计算化学学习指南

《计算化学》课程学习指南

计算化学学习基本要求：

在学习了化学系列基础课程之后，通过本课程的学习，掌握化学中常用的数值计算方法，并能利用计算方法来解决化学中和部分工程实践中的实际问题，学习中坚持理论与实践相结合，才能更深刻的理解与运用理论，并在解决实际问题中，掌握理论和方法，培养学习能力、实践能力和创新能力。

计算化学学习的难点：

学生学习计算化学时由于受原有化学、数学、计算机基础的制约，感到课程涉及知识面广，入门较慢。尤其是对各种化学、化工知识的综合应用及编程需要有一个熟悉的过程。坚持一定会有收获！

计算化学的研究方法：

传统意义上的计算化学要完成的任务一般包括以下几个方面：

1．量子结构计算，分子从头计算（Schrodinger方程的精确解）、半经验计算（Schrodinger方程的估计解）和分子力学计算（根据分子参数计算），属于量子化学和结构化学范畴；

2．物理化学参数的计算，包括反应焓、偶极矩、振动频率、反应自由能、反应速率等的理论计算，一般属于统计热力学范畴；

3．化学过程模拟和化工过程计算等。

但是随着科学的发展，要界定计算化学的范围是很困难的，因为它是化学学科现代化过程中新的生长点，它与迅速崛起的高科技关系密切，深受当今计算机及其网络技术飞速发展的影响，正处在迅速发展和不断演变之中，研究的侧重点也因研究者及其所处的学术环境、原有基础和人员的知识背景而异。在今后的一段时期内，计算机辅助结构解析、分子设计和合成路线设计将是计算化学的主题。尽管实际上计算化学覆盖的面还要广得多，比较公认的研究领域至少有：1．化学数据挖掘(Data mining)；

2．化学结构与化学反应的计算机处理技术；

3．计算机辅助分子设计；

4．计算机辅助合成路线设计；

5．计算机辅助化学过程综合与开发；

6．化学中的人工智能方法等。

无论计算化学涉及的内容多么广泛，其核心依然是数值计算问题。

本课程主要学习利用计算机解化学中的数值计算问题，一般包括以下几个步骤：

1．对所要解决的问题进行分析，将化学问题转变为数学模型，选择所需的计算方法；

问题分析是完成计算任务的基础，包括对问题所含物理化学意义的清楚认识。在进行数值计算时要量纲明确，保证计算步骤分解准确。采用的数学理论正确、计算方法合理有效。

2．写出解决问题的程序框图

根据分析结果给出程序框图是编写程序的基础和关键。写出清晰、流畅、准确的程序框图是任何计算机语言编写程序的必要步骤。程序框图的绘制要根据计算机运算的特点和编写代码程序的需要。

3．代码程序的编写

选择一种合适的计算机语言，运用该种语言将上述程序框图写成计算机程序（高级程序）。由于一种计算机语言往往有不同版本，适合于不同的编译平台，彩的程序代码要符合该编译平台的规范。

4．程序的调试和编译

一个计算机程序编写完成后，一般需要通过编译、调试和修改步骤，构成计算机可以识别的代码集，并找出问题，加以完善。编译和高度的方法依据不同的程序编译平台会略有不同。

5．试算分析，输出结果

调试得到执行程序后，用已知的算例去试算检查，分析结果正确无误码，才能用于未知的算例。

在计算化学中，数值计算是最常见的任务，其目的是将已知参数通过适当数学计算得到一个预期结果。在化学数值计算中需要解决的均是通过具有明确含义的物理化学公式或表达式能够解决的问题，即利用已知的或通过测量得到的信息，通过公式的计算，得到需要的物理化学量。

计算化学学习方法：

一、理论学习中要始终以程序框图为主线，从具体的实践问题出发进行分析。

二、既重视理论学习，又重视实践环节学习，作到理论学习与实践环节紧密配合，相互促进，在“做中学，学做合一”。

本课程实践环节：

上机实践（即单元作业：要求写出原理、框图、源程序、运行结果）

课堂讨论（就所讲授的计算方法与化学相关的问题进行讨论）

三、在理论学习与实践中，学会计算化学的研究方法，使之运用于科学研究与工作中，解决具体的化学问题。

四、适当复习学习中碰到的有关化学系列课、数学与计算机的知识

化学系列课：无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、结构化学。

数学：微积分、线性代数等。

计算机：操作系统的应用、Fortran语言、Python语言、C语言、VB语言编程等。