开源科学计算与可视化软件引入化学实验探析

！　！　＝　

ＣＮ１２—１３５２／Ｎ　

实　验　室　科　学　

第１５卷第２期２０１２年４月　

Ａｐｒ．２０１２　Ｌ　ＢＯＲＡＴＯＲＹ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｖｏ１．１５　Ｎｏ．２　

开源科学计算与可视化软件引人化学实验探析　

张凯龙，夏静芬　

（浙江万里学院生物与环境学院，浙江宁波３１５１００）　

摘要：联系当前化学实验教学改革，提出加强学生数据分析处理和实现可视化过程的必要性。并介绍了开　

源科学计算和可视化软件及其运用，以提升实验教学质量。　

关键词：化学实验；科学计算；可视化　

中图分类号：０６—３９　文献标识码：Ｂ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４３０５．２０１２．０２．０３２　

Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｏｐｅｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　

ａｎｄ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｎｔｏ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　

ＺＨＡＮＧ　Ｋａｉ—ｌｏｎｇ，ＸＩＡ　Ｊｉｎｇ—ｆｅｎ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｗａｎｌｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ　３１５１００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｄｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｒｅｆｏｒｍ，ｗｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈａｔ　

ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｍａｋｉｎｇ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｍｅ　ｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｎｅｃｅｓｓｉｓａｒｙ．　

Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｉｔｓ　ｐｏｔｅｎｔｉｌ　ａｐｐｌａｉｃａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｉｎ—　

ｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ａｉｍ　ｔｏ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｌａｂ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　

