矿物加工计算化学课程建设探索与创新
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摘要：理论与计算化学作为强有力的研究工具，在资源环境、生命医药、新能源、新材料等重要领域中的应用日趋广泛，矿物加工计算化学应运而生。基于矿物工程专业特色，可以通过优化设计矿物加工计算化学的教学内容，变革教学方法，升级教学手段等策略进行课程建设的创新和探索。
关键词：矿物加工工程；矿物加工计算化学；课程建设
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）15-0095-02
随着高性能计算的飞速发展，理论与计算化学在矿物加工、化工冶金、资源环境等领域中的应用日趋广泛，成为强有力的研究工具。为了建设世界一流的矿物工程学科，进一步推进矿物加工科学与技术深入发展，中南大学矿物工程系顺应时代要求，开设了矿物加工计算化学（Mineral Processing Computational Chemistry，MPCC）研究生课程。基于矿物加工工程专业特色，我们根据该专业对理论与计算化学知识和方法的要求，通过优化设计MPCC的教学内容、变革教学方法、创新教学模式等策略进行了课程建设的创新和探索。
一、理论与计算化学的内涵
早期的化学研究主要依靠实验探索和经验总结，被认为是纯粹的实验科学。在化学科学的发展历上，物理学的有利促进使得化学走上了现代化学发展道路。[1]
理论与计算化学已经成为现代化学不可或缺的组成部分，研究的深度和广度都在不断扩大。从简单模型体系到复杂实际体系，从静态结构到动态过程，从基态到激发态，从线性过程到非线性过程……化学科学进入到了“实验方法、理论方法、计算方法”并重的新阶段。理论与计算模拟方法在实际的能源材料、生命医药、资源环境、化工冶金等重要领域中应用日益广泛深入，成为强有力乃至不可或缺的工具；能够提供在现代实验技术水平上很难甚至无法得到的分子微观结构和变化过程的细节信息，如界面的微观结构、化学键的变化、能量以及电荷的迁移等。[2]
二、矿物加工计算化学的诞生
MPCC是理论与计算化学和资源加工学的交叉前沿学科，是运用理论与计算化学相关的知识、方法和软件，针对资源加工相关体系的特点，基于先进实验表征建立的简化计算模型，从原子—分子层面深入其宏观现象的物理化学微观本质。MPCC包括选冶药剂的计算筛选和优化设计，高效选冶药剂分子的结构—性能关系，矿物晶体和矿物表面的结构、电子性质以及不同矿浆条件下矿物表面与溶剂/浮选药剂的选择性作用机理等。使用的理论与计算化学相关理论与方法包括：价键理论、分子轨道理论、晶体场理论、配位场理论、前线轨道理论、密度泛函理论、量子化学、分子动力学、化学热力学与统计力学、蒙特卡洛等。MPCC的研究内容可概括如下。
（一）浮选药剂分子设计
针对目的矿石的组成和分离要求，通过理论推导和计算模拟确定出浮选分离该矿石高效的浮选药剂（捕收剂、抑制剂、活化剂等）的分子结构或组成。浮选分子设计理论包括：浮选药剂结构和性能关系、浮选药剂极性基选择、浮选药剂非极性基结构设计、组装设计等方面的内容。
（二）矿物晶体与表面计算模拟
理论分析与计算模型需要抓住资源加工研究体系的关键要素，考虑真实的矿物界面结构（缺陷、位错、台阶、水化层等），抽象出更加合理的更加逼近真实的简化物理模型。
（三）矿物浮选多尺度计算模拟
浮选是一个复杂的物理化学过程，涉及固（矿物）、液（矿浆）、气（气泡）三相，需要采用多尺度模拟方法开展其相关物理化学微观基础机研究。
三、矿物加工计算化学教学内容的优化设计
理论与计算化学内涵丰富，偏重理论方法及其算法实现。[2]MPCC则强调理论与计算化学相关的理论、方法和软件在资源加工体系特别是浮选和湿法冶金体系的应用，希望其能够深入地解释实验，甚至能够去预测和指导实验。另外，MPCC只有32学时，不可能把理论与计算化学及其在资源加工体系的具体应用讲解得面面俱到，需要对其教学内容进行优化设计。
