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
這是一門跨校的課程(交大校區實體上課,其他校區網路上課),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%(10份作業,每份作業佔5%) 2. 期末專題作品佔50% (可以個人一組或是2~3人一組) 2-1. 5/5 專題的構想書(10%):瞭解每一小組專題構想的可行性 (a) 口頭報告(5%) (b) 繳交PPT(5%) 2-2. 5/26 專題的期中報告(10%):確定虛擬實驗設計專題的化合物與化學反應,熱力學參數的數值與初步測試的成果展示 (a) 口頭報告(5%) (b) 繳交PPT(5%) 2-3. 6/2 線上繳交期末作品(30%) (a) 虛擬化學實驗的軟體佔10分 (b) 虛擬活動解說請放置YouTube佔10分 (c) 書面報告(如同實驗報告的形式)佔10分 (1) 活動設計的想法與目的,如: 教學:學習練習何種知識或技巧 解題的遊戲:化學難題挑戰。 情境式的遊戲:鑑識化學故事情節 (2) 活動的化學理論介紹,如:需有何種先備知識 (3) 活動操作步驟 (4) 活動所需討論的問題或相關圖表
| 週次 | 主題 |
|---|---|
| 第 1 週 | 上課教室:計中PC3 13:20~13:50 簡介ChemCollective Virtual Labs與化學反應 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 ,HW1-稀釋溶液問題 HW2-以密度判斷金屬的種類 HW3-精準的配出不同顏色的化學藥品 1 |
| 第 2 週 | 【因應梅竹賽,24日下午停課一次】 |
| 第 3 週 | 上課教室:計中PC3 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。 實作練習 1 :Thermochemistry Problem 1 實作練習 2 : Experimentally determining the heat capacity of a solution 實作練習 3-1 :計算H_2 (g) 分解反應的∆G_rxn^° 實作練習 3-2 :計算H_2 (g) 分解反應系統的總自由能 |
| 第 4 週 | 上課教室:計中PC3 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。 實作HW 1 :量測鹽類飽和溶解度的熱力學資料 |
| 第 5 週 | 上課教室:計中PC3 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。 實作HW 1:HCl解離反應的計量係數矩陣與元素係數矩陣 實作HW 2 :配出100 ml pH=4.6 及 5.2 的乙酸緩衝溶液 |
| 第 6 週 | 上課教室:計中PC3 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 實作HW 1 :練習滴定已知弱酸 實作HW 2 :找出未知酸的濃度與pK_a |
| 第 7 週 | 上課教室:計中PC3 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 實作HW 1:修改「oracle.htm」的問題敘述 實作HW 2:修改「 Oracle Problem」 的活動設定 實作HW 3:修改「 Oracle Problem」的反應設定 實作HW 4:修改「 Oracle Problem」的物性設定 |
| 第 8 週 | 上課教室:計中PC3 深入瞭解 Virtual Labs程式 -- 虛擬化學實驗的設計案例 1 (分析化學一 複雜化學平衡的範例) |
| 第 9 週 | 上課教室:計中PC3 虛擬化學實驗的設計案例 2 -- 建置「檢驗未知鹼的濃度與K_b 」新活動 |
| 第 10 週 | 上課教室:計中PC3 虛擬化學實驗的設計案例 3 (設計與檢驗酸鹼指示劑--顏色的調配) |
| 第 11 週 | 上課教室:計中PC3 13:20~14:40 深入介紹Vlab的功能及熱力學參數表 休息10分鐘 14:50~15:10 虛擬化學實驗的設計案例 4 (多案例解說) |
| 第 12 週 | 上課教室:計中PC3 新設計虛擬化學實驗小組報告: 繳交專題的構想書及口頭報告 |
| 第 13 週 | 上課教室:計中PC3 13:20~14:10 化學平衡的演算法 1 -- 「計量係數」及「ΔG最小化」 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 14 週 | 停課一次 |
| 第 15 週 | 上課教室:計中PC3 新設計虛擬化學實驗小組報告: 繳交專題的期中報告及口頭報告 ----------------- 13:20~14:10 化學平衡的演算法 2 -- 「計量係數」及「ΔG最小化」 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 16 週 | 線上繳交期末作品(停課) |
| 第 17 週 | |
| 第 18 週 |
● 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