開(kāi)源軟件，助力化學(xué)教學(xué)

摘 要：隨著開(kāi)源軟件的迅猛發(fā)展，其人性化和易操作性日益滿足人們的需要，因而帶動(dòng)其滲透到各行各業(yè)中，中間不乏有助推教育技術(shù)發(fā)展的卓越成果。列舉比較重要的開(kāi)源軟件在化學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用，介紹各軟件的特點(diǎn)以及性能，并展望其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：開(kāi)源;化學(xué);教學(xué);軟件

一、引言

化學(xué)教學(xué)的實(shí)踐性和操作性很強(qiáng)，但是不是所有的實(shí)踐都可以用文字描述、概括清楚，例如，反應(yīng)機(jī)理的驗(yàn)證、復(fù)雜分子三維結(jié)構(gòu)可視化等，因此、在進(jìn)行理論教學(xué)的同時(shí)，需要利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行說(shuō)明，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。這樣首先就面對(duì)一個(gè)軟件選擇的問(wèn)題。盡管有許多軟件可供選擇，但大部分都是付費(fèi)軟件，與其相對(duì)應(yīng)也有自由軟件，但是很多都是試用版或者功能、時(shí)間限制版。隨著開(kāi)源軟件的蓬勃發(fā)展，為化學(xué)教育提供新的多樣性選擇。開(kāi)源軟件即開(kāi)放源代碼的軟件，是指在有關(guān)許可協(xié)議方式的規(guī)范下，任何人能夠自由獲得、拷貝、研究、改進(jìn)以及分發(fā)其源代碼的軟件。廣義的開(kāi)源軟件指任何公開(kāi)源代碼的軟件。開(kāi)源軟件具備可免費(fèi)使用以及公布源代碼等主要特征、使用開(kāi)源軟件的優(yōu)勢(shì)在于學(xué)生一旦懂得操作，即可在工作中可以使用;與其相反，付費(fèi)軟件有可能因?yàn)闆](méi)有購(gòu)買版權(quán)，即使懂得操作也無(wú)法公開(kāi)使用以及出版，不能夠做到學(xué)以致用。開(kāi)源軟件從系統(tǒng)分，有DOS系統(tǒng)、Windows系統(tǒng)、Linux內(nèi)核、以及跨平臺(tái)如JAVA;從功能分，有資料提供軟件、結(jié)構(gòu)建模軟件、化學(xué)編輯軟件、反應(yīng)機(jī)理軟件、分子模擬軟件等。開(kāi)源軟件目前主流仍舊在Linux系統(tǒng)，這對(duì)于初學(xué)者有一定的難度，但是隨著Windows一統(tǒng)天下的局面終結(jié)，系統(tǒng)平臺(tái)也趨于多元化，IE瀏覽器的終結(jié)伴隨國(guó)外opera、Chrome、 firefox和國(guó)內(nèi)Maxthon、360、QQ等群雄并起的局面，以及手機(jī)平臺(tái)iOS和Android縱橫馳騁，足可一見(jiàn)其斑。

二、開(kāi)源軟件在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.化學(xué)編輯軟件

ChemPaster是一款用于編輯化學(xué)式的軟件，與同類軟件相比，其對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)式和有機(jī)化學(xué)式都提供了完美的支持。無(wú)需生成中間檔案便可將化學(xué)式插入各種主流文件處理程序中。提供基本繪圖功能，可以直接實(shí)現(xiàn)儀器的繪制。提供許多繪制好的儀器圖片。Math-o-mir是個(gè)強(qiáng)大的公式編輯器。FX Chem Struct提供給教師使用的化學(xué)圖表工具，內(nèi)置所有化學(xué)符號(hào)可供使用。Chemix是一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器仿真軟件，類似Chemoffice實(shí)驗(yàn)?zāi)K的Flash程序。Veusz可以繪制各種科學(xué)圖表，內(nèi)包含Python程序庫(kù)。

2.資料提供軟件

常見(jiàn)的資料提供軟件包括ChemHandbook、SCIfinder。與其對(duì)應(yīng)開(kāi)源軟件有基于Java完成的Polyhedron Search可以利用化合物的多面體特征以及對(duì)稱性進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索;HSC Chemistry是世界上使用最廣泛的熱化學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件。對(duì)于合成化學(xué)的教學(xué)，Systematichem Syntheses Viewer是一大福音，其內(nèi)嵌的可視器與SysChem公司的網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)合，提供常見(jiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的合成路線。Toxtree是一個(gè)有毒化合物的分析工具，可以通過(guò)插件對(duì)不同的制作方案進(jìn)行分析，它使用Java編寫，可以支持多平臺(tái)。Kalzium是一個(gè)顯示化學(xué)周期表的程序，還可以根據(jù)分子式顯示元素的三維立體圖，并測(cè)量原子之間的距離，其化學(xué)方程式配平器還可以實(shí)現(xiàn)將化學(xué)方程式配平。

