虛擬化學實驗的原理與實踐
Principles and Practice of Virtual Chemistry Labs
| 節 | 週五 |
|---|---|
5 13:20–14:10 | 虛擬化學實驗的原理與實踐 2 節連堂 |
6 14:20–15:10 |
* 根據陽明交大上課時間表所列
這是一門全網路上課的課程,目的就是希望吸引不同領域對化學喜好的同學來一起玩一玩及探究一下「虛擬化學實驗室」。 課程一開始,我們將實地操作免費軟體「VLab.exe」(http://chemcollective.org/vlabs)去了解化學平衡的基本原理,進而利用此軟體設計新的化學實驗。希望幫忙同學想利用虛擬化學實驗室設計新的化學實驗教學活動。 接著,課程將探討虛擬化學實驗室程式中如何解決多重化學反應平衡的演算法,讓同學以EXCEL操作及練習這些演算法,希望幫忙想設計VR或AR的虛擬化學實驗室的同學儲備解決複雜化學反應平衡基本知識。 課程內容包括: 1. 複習熱力學的基本定理 2. 利用2D Virtual Labs 學習計量係數、熱化學、化學反應平衡及酸鹼滴定 3. 利用2D Virtual Labs 瞭解虛擬化學實驗的原理 4. 利用2D Virtual Labs設計新的化學實驗 4. 學習化學平衡計算的演算法
1. 修過化學的學生 2. 對HTML語言熟悉的學生 3. 如果熟悉其他電腦語言更佳
學期成績計算公式: 1. 隨堂作業的總平均佔50% 2. 期末作品佔50% (可以個人一組或是2~3人一組)
| 週次 | 主題 |
|---|---|
| 第 1 週 | 13:20~13:50 簡介ChemCollective Virtual Labs與化學反應 Webex上課資訊: https://nycu.webex.com/nycu/e.php?MTID=md0c3f4a29dd33c7eccfe6db8cb2451e4 參與者亦需知道會議密碼:1403 休息10分鐘 14:00~15:10 實作活動:認識如何操作虛擬化學實驗軟體 Virtual Labs ,並複習「基本化學知識」:濃度、密度與計量係數 |
| 第 2 週 | 13:20~14:10 熱力學與化學反應 休息10分鐘 14:20~15:10 實作活動:利用虛擬化學實驗軟體 Virtual Labs 計算化學反應焓。 |
| 第 3 週 | 13:20~14:10 化學計量係數、元素係數與線性獨立的反應方程式 休息10分鐘 14:20~15:10 實作活動 1. 實作HW 1 :找出何者 為反應物?何者為生成物? (20分) 2. 計量係數矩陣、元素係數矩陣與線性獨立反應式 。 |
| 第 4 週 | 13:20~14:10 平衡常數、反應商數與自由能 休息10分鐘 14:20~15:10 實作活動:利用 Virtual Labs計算化學反應焓∆H、∆S與∆G。 1. 檢驗Virtual Labs 計算化學反應焓與物質的熱力學資料的差異。 2. 查閱物質的熱力學資料,並預測化學反應與相變化 |
| 第 5 週 | 13:20~14:10 酸鹼反應平衡與酸解離常數 休息10分鐘 14:20~15:10 實作活動:利用 Virtual Labs計算酸鹼反應平衡的pH與酸解離常數。 |
| 第 6 週 | 13:20~14:10 酸鹼滴定、當量點與與酸解離常數 休息10分鐘 14:20~15:10 實作活動:利用 Virtual Labs進行酸鹼滴定計算當量點與與酸解離常數 |
| 第 7 週 | 13:20~14:10 沉澱溶解反應平衡與溶度積常數 休息10分鐘 14:20~15:10 實作活動:利用 Virtual Labs計算溶解度與溶度積常數。 |
| 第 8 週 | 13:20~14:10 簡介XML 休息10分鐘 14:20~15:10 深入瞭解 Virtual Labs程式 – 實驗儀器與化學藥品的設定,修改虛擬實驗活動 |
| 第 9 週 | 13:20~14:10 深入瞭解 Virtual Labs程式 休息10分鐘 14:20~15:10 輸入物質的熱力學基本資料、化學反應參數,建置新的虛擬化學實驗 |
| 第 10 週 | 13:20~14:10 單一反應平衡的演算法 -- 需要計量係數的解法 休息10分鐘 14:20~15:10 利用EXCEL計算單一反應平衡 1. 一維反應座標與平衡常數 2. 簡介 Newton-Raphson method 解非線性方程式的根 |
| 第 11 週 | 13:20~14:10 多反應平衡的演算法 -- 需要計量係數的解法 休息10分鐘 14:20~15:10 利用EXCEL計算多反應平衡 1. 2 或 3 維反應座標與平衡常數 2. 簡介 Newton-Raphson method 及 Jacobian matrix 解非線性方程式組的根 |
| 第 12 週 | 13:20~14:10 自由能最小值的演算法 3 -- 不需要計量係數的解法 休息10分鐘 14:20~15:10 1. 簡介 optimization and Lagrangian multiplier 2. 利用EXCEL solver 解出自由能的最低值(Minimization of free energy) |
| 第 13 週 | 案例一:設計教學使用的虛擬化學實驗 案例二:設計情境式解迷題的虛擬化學實驗 |
| 第 14 週 | 小組報告:新虛擬化學實驗的設計理念 |
| 第 15 週 | 小組報告及展示:新虛擬化學實驗的設計進度 |
| 第 16 週 | 端午節停課一次 線上繳交期末作品 |
● 參考教科書: 熱力學與化學反應平衡: 1. http://chemcollective.org/home 2. https://chem.libretexts.org/Courses/National_Chiao_Tung_University/Chemistry_2 3. https://pythonnumericalmethods.berkeley.edu/notebooks/Index.html 平衡常數的演算法: 1. Holub, R. and Voňka, P., The Chemical Equilibrium of Gaseous Systems, 1976, Dordrecht, the Netherlands : D. Reidel Publishing Company. 2. Zeggeren, F. V. and Storey, S. H., The Computation of Chemical Equilibria, 1970, London: Cambridge University Press. 3. Smith, W. R. Chemical reaction equilibrium analysis: Theory and algorithms, 1982, New York: John Wiley and Sons.
- 地點
- 科學二館SB331
- 時間
- 星期四上午9:00~10:00(須事先預約)
- 聯絡方式
- twli@nycu.edu.tw 校內分機:56584