开源软件,助力化学教学

摘 要：随着开源软件的迅猛发展，其人性化和易操作性日益满足人们的需要，因而带动其渗透到各行各业中，中间不乏有助推教育技术发展的卓越成果。列举比较重要的开源软件在化学教育领域的应用，介绍各软件的特点以及性能，并展望其发展方向。

关键词：开源;化学;教学;软件

一、引言

化学教学的实践性和操作性很强，但是不是所有的实践都可以用文字描述、概括清楚，例如，反应机理的验证、复杂分子三维结构可视化等，因此、在进行理论教学的同时，需要利用计算机软件对理论知识进行说明，以加强学生对理论知识的理解和掌握。这样首先就面对一个软件选择的问题。尽管有许多软件可供选择，但大部分都是付费软件，与其相对应也有自由软件，但是很多都是试用版或者功能、时间限制版。随着开源软件的蓬勃发展，为化学教育提供新的多样性选择。开源软件即开放源代码的软件，是指在有关许可协议方式的规范下，任何人能够自由获得、拷贝、研究、改进以及分发其源代码的软件。广义的开源软件指任何公开源代码的软件。开源软件具备可免费使用以及公布源代码等主要特征、使用开源软件的优势在于学生一旦懂得操作，即可在工作中可以使用;与其相反，付费软件有可能因为没有购买版权，即使懂得操作也无法公开使用以及出版，不能够做到学以致用。开源软件从系统分，有DOS系统、Windows系统、Linux内核、以及跨平台如JAVA;从功能分，有资料提供软件、结构建模软件、化学编辑软件、反应机理软件、分子模拟软件等。开源软件目前主流仍旧在Linux系统，这对于初学者有一定的难度，但是随着Windows一统天下的局面终结，系统平台也趋于多元化，IE浏览器的终结伴随国外opera、Chrome、 firefox和国内Maxthon、360、QQ等群雄并起的局面，以及手机平台iOS和Android纵横驰骋，足可一见其斑。

二、开源软件在化学教学中的应用

ChemPaster是一款用于编辑化学式的软件，与同类软件相比，其对无机化学式和有机化学式都提供了完美的支持。无需生成中间档案便可将化学式插入各种主流文件处理程序中。提供基本绘图功能，可以直接实现仪器的绘制。提供许多绘制好的仪器图片。Math-o-mir是个强大的公式编辑器。FX Chem Struct提供给教师使用的化学图表工具，内置所有化学符号可供使用。Chemix是一个实验仪器仿真软件，类似Chemoffice实验模块的Flash程序。Veusz可以绘制各种科学图表，内包含Python程序库。

2.资料提供软件

常见的资料提供软件包括ChemHandbook、SCIfinder。与其对应开源软件有基于Java完成的Polyhedron Search可以利用化合物的多面体特征以及对称性进行网络搜索;HSC Chemistry是世界上使用最广泛的热化学计算应用软件。对于合成化学的教学，Systematichem Syntheses Viewer是一大福音，其内嵌的可视器与SysChem公司的网站数据库联合，提供常见目标产物的合成路线。Toxtree是一个有毒化合物的分析工具，可以通过插件对不同的制作方案进行分析，它使用Java编写，可以支持多平台。Kalzium是一个显示化学周期表的程序，还可以根据分子式显示元素的三维立体图，并测量原子之间的距离，其化学方程式配平器还可以实现将化学方程式配平。

