《化学计量学》教学大纲

《化学计量学》教学大纲课程英文名Stoichiometry课程代码05M0106学分2总学时32理论学时32实验/实践学时0课程类别学科基础课课程性质任选先修课程无机化学、概率论与数理统计适用专业材料科学与工程开课学院材料与化学学院注：课程类别是指公共基础课/学科基础课/专业课；课程性质是指必修/限选/任选。一、课程地位与课程目标（一）课程地位化学计量学是材料科学与工程专业的学科基础课，是统计学、数学和化学等交叉形成的具有丰富内涵的学科。它为化学量测提供基础理论与方法学，为各类化学波谱的数据解析和化学化工过程的研究及优化提供新途径，是分析仪器智能化的理论与技术基础。化学计量学不仅对发展分析化学基础理论和促进分析仪器的智能化具有重要意义，而且逐步向多学科渗透，成为材料、化工、生物和环境等学科的重要基础。本课程主要讲授化学测量的基础理论和方法，包括采样理论与方法、实验设计与化学化工过程的优化控制，化学信号处理、分析信号的多元校正与分辨、化学模式识别、化学过程和化学量测过程的计算机模拟、化学定量构效关系、化学数据库与化学专家系统等内容。通过学习这门课程，学生掌握化学计量学中各种算法的基本思路与基本方法，能够解析各类化学波谱及化学量测的数据，并解决化学分析和量测中的工程问题。（二）课程目标1.掌握基础化学计量学的基本知识和基本内容，研究任务及其应用领域，全面认识化学计量学，并了解化学计量学发展的新动向。2.系统掌握化学试验设计与优化、分析信号检测与处理、基础校正理论、化学因子分析基础、化学模式识别的基本理论和应用条件。3.根据分析目的、各种化学计量学方法的特点、应用范围，选择适宜的化学计量学方法以解决分析化学问题。4.分析和解决多学科交叉中的化学问题，培养学生具有解决复杂工程中化学计量问题的能力。二、课程目标达成的途径与方法1.以课堂教学为主，采用智慧课堂方式，通过雨课堂等工具，活跃课堂气氛，引起学生学习兴趣，讲述化学计量学的基本知识和基本原理。2.充分引入课堂互动环节，将化学计量学中化学试验设计与优化、分析信号检测与处理、化学模式识别以及化学过程和化学量测过程等作为互动讨论的重点，使学生更好地理解和掌握根据实际需要如何在化学和工程中进行化学计量。3.注重案例教学，理论联系实践。将化学计量学的原理和知识充分与化工、材料、生物和环境等方面应用结合起来，培养学生运用化学计量学原理和知识解决实际问题的能力。三、课程目标与相关毕业要求的对应关系课程目标课程目标对毕业要求的支撑程度（H、M、L）毕业要求3毕业要求7毕业要求11课程目标10.20.3课程目标20.20.3课程目标30.30.20.4课程目标40.30.20.6注：1.支撑强度分别填写H、M或L（其中H表示支撑程度高、M为中等、L为低）。毕业要求指标点对应课程（3）设计/开发解决方案：能够针对新材料的组分设计、性能检测、工艺制定和质量管理等多方面综合性的复杂工程问题提出合理解决方案，在材料设计、生产与工程应用环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素，设计并制订特定性能的新材料开发全周期、标准和规范。3-1能够描述新材料产品设计、制备工艺、性能检测、质量管理等的解决方法和影响因素；0.30（学科选修任选模块1）3-2能够进行系统或工艺流程设计，并能够针对特定需求进行可行性分析，体现创新意识，发现问题、提出问题并提出解决方案；3-3能识别材料开发及设计任务所面临的多种制约因素，如社会、健康、安全、法律以及环境等。（7）环境与可持续发展：能够理解和评价针对新材料的产品设计、性能检测、工艺制定和质量管理等多方面的复杂工程问题的专业工程实践对环境、社会可持续发展的影响。7-1理解新材料开发及工程应用与环境保护和社会可持续发展的关系；7-2能够从环境、社会可持续发展分析和评价新材料设计、制备及工程实践的可持续性，评价新材料产品研发、生产周期对于人类和环境的影响。0.40（学科选修任选模块1）（11）项目管理：理解并掌握新材料产品设计和实施全周期、全流程的过程管理、成本分析与决策方法，并能在多学科环境中应用。11-1理解新材料研发、生产及工程应用过程中涉及的重要管理与经济决策方法；11-2了解新材料研发、生产及工程应用中全周期、全流程的成本构成，能够综合工程活动中的多学科因素，运用工程管理与经济决策方法进行合理分析。