计算机在材料学中的应用教案

中国海洋大学大学教案学 院： 材料学院 教 研 室： 高分子材料 授课班级：材料化学 04,高分子材料 04 课程名称： 计算机在材料学中的应用 学 时： 68 选用教材：计算机在化学化工中的应用技术（赵文元）任课教师： 赵文元 计算机在材料学中的应用技术课程教案课程名称 计算机在材料学中的应用课程编号 83702101255授课专业 材料化学高分子材料 班级 2004课程类型 必修专业课授课方式 课堂讲授（） ；实践课（） 考核方式 考试（） ；考查（）课程教学总学时数 68 学 分 数 3学时分配 课堂讲授 48 学时；课堂实践 16 学时; 习题课 4 学时讲义名称 计算机在化学化工中的 应用技术 作 者 赵文元 出版社及出版时间 科学出版社 2001.7指定参考书 计算机网上化学资源 作 者 李晓霞 出版社及出版时间科学出版社授课教师 赵文元 职 称 教授 单 位 材料学院授课时间 2007 年 2 月 22 日2007 年 7 月 13授课简介本课程属于专业必修课程，其目的是使学生掌握各种计算机技术用于解决化学领域问题的技术。主要介绍计算机网络技术在化学化工中的应用，计算机化学办公软件，计算机结构化学软件，计算机模拟化学过程和计算机数据处理与实验设计等。需要的知识背景包括已经学习过四大化学和化工原理，概率与数理统计，计算机文化技术，计算机应用基础等课程。从实用技能培养的角度考虑，重点进行相关化学软件的应用能力培养。 周 次 第 1 次课章 节名 称 课程导论方 式 理论课（） ； 时 数 2目的要求使学生基本了解计算机技术在相关领域的专业应用技术学习的目的、意义和主要内容。了解掌握目前计算机技术在化学相关领域的发展状况等。给出。教 学 内 容 提 要1.课程设置目的：为什么要选择学习本课程?2.在本课程学习过程中想要获得那些知识?What?计算机知识+化学知识=计算机在化学中的应用3.本课程学习的主要方法?4.在本课程中使用的主要参考书?计算机在化学化工中的应用技术,Internet 上的化学化工资源5.计算机技术，以及计算机技术在化学领域应用的发展状况什么是计算机科学，什么是计算机技术，计算机硬件技术与软件技术n 计算机的应用技术，计算机的通用应用技术和专业应用技术，计算机在化学和材料学领域的应用技术，获得计算机在本专业领域应用技术的途径和意义重点重点和难点为了解掌握计算机技术是如何解决化学问题的。教学手段多媒体教学，以及部分化学软件的应用展示。周 次 第 2 次课章 节名 称第一章：绪论（1）：授 课方 式理论课（） ； 教 学时 数2目的要求掌握计算机的主要功能特征，以及这些功能特征如何解决化学问题。了解计算机在化学化工中的应用技术发展的历史、现状与趋势。了解目前计算机技术在化学化工中的重要应用领域教 学 内 容 提 要一、计算机在化学中的应用的学习意义及内容1.学习的意义：化工自动化需求、计算化学复杂性需求、化工规模化需求等。化学学科的特殊性需求： 符号特殊性、机理复杂性，高危险性和高成本性。2.学习的内容：信息收集：计算化学：化学办公软件以及图形化表达方法；化学工程及化学过程表达：自动化设备及仪器控制：化学化工专家系统二、计算机在化学中应用的历史1.以量子化学计算为代表的计算化学发展2.以化工过程计算机控制为代表的自动控制化发展3.以傅立叶变换红外和核磁共振技术为代表的化学信息处理技术4.基于国际计算机网络的化学信息收集与检索体系5.基于大型计算机技术的高温、高压、高险等化工过程模拟技术发展6.基于计算机智能化技术发展起来的专家咨询系统三、三、 计算机的特点及其在化学科学发展中的作用计算机的特点及其在化学科学发展中的作用1.计算机的计算功能与计算化学2.计算机的存储和检索功能与化学数据库3.计算机的图形化功能与化学过程表达与模拟4.计算机的逻辑推理功能与化学咨询系统5.