3.结构建模软件

常见的付费结构建模软件包括ChemDraw、ChemWindow、Chemsketch、ISISDraw，其中Chemsketch是自由软件，但是更高一些功能则需要付费。在开源软件中，Avogadro是一个交叉平台上的开源的高级分子编辑器和显示程序，可以使用在计算化学、分子建模、生物信息学、材料科学和相关领域中。它提供了强大而灵活的插件功能，界面也非常的友好。GAMGI是用于linux上的一个图形界面来查看和分析原子结构信息程序，对于分子、晶体、玻璃、液体等也比较适合。对于大分子例如蛋白多糖等，可以采用CueMol可视化，它还可以看到分子3D结构并有渲染功能。PyMOL采用可扩展的模块方式，可以方便地集成到其他应用程序中。比较受欢迎的还有Rasmol和Jmol，这是一个相对较弱的三维显示软件。不过它不能编辑和创建分子模型，只有可视化功能。一般情况下，与ISISDraw连用。也可以单独使用，功能也比较简单，容易操作。有特色的是其跟踪日志功能，这里要注意Jmol的开发者特别约定了元素、残基、氢键等各种结构特征的颜色配置。WebLab Viewer Pro自身能够编辑和绘制分子模型，同样功能简单，除了拥有一般三维结构模拟软件的特点以外，它表现生物分子和晶体结构的能力应该说是同类软件中最强的。这就使一些蛋白质分子和高分子有了较为恰当的表示方法。SketchEI主要采用MDL和MOL格式搭建分子结构。另外，还有Chemitorium也是一个比较简单的结构建模程序。

4.反应机理软件

Kintecus通常用于模拟化学反应动力学，也可以研究燃烧反应的平衡和酶反应等。ChemMaths是一个化工计算软件，内嵌EquationsPro包含超过400预设的反应式，DataPro包含超过3000化合物，UnitsPro可以进行超过200个单位转换，ProsimGraphsPro可以展示化工过程，其可以预测化学性质、临界常数、热力学性质，表面拉力等。ReactionLab是一个用于Matlab的工具箱，用于模拟化学反应过程。PyQuante用python写成的量化计算软件。python是种脚本语言，所以，它的计算效率不如c、c++、fortran，因此，在对计算时间比较敏感的一些任务中，基本不可能用python。通常的计算化学软件，由于历史原因很多都是用fortran。Python在计算化学更多的是用来处理不是很大的数据，或者进行文件操作。虽然不像Jaguar，Gaussian或者GAMESS那样快，但是容易理解，易于修改。它目的是提供一组设计得很好的工具，使科学家可以构建自己的量子化学程序，而无需全部自己书写源代码。因此，它可以作为一个教学模型，学习量化程序包的底层机制。流体力学软件OpenFOAM与OpenFVM可用于化工设备中流体流动、传热、传质与反应的计算。

5.分子模拟软件

Towhee软件是明尼苏达大学化学系SiePmann小组在美国能源部支持的复杂体系研究项目的基础之上建立起来的， 由蒙特卡洛分子模拟代码组成，基本功能包括单组分、多组分吸附等温线;最先为预测流体相平衡而设计，主要使用基于特别设计的处理采样分子构象的算法的原子力场，随后扩展到一些系统、多种不同的力场以及固体（或者至少多孔性的）相中。另一个著名的是LAMMPS，最初由美国能源CRADA（Cooperative Research and Development Agreement）联合两家美国能源部实验室和三家公司研发的。 它是一个用于计算大规模体系的经典动力学代码。LAMMPS基于丰富的力场和边界条件，可以模拟原子、聚合物、生物、金属或者颗粒体系。GROMACS是分子动力学软件包，用于模拟含几百到几百万粒子体系的牛顿运动方程。它特别适用于生物分子，如，蛋白质、油脂等有大量复杂健作用的体系，但是由于GROMACS在计算非键作用（这占了模拟的主要部分）时相当快，因此，也可广泛应用于非生物体系，如聚合物。

三、总结

积极鼓励开源软件进入化学教育领域，特别是进入基础教育和高等教育领域，对于未来高端教育技术的跨越式发展无疑是一支强心剂。因此，肩负知识创新重担的年轻教师有责任也有义务在化学教育领域大力推广开源软件。

参考文献：

[1]叶海鹏.开源软件教育探析.软件导刊，2006（10）：3-6.

[2]张文正.开源软件在高校中的应用参考.现代教育技术，2008，18（10）：110-113.

[3]袁小龙，李晓霞，郭力，等.开源软件在化学数据库分子结构检索中的应用.计算机与应用化学，2008，25（09）：1144-1146.

[4]杨晓光.开源软件在化学工程学科中的应用初探.时代教育，2014（06）：25.

作者简介：叶国东，1972年出生，男，副教授，博士，广州医科大学药学院化学教研室。

基金项目：国家自然科学基金项目（项目批准号21274032）。