3.結(jié)構(gòu)建模軟件

常見(jiàn)的付費(fèi)結(jié)構(gòu)建模軟件包括ChemDraw、ChemWindow、Chemsketch、ISISDraw，其中Chemsketch是自由軟件，但是更高一些功能則需要付費(fèi)。在開(kāi)源軟件中，Avogadro是一個(gè)交叉平臺(tái)上的開(kāi)源的高級(jí)分子編輯器和顯示程序，可以使用在計(jì)算化學(xué)、分子建模、生物信息學(xué)、材料科學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域中。它提供了強(qiáng)大而靈活的插件功能，界面也非常的友好。GAMGI是用于linux上的一個(gè)圖形界面來(lái)查看和分析原子結(jié)構(gòu)信息程序，對(duì)于分子、晶體、玻璃、液體等也比較適合。對(duì)于大分子例如蛋白多糖等，可以采用CueMol可視化，它還可以看到分子3D結(jié)構(gòu)并有渲染功能。PyMOL采用可擴(kuò)展的模塊方式，可以方便地集成到其他應(yīng)用程序中。比較受歡迎的還有Rasmol和Jmol，這是一個(gè)相對(duì)較弱的三維顯示軟件。不過(guò)它不能編輯和創(chuàng)建分子模型，只有可視化功能。一般情況下，與ISISDraw連用。也可以單獨(dú)使用，功能也比較簡(jiǎn)單，容易操作。有特色的是其跟蹤日志功能，這里要注意Jmol的開(kāi)發(fā)者特別約定了元素、殘基、氫鍵等各種結(jié)構(gòu)特征的顏色配置。WebLab Viewer Pro自身能夠編輯和繪制分子模型，同樣功能簡(jiǎn)單，除了擁有一般三維結(jié)構(gòu)模擬軟件的特點(diǎn)以外，它表現(xiàn)生物分子和晶體結(jié)構(gòu)的能力應(yīng)該說(shuō)是同類軟件中最強(qiáng)的。這就使一些蛋白質(zhì)分子和高分子有了較為恰當(dāng)?shù)谋硎痉椒āketchEI主要采用MDL和MOL格式搭建分子結(jié)構(gòu)。另外，還有Chemitorium也是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)建模程序。

4.反應(yīng)機(jī)理軟件

Kintecus通常用于模擬化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，也可以研究燃燒反應(yīng)的平衡和酶反應(yīng)等。ChemMaths是一個(gè)化工計(jì)算軟件，內(nèi)嵌EquationsPro包含超過(guò)400預(yù)設(shè)的反應(yīng)式，DataPro包含超過(guò)3000化合物，UnitsPro可以進(jìn)行超過(guò)200個(gè)單位轉(zhuǎn)換，ProsimGraphsPro可以展示化工過(guò)程，其可以預(yù)測(cè)化學(xué)性質(zhì)、臨界常數(shù)、熱力學(xué)性質(zhì)，表面拉力等。ReactionLab是一個(gè)用于Matlab的工具箱，用于模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。PyQuante用python寫成的量化計(jì)算軟件。python是種腳本語(yǔ)言，所以，它的計(jì)算效率不如c、c++、fortran，因此，在對(duì)計(jì)算時(shí)間比較敏感的一些任務(wù)中，基本不可能用python。通常的計(jì)算化學(xué)軟件，由于歷史原因很多都是用fortran。Python在計(jì)算化學(xué)更多的是用來(lái)處理不是很大的數(shù)據(jù)，或者進(jìn)行文件操作。雖然不像Jaguar，Gaussian或者GAMESS那樣快，但是容易理解，易于修改。它目的是提供一組設(shè)計(jì)得很好的工具，使科學(xué)家可以構(gòu)建自己的量子化學(xué)程序，而無(wú)需全部自己書(shū)寫源代碼。因此，它可以作為一個(gè)教學(xué)模型，學(xué)習(xí)量化程序包的底層機(jī)制。流體力學(xué)軟件OpenFOAM與OpenFVM可用于化工設(shè)備中流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)與反應(yīng)的計(jì)算。

5.分子模擬軟件

Towhee軟件是明尼蘇達(dá)大學(xué)化學(xué)系SiePmann小組在美國(guó)能源部支持的復(fù)雜體系研究項(xiàng)目的基礎(chǔ)之上建立起來(lái)的， 由蒙特卡洛分子模擬代碼組成，基本功能包括單組分、多組分吸附等溫線;最先為預(yù)測(cè)流體相平衡而設(shè)計(jì)，主要使用基于特別設(shè)計(jì)的處理采樣分子構(gòu)象的算法的原子力場(chǎng)，隨后擴(kuò)展到一些系統(tǒng)、多種不同的力場(chǎng)以及固體（或者至少多孔性的）相中。另一個(gè)著名的是LAMMPS，最初由美國(guó)能源CRADA（Cooperative Research and Development Agreement）聯(lián)合兩家美國(guó)能源部實(shí)驗(yàn)室和三家公司研發(fā)的。 它是一個(gè)用于計(jì)算大規(guī)模體系的經(jīng)典動(dòng)力學(xué)代碼。LAMMPS基于豐富的力場(chǎng)和邊界條件，可以模擬原子、聚合物、生物、金屬或者顆粒體系。GROMACS是分子動(dòng)力學(xué)軟件包，用于模擬含幾百到幾百萬(wàn)粒子體系的牛頓運(yùn)動(dòng)方程。它特別適用于生物分子，如，蛋白質(zhì)、油脂等有大量復(fù)雜健作用的體系，但是由于GROMACS在計(jì)算非鍵作用（這占了模擬的主要部分）時(shí)相當(dāng)快，因此，也可廣泛應(yīng)用于非生物體系，如聚合物。

三、總結(jié)

積極鼓勵(lì)開(kāi)源軟件進(jìn)入化學(xué)教育領(lǐng)域，特別是進(jìn)入基礎(chǔ)教育和高等教育領(lǐng)域，對(duì)于未來(lái)高端教育技術(shù)的跨越式發(fā)展無(wú)疑是一支強(qiáng)心劑。因此，肩負(fù)知識(shí)創(chuàng)新重?fù)?dān)的年輕教師有責(zé)任也有義務(wù)在化學(xué)教育領(lǐng)域大力推廣開(kāi)源軟件。

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作者簡(jiǎn)介：葉國(guó)東，1972年出生，男，副教授，博士，廣州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院化學(xué)教研室。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)21274032）。

編輯 王團(tuán)蘭