计算机的信号收集、处理加工和指令输出功能与化学过程控制四、四、 计算机技术在化学领域应用的现状计算机技术在化学领域应用的现状五、发展趋势重点 当前计算机具备的技术与能力，化学化工领域急需解决的问题手段 多媒体，思考题讨论周 次 第 3 次课章 节名 称第一章：绪论（2）：授 课方 式理论课（） ； 教 学时 数2目的要求了解本课程将要讲述的主要计算机在化学中的应用技术和应用软件，增强对本课程意义的感性认识以及学习兴趣。教 学 内 容 提 要一、本课程将要介绍的计算机应用技术：计算机网络技术在化学中的应用，使用编程技术解决简单化学问题，绘制分子结构和建立分子模型，分子结构参数计算，简单化学过程模拟，计算机在化学教学中的应用技术，复杂数据分析处理和科学实验设计，计算机自动化控制技术简介*，计算机化学专家系统简介*，二、化学软件的功能演示化学办公软件演示，分子模型软件演示、结构化学计算软件演示和数据处理软件演示等（根据时间进行适当安排） 。重点 通过多媒体演示软件的基本功能，增强学生对本课程讲授内容的感性认识。手段 多媒体， 周 次 第 4 次课章 节名 称第二章，计算机网络技术在化学化工中的应用技术，第一节：计算机网络技术的基本知识授 课方 式理论课（） ； 教 学时 数2目的要求了解计算机网络发展历史、网络的基本结构、网络的基本功能。掌握计算机网络技术在化学化工领域的主要应用领域。教 学 内 容 提 要1.计算机网络的发展历史和主要类型:2.计算机网络的基本功能:3.计算机网络的基本结构：4.计算机网络的连接和使用：5. 计算机网络在化学化工领域的主要应用化学化工信息的收集、处理、传输与存储计算化学的远程登陆计算化学化工领域的电子商务活动化学化工专业期刊和书籍的电子化出版化学化工领域的远程过程控制化学化工远程网络交互教学通讯功能等重点 计算机网络的基本功能与在化学化工中的应用技术是重点和难点手段 多媒体周 次 第 5 次课章 节名 称第二章：第二节：Internet 上的主要化学化工信息资源， 授 课方 式理论课（） ； 教学时数2目的要求了解化学化工工作者在计算机网络上可以获得那些有用的信息资源教 学 内 容 提 要第三节1.化学化工信息资源的种类：化学化工相关文献资源，化学化工相关数据资源，化学原料、试剂和产品信息资源，化学化工相关软件资源，化学化工教育资源，其他化学化工信息资源。2.网上化学信息资源的搜索方法：通过搜索引擎查找：通过专业化学网站上的超级链接和友情链接查找：通过电子图书馆提供的光盘数据库、网上数据库和链接网站通过专业指导性书籍查找 重点难点 网上化学信息的查找方法课堂活动 在线展示部分网上数据库的界面和内容提要教学手段 多媒体周 次 第 6 次课章 节名 称第三节：网上主要化学化工数据库知识授 课方 式理论课（） ； 教学时数2目的要求了解当前计算机互连网上最重要的几种化学信息数据库的内容、结构、地址、使用方法等信息。教 学 内 容 提 要第四节1.STN 数据库2.Dialog 数据库3.ISI 相关数据库4.万方数据库5.中文文献数据库6.英文文献数据库重点手段在线展示部分网上数据库的界面和内容提要参考资料网上数据库介绍资料（英文）周 次 第 7 次课章 节名 称第二章：第 5 节：利用网上电子图书馆收集化学化工信息， 授 课方 式理论课（） ； 教学时数2目的要求了解国内和国际主要电子图书馆的概况掌握通过学校电子图书馆检索收集相关化学信息的方法教 学 内 容 提 要1.电子图书馆的定义、结构、功能与使用2.国家图书馆中的电子图书馆3.中国海洋大学图书馆电子图书馆部分4.电子图书馆提供的主要信息5.电子图书馆的使用方法（网上演示）重点网上电子图书馆的特点与使用方法手段多媒体教授与在线演示（时间允许时提供学生实践）参考资料周 次 第 8 次课章 节名 称第六节：网上计算资源概况。授 课方 式 理论课（） ； 时数 2要求了解通过远程登陆技术利用网络计算资源的途径与方法教 学 内 容 提 要第六节：网上计算资源的概况1.主要面向社会的网上计算资源：美国主要国家计算实验室和计算中心，西方大学开放式计算中心。2.网上计算资源的使用方法：不同的帐号管理系统，不同的登录方式，免费计算资源的寻找方法。3.采用超级计算机进行化学计算的实际例证演示。