ОПЫТ ПРЕПОДАВАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ХИМИЧЕСКОГО НАПРАВЛЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

Реализация современного высшего образования в России осуществляется согласно федеральным государственным образовательным стандартам (далее ФГОС), в которых утверждены «совокупность обязательных требований при реализации основных профессиональных образовательных программ высшего образования - программ бакалавриата по соответствующим направлениям подготовки». Согласно уровневой подготовки кадров с высшим образованием, аналогичные требования предъявляются и при реализации программ магистратуры.

Реализация программ бакалавриата по направлению подготовки 04.03.01 Химия, а также программ магистратуры по направлению подготовки 04.04.01 Химия, предполагает формирование определенного набора компетенций выпускника для выполнения профессиональной деятельности в установленных ФГОС областях и сферах. И следует отметить, что как универсальные, так и общепрофессиональные компетенции (а также и профессиональные компетенции, определяемые вузами самостоятельно) требуют формирования компетенций, использующих в дальнейшем компьютерные технологии в соответствующих областях и сферах профессиональной деятельности (химии). В частности, к таковым относятся требования к сформированности следующих компетенций:

УК-1. Способен осуществлять поиск, критический анализ и синтез информации, применять системный подход для решения поставленных задач.

ОПК-3. Способен применять расчетно-теоретические методы для изучения свойств веществ и процессов с их участием с использованием современной вычислительной техники.

ОПК-4. Способен планировать работы химической направленности, обрабатывать и интерпретировать полученные результаты с использованием теоретических знаний и практических навыков решения математических и физических задач.

ОПК-5. Способен понимать принципы работы современных информационных технологий и использовать их для решения задач профессиональной деятельности [1], [2].

Для успешного освоения программы обучения и формирования компетенций, связанных с компьютерной грамотностью при решении задач профессиональной деятельности, обучающемуся необходимо успешно освоить такие дисциплины учебного плана, как «Информатика», «Современные информационно-коммуникационные технологии», «Компьютерные технологии в химии», «Квантовая химия». В зависимости от выбранного профиля учебного плана, составленного в отдельно взятом учебном заведении, реализующем программы бакалавриата и магистратуры, набор дисциплин может быть достаточно широкий.

В Бирском филиале Башкирского государственного университета согласно утвержденным учебным планам направления 04.03.01 Химия, профили: Органическая и биоорганическая химия, Нефтехимия и химическая технология, формирование компетенций по компьютерной грамотности и использованию вычислительной техники в химии происходит в рамках освоения дисциплины «Компьютерные технологии в химии». Здесь подразумевается именно «химическая» направленность использования компьютерных технологий. Учебно-методическое сопровождение данной дисциплины разработано по модульно-блочной технологии и предполагает изучение двух модулей:

Модуль 1. Изучение дисциплины необходимо начать с повторения и закрепления общих вопросов состояния развития современной компьютерной техники и телекоммуникаций; архитектуры современного компьютера, его устройство и основные компоненты; информационные технологии, их структуру и классификацию; сети и сетевые информационные технологии; Интернет; программного обеспечения компьютерных технологий и т.д.

Модуль 2. После освоения первого модуля происходит изучение специализированного материала дисциплины, куда относятся: использование компьютера в современной химической лаборатории; создание и представление химических формул в 2D и 3D; компьютерное моделирование в химии; методы и средства обработки экспериментальных данных в химии; программные средства для квантово-химических расчетов; компьютерные технологии изучения свойств веществ и химических процессов; программные продукты и базы данных по химии; поиск химической информации в Интернете и т.д.

В преподавании дисциплины, также, как и при освоении её студентами, наибольшие затруднения возникают именно со вторым модулем. Проблемы и затруднения условно можно разделить на две основные составляющие:

1. Доступность программного обеспечения, используемого в химии и в химических лабораториях. Большая часть такого программного обеспечения является коммерчески распространяемым и достаточно дорогостоящим, что накладывает серьезные ограничения при приобретении как для персонального пользования, так и для учебных целей. Во многих вузах отмечается недостаточное финансирование для разового и ежегодного приобретения лицензий на программные пакеты специализированного направления.

