计算化学
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spContent=化学与数学、计算机科学的交叉融合——这就是计算化学。把计算方法变成编程语言,或利用计算工具软件,让复杂的化学、化工问题变得简单而有趣。请加入我们,学习计算化学,享受知识的融汇与创新!
—— 课程团队
课程概述

“计算化学”是化学学科、数学中的数值计算方法和计算机编程等多学科知识相结合的一门综合性交叉学科。课程主要内容是运用数学、统计学与计算机科学的方法,进行化学、化工中的数据与信息的处理、分类、解析和预测。

 

课程旨在使学生通过学习,全面掌握应用计算机解决化学、化工相关问题的基本思路、基本原理、基本方法和基本技能,培养学生学习能力、实践能力与创新能力,是培养学生综合不同学科知识,运用现代技术,解决实际问题的能力的综合性课程。

 

课程始终围绕化学、化工中的实际问题,反映课程的多学科性、实践性、体现工科特色。

 

讲授时以化学化工中常用的数值计算方法及计算机在化学中的应用为主线,主要内容为化学、化学工程中常用的数值计算方法,包括

——解方程和方程组

——实验数据拟合、数值微分

——数值积分、解常微分方程和方程组

——本征值与本征向量……

 

从化学、化工中的实例提出问题,并通过上述方法,采用FORTRAN等语言编程或通过数据处理软件,解决问题。

 

同时简要介绍最优化方法和计算机模拟及其在化学、化工中的应用。

 

课后的练习一部分为编程实践,通过编程工具计算软件,采用计算方法解决化学、化工中的实际问题(问题涉及学科有无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、结构化学以及化工中的相关问题);一部分为客观题,用于巩固当次课的知识。

 

    北京化工大学“计算化学”课程自2001年开设以来,作为国家工科基础课程教学基地的工科特色课程,一直走在教学改革的前沿。课程先后被评为国家级精品课程(2006),国家级精品资源共享课程(2013)。教材荣获北京市精品教材称号(2008),并获批为十五十二五普通高等教育本科国家级规划教材(2012)。“计算化学”教学改革的相关成果荣获北京市高等教育教学成果二等奖(2009),并两次荣获北京化工大学优秀教学成果奖一等奖。


授课目标

通过学习本课程,系统掌握应用计算机工具和数学方法解决化学、化工相关问题的基本思路、基本原理、基本方法和基本技能,培养学习能力、实践能力与创新能力。


课程大纲

0 前言

    FORTRAN语言简介

第一部分  化学中常用的数值计算方法及应用

(需要编程,课后作业为编程作业)

1 代数方程及代数方程组的求解在化学中的应用

二分法Newton-Raphson迭代法;Gauss消去法;Gauss-Seidel迭代法。

主要介绍方法原理、程序框图和应用实例

2 插值法和回归分析——实验数据的拟合及模型参数的确定

线性插值;Lagrange插值;中心差商;一元线性回归分析及其推广;多元回归;数值微分。

主要介绍方法原理、程序框图和应用实例。

3 数值积分与常微分方程的数值解法

梯形法;Simpson法;离散点数据的求积;Euler法及其改进;Runge-Kutta

主要介绍方法原理程序框图和应用实例。

第二部分 化学中其他计算方法和软件的应用

 (不需要编程,课后作业主要为客观题和软件练习)

4 本征值和本征向量

行列式求值法;Jacobi方法。

主要介绍方法原理和化学化工中的应用实例。

5 化学化工中的最优化方法简介

单纯形法优化;化工调优。

主要介绍方法原理和化学化工中的应用实例。

6 化学化工过程计算机模拟简介

分子动力学模拟;Monte   Carlo法;化工过程模拟;

主要介绍方法原理和化学化工中的应用实例。

7 计算化学相关软件简介

主要介绍结构式绘图软件CHEMOFFICE;科学数据处理软件ORIGIN;量子化学和分子模拟软件GAUSSIANMATERIALS STUDIO

 

——注:共开课9周,平均每周2-3学时。第8周后进入考试阶段,没有新课程。


预备知识

  最好具备大学化学学科、高等数学的基本知识,以及计算机编程基础。即使没有上述基础,只要对课程感兴趣,跟随课程进度,也一定会有收获。


证书要求

  • 成绩总评采用百分制,其中平时参与30%(其中,测验占25%,课堂讨论占5%),平时作业占40%期末考试30%

  •     课程总评成绩60-79分可获得合格证书,80分以上可获得优秀证书。



参考资料
  • 参考教程

    张常群,鄢红,郭广生,吕志. 计算化学. 北京:高等教育出版社,2006 

   (国家十五,十二五规划教材,北京市精品教材)

            ISBN: 7040193639



  • 编程环境

        FORTRAN POWER STATION(本课程推荐)


  • 参考网站

    计算化学精品资源共享课课程网站

        http://www.icourses.cn/sCourse/course_3340.html



常见问题

Q1本课程综合了几门学科,重点要掌握的是哪方面的知识?

A1课程的确融合了化学、数学、计算机编程等方面的知识,但是落脚点还是在化学上,通过学习计算方法和编程或软件,能够利用这些方法解决化学化工中的问题。重点掌握方法原理及其在化学中的应用,编程或使用软件只是实现手段,对化学知识的理解是解决问题的关键所在。

 

Q2本课程的计算实例涉及到哪些化学方面的知识?

A2精选40多个化学化工的计算实例。实例涉及无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和结构化学知识。主要是物理化学方面的知识。学完本门课程后,将会对已学过的化学知识有一定的认识提升。

 

Q3本课程对编程基础有要求吗?

A3学习本课程前最好已有一门编程语言的基础。本课程在讲授的过程中是使用FORTRAN语言,主要是因为FORTRAN语言是一门公认的科学计算方面具有优势的语言,而且能很好地体现模块化的编程思想。化学中很多有名的程序如GAUSSIAN也是用FORTRAN编写的。所以推荐大家使用FORTRAN进行本课程作业的编程。如果有同学对其他语言更熟悉,也可以采用你更熟悉的语言(如C++PythonVB,Matlab等),如果用别的语言编程需要向老师提前说明。

 

Q4:本课程对数学基础要求高吗?

A4最好学过高等数学,但只要有高中以上的数学知识,能跟着教学进度,本课程的数学方法大部分都是能够理解的。

 

Q5:本课程难学吗?

A5:本课程的教学设计是循序渐进,对于大部分同学来说,是可以跟上进度的。对基础较弱的同学,我们会给出一些补充材料如化学知识背景、编程知识简介;针对基础很好或有志于从事计算化学专业的同学,我们也会提供一些深入的学习资料主要在课程内容第二部分,不作为考试要求)。