“无机化学实验”、“分析化学实验”和“物理化　

响实验结果。一个更为严重的后果是，大学四年实　

验和理论课因循着这种原始的计算方式，使得学生　

在毕业论文环节中面对大量推导、分析、数据处理和　

作图时手足无措，给日后学术深造和应用造成巨大　

障碍。　

以分析化学为例，数据显示欧洲２０％化学家从　

学实验”是化学类和相关专业学生的基础课程，具　

有很强的实践性，为后续专业课程和学术研究提供　

理论和技能储备。其对应的理论课一般内容多、任　

务重，加之教学时间有限，使得实验课程变得尤为重　

要。为了让教师教好，学生学好，关于实验课程的探　

索和改革一直在继续，在问题发现、课程设计、实践　

和评价等方向涌现出众多成功案例¨ｑ　Ｊ。但是目前　

大多尝试都局限在实验实践、指导和数据获得，对后　

续尤为重要的数据处理，可视化以及由此得出结论　

缺乏尝试。　

“无机”、“分析”、“物化”实验涉及热力学、动　

事分析工作，欧盟每年产生３０亿～５０亿份分析数　

据　。随着我国经济社会发展，对分析和分析数据　

处理需求将不断增加，这与现在大学这方面教育欠　

缺形成明显矛盾。现实要求学生对数据处理能力亟　

需提升，而配合课程加强科学计算和可视化软件学　

习是较好的途径之一。　

力学、分析方法、平衡等大量相关分析和推导，实验　

目前，我国科学计算和可视化方面使用的大多　

数据的获得、检验、后处理都需要大量繁琐复杂的数　

学运算。这些技能在理论课和其他数学课程中一般　

都进行过大量训练，实验中所使用的工具一般是笔、　

纸、计算器，而作图依然坚持着铅笔和坐标值，这和　

当代学术研究和工业应用严重脱节。这些单调无趣　

重复的过程一方面容易激发学生的逆反心理，产生　

对大学教育的不满；另一方面容易产生较大误差，影　

为商业软件。如数值计算为主的ＭＡＴＬＡＢ，计算机　

代数为主的Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ、Ｍａｐｌｅ，数据可视化则以　

Ｏｒｉｇｉｎ、ＳｉｇｍａＰｌｏｔ等为主，这些软件功能强大，可以　

给科研工作带来极大便利，但是这些软件都需要较　

高的授权费用，并不适合一般教学工作。如在教学　

过程中大多数计算为数值计算，一个可能的选择是　

使用Ｃ，Ｆｏ￣ｒａｎ这些高级语言编程，但是同样存在缺　

１００　实　验　室　科　学　

点，主要是一般学生没有系统接受过编程训练，即便　

学过，编制一个数据处理程序需要源代码输入，库函　

数调用，编译，数据输入一系列步骤，大部分时间将　

为编制程序所花费而不能专注结论研究　Ｊ。　

开源是一种新的程序和软件开发方式，可以自　

由获得源代码进行改进并发布，这一过程遵循ＧＮＵ　

相关协议，一般开源软件都可以免费获得。开源科　

学计算和可视化软件是开源软件的一个重要组成部　

分，并且广为世界各国科研工作者所使用　Ｊ。　

常用的开源科学计算和可视化软件中，数值计　

算以Ｏｃｔａｖｅ、Ｆｒｅｅｍａｔ、Ｓｃｉｌａｂ、Ｒ为主，可视化则很多，　

一

般如Ｑｔｉｐｌｏｔ、ＳｃｉＤＡＶｉｓ、Ｌａｂｐｌｏｔ、Ｇｎｕｐｌｏｔ，计算机　

代数则以Ｍａｘｉｍａ为主。　

１　数值计算　

ＭＡＴＬＡＢ是国内最常用的数据分析和数值计算　

软件，但其功能不仅仅局限于此，编程开发、数据可　

视化、众多各领域专家开发的专用工具箱、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、　

高级程序语言接口等使得ＭＡＴＬＡＢ成为一个综合　

平台。ＭＡＴＬＡＢ以矩阵为基本数据单位，借助与其　

数量庞大的内置函数，使得计算在几个十几个语句　

之内即可完成。　

Ｏｃｔａｖｅ、Ｆｒｅｅｍａｔ、Ｓｃｉｌａｂ是和ＭＡＴＬＡＢ语法高度　

兼容的矩阵型数值计算软件，其中Ｓｃｉｌａｂ拥有信号　

处理，决策优化，控制等工具箱，成为其专业领域内　

首选开源软件　Ｊ。Ｆｒｅｅｍａｔ和Ｏｃｔａｖｅ比较类似，０ｃ－　

ｔａｖｅ则更为强大，从简单计算到作图、数值积分、微　

分、优化、统计等都有提供，而且还可以安装各种专　

业包程序，提供ｃ＋＋函数接口，唯一的不足是在命　

令行下运行，不过近年有以Ｑｔ为ＧＵＩ的ＱｔＯｃｔａｖｅ　

发布。ＦｒｅｅＭａｔ可以被看做Ｆｒｅｅ　ＭＡＴＬＡＢ，从语法和　

外观和ＭＡＴＬＡＢ都高度类似，这将有利于１３后有更　

高需求时迁移到Ｍａｔｌａｂ。　

图１　ＦｒｅｅＭａｔ界面　

如图１所示，在外观上，ＦｒｅｅＭａｔ和ＭＡＴＬＡＢ一　

样主窗口都包含命令窗口、工作空间窗口、工作目录　

窗口、历史窗口和调试窗口，提供脚本编写。功能　

上，ＦｒｅｅＭａｔ提供了基本数据、函数编写、流程控制、　

代码调试、查询，基本数学函数、输入输出命令、特殊　

矩阵，常微分方程，优化，拟合，插值等可以满足基本　

需求，一些较为高级的需求可以通过编写函数和脚　

本完成，甚至建立自己的专用函数库。Ｒ是一个功　

能十分强大的统计分析、绘图软件。　

Ｓｃｉｌａｂ、Ｏａｃｔａｖｅ、ＦｒｅｅＭａｔ以数值计算为主，提供　

了部分可视化和计算机代数支持，可以胜任本科教　

学中无机、分析和物化数据处理方面的任务。　

２可视化　

可视化是显示和分析复杂数据的理想方式，使　

得对数据情况一目了然，可视化技术已经成为现在　

科学研究必备工具。可视化在本文仅限于一般图　

表。Ｌａｂｐｌｏｔ相对比较简单，而Ｑｔｉｐｌｏｔ在ｌｉｎｕｘ下提　

供安装包，在Ｗｉｎｄｏｗｓ下需要自行编译，这一过程比　

较麻烦。ＳｃｉＤＡＶｉｓ，是Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｄａｔａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　

Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ缩写，外观和Ｏｒｉｇｉｎ十分相似，并具有　

其绝大部分功能。　

图２　ＳｃｉＤＡＶｉｓ界面　

如图２所示，ＳｃｉＤＡＶｉｓ和Ｏｒｉｇｉｎ一样使用Ｐｒｏ—　

ｊｅｃｔ来管理工作，提供了工作表、矩阵、工作表等一　

系列窗口、输入输出、二维绘图、三维绘图、图层和版　

面设计、拟合、数据分析，最重要Ｐｙｔｈｏｎ和ｍｕＰａｒｓｅｒ　

脚本功能，而Ｐｙｔｈｏｎ功能强大，大大扩展其绘图和　

数据处理功能。　

ＳｃｉＤＡＶｉｓ可以满足化学实验中数据处理后绘　

制图表的需求，在科研工作也不逊于Ｏｒｉｇｉｎ。　

３计算机代数　

Ｍａｘｉｍａ是一个计算机代数系统，主要用于公式　

推导，符号计算。　

Ｍａｘｉｍａ功能强大，提供了微分、积分、泰勒展　

开、拉普拉斯变换、常微分方程、线性方程组、多项　

式、二维和三位作图等众多功能，并能进行无限精度　

运算。ＷｘＭａｘｉｍａ是基于ｗｘＷｉｄｇｅｔｓ用户界面的实　

张凯龙，等：开源科学计算与可视化软件引入化学实验探析　１０１　

图３　ＷｘＭａｘｉｍａ界面　

现，提供了友好的人机接口，如图３所示。　

Ｍａｘｉｍａ可以满足无机、分析和物化中公式推　

导，方程求解等符号型工作需要。　

４　实验应用　

丙酮碘化反应是一个经典的动力学实验，该实　

验可以安排为物理化学动力学部分，也可以安排在　

仪器分析分光光度计部分。　

反应如下所示：　

Ｈ　　．

ＣＨ３　ＣＯＣＨ３＋Ｉ２——．÷ＣＨ３　ＣＯＣＨ２　Ｉ＋Ｈ　＋Ｉ一　

记ａ代表ＣＨ。ＣＯＣＨ。，ｅ代表ＣＨ３ＣＯＣＨ　Ｉ，ｉ代　

表Ｉ：，ｈ代表Ｈ　

在该实验中，在测定碘浓度随时间变化时使用　

了标准曲线法，这一方法在化学极谱、色谱和光谱定　

量分析过程中大量使用。　

移取不同体积０．０１ｍｏｌ／Ｌ标准碘溶液稀释到　

２５ｍＬ，测定其吸光度（见表１），建立标准曲线。　

表１碘标准溶液　

利用标准曲线，根据测得Ａ值，可以计算出Ｃ。　

设某次测得Ａ　＝０．８１５。　

４．１　Ｍａｘｉｍａ公式推导　

该反应动力学方程式即为：　

一　＝　（１）　

利用Ｍａｘｉｍａ代数系统求解微分方程（１），输人　

命令：　

ｆ：＂ｄｉｆｆ（ｅ，ｔ）＝ｋ％ａ＾ｘ￥ｈ　ｙ；　

ｏｄｅ２（ｆ，ｅ，ｔ）；　

运行，即得结果：　

Ｃ　＝ｋａ　ｈ　ｔ＋Ｃ　（２）　

４．２　Ｆｒｅｅｍａｔ拟合计算　

对表１数据使用最小二乘法拟合，在Ｆｒｅｅｍａｔ　

中输入如下代码：　

Ｃ＝［０．０００，０．８００，１．６００，２．０００，２．４００，　

３．２００］；　

Ａ＝［０．０００，０．２４１，０．４７６，０．６２３，０．７２１，　

０．９６５］；　

ｆｕｎ＝ｐｏｌｙｆｉｔ（Ａ，ｃ，１）　

运行输出：　

ｆｕｎ＝３．３０４９　－０．０００１　

即为：　

Ｃ＝３．３０４９Ａ一０．０００１　（３）　

对于Ａ　＝０．８１５时Ｃ值，可以采用拟合式（３）计算：

１　

Ａ１＝０．８１５；　

ｃｌ＝ｐｏｌｙｖａｌ（ｆｕｎ，Ａ１）　

拟合估值输出结果Ｃ。＝２．６９３４。　

该例Ａ　为单个标量，对于大量甚至海量数据，　

可以导人数据，可以大大加速数据处理。　

４．３　ＳｃｉＤＡＶｉｓ作图　

在ＳｃｉＤＡＶｉｓ工作表输入或者导入表１数据，首　

先画出散点图，选择“ａｎａｌｙｓｉｓ”下“ｑｕｉｃｋ　ｆｉｔ”拟合得　

到标准曲线，同时给出拟合方程和拟合质量分析，根　

据要求调整坐标和标题即可，如图４所示。　

碘—暖光窿标准曲线　

图４碘一吸光度标准曲线　

５　结语　

科学计算和可视化软件是以数学为基础，通过　

计算机实现功能，理论上可以推广到以数学为工具　

的所有理工科领域。数量种类当然也不限于上述，　

文中仅介绍了一些广泛使用地普适性软件，并应用　

到一个简单实验的公式推导、数据处理、图表绘制一　

。　

８　６　

。

ｌ０２　

系列实验后处理过程中。　

褰　验　室　科　学　