0.35（学科选修任选模块1）四、课程主要内容与基本要求知识点主要内容基本要求对应的课程目标(1)化学计量学简介①化学计量学的定义L1课程目标1、2②化学计量学研究对象L1课程目标1、2③化学计量学的进展L3课程目标1、2、4(2)数学基础知识与MATLAB简介①掌握线性代数和概率论的基础知识L1课程目标1、2②MATLAB平台的基本功能和使用L2课程目标1、2、3(3)相关分析及其应用①典型相关分析原理及实践L2课程目标1、2、3②数据的统计检验方法L2课程目标2、3③Handamad变换、Fourier变换和小波变换L3课程目标2、3(4)回归分析及其应用①K-矩阵法、P-矩阵法L3课程目标1、2、3②多元回归、主成分回归L2课程目标1、2、3③人工神经网络方法L2课程目标1、2、3④多元分辨的有关方法L3课程目标1、2、3、4(5)实验设计与实验数据的处理①正交设计的方法L1课程目标1、2、3②均匀设计L1课程目标1、2、3③序贯实验方法L2课程目标1、2、3、4(6)主成分分析及其在回归分析中的应用①主成分析的NIPLALS算法L3课程目标2、3、4②主成分回归L3课程目标2、3③PLSR原理L3课程目标1、2、3(7)化学校正理论及光谱定量分析技术①多元化学校正方法L1课程目标1、2、3②定量分析方法L3课程目标1、2、3、4(8)化学模式识别及其应用①化学模式识别的基本概念L1课程目标1、2②判别分析法和聚类分析法L2课程目标1、2、3、4③基于特征投影的降维显示方法L3课程目标1、2、3、4五、课程学时安排章节号教学内容学时数学生任务对应课程目标第一章：绪论1.为什么学习化学计量学2.化学计量学的定义3.化学计量学解决问题的方法4.化学计量学的研究对象与内容5.化学计量学与现代分析化学的关系6.化学计量学教学及其目的21.化学计量学的定义和解决问题的方法有关习题2.课堂讨论：化学计量学和现代分析化学的关系课程目标1、2、4第二章：数学基础知识与MATLAB简介1.线性代数基础知识2.矩阵概念与化学信息3.误差与数理统计基本知识4.MATLAB平台简介5.化学数据的预处理方法31.完成线性代数基础知识、矩阵概念和误差基本知识的有关习题2.课后报告：MATLAB软件的应用课程目标1、2、3第三章：相关分析及其应用1.简单线性相关分析2.相关分析函数关系3.复相关分析4.典型相关分析31.完成简单线性相关分析、复相关分析的习题2.课堂讨论：化学成分计量和检测中的相关分析课程目标1、2、3第四章：回归分析及其应用1.回归分析的概念与原理2.一元线性回归分析3.多元线性回归分析4.可化成多元线性回归的问题5.二次回归模型及最优回归模型6.回归分析中必须注意的问题41.一元线性回归分析、多元线性回归分析和二次回归模型的习题2.课堂测验：一元线性回归分析、多元线性回归分析和二次回归模型相关测验课程目标1、2、3、4第五章：实验设计与实验数据的处理1.基本概念介绍2.正交实验设计3.均匀实验设计4.序贯实验设计方法41.完成正交试验设计和均匀实验设计的相关习题2.课后报告：向材料与化学学院各个实验室（至少3个）询问有关正交实验设计在化学试验中的使用情况课程目标1、2、3、4第六章：主成分分析及其在回归分析中的应用1.主成分分析2.主成分分析的实例及其在MATLAB平台的实现3.偏最小二乘回归(PLSR)41.完成主成分分析和偏最小二乘回归相关习题2.课堂讨论：偏最小二乘回归在化学计量检测中的应用课程目标1、2、3、4第七章：化学校正理论及光谱定量分析技术1.基本概念2.化学量测数据的矩阵表示3.多元化学校正方法4.多元校正方法在近红外定量分析技术中的应用5.光谱多元校正定量分析技术41.完成化学量测数据的矩阵表示和多元化学较正方法的相关习题2.课堂测验：结合近红外光谱进行多元校正课程目标1、2、3、4第八章：化学模式识别及其应用1.基本概念2.模式识别的数据准备3.模式间相似程度的度量方式4.判别分析5.无监督模式识别法6.模式识别方法在近红外定性分析技术中的应用41.完成模式识别的数据准备和判别分析相关习题2.课堂讨论：近红外定性分析中的模式识别方法课程目标1、2、3、4第九章：如何用好化学计量学1.避免采用不稳定的数据建模2.避免采用离群点和异常点建模3.谨慎进行数据的转换和确认4.原始数据的初始分析5.专业知识的利用6.建模与验证相结合7.慎重选择适用方法8.课程总结41.课堂讨论：原始数据的分析、建模和验证课程目标1，2，3，4六、考核方式及成绩评定考核内容考核方式评定标准（依据）占总成绩比例过程考核雨课堂表现情况和平时作业（20%）根据中国计量大学学生课程平时成绩考核细则，按照雨课堂表现情况和作业完成情况进行考核40%课堂讨论发言、课后撰写报告和平时测验（20%）根据中国计量大学学生课程平时成绩考核细则，按照课堂发言、撰写报告和课堂测验成绩考核期末考核开卷卷面成绩60%考核类别考试成绩登记方式百分制七、推荐教材与主要参考书（一）推荐教材：基础化学计量学及其应用，倪力军，张立国编者，华东理工大学出版社，2011年7月，第一版（二）主要参考书：1.《化学计量学研究方法》，卢小泉编著，科学出版社，2013年4月，第一版。2