Данная проблема частично решается приобретением для учебного использования демонстрационных версий программ, а также ряд разработчиков предоставляют учебные версии программного обеспечения для образовательных учреждений. Также не исключается возможность использования бесплатно и условно-бесплатно распространяемых программ. Естественно перечисленные варианты программ имеют ряд ограничений по функционалу, области применений и иные недостатки. Однако, при условии ознакомления обучающихся с перечисленными нюансами, такие версии программ допустимы для использования в учебных целях.

2. Методические затруднения в преподавании дисциплины со стороны преподавателя и сложности в усвоении материала дисциплины студентами. Программное обеспечение компьютерных технологий в химии является весьма узкоспециализированным, часть программ имеют специфический интерфейс и особенности использования, требуют достаточно глубоких знаний, как в химии, так и в информатике и математике. Ряд программ не имеют локализации на другие языки.

При изучении специализированных «химических» программ мы используем ряд методических приемов, позволяющих, на наш взгляд, улучшить усвоение студентами материала и облегчить труд преподавателя без потери качества.

Например, при изучении программных пакетов BioRadLabs (программы ChemWindow, SymApps), ACDLabs (программы ChemCketch, ChemBasic, ChemFolder и другие) для освоения навыков рисования химических структур и написания уравнений реакций используются опубликованные труды наших коллег, в частности, обзорные монографии по органической химии. Такой подход позволяет экономить время и ресурсы при подготовке заданий для группового и индивидуального выполнения, также расширяет знания студентов в специфических областях химии, реализует межпредметные связи химии с биологией, физикой и другими науками. Основной набор заданий для выполнения студентами при изучении программ включает в себя: освоение основных интерфейсных элементов; изучение функциональных возможностей и особенностей; настройку панелей и контрольных элементов; визуализацию химических структур в 2D и 3D; написание уравнений химических реакций; освоение особенностей отображения и представления химической информации. Углубленное изучение или дополнительный набор заданий может включать в себя изучение подпрограмм SymApps пакета BioRadLabs, предназначенную для 3D визуализации молекул; подпрограмм Name, 3D Viewer, ChemFolder, CNMR, HNMR и т.д. В любом случае необходимо включать в задания упражнения по отработке навыков наименований молекул по IUPAC, по структурной визуализации молекул, обработке спектров ЯМР 13С и 1Н.

Пакет BioRadLabs (программа ChemWindow) используется свободно распространяемой версии, а пакет ACDLabs (программа ChemCketch) – обучающая демоверсия с ограниченными возможностями. Оба программных пакета доступны для скачивания с официальных сайтов разработчиков [3], [4], [5].

Для обучения квантовохимическим расчетам используются программы GAMESS и HyperChem, которые обладают мощным набором инструментов для теоретических исследований в химии и сопоставления данных с экспериментом. [6], [7]

Программа GAMESS (General Atomic and Molecular Electronic Structure System), предназначенная для расчетов атомных и молекулярных структур, приобретена с бесплатной лицензией для академических пользователей через официальных разработчиков. Для обучающих целей используются неплохой набор учебных и демонстрационных материалов доступных на сайте разработчика. Примеры заданий, представленные в виде файлов PDF, позволяют произвести расчеты для молекул аммиака и глицина, что достаточно для ознакомления с программой.

Практические задания, разработанные нами, позволяют изучать следующие возможности программы GAMESS: возможность расчета молекулярных волновых функций методом самосогласованного поля в различных приближениях; учет энергии электронной корреляции на основе теории возмущений, конфигурационного взаимодействия, связанных кластеров и функционала плотности; возможность выполнения полуэмпирических расчетов методами MNDO, AM1 и PM3; автоматическая оптимизация геометрии, поиск переходных состояний с использованием аналитических градиентов; решение колебательной задачи – расчет частот валентных колебаний ИК- и спектров комбинационного рассеяния; вычисление молекулярных свойств, таких как дипольный момент, электростатический потенциал, электронная и спиновая плотность, анализ заселенностей по Малликену и Лёвдину; возможность моделирования влияния растворителя.