实验科学与技术，２００８，６（３）：８７—８９．　

［２］杨珊．分析化学实验教学改革［Ｊ］．广州化工，２０１０，３８（１　１）：　

２１７—２１９．　

科学计算和可视化软件的引入化学实验教学，　

将会大大降低实验分析、数据处理和绘图的难度，有　

利于能力培养，提升效率，激发学生的学习热情。　

［３］许晶，徐宝荣．分析化学实践教学的改革与实践［Ｊ］．实验窒　

科学，２０１０，１３（１）：３３－３４，３７．　

［４］杨冬梅，王军．物理化学实验教学改革的总体设计及实践［Ｊ］．　

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［５］俞汝勤．漫谈分析化学教学改革与课程建设［Ｊ］．大学化学，　

２００８，２３（５）：卜６．　

对于大学师生科学技术的创新者，开源科学软　

件的使用，有助于减少因不能购买正版商业软件而　

使用盗版的现象，有助于培养版权意识；进而保护自　

己、尊重别人的研究成果，抑制学术界抄袭、侵权等　

不良风气。　

同时，随着计算技术的长足进步，科学计算逐渐　

成为除理论和实验外第三种科学研究方法　，在　

某些理论和实验难以进行领域大显身手。科学计算　

大大节省科研经费和缩短研究时间，科学计算和可视　

化技术的学习则有助于科学计算能力的形成。　

２１世纪已经进入信息时代，信息处理之于当代　

［６］　薛定宇，陈阳泉．高等应用数学问题的ＭＡＴＬＡＢ求解（第２　

版）［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００８．　

［７］　张平，马骁．共享智慧：开源软件知识产权问题解析［Ｍ］．北　

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［９］　陆金甫，关治．偏微分方程数值解法［Ｍ］．北京：清华大学出版　

社，２００９．　

［１０］　石钟慈．第三种科学方法：计算机时代的科学计算［Ｍ］．广　

州：暨南大学出版社，２０００．　

人如农业时代的铁器和犁耕、工业时代的热机，已经　

成为先进生产工具。可以预见，科学计算和可视化技　

术的推广和应用，将大力推进研究教学和人才培养。　

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　

［１］夏静芬，林建原，唐力，等．基础化学实验教学模式改革［ＪＩ　

收稿日期：２０１卜ｌ１－１１　

修改日期：２０１２—０３—０５　

作者简介：张凯龙（１９８４－），男，甘肃平凉人，硕士，讲师，研　

究方向为化学动动力学。　

（上接９８页）　

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活动等实践教学中的专业软件应用训练以及有意识　

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算机应用能力培养的延伸和递进，一方面提高了学　

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】５５．　

生的计算机实际应用能力，另一方面使学生的学习　

兴趣得到激发、科学研究能力、协作能力得到提高，　

就业市场竞争力得到增强。　

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　

［１］孙国富，李永梅，梁振．加强计算机在土木工程专业课程体系　

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武汉理工大学出版社，２０１０．２６３－２６６．　

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收稿日期：２０１１—１１—２８　

修改日期：２０１２—０２—２１　

作者简介：刘建平（１９７０－），女，江苏徐州人，硕士，副教授，　

主要从事土木工程专业的教学与研究。