重点难点授课方法 多媒体授课，在线网络演示周 次 第 9 次课章 节名 称第七节：网上教育资源概况授 课方 式 理论课（） ； 时数 2要求建立终生学习的理念，掌握毕业后的学习途径。了解网络上化学化工教育资源的分布与使用方法教 学 内 容 提 要第七节：网上的教育资源1.网上教学课件的基本形式2.网上主要化学化工教育资源的分布与使用方法本章思考题讨论重点难点授课方法 多媒体授课+课堂讨论+ 在线网络演示周 次 第 10 次课章 节名 称第四章：计算机图形化技术在化学中的应用授 课方 式课堂 时数 2目的要求了解计算机图形化技术的实现方法了解化学与化工相关领域图形化的需求特征了解常用化学图形化软件的种类和用途教 学 内 容 提 要1.计算机图形化技术特征2.计算机图形化技术在化学化工中的应用领域分子结构（包括平面结构和三维结构）的绘制，反应机理示意图（包括反应式）绘制，实验流程装置图绘制，生产和工艺流程图绘制，原子和分子微观状态图绘制及显示，化学过程（包括各种分离分析过程）图形化显示，实验数据的图形化制作和显示3. 常用化学图形化软件分子结构绘制软件，分子模型绘制软件，化工装置和流程绘制软件(CAD)，化学实验装置绘制软件，实验数据处理与显示软件，除了第三条之外，一般把上述软件与化学数据库和电子报表等软件集成为化学办公软件4.常见分子结构图形化格式和特点5.化学信息学基本知识重点与难点教学方法 多媒体教学与讨论周 次 第 8 次课章 节名 称 第四章: 第二节:化学办公软件之一 ISISDraw 的使用(1)授 课方 式 理论课（ ） ； 教 学时 数 2目的要求了解 ISISDraw(2.3)软件的界面组成，下拉菜单指令和各种工具的功能了解 ISISDraw(2.3)软件的主要功能和参数设定教 学 内 容 提 要1. ISISDraw(2.3)软件的主窗口组成2. ISISDraw(2.3)软件的主要功能（软件演示）3. ISISDraw(2.3)软件的主要操作指令及其具体中文含义重点难点主要操作指令的中文翻译和功能介绍，采用软件实际操作进行解释。演示1. ISISDraw(2.3)软件的安装过程2. ISISDraw(2.3)软件的启动与运行3. ISISDraw(2.3)软件的界面和指令解释4. ISISDraw(2.3)软件的参数设定5. ISISDraw(2.3)主要功能演示手段多媒体电子课件+软件实际运行演示；周 次 第 9 次课章 节名 称 第四章: 第二节:化学办公软件之一 ISISDraw 的使用(2) ，第一次实践课程授 课方 式 实践课（） ； 时 数 2目的要求 学习掌握化学办公软件 ISISDraw 的使用方法。教 学 内 容 提 要1. 软件的基本操作训练2. 简单化学分子结构式的绘制训练3. 简单化学反应式的绘制训练4. 简单化学示意图和曲线绘制训练5. 化学结构的输入与输出训练6. 与其他软件的综合应用训练 重点难点分子结构的绘制方法是重点与其他软件的综合应用是难点手段课堂多媒体软件应用实践。达到 10%的学生动手周 次 第 10 次课章 节 第四章: 第二节:化学办公软件之一 Chemsktch 软件的使用(1)方 式 理论课（）教 学时 数 2目的要求了解 Chemsktch 软件的界面组成，下拉菜单指令和各种工具的功能了解 ISISDraw(2.3)软件的主要功能和参数设定教 学 内 容 提 要1. CHEMSKTCH 与 ISISDraw(2.3 软件在功能上和格式上的不同点2. CHEMSKTCH 的主窗口组成3. CHEMSKTCH 软件的主要功能（软件演示）4. CHEMSKTCH 软件的主要操作指令及其具体中文含义重点难点采用软件绘制手段 结合软件的操作窗口讲解周 次 第 11 次课章 节 ChemSkech5.0 软件使用（2）授 课方 式 理论课（） ；实验课（ ） ；实习（ ）教学时数 2目的要求掌握软件的主要功能和应用范围。