Программный комплекс HyperChem приобретен с коммерческой лицензией, обладает мощными вычислительными возможностями, дружественным графическим интерфейсом и содержит каталог молекулярных фрагментов (что существенно облегчает задание исходной геометрии). Справочные материалы, представленные с самой программой, содержат неплохой набор обучающих примеров и позволяют студенту самостоятельно освоить интерфейс программы и некоторые особенности работы с ней. Программа HyperChem может выполнять расчеты энергии систем и их равновесной геометрии методом молекулярной механики с использованием четырех модельных потенциалов (MM+, AMBER, BIO+ и OPLS), девятью полуэмпирическими квантово-химическими методами (расширенный метод Хюккеля, CNDO, INDO, MINDO3, MNDO, AM1, PM3, ZINDO/1 и ZINDO/S), или неэмпирическим (ab initio) методом квантовой химии в различных базисах. Однако следует отметить, что непосредственные квантовохимические и иные расчеты в программе изучать и проводить не имеет смысла, пока не будет пройдена дисциплина «Квантовая механика и квантовая теория», где рассматриваются теоретические особенности расчетных методов. Для простого пользователя и студента без знаний квантовой теории, такие термины и сокращения как HF/STO-3G, MP4, AM1 и другие, будут бессмысленным набором символов. Также нами используются ряд авторских разработок заданий по квантовохимическому расчету различных свойств органических молекул. Например, задание по теме «Полуэмпирические методы квантовой химии» предполагает следующий порядок работы: построение заданной структуры молекулы; оптимизацию геометрии молекулы методом молекулярной механики; выполнение расчета молекулы полуэмпирическим квантовым методом; интерпретацию результатов расчета. Последний пункт работы включает в себя оформленный студентом отчет в виде файла (pdf или doc), в котором должны содержаться: строение молекулы (общий вид молекулы с нумерацией атомов, длины связей и валентные углы); построение диаграмм энергетических уровней с графическим изображением высших занятых и низших свободных молекулярных орбиталей и указанием вкладов атомных орбиталей в них; определение нуклеофильных и электрофильных свойств; построение распределения электростатического потенциала и визуализацию неподеленных электронных пар; квантово-химические обоснование моделей резонансных структур.

Одной из современных и востребованных областей использования компьютерных технологий в химии также является расчет и предсказание биологической активности различных химических соединений. Компьютерный скрининг фармакологической и иной активности веществ позволяет сэкономить огромные временные и финансовые ресурсы при разработке лекарств, пестицидов, биодобавок и т.д. В учебных целях, на наш взгляд, наиболее удобным и перспективным является программный пакет PASS, доступный как в офлайн, так и онлайн режимах. Программа PASSOnline доступна в свободном режиме, обладает дружелюбным интерфейсом и позволяет достаточно быстро провести дескрипторный анализ биологической активности. Содержит встроенный редактор Marvin, позволяющий быстро и качественно вводить необходимые структуры для скрининга [8].

В рамках исследований совместной лаборатории с Уфимским институтом химии РАН студентами Бирского филиала БашГУ были проведены расчеты биологической активности ряда потенциально ценных макрогетероциклов, что также подчеркивает возможности как обучающей, так и научной ценности данного программного ресурса [9], [10].

В преподавании дисциплин, изучающих компьютерные технологии в химии, следует также обратить внимание на возможности программы Excel, входящей в пакет MSOffice. Excel обладает серьезными встроенными функциями для математической и статистической обработки данных, например, результатов измерений в химическом анализе – вычисление погрешностей, отклонений, доверительного интервала и т.д. [11].

Таким образом, преподавание дисциплин, содержащих использование компьютерных технологий в химии, позволяет реализовать компетентностный подход при обучении по естественнонаучным направлениям высшего образования, в частности по направлению 04.03.01 Химия.