第一，考虑到矿物加工专业的研究生在物理、数学方面的基础较为薄弱，需要在矿物加工课程增加学习计算化学必要的数学和物理知识，如线性代数的特征方程、量子力学的基本假设，从而使得MPCC课程自成体系。
第二，考虑矿物加工专业学生的工程应用背景，需要对理论与计算化学的基础理论讲解得尽量通俗易懂，强调基本结论和基本的物理图像，淡化抽象的数理公式推导。
第三，为了增强学生的学习兴趣，通过讲解代表性的计算实例，强调增强同学们的学习兴趣；为了让学生真正掌握计算化学，强调计算化学的实用性，开设不小于10学时的上机实践课程。
第四，对计算化学的各种方法的优缺点以及适用范围给出明确的界定，让学生可以为感兴趣的计算体系选择合适有效的计算方法和计算参数。
四、矿物加工计算化学教学方法的变革
传统教学方法以教师为中心，学生的主体性常常被忽略，不利于学生自主学习和创新能力的培养。MPCC由于其抽象性和理论性的特点，不能简单地以老师讲述为主，而应该在教学中采用灵活多样的教学方法，通过启发式、互动式和讨论式等多种教学方法，引导学生课堂上积极思考，独立解决问题，提高教学质量。
（一）操作实践和基本原理相结合，增强学习效果
MPCC本身是一门理论性强、抽象概念多的交叉学科。把MPCC最新的研究成果以视频、图表的形式生动地贯穿到MPCC概念的讲解中，形象具体的事例会强化学生的理解过程，可以起到事半功倍的效果。[3]
（二）知识传授与方法指导相结合，重视学生主体，提升教学效果
MPCC是一门前沿交叉学科，理论方法体系在不断地更新和完善。教学的任务不仅仅是让学生“学会”，更重要的是要让学生“爱学、会学”，掌握学习的方法，培养学生的科学思维方法和自主学习的能力，提升教学效果。
五、矿物加工计算化学教学模式的创新
随着“互联网+”时代来临，翻转课堂、微课、慕课等新兴教学模式纷纷诞生。MPCC作为前沿交叉学科与新型教学模式具有天然的亲和性，可以充分利用先进的信息技术手段进行MPCC教学模式的探索和创新，提高教学质量。[4]
（一）“学讲”教学与微课教学相结合，提升MPCC课堂教学水平
“学讲”学生主体为主，教师引导为辅，可以很好地培养学生自主学习能力、合作能力和创新能力。微课，作为新兴的教育资源，具有交互性强、使用方便、主题突出等诸多优点。将“学讲”教学与微课教学有机结合，可以很好地提高MPCC课堂教学水平，提高学生学业水平。
（二）“上机”实践教学与翻转课堂教学相结合，提高MPCC“上机”教学质量
翻转课堂实现了知识传授和知识内化的颠倒。在课前完成完成传统课堂中知识的传授，知识和技能的内化则由原先课后做作业的活动转移至课堂中的学习活動。将“上机”实践教学与翻转课堂教学相结合，可以让同学们在课前就准备好相关的知识和技能储备，在上机的课堂上有针对性地掌握学习的难点和重点，从而大大提高MPCC“上机”教学质量。
六、结束语
MPCC作为一门前沿交叉学科，可以帮助矿物加相关研究从宏观走向微观，从现象到本质，提高我们科研的深度和品位。我们相信通过优化设计教学内容、变革教学方法、创新教学模式等策略进行课程建设的创新和探索，有望把MPCC打造成具有国际水平的研究生课程，助力中南大学矿物加工世界一流学科建设。
参考文献：
[1]陈敏伯.计算化学：从理论化学到分子模拟[M].科学出版社，2009.
[2]中国科学院.中国学科发展战略·理论与计算化学[M].科学出版社，2016.
[3]吕辉鸿，代任艳.矿物加工工程专业物理化学教学研究与实践[J].安微工业大学学报（社会科学版），2017，（01）：81-82.
[4]吴志鋐.十多年课程改之路：从探究课堂到翻转课堂[J].上海教育科研，2014，（08）：5-6.
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