教 学 内 容 提 要采用化学软件的自动演示课件进行功能演示：包括：采用化学软件的自动演示课件进行功能演示：包括：1 分子结构绘制：简单分子结构绘制，复杂分子（碳分子结构绘制：简单分子结构绘制，复杂分子（碳 60）的绘制，化学反应式）的绘制，化学反应式的绘制，肽结构绘制，的绘制，肽结构绘制， DNA 结构绘制等。结构绘制等。2. 化学图形绘制：反应能级图绘制，实验装置绘制，DNA 双螺旋图形绘制等。3. 三维分子模型的转换与显示：4. 化学数据库的功能与使用方法，包括化学信息结构化查询5. 表格化应用方法等。重点难点演示软件解说为英文发音，并且演示速度太快，学生理解困难，需要进行适当重复和中文解释。教学手段讲授（结合软件演示进行讲解）提出问题解决问题周 次 第 12 次课章 节 ChemSkech5.0 软件使用（ 2）授 课方 式 理论课（） ；实验课（ ） ；实习（ ）教学时数 2目的要求掌握软件的主要使用方法，包括分子结构的绘制，实验装置图绘制，分子结构与分子模型的转换，分子结构的自动命名等。教 学 内 容 提 要运用软件工具绘制不同要求的分子结构，各种化学信息的表示方法，模板运用软件工具绘制不同要求的分子结构，各种化学信息的表示方法，模板的使用方法，化学实验装置的绘制要领，三维结构的绘制方法等。的使用方法，化学实验装置的绘制要领，三维结构的绘制方法等。将绘制的分子结构，利用自动命名工具进行标准化命名。将绘制的分子结构，利用自动命名工具进行标准化命名。利用软件工具给出绘制分子的基本化学性质。利用软件工具给出绘制分子的基本化学性质。运用窗口转换工具，将绘制的分子结构直接转换成不同类型的分子模型并进行运用窗口转换工具，将绘制的分子结构直接转换成不同类型的分子模型并进行立体结构优化。立体结构优化。利用测量工具给出分子模型的几何参数。重点难点软件工具的正确使用方法。教学手段讲授（结合软件演示进行讲解）提出问题解决问题周 次 第 13 次课章 节名 称分子结构绘制软件的实际应用实践（第二次实践课程）授 课方 式理论课（） ；实验课（ ） ；实习（ ） 教 学时 数2 目的要求联系 ISISDraw 和 Chemskech 软件的使用练习（1）教 学 内 容 提 要1. 使用 ISISDraw 软件绘制不同类型的分子结构和化学相关图形（分组练习）2. 使用 Chemsketch 软件绘制不同类型的分子结构（分组练习）重点难点操作的规范化和软件在线帮助的使用方法，分子结构合理性检查讨论教学手段上机练习并给予讲评周 次 第 14 次课章 节名 称分子结构绘制软件的实际应用实践（第二次实践课程）授 课方 式理论课（） ；实验课（ ） ；实习（ ） 教 学时 数2 目的要求Chemskech 软件的使用练习（2）教 学 内 容 提 要3. 使用 Chemsketch 软件绘制不同类型的实验装置图（分组练习）4. 使用 Chemsketch 软件绘制不同类型的三维分子模型并进行演示5. 使用 Chemsketch 软件绘制不同类型的分子结构并进行自动命名6. 使用 Chemsketch 软件进行分子几何参数测量重点难点操作的规范化讨论教学手段上机练习并给予讲评周 次 第 15 次课章 节名 称第二节：计算机分子模型及结构分析技术，授 课方 式理论课（） ；实验课（ ） ；实习（ ） 教 学时 数2 目的要求分子模型的理论和实践意义了解分子模型的表示方法和技术手段了解常见分子模型的类型及其特征了解采用计算机进行分子模型建立和演示的特点需要解决的主要技术问题教 学 内 容 提 要1. 建立准确分子模型在化学相关领域的理论和实践意义将微观研究对象的可视化，空间形象化。2. 分子模型的发展历程和采用的技术手段手工模型计算机模型3. 常见分子模型的类型：线状、棒状、球棒状和空间填充等基本类型，以及对于核酸、蛋白质、晶体等特殊表示类型。4. 不同类型分子模型之间的不同特点：分子构件-化学键和原子的表示。5. 采用计算机建立和演示分子模型的方法及其特点：生动、准确、自动化和转换的便捷性。6. 需要解决的技术问题：分子模型的搭建方法，分子模型不同类型间的转换方法，分子模型几何参数的测量方法