)亦可用来处理一维核磁图谱数据，并能与模拟谱进行比较。（五）其他化学化工专业软件我们知道真实的物质结构都是有体积、重量、色彩的三维空间结构，而组成物质内部的分子、原子也有复杂的结构和动态形态。以高分子为例，采用传统教学方式，教师只能在黑板上的二维空间讲述高分子的三维结构，虽然可以借助分子模型，但分子模型不能表现分子的动态形态。现在我们可以借助如ACDPChemSketch

16、模拟软件高分子的结构模型来展示其动态模型。另外，在高分子化学领域中，超级化学助手V3.1能够轻松输入图形和公式，模拟高聚物、取代基模型；ISIS/Draw2.4能自动识别化合价，键角和各种环，如同在纸上一样轻松的绘制化学结构，包括复杂的生物分子和聚合物。三、结束语在高分子化学教学过程中，我们可以结合以上这些软件，不断适应教学内容、学科知识的变化，满足教学需要。同时，直观友好的交互界面、简洁清晰的导航系统、多媒体技术的综合应用有利于调动学生的学习积极性，加深对教学难点的理解，实现最佳的学习效果。在高分子化学科研工作中，以上软件的运用，可以解决科研过程中遇到的很多难题，显著地提高我们的科研工作效率。致谢感谢常熟理工学院青年教师科研启动基金项目No.20070702和化学实验教学中心开放课题研究基金项目的资助。Reference：1张世波.“PowerPoint链接或嵌入Flash动画的三种方法”.电脑学习，2003，6：24-25.2徐晓华,祝红琴.“计算机软件在多媒体化学教育中的应用”.电脑知识与技术，2006，2：229-230.3王炎,胡大为,邰立峰,“用Flash开发有机化学实验CAI课件”.计